集美大學(xué)信息工程學(xué)院 吳一亮 潘金艷 袁占生

如何開(kāi)展ARM與FPGA綜合設(shè)計(jì)的教學(xué)探索

集美大學(xué)信息工程學(xué)院 吳一亮 潘金艷 袁占生

ARM和FPGA聯(lián)合開(kāi)發(fā)是目前最符合技術(shù)趨勢(shì)的開(kāi)發(fā)模式，利用ARM作為主CPU來(lái)處理一些流程復(fù)雜的應(yīng)用，而FPGA作為協(xié)處理器來(lái)處理一些運(yùn)算量較大的運(yùn)算。 本文從開(kāi)展ARM和FPGA聯(lián)合開(kāi)發(fā)相關(guān)課程的現(xiàn)實(shí)意義出發(fā)，闡述了開(kāi)展ARM和FPGA聯(lián)合開(kāi)發(fā)相關(guān)課程的教學(xué)改革目標(biāo)，并提出了相應(yīng)的課程教學(xué)改革策略，旨在提高集成電路專(zhuān)業(yè)學(xué)生的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

ARM；FPGA；聯(lián)合開(kāi)發(fā)；教學(xué)探索

這十年來(lái)，ARM和FPGA的發(fā)展速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了DSP。在ARM方面，其A9雙核、A15四核在嵌入式市場(chǎng)已經(jīng)以摧枯拉朽之勢(shì)占領(lǐng)了主導(dǎo)地位。FPGA（Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是1985年美國(guó)Xilinx 公司率先推出的一種新型的可編程邏輯器件，其規(guī)模大、集成高、靈活性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)邏輯功能廣。FPGA適用于處理實(shí)時(shí)性要求高，處理數(shù)據(jù)量大的場(chǎng)合，目前用FPGA作為自定義協(xié)處理器的方案正在大行其道。從之前Intel對(duì)Altera的收購(gòu)就可以看出，處理器與FPGA的融合設(shè)計(jì)已成為業(yè)界共識(shí)。[1]

近年來(lái)，社會(huì)對(duì)熟練掌握ARM和FPGA 技術(shù)的高素質(zhì)高校畢業(yè)生的需求逐年增加。國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)每年都會(huì)到高校高薪招聘相關(guān)驗(yàn)證工程師、數(shù)字設(shè)計(jì)工程師和SOPC 設(shè)計(jì)工程師。為滿(mǎn)足社會(huì)需求，各高校相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了包含ARM和FPGA 技術(shù)內(nèi)容的課程，如集美大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，從2011 年開(kāi)始開(kāi)設(shè)了“FPGA原理與應(yīng)用”“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”和“SOPC 設(shè)計(jì)技術(shù)”等相關(guān)課程。但是，由于學(xué)生基礎(chǔ)課程掌握不牢，同時(shí)受實(shí)驗(yàn)條件及師資的限制，在相關(guān)課程教學(xué)中偏重講授理論知識(shí)，而在應(yīng)用方面涉及較少，直接導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐技能較差，就業(yè)時(shí)難以滿(mǎn)足企業(yè)需求。面臨就業(yè)壓力，為了就業(yè)，一部分學(xué)生花費(fèi)金錢(qián)和時(shí)間自費(fèi)到社會(huì)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行APP開(kāi)發(fā)技術(shù)方面的學(xué)習(xí)。一方面企業(yè)在高薪聘請(qǐng)具有復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力的員工，另一方面在校學(xué)生因認(rèn)識(shí)不到本專(zhuān)業(yè)的優(yōu)勢(shì)而去學(xué)習(xí)andriod等APP開(kāi)發(fā)技術(shù)。因此，開(kāi)展相關(guān)課程教學(xué)改革研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 目前ARM與FPGA聯(lián)合設(shè)計(jì)課程存在的問(wèn)題

目前我們?cè)赟OPC設(shè)計(jì)這門(mén)選修課程里開(kāi)始給學(xué)生介紹ARM和FPGA的聯(lián)合設(shè)計(jì)，但學(xué)生普遍反映課程較難，涉及到的綜合知識(shí)太多。我們從學(xué)生角度分析后歸納出以下原因：

1.1 學(xué)生的水平不足

學(xué)生水平不足，源于從大一開(kāi)始就認(rèn)識(shí)不足。ARM和FPGA的聯(lián)合設(shè)計(jì)對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，要學(xué)的知識(shí)點(diǎn)很多。學(xué)生必須從大一開(kāi)始學(xué)習(xí)好C語(yǔ)言，之后需要學(xué)習(xí)邏輯電路設(shè)計(jì)、硬件描述語(yǔ)言和操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)才能順利的進(jìn)行ARM和FPGA的聯(lián)合開(kāi)發(fā)。但目前普通高校開(kāi)設(shè)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程大多數(shù)都有相應(yīng)的課堂教學(xué)，其主要內(nèi)容都是涉及教師在課堂上所要求的重點(diǎn)內(nèi)容，無(wú)法從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)上進(jìn)行考慮。學(xué)生因?yàn)橐獛啄旰蟛拍苤缹W(xué)習(xí)的內(nèi)容用在哪里，常常感到非常迷茫。造成最后知道用在哪里后，卻因?yàn)槟芰Σ蛔愣鵁o(wú)法上手做一些項(xiàng)目。

1.2 學(xué)生的熱情不高

學(xué)生熱情不高主要原因在于不知道學(xué)的能干什么。很多課程項(xiàng)目深度不夠，學(xué)生學(xué)了之后沒(méi)法用到實(shí)際項(xiàng)目中去，而學(xué)校由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的時(shí)間場(chǎng)地等條件限制，無(wú)法開(kāi)出很多有深度的項(xiàng)目。

2 教學(xué)目標(biāo)

畢竟課堂教學(xué)有一定的局限性，鼓勵(lì)學(xué)生養(yǎng)成課外積極收集學(xué)習(xí)相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的興趣；將所學(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用于實(shí)踐。這樣教學(xué)才能由老師個(gè)人在課堂上演“獨(dú)角戲”的場(chǎng)面轉(zhuǎn)變?yōu)檠杏憰?huì)，學(xué)生也一定會(huì)竭盡全力由被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。學(xué)生才能逐漸形成創(chuàng)新性思維，具有較高的工程素質(zhì)和實(shí)踐能力。

3 采取的措施

3.1 嵌入式實(shí)踐教學(xué)體系的建立

首先，開(kāi)發(fā)層次化教學(xué)包，教學(xué)包中包括FPGA和ARM嵌入式技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、電子教案、實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)、FPGA/ARM嵌入式實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)驗(yàn)箱的使用說(shuō)明、教學(xué)資源庫(kù)及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核系統(tǒng)等，以適應(yīng)電類(lèi)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行FPGA和ARM嵌入式技術(shù)課程實(shí)訓(xùn)，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。[2]

其次，將教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)篇和提高篇，基礎(chǔ)篇可以滿(mǎn)足大一、大二學(xué)生工程訓(xùn)練的要求，讓低年級(jí)學(xué)生獲得嵌入式技術(shù)全方位的系統(tǒng)化的基礎(chǔ)工程訓(xùn)練。提高篇面向三、四年級(jí)的創(chuàng)新班和在嵌入式方面有一些進(jìn)入大三階段則需要有選擇地重點(diǎn)學(xué)習(xí)嵌入式操作系統(tǒng)原理與編程、嵌入式系統(tǒng)與FPGA的混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)或者全力以赴鉆研FPGA應(yīng)用技術(shù)等技術(shù)方向，開(kāi)發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生軟硬件開(kāi)發(fā)的能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

目前，我校的FPGA和ARM嵌入式技術(shù)實(shí)訓(xùn)課所使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都是獨(dú)立平臺(tái)，大多是買(mǎi)市場(chǎng)上成品的嵌入式實(shí)驗(yàn)箱或FPGA實(shí)驗(yàn)箱等，功能單一。從這次集成電路設(shè)計(jì)大賽上我們用到京微雅格公司的CME-M7芯片，其上集成了ARM Cortex-M3內(nèi)核和高性能FPGA，非常適合用于我們自研FPGA/ARM聯(lián)合開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)板，作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完全能夠滿(mǎn)足嵌入式實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求。

基于ARM與FPGA的聯(lián)合設(shè)計(jì)還是個(gè)比較新的方向，本文針對(duì)前階段我們的嘗試做了提出了一些新思路，期待在以后的大賽中檢驗(yàn)成效。

[1]鄭偉“． 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)”課程模式轉(zhuǎn)變及教改研究[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009(S1):47-49．

[2]黨元一．嵌入式課程中項(xiàng)目教學(xué)法的應(yīng)用研究與實(shí)踐[J]．中國(guó)電力教育,2011(2):86-87．

吳一亮（1979-），廈門(mén)市集美大學(xué)信息工程學(xué)院，講師，博士。