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基于构件化的FPGA实践平台开发应用 思想，其主旨是强化在FPGA教学过程中学生的主体地位，充分发挥学生的主观能动性和创建性，强调互动性和亲历性。针对目前FPGA教学中的主要内容及主要问题，提出了改进的教学方法，并构建了构件化的实践平台。通过学生的亲身体验，大大激发了学生的学习爱好，提高了学生面对社会的适应实力。 关键词：体验式；可编程器件；FPGA；构件化 中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1017-007924-0069-03 随着计算机技术、电子技术及IC技术的高速发展，集成电路的设计正朝着速度快、性能高、容量大、体积小和微功耗的方向发展，这种改变势必会导致集成电路的设计规模日益增大、困难程度日益增高。FPGA是现场可编程器件的重要一员，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上发展起来的产物。FPGA设计及应用是微电子学专业及电子相关类专业学生的一门专业课，也是后续学好SOPC技术及嵌入式系统的基础，具有很强的实践性。现在许多高等院校都开设了“FPGA设计及应用”课程。该课程的实践性较强，在理论教学的同时，应支配足够的试验课时，以培育学生的动手实力和创建力。通过对FPGA的学习，应能使学生了解FPGA器件结构、特性，驾驭设计方法，最终达到能进行简洁的数字系统设计，并能对所设计的电子系统进行模拟仿真或在试验开发板上硬件实现。 一、FPGA教学中的主要内容1 FPGA教学的主要内容包括理论教学部分和实践教学环节两部分。理论部分主要涉及可编程器件的介绍、TOP-DOWN开发流程、硬件描述语言、EDA软件的学习、FPGA设计中基本问题的分析及解决。 1.可编程器件的学习 在介绍FPGA之前，先介绍简洁低密度器件的三种结构可编程逻辑阵列、可编程阵列逻辑、通用阵列逻辑的器件结构及编程原理，然后学习困难可编程器件，学习它们之间的结构差异及共同点，最终再学习与CPLD相像，但困难度远远高于SPLD和CPLD的FPGA，学习其基本组成、工作原理、配置技术等。通过该阶段的学习，应能使学生了解各类公司FPGA器件的结构、特性及产品性价比，为后续FPGA实践开发平台的核心器件的选型做好打算。 2.FPGA通用TOP-DOWN开发流程 FPGA的设计多采纳自顶向下的设计方法，属于现代设计方法。首先要自顶向下生成各设计层次，将设计任务分解为若干不同的功能元件，每个元件具有特定的输入输出接口，并具备特定的逻辑或时序功能；接着依据设计任务将各功能元件有机的组成顶层模块、次顶层模块，以此类推；最终设计其中的各个元件。自顶向下设计的各个层次，其描述方式既可以采纳图形、VHDL语言进行设计描述，也可以采纳混合描述方式完成设计任务。 3.硬件描述语言2 目前国际最流行的已成为IEEE标准的两种硬件描述语言是VHDL和VERILOG，两种HDL各具特色。相比较而言，VHDL更加注意设计理念、语法严谨、结构困难，适合军事、航天等专业领域。VERILOG简洁易懂、结构简洁，接近于C语言。无论选择哪种硬件描述语言，它们都是高速集成电路的硬件描述语言，即用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统描述相比，它更适合大规模系统的设计。在学习中除了要驾驭必要的硬件描述语句之外，应重点驾驭它与常规的高级语言的区分，是如何描述硬件电路的，区分哪些语句仅仅是用于算法仿真，哪些语言具有可综合的特性，信号和变量的区分，如何简化电路结构、优化电路设计等，为后续FPGA平台的设计打下良好的基础。 4.EDA软件的学习 ModelSim功能仿真软件。ModelSim仿真工具是Mentor公司开发的，支持VERILOG、VHDL以及它们的混合仿真，可以将整个程序分步执行，使设计者干脆看到程序下一步要执行的语句，而且在程序执行的任何步骤任何时刻都可以查看随意变量的当前值，可以在Dataflow窗口查看某一单元或模块的输入输出的连续改变等，比Quartus自带的仿真器功能强大得多，是目前业界最通用的仿真器之一。它可以完全脱离硬件环境完成仿真，是学生学好硬件描述语言必需要驾驭的EDA工具。 Quartus集成开发环境。Quartus II是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VERILOG以及AHDL等多种设计输入形式，内嵌综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上运用，除了可以运用脚本完成设计流程外，还供应了完善的用户图形界面设计方式，具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点，是基于Altera器件FPGA开发必备的学习软件。 5.FPGA设计中基本问题的分析及解决 在FPGA的设计中，时钟、毛刺、时延等问题是长期困扰电子设计工程师的问题之一，是影响工程师设计效率和数字系统有效性与牢靠性的主要因素，而这些基本问题的处理是否得当，干脆影响系统的正常运行。在时钟的设计中，主要处理好全局时钟、门控时钟、多时钟系统刚好钟歪斜问题。在毛刺的问题上，主要解决毛刺的发觉和毛刺的消退方法，包括利用冗余项、采样法及汲取法完成毛刺的处理。大部分FPGA器件都为时钟、复位、预置等信号供应特别的全局布线资源。充分利用这些资源，可以削减电路中的毛刺并且大大提高设计电路的性能。 二、目前存在的问题3 1.FPGA实践教学的不足 由于FPGA本身涉及的内容较广，须要学习的理论学问较多，再加上学校试验条件以及授课学时的限制，使得理论教学多于实践，两者不能很好地结合，学生在学习过程中往往注意理论的学习，而忽视了实践熬炼。 2.FPGA教学中存在“重软轻硬”的现象 目前高校的FPGA试验设备绝大多数是购买由专业公司开发的FPGA试验箱。硬件集成度高，功能齐全，因此学生在进行试验时通常不用进行硬件设计，而是干脆进行软件试验、连接和调试。这样的试验会使学生偏重FPGA的软件设计和调试，从而造成对FPGA硬件设计的不娴熟甚至不重视。 3.FPGA课程试验功能过于单一 FPGA课程试验是以进行基本的FPGA验证性试验为主。这些试验对于初学者熟识和驾驭FPGA器件及其设计流程是必要的，但课程试验设置中综合性试验不足，针对FPGA器件和其他处理器综合应用的试验更是缺乏。明显，这样不利于提高学生FPGA的应用水平。 三、FPGA教学方法改进4-6 第一，项目驱动教学。将项目驱动法引入到FPGA实践教学当中，就是要结合详细课题或项目，把所要讲授的各项理论学问和实践技能按由浅入深、按部就班的原则分解到一个个试验任务中，让学生在规定时间内依次完成项目教学任务，并遵循全国高校生电子设计竞赛的形式和设计要求。首先应确定一个总任务，然后依据总任务将其进行详细的分解，在各个任务的依次支配上，必需合理根据教学进度，在理论教学的基础上，将项目驱动教学方法贯彻在整个教学过程中，使学生有目的的学习。 其次，以基础试验为前提，融入综合试验。在保证现有FPGA课程基础性试验教学的基础上，适当引入FPGA器件与其他处理器综合应用的试验，以夯实学生FPGA的综合应用实力。 第三，“自制”实践教学平台的创建。“自制”实践教学平台的创建是以老师为主导、学生参加的方式，让学生有机会接触到最新电路组成与设计方面的学问，增加理论学问向工程设计的转化，侧重学问传授与创新实力的培育。FPGA实践教学平台的设计具有超前意识的设计性和综合性试验体系，可以让学生自行设计，并充分发挥学生的潜力，实现体验式教学。 四、创建实践教学平台的基本原则 1.强化自主创新，体现教学特点7，8 FPGA创新开发试验教学平台设计的核心在于培育学生的自主创新实力，目标是培育驾驭自主学问产权系统设计技术及创新设计实力的人才。目前有些项目设计完成后，尽管包含一些前人未曾有过的创新，甚至可以拥有自己的学问产权，但却没有完全自主学问产权的项目。因此，创新实力的培育绝不能脱离自主创建设计实力的培育，没有了自主的创新便不是真正意义上的创新。 2.兼顾工程设计的要求 创新试验平台采纳工程化设计规范与业界正在运用的开发工具兼容，并追踪FPGA系统国际流行趋势。创新试验平台除了应满意FPGA技术课程试验和课程设计的要求外，还要满意高校生课外创新活动、毕业设计及全国高校生电子竞赛的需求。首先通过软件编程调试和软件的前、后功能仿真，让学生巩固驾驭TOP-DOWN软件设计方法以及电路设计原理，然后通过FPGA开发板进行实际电路的设计制作，最终使学生驾驭基本的FPGA应用技能，培育学生的实践和创新实力，检验课堂教学效果，促进教学质量的提高。 3.构件化的设计 当前电子类教学改革的重点是要摆脱传统试验教学的既定验证模式，摆脱电子设计依靠独立器件的束缚，让学生在系统的高度来进行统筹和设计，使其具有较强的软硬件协同设计实力。构件化的创新试验平台各功能模块相对独立，不但能适应当前的试验要求，而且能够经过不同的功能组件满意新技术和新试验的要求，做到既有固定电路可用，又能自行扩展电路，满意二次开发和升级，达到让学生亲自去体验、提高学生实际操作实力的目的。 五、构件化教学平台的基本框架设计9 可编程逻辑器件是整个试验平台的核心器件，依据目标定位选择市场上性价比较好的FPGA，最终选中ALTERA公司Cyclone II系列的低成本、低功耗器件作为主芯片，其详细型号为EP2C5T144C8。该FPGA芯片具有4608个逻辑单元，1110108BIT RAM，26个9×9 bit嵌入式乘法器、2个PLL和8个全局时钟，内部资源丰富，可以满意消费类、工业类、汽车业、计算机和通信类产品及相关应用。整个试验平台分为核心板和功能组件扩展板。 1.FPGA最小系统设计 Cyclone II核心芯片采纳扩展卡设计，便利升级、更换，也可以作为最小系统运用。包括电源、FPGA主芯片、EPC16配置芯片、128MbitsSDRAM存储器、JTAG和AS下载接口。详细框架原理见图1。 2.FPGA功能扩展板的设计 功能扩展板设计的总体法则是满意教学基本要求、综合试验及学生电子竞赛的要求。扩展模块分为三大类：数字部件扩展功能接口、模拟部件扩展接口、通信部件扩展接口。其中在数字部件扩展功能接口中，主要包含16*16点阵电路、交通灯电路、4*4键盘电路、4*8数码管电路、8个LED显示及拨码开关，在此功能平台上可以完成一些基本数字电路的设计，包括一些门电路、编码器、译码器、数据安排器的设计，其详细框架如图2所示。 模拟部件、通信部件和FPGA核心板组合运用，可以完成一些小型综合试验，包括直流电机的限制、步进电机的限制、FLASH芯片存储的读写、温度传感器的信号采集等试验。通信接口扩展口主要完成FPGA和外围器件的通讯与交换功能，包括单片机、ARM或其他工控设备的连接。此扩展板可以用于一些综合试验的完成，比如远程限制功能的DCS限制系统，其详细框图如图3、4所示。 六、构件化的FPGA实践平台的试验功能 在西安科技高校电气与限制工程学院所开设的FPGA设计应用课程教学中，试验主要包括穿插在理论教学当中的基础试验、课程设计及综合试验。 1.基础课程试验 基础课程试验包括简洁的门电路验证、组合逻辑电路和时序逻辑电路试验。其中时序逻辑电路试验为教学重点，包括技术器，定时器，数控分频器，触发器，A/D、D/A时序设计。 2.综合设计试验 综合性试验是在基础性试验的基础上完成的，主要运用FPGA核心板和外围的扩展板完成肯定的项目功能，其中包括信号发生器的设计、多功能时钟的设计、LED点阵汉字滚动显示、RS232通讯限制器的设计、VGA图像显示限制器设计、DDS的数字移信任号发生器、通信限制器设计、交通灯限制器、步进电机驱动设计等。 3.工程项目试验与设计 工程项目试验是以实际的生产需求为背景，旨在熬炼学生的工程训练实力，达到为社会培育好用型人才的目的。这些试验内容不拘一格，比如一些现场限制器的设计、工业IP核的设计等。通过不同组件开发平台的综合运用，针对实际工程要求设计出满意要求的技术方案。 七、结论 构件化创新试验平台目前已完成核心限制板和部格外围功能板的设计，并已应用于学生的综合设计及毕业设计当中。实践证明，该平台大大激发了学生自主学习的爱好，提高了教学质量和教学效果。该系统能为学生的自主、开放性试验创建条件，也为更新试验教学方法、提高试验教学质量起到了主动的促进作用。同时培育了学生的自主创新实力，增加了学生的社会竞争力。 参考文献： 1冯柳.FPGA 设计课程教学方法的探讨J.中国电力教化，2022，：137-139. 2柏俊杰，张小云，吴英.VHDL教学实践与探究J.重庆科技学院学报，2022，. 3王革思，刘勉，羿宗琪.FPGA创新开发试验教学平台的设计与应用J.中国电力教化，2022，：145-146. 4郑恭明.FPGA创新试验平台的设计与应用J.试验技术与管理，2022，：113-114. 5马志强，张德兴，孔昭煜.FPGA课程教学改革探讨J.中国校外教化，2022，：248. 6朱磊，卫建华，邱春婷.FPGA课程实践环节教学改革J.高等工程教化探讨，2022，：134-136. 7鲍慧玲，金剑波.基于FPGA的教学平台设计J.淮北师范高校学报，2022，：67-69. 8朱海花，郭朝勇，李宝峰，等.体验式创新教学的探讨及教学实践J.Third 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