電子信息教學(xué)水平提升綜述

1、電子信息教學(xué)水平提升綜述 作者：陶丹 何賓 單位：北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 業(yè)界廠商全程參與業(yè)界廠商積極地參與到電子競賽前的專題培訓(xùn)，有利地推動了新技術(shù)的推廣普及和應(yīng)用。美國xilinx公司對這次全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽大賽區(qū)的p-soc專題培訓(xùn)給予了全程的支持。在培訓(xùn)期間，他們向各個參加培訓(xùn)的學(xué)校免費捐贈了最新的ise131設(shè)計套件、基于spartan-6器件的nexys3板卡以及相關(guān)配套的教學(xué)資源，這些軟件和硬件平臺充分反映了fpga設(shè)計技術(shù)的最新發(fā)展方向，使教師可以更全面地了解相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)和最新的設(shè)計方法。 培養(yǎng)學(xué)生工程能力這種競賽前教師集中培訓(xùn)的

2、形式使得教師可以有針對性的指導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生在競賽的準(zhǔn)備過程中得到系統(tǒng)工程化的訓(xùn)練。這次多省區(qū)的專題培訓(xùn)內(nèi)容主要涉及:基于fpga的數(shù)模混合系統(tǒng)的設(shè)計和基于fpga的片上可編程系統(tǒng)設(shè)計兩方面內(nèi)容。這些內(nèi)容貫穿了電子類課程的公共基本知識點和相關(guān)專業(yè)課程的內(nèi)容。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下運用所學(xué)的知識以及掌握的新技術(shù)和設(shè)計平臺，基于系統(tǒng)建模的方法，實現(xiàn)一個具有創(chuàng)意的設(shè)計。通過這個過程，學(xué)生能夠充分地掌握建模這一重要的方法，明白系統(tǒng)建模和具體實現(xiàn)之間的有機聯(lián)系。 開放式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺北化xilinx學(xué)習(xí)社區(qū)(網(wǎng)址:http:/buctedaeefocuscom)主要目的即配合大學(xué)生電子設(shè)計競賽開展相關(guān)網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)工

3、作。該開放式平臺將原有的課堂教學(xué)和課外實踐教學(xué)模式，改變成集課堂教學(xué)、科學(xué)研究和創(chuàng)新實踐相結(jié)合的全程化教學(xué)模式2，對學(xué)校相關(guān)課程的課堂教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新實踐活動以及相關(guān)電子競賽起到良好的支撐作用。自該社區(qū)創(chuàng)建以來，訪問量已經(jīng)突破12萬人次，成為重要的免費教學(xué)資源平臺。該平臺提供了論壇、問答、郵件群發(fā)和個人博客等開放式交流互動模式。學(xué)生在競賽設(shè)計中通過組織學(xué)習(xí)素材、參與討論話題、分享經(jīng)驗心得和形成競賽成果等，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)、團隊協(xié)作意識以及實踐創(chuàng)新能力。網(wǎng)站所有競賽培訓(xùn)的資料面向高校師生免費下載使用，并在線解答師生在學(xué)習(xí)使用過程中所遇到的各種問題。 1介紹soc的關(guān)鍵技術(shù)和特點1)soc設(shè)計技術(shù)實際上

4、是軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計，即在硅片上通過布局和布線在fpga內(nèi)實現(xiàn)硬件平臺。這個芯片內(nèi)的硬件平臺包含:軟核處理器、塊存儲器、外設(shè)控制器知識產(chǎn)權(quán)核(ip)等資源。這些ip核資源通過互連線資源，在fpga芯片內(nèi)進行互聯(lián)。soc實質(zhì)上就是若干ip核在硅片上的互聯(lián)。2)在基于fpga實現(xiàn)p-soc的設(shè)計階段，是以c語言為代表的高級語言為中心的軟件設(shè)計，而傳統(tǒng)數(shù)字邏輯使用的hdl在這里處于配角地位。這是由于在該設(shè)計階段，hdl語言用于構(gòu)建各種ip核資源，而最終的目的是通過軟件來驅(qū)動硬件平臺工作。3)p-soc的最大特點是硬件加速，即將一些非常耗時的軟件算法，比如fft、mp4等，轉(zhuǎn)換成使用hdl語言構(gòu)建的

5、硬件ip核來實現(xiàn)。這樣在p-soc內(nèi)就實現(xiàn)了微處理器的串行處理和硬件ip邏輯并行處理的完美結(jié)合，提高了嵌入式系統(tǒng)的整體性能。 2在p-soc內(nèi)實現(xiàn)7段數(shù)碼管的驅(qū)動顯示 在理論講解同時，通過具體的設(shè)計案例說明軟件和硬件協(xié)同工作、并行處理和串行處理的設(shè)計思想。該驅(qū)動顯示案例包含硬件ip設(shè)計和軟件程序設(shè)計兩個部分:使用hdl語言在p-soc內(nèi)構(gòu)建7段數(shù)碼管的硬件驅(qū)動ip核;用軟件程序?qū)⑿枰@示的數(shù)據(jù)寫入到硬件驅(qū)動ip核的寄存器中。該設(shè)計案例的重點在于說明在p-soc內(nèi)實現(xiàn)軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計的方法，即劃分實現(xiàn)該設(shè)計的軟件和硬件邊界。通過這個案例，也將p-soc技術(shù)與傳統(tǒng)的單片機和純數(shù)字邏輯實現(xiàn)方式進

6、行比較，來說明soc的優(yōu)勢和特點。傳統(tǒng)單片機使用軟件通過控制外設(shè)端口實現(xiàn)對7段數(shù)碼管的顯示控制，數(shù)字邏輯使用hdl通過數(shù)字邏輯電路實現(xiàn)7段數(shù)碼管的顯示控制。這兩種傳統(tǒng)的方式遠遠不能滿足嵌入式系統(tǒng)對系統(tǒng)設(shè)計靈活性的要求?；谧钚碌膒-soc平臺，可以根據(jù)性能要求，通過硬件ip核和軟件的協(xié)同工作來實現(xiàn)。該設(shè)計案例中，通過hdl定制ip核實現(xiàn)對7段數(shù)碼管的精確的時序控制，用軟件實現(xiàn)將需要顯示的數(shù)據(jù)寫入7段數(shù)碼管控制器ip核內(nèi)的控制寄存器中。 3基于xilinx的嵌入式設(shè)計套件edk設(shè)計流程 本文通過具體實現(xiàn)過程，來說明軟件的使用方法，以及設(shè)計過程所滲透的先進設(shè)計理念。我們在xps開發(fā)環(huán)境中采用如下方

7、法實現(xiàn)片上嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建。1)這個設(shè)計通過使用基本系統(tǒng)設(shè)計向?qū)崿F(xiàn)最小的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，這個實現(xiàn)過程包括:目標(biāo)板的選擇，cpu頻率的設(shè)定、塊存儲器容量的選擇和外設(shè)控制器的選擇等步驟。當(dāng)最小系統(tǒng)構(gòu)建完成后，通過實現(xiàn)細節(jié)來說明p-soc系統(tǒng)和微機原理課堂教學(xué)之間的有機聯(lián)系。這樣教師就理解為什么p-soc實質(zhì)就是在硅片上實現(xiàn)微機原理。通過介紹說明這個實現(xiàn)過程是強調(diào)系統(tǒng)級設(shè)計，而微機原理課程的教學(xué)強調(diào)具體實現(xiàn)細節(jié)。這種基于p-soc的系統(tǒng)級設(shè)計，可以使教師和學(xué)生更好的從系統(tǒng)上把握嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。2)通過創(chuàng)建和導(dǎo)入外設(shè)向?qū)?，介紹ip核生成技術(shù)。從微機原理的角度來說，定制ip實際上就是通過hdl語

8、言來設(shè)計一個專用的外設(shè)控制器。而在微機原理課程中，只是介紹如何寫控制命令字，而不涉及芯片內(nèi)將這些控制命令轉(zhuǎn)換成具體的邏輯行為的方法。從這個角度來說，基于p-soc的系統(tǒng)設(shè)計比微機原理課程能看到更多系統(tǒng)實現(xiàn)的細節(jié)問題。3)在生成的ip核模板內(nèi)，使用hdl語言添加用戶端口和7段數(shù)碼管的硬件驅(qū)動邏輯，目的是將寄存器保存的軟件給出的數(shù)據(jù)，正確地顯示在7段數(shù)碼管上。在此設(shè)計過程中，教師，尤其是學(xué)生，能夠更好地理解軟件和硬件用于實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的邊界問題。4)驗證ip功能正確后，將其添加到最小系統(tǒng)中，并使用xps軟件自動完成總線連接、地址分配等。此過程使教師清楚p-soc系統(tǒng)的優(yōu)勢在于定制，即可以根據(jù)應(yīng)用的要

9、求設(shè)計特殊的外設(shè)控制器來滿足應(yīng)用的要求，這也是p-soc技術(shù)比單片機和其它實現(xiàn)方式更具有優(yōu)勢的地方。5)xilinx的edk軟件套件，體現(xiàn)著生態(tài)系統(tǒng)的重要思想，即設(shè)計重用，設(shè)計復(fù)用和節(jié)約設(shè)計資源。同時還體現(xiàn)著軟件和硬件協(xié)同設(shè)計的思想，即在xps中實現(xiàn)硬件平臺的設(shè)計，sdk軟件實現(xiàn)軟件應(yīng)用程序的設(shè)計，大大提高了設(shè)計效率。 4生成的比例流導(dǎo)入到sdk軟件當(dāng)完成片上硬件平臺的設(shè)計后，將生成的硬件平臺比特流文件導(dǎo)入到sdk軟件中，sdk軟件自動生成板極支持包和應(yīng)用程序模板，根據(jù)需要可以修改應(yīng)用程序模板。最后，將生成的硬件和軟件比特流一起下載代碼到fpga芯片中。#p#分頁標(biāo)題#e# 在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，除關(guān)注設(shè)計的細節(jié)外，更重要的是通過教師的指導(dǎo)，讓學(xué)生能夠獨立完成系統(tǒng)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并解決問題。對學(xué)生來說，既可以鞏固所學(xué)的理論知識，又可以提升自身解決工程問題的能力。通過使用這些典型案例的集中培訓(xùn)和對教師的指導(dǎo)，使教師很容易地將基礎(chǔ)知識和新技術(shù)之間聯(lián)系起來，能深刻地體會到使用新技術(shù)所帶來的工程設(shè)計效率和系統(tǒng)可靠性的提高。這樣，就可以對不同層次的學(xué)生因材施教，在理論和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，使用新技術(shù)來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)