基于FPGA的SOPC设计实践教学方法探索

李贞妮，金硕巍，李晶皎，王 骄

(东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110819）

基于FPGA的SOPC设计实践教学方法探索

李贞妮，金硕巍，李晶皎，王 骄

(东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110819）

基于FPGA的SOPC设计技术是现代电子系统设计人员的必备技能之一，并逐步成为嵌入式系统技术发展的新方向。本文针对电子科学与技术专业的教学实践，分别从SOPC嵌入式系统领域人才需求，知识体系进行分析。在此基础上，对课程内容，实验平台选择，实践环节设计和考核方式等进行了详细的说明，提出了一种基于Altera FPGA开发板DE2-70的SOPC设计教学实践体系。并以用户定制IP核实验为例，详细分析了该实践教学体系的教学效果。

FPGA;SOPC;实践教学

基于FPGA的可编程片上系统SOPC已成为嵌入式系统技术发展的新方向［1］。“基于 FPGA的SOPC设计”是电子类专业的一门新课程，作为选修课纳入到电子类专业，特别是电子科学与技术以及电子信息工程专业的本科教学体系。

1 SOPC设计课程实践教学

Altera公司NIOS II软核概念的提出及SOPC的软硬件综合解决方案的推出，彻底颠覆了传统的嵌入式系统的设计理念，从硬件和软件整体设计上改变嵌入式系统设计使得嵌入式系统的硬件电路更加简单有效，软件设计移植性更强。

电子行业对SOPC嵌入式人才的需求主要集中于SOPC系统设计工程师。与传统的嵌入式系统人才相比，从事该领域开发的人才应具备更完备的知识，包括基本的硬件知识和良好的软件编程能力，能够完成用户定制外设IP核的设计，定制用户指令设计，以及SOPC嵌入式平台的软件开发等［2］。

SOPC嵌入式领域知识体系如图1所示。图中，模块1和模块2分阶段列出了学习“基于FPGA的SOPC设计”课程应具备的预备知识。在此基础上，学生方可选择该课程深入学习基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计和开发技术。

图1 SOPC嵌入式领域知识体系

2 SOPC设计课程教学实践

1)课程内容

“基于FPGA的SOPC设计”课程内容主要由SOPC系统概论，NIOS II软核处理器体系结构，NIOS II外围设备，Avalon总线规范，SOPC软硬件开发和NIOS II系统深入设计六大部分组成。

我们为学生精选了文献［3］和文献［4］作为本课程的参考书，并且提供了丰富的其它电子版资料和网络链接，供课后实时查阅与学习。

2)实验平台选择

实验平台是基于FPGA的SOPC设计实验的硬件载体，我们选择Altera公司提供的DE2-70开发板作为实验平台。板上的FPGA芯片是Altera公司Cyclone II系列 EP2C70F896C6N，拥有高达70，000个逻辑单元。开发板采用10层PCB板制成，集成了嵌入式设计中大部分常用的器件，具有储存及网络等应用接口的优点。

我校电子科学与技术研究所于2006年加入了Altera大学计划，以此成立了东北大学－Altera公司EDA/SOPC实验室与培训中心。能够为学生提供开放的实验环境。

3)实践环节设计

针对该课程实践性强的特点，将实验环节设计为三个等级:验证性实验，设计性实验和演示设计实验。实验项目列表如表1所示。

表1 “基于FPGA的SOPC设计”实验项目

表中的演示设计实验，要求学生在NIOSII软核处理器上移植μC/OS-II嵌入式实时操作系统，并且使用操作系统管理多个任务，完成任务调度，每个任务要求至少驱动一个外设。

4)灵活考核方式

针对“基于FPGA的SOPC设计”课程的特点，采用灵活的考核方式，将学生在课堂讨论开放式问题，以及实验过程中的综合表现计入期末考核总成绩。这里平时成绩占20%，实验成绩占30%，期末考试成绩占50%。

5)重视师生的学习交流

为了让教师和学生开阔眼界，了解最新的行业资讯和技术发展趋势，学校每年都会组织教师参加Altera大学教师会议，提高师资的教学水平和SOPC开发能力，并与各高校教师交流教学和科研经验。此外，我们还积极组织学生参加EDA竞赛和Altera公司组织的电子设计大赛，让学生通过比赛提高科研能力和综合素质，进一步加强学生对SOPC技术的掌握。

3 课程实践教学案例分析

用户定制IP核设计是“基于FPGA的SOPC设计”课程的重点及难点内容，属于NIOS II系统深入设计的范畴，实验类型为设计型实验。本节以用户定制IP核实验作为教学实践案例，对实验内容，实验方案以及教学效果进行深入的分析。

七段数码管作为FPGA芯片的外围显示器件，具有广泛的用途。本课程教学实践中，用户定制IP核教学实验内容即为设计一个受到NIOS II软核处理器控制的七段数码管控制器IP核实验。实验开发板采用Altera公司提供的DE2-70。具体实验方案，即SOPC系统架构如图2所示，图中虚线框即为该案例的核心设计内容。

我们在实践教学过程中，通过分析七段数码管控制器IP核的接口类型，以及具体模式，引导学生能够正确选择合适的接口类型。我们还通过讲授典型元件定制步骤，指导学生将已经用硬件描述语言描述好的七段数码管逻辑封装成SOPC Builder能使用的元件。

为了验证七段数码管控制器IP核是否正确，引导学生在NIOS II IDE上开发用于验证系统硬件的小程序，例如七段数码管从0～100的循环计数。

图2 IP核实验的SOPC系统架构

通过该案例的实践教学，学生能够充分掌握用户自定义IP核设计的基本步骤和基本方法，并可结合SOPC系统开发实验(如多功能计数显示实验)，对自定义IP核的功能进行验证，取得了良好的教学效果。

4 结语

实践证明，基于DE2-70的SOPC设计教学实践体系能够很好的融入电子类专业的本科教学体系。通过该教学模式，学生可以容易地从传统的嵌入式系统的开发过渡到基于SOPC技术的嵌入式系统开发，并且能够基本掌握基于FPGA的SOPC技术，可以开发出具有基本功能的SOPC嵌入式系统。并且，这种以激发学生学习兴趣为主的教学模式，有利于提高学生独立思考，分析和解决问题的能力，有利于学生动手能力和创新意识的培养。

［1］李芸，易志强，黄继业.EDA/SOPC实验教学方法探讨［J］.西安:高校实验室工作研究，2010，106(04):45-46.

［2］李兰英等.NIOS II嵌入式软核SOPC设计原理及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006，11:1-8.

［3］朱敏杰，潘张鑫，罗珩.电子信息工程专业“嵌入式系统”实践教学探索［J］.南京:电气电子教学学报，2012，34(1):67-69.

［4 周立功。SOPC嵌入式系统基础教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006，11

The Experience Teaching Exploration of SOPC Design Based on FPGA

LIZhen-ni，JIN Shuo-wei，LI Jing-jiao，WANG Jiao

(School of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

The SOPC design technology based on FPGA is an essential skill for modern electronics system design personnel，and has gradually become a new field of embedded system technology.According to the teaching experience ofmajor electronics science and technology，this paper firstly analyzes talents need in the field of SOPC embedded system development，and its knowledge hierarchy.Then，the course content，the choice of experimental platform，the design practice and evaluationmethod is explained in detail，based on which，a experience teaching of SOPC design based on DE2-70 is proposed.Moreover，a customized IP core experiment is used as an example to analyze the teaching effect of this experience teaching.

FPGA;SOPC;experience teaching

TP301

A

1008-0686(2013)06-0081-03

2013-06-28;

2013-08-09 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(N110404018)。

李贞妮(1982-)，女，博士研究生，讲师，主要从事基于FPGA的嵌入式系统设计与应用，E-mail:lizhenni@ise.neu.edu.cn