FPGA 技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探討 -以廣西科技大學(xué)電氣學(xué)院為例

FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建立討論——以廣西科技大學(xué)電氣學(xué)院為例〔〕:

摘要：FPGA技術(shù)是當(dāng)前微電子學(xué)科本科與研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可缺少的內(nèi)容。本文針對目前FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，對FPGA綜合實(shí)驗(yàn)平臺的建立進(jìn)展了需求分析和方案設(shè)計；根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，對FPGA實(shí)驗(yàn)平臺的軟硬件構(gòu)架進(jìn)展相應(yīng)設(shè)置，完善了FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建，進(jìn)步了FPGA實(shí)驗(yàn)室平臺的利用效率，也為進(jìn)步學(xué)生創(chuàng)新理論才能的培養(yǎng)打好了堅(jiān)實(shí)的根底。

關(guān)鍵詞：FPGA技術(shù)；實(shí)驗(yàn)室建立；電子教室管理；場地規(guī)劃

本文引用格式：李叔元，等.FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建立討論以廣西科技大學(xué)電氣學(xué)院為例[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(24):151-153.

DiscussionontheConstructionofFPGATechnologyLaboratory--TakingSchoolofElectricalandInformationEngineeringofGuangxiUniversityofScienceandTechnologyasanExample

LIShu-yuan,HUANGQing-nan,QINYong-xin,CHENWen-hui

(SchoolofElectricalandInformationEngineering,GuangxiUniversityofScienceandTechnology,Guangxi,Liuzhou)

Abstract:FPGAtechnologyisanindispensablecontentintheundergraduateandpostgraduateexperimentalteachingofthemicroelectronicssubject.AimingatthecurrentsituationofexperimentalteachingofFPGAtechnology,thispaperdiscussestherequirementanalysisandschemedesignabouttheconstructionoftheFPGAintegratedexperimentalplatform.Accordingtotheexistingexperimentalconditions,wesetupcorrespondinglythesoftwareandhardwareframeworkoftheFPGAexperimentalplatform,andwepletetheconstructionoftheFPGAintegratedexperimentalplatform,whichimprovestheutilizationefficiencyoftheFPGAexperimentalplatform.Ithaslaidasolidfoundationforimprovingstudents"innovativeandpracticalability.

Keywords:EDAtechnology;Laboratoryconstruction;Electronicclassroommanagement;Siteplanning

一引言

FPGA〔FieldProgramGateArray，現(xiàn)場可編程門陣列〕是集成電路中的重要門類，其應(yīng)用在通信、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、智能汽車以及物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算等領(lǐng)域飛速開展。而集成電路產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會開展的戰(zhàn)略性、根底性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。相比美國，我國外鄉(xiāng)的集成電路人才規(guī)模和質(zhì)量無法滿足產(chǎn)業(yè)的要求，主要存在FPGA人才缺口宏大、高校人才培養(yǎng)供應(yīng)嚴(yán)重缺乏、高端人才極其缺乏等問題。在這種嚴(yán)峻的人才培養(yǎng)形勢下，創(chuàng)造良好的FPGA人才培養(yǎng)環(huán)境、加強(qiáng)高校電氣類專業(yè)中FPGA技術(shù)的理論課程建立和進(jìn)步FPGA實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，已經(jīng)刻不容緩。

FPGA技術(shù)課程直接面向應(yīng)用開發(fā)，使學(xué)生通過該課程學(xué)習(xí)可以掌握可編程器件的使用和開發(fā)技能，可以直接面向工程理論并解決問題，完成電子系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計任務(wù)。其教學(xué)過程中以理論為主，注重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用設(shè)計才能和理論才能。FPGA技術(shù)已成為創(chuàng)新技能培養(yǎng)的重要內(nèi)容和各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計競賽中必備的設(shè)計技能。因此，在當(dāng)今應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目的體制下，加強(qiáng)FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的建立，為FPGA開發(fā)人才的培養(yǎng)建立良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生參與科研創(chuàng)新活動的興趣，提升創(chuàng)新理論成果的培育才能，進(jìn)步學(xué)生主動考慮問題和解決問題的才能，以及科技創(chuàng)新程度。

二FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室硬件及網(wǎng)絡(luò)建立規(guī)劃

〔一〕FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

每個FPGA實(shí)驗(yàn)平臺由一臺計算機(jī)、一套FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)開發(fā)裝置及配套的測試儀器構(gòu)成，其中FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)開發(fā)裝置是平臺中最關(guān)鍵的一環(huán)，其核心板上芯片型號的選擇與科技開展緊緊相扣，也與FPGA人才培養(yǎng)目的的高度保持聯(lián)絡(luò)。由于FPGA芯片的系列號越高，其內(nèi)置IP資源和性能就越好，F(xiàn)PGA技術(shù)課程內(nèi)容的深度和廣度也隨之可做靈敏的調(diào)整，使得學(xué)生在電子系統(tǒng)設(shè)計方面就可以多掌握更全面、更精湛的技能。所以在遵循FPGA技術(shù)教學(xué)大綱和學(xué)時限定的前提下，慎重選擇與培養(yǎng)目的相符的實(shí)驗(yàn)開發(fā)裝置上的FPGA芯片型號。

本實(shí)驗(yàn)室選用"KX_DN系列模塊化創(chuàng)新設(shè)計綜合實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)";實(shí)驗(yàn)箱，板載FPGA芯片為CycloneIII系列EP3C555E484C8，內(nèi)含55856個邏輯宏單元LCs(含55856個D觸發(fā)器)、260萬可編程嵌入式RAMbit、4個鎖相環(huán)等，以及配置Flash存儲器EPCS16?？砂尾宓墓δ苣K包含：矩陣鍵盤模塊、液晶屏模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、單片機(jī)模塊、VGA接口模塊等，該實(shí)驗(yàn)箱配套的開發(fā)軟件為QuartusII9.0，可以完成驗(yàn)證型、綜合型、設(shè)計型多種內(nèi)容和難度的實(shí)驗(yàn)。特別是綜合實(shí)驗(yàn)，涵蓋的課程包括數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計自動化、嵌入式系統(tǒng)、計算機(jī)組成原理、計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造、微機(jī)原理與接口技術(shù)、數(shù)字圖像處理等課程，為培養(yǎng)學(xué)生的電子系統(tǒng)設(shè)計才能提供了較為齊全的硬件準(zhǔn)備和靈敏的設(shè)計方案。

〔二〕FPGA實(shí)驗(yàn)場地設(shè)計

為了便于教師施行交互性良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開展良好的師生交流，充分發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用，F(xiàn)PGA實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式最好是采用小班教學(xué)，同時對實(shí)驗(yàn)場地的布置也事關(guān)重要。FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室一般按照一個自然班的學(xué)生數(shù)確定FPGA實(shí)驗(yàn)平臺的數(shù)量，數(shù)量控制在40套以內(nèi)。假設(shè)按照兩個自然班的學(xué)生數(shù)來確定實(shí)驗(yàn)平臺的數(shù)量，需要一個200平以上的大型實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)臺按行列整齊放置，每列中間或旁邊都留過道，便于教師進(jìn)展單獨(dú)指導(dǎo)。FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室布局如圖1所示。

為了便于教學(xué)和管理的需要，還需要對FPGA實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)展編號，包括實(shí)驗(yàn)桌編號、FPGA實(shí)驗(yàn)開發(fā)裝置編號、計算機(jī)編號、計算機(jī)開機(jī)桌面的編號最后保持一致。統(tǒng)一編號帶來的好處如：上課前，查看未上線、未連接的學(xué)活力，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀況；上課時，查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，收作業(yè)的情況；考試時，可以迅速查找未提交的試卷。

〔三〕FPGA實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)建立

隨著電子技術(shù)的飛速開展，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件不斷晉級，對計算機(jī)平臺和實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)絡(luò)的要求越來越高。FPGA實(shí)驗(yàn)平臺的計算機(jī)部件最好采用主流配置。目前，主流CPU在i5以上，內(nèi)存8G以上，硬盤1T以上。同時，由于晉級后的FPGA軟件包越來越大，用百兆的網(wǎng)線傳輸，一個軟件包可能需要一天的時間，用千兆的交換機(jī)、千兆的網(wǎng)線也得需要一個小時的時間才可完成傳輸任務(wù)。假設(shè)需要聯(lián)接外網(wǎng)，還得采用千兆的路由器。為了滿足FPGA實(shí)驗(yàn)的教學(xué)需求，路由器、交換機(jī)、網(wǎng)線必須同時采用千兆的參數(shù)。

三FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室軟件建立規(guī)劃

〔一〕FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的教室管理系統(tǒng)

為了更高效地施行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)室的教師機(jī)非常有必要安裝電子教室管理軟件。電子教室軟件具有豐富的功能，包含：1.遠(yuǎn)程控制功能，包括翻開學(xué)活力、關(guān)閉學(xué)活力；2.點(diǎn)名功能，上課時可以對學(xué)生進(jìn)展點(diǎn)名，并將點(diǎn)名信息進(jìn)展記錄；3.播送功能，教師通過播送向?qū)W活力傳播課程內(nèi)容；4.分發(fā)文件、收取文件功能；5.鎖定、黑屏功能，比方學(xué)活力有玩游戲、聊天的與學(xué)習(xí)無關(guān)的異常的行為，可以進(jìn)展鎖定，黑屏的功能多用于考試開始前和考試終止，黑屏的圖案可以采用圖片、文字提示，比方"保持安靜";、"考試完畢";等。同時，學(xué)活力也可通過電子教室管理軟件向教師機(jī)進(jìn)展提交作業(yè)。

教師機(jī)也可以通過電子教室分發(fā)軟件安裝包至學(xué)活力。假設(shè)軟件包安裝過程簡單，管理員可自行逐個安裝。假設(shè)軟件包安裝復(fù)雜，需要采用編寫腳本的方式進(jìn)展自動化安裝。腳本可以采用命令行的腳本，也可采用記錄鼠標(biāo)鍵盤動作的腳本完成軟件包的安裝。通過合理的腳本設(shè)計，完成學(xué)活力軟件的自動化安裝及軟件配置。

〔二〕FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的電腦平安管理

由于U盤等便攜式存儲器的廣泛使用，導(dǎo)致學(xué)校機(jī)房成為計算機(jī)病毒的重災(zāi)區(qū)。為防止病毒泛濫入侵電子教室管理系統(tǒng)，計算機(jī)的硬盤系統(tǒng)必須進(jìn)展嚴(yán)格管理。硬盤的分區(qū)劃分為系統(tǒng)分區(qū)、數(shù)據(jù)分區(qū)和備份分區(qū)。備份分區(qū)可采用人工劃分，也可采用軟件劃分。系統(tǒng)分區(qū)在安裝操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序之后，應(yīng)設(shè)定復(fù)原方式。系統(tǒng)分區(qū)采用每次啟動都復(fù)原的方式，杜絕病毒程序的影響。網(wǎng)絡(luò)同傳及備份復(fù)原軟件可以采用聯(lián)想或者惠普自帶的軟件，也可以采用第三方軟件三茗軟件。

四小結(jié)

本校的FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建成后，已經(jīng)獲得了一些階段性成果，在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、電子競賽及科研環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要的作用。既可以滿足所有本科課程實(shí)驗(yàn)與設(shè)計要求，又能與其它設(shè)備配合使用進(jìn)展復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計；也可以滿足研究生教學(xué)理論活動和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)競賽的需要，拓寬研究生在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的知識應(yīng)用才能與工程理論才能的廣度與深度?？傊?，本FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的建立，可以實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)過程中的"軟硬并重";，從而顯著進(jìn)步理論課程的教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生參與科研創(chuàng)新活動的興趣，進(jìn)步學(xué)生科技創(chuàng)新程度和動手才能，進(jìn)而為我國集成電路行業(yè)培養(yǎng)更多的優(yōu)