基于CDIO模式下的FPGA在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用初探

李海++黃鉉

摘要：實(shí)踐教學(xué)理念的更新、課程改革已經(jīng)迫在眉睫，將FPGA仿真技術(shù)融入到課程教學(xué)中，有助于實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提高，并且FPGA仿真技術(shù)的引入，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力等方面起著重要的作用，為傳統(tǒng)的教學(xué)指明了方向。本文主要對(duì)FPGA在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：FPGA；實(shí)踐教學(xué)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN791-4

一、目前FPGA人才需求情況

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)業(yè)最熱門的技術(shù)之一，應(yīng)用范圍遍及通訊設(shè)備、廣播電視設(shè)備、汽車電子設(shè)備、工業(yè)生產(chǎn)、電子消費(fèi)品等多個(gè)領(lǐng)域。并隨著集成電路工藝的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的集成電路設(shè)計(jì)也開(kāi)始以ASIC轉(zhuǎn)向FPGA，F(xiàn)P-GA產(chǎn)品將擴(kuò)展到更多、更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

1、對(duì)人才學(xué)歷層次的需求

現(xiàn)在的企業(yè)面臨著日趨白熱化的殘酷競(jìng)爭(zhēng)，為了減員增效，提高人才的利用率，不愿意承擔(dān)培訓(xùn)人才的任務(wù)，即企業(yè)不養(yǎng)“閑人”，所以企業(yè)就千方百計(jì)地尋找可以直接上崗的人才，為了提高企業(yè)的資質(zhì)等級(jí)，對(duì)人才的學(xué)歷要求也越來(lái)越高，各企業(yè)都需要具有一定動(dòng)手能力的大中專畢業(yè)生。

2、對(duì)人才能力的需求

FPGA應(yīng)用行業(yè)需要的是掌握了一定專業(yè)知識(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)的技能型人才，特別對(duì)技能型人才要求比較高，在企業(yè)內(nèi)很多人都承擔(dān)了不同的工作角色，打破了原有的“一個(gè)蘿卜一個(gè)坑”的用人模式，倡導(dǎo)“一個(gè)蘿卜幾個(gè)坑”，從而提高工作效率。幾乎所有企業(yè)都喜歡既懂技能又懂管理、專業(yè)知識(shí)面廣、一專多能、具有一定社交能力和組織協(xié)調(diào)能力的專業(yè)人才。

二、獨(dú)立學(xué)院學(xué)生現(xiàn)狀

如今，電子類專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)生總量很大，但目前工資水平一般較低，很難達(dá)到學(xué)生預(yù)計(jì)值。實(shí)際上，附加值較高的電子產(chǎn)品都離不開(kāi)FPGA，從事FPGA技術(shù)的人員薪水也是相當(dāng)可觀的，尤其是有一定工作年限和技術(shù)之后。通過(guò)對(duì)企業(yè)調(diào)研，將FPGA相應(yīng)的實(shí)踐課程的開(kāi)設(shè)與學(xué)生今后的就業(yè)工作崗位相聯(lián)系，使學(xué)生基本具有以下能力：熟悉FPGA開(kāi)發(fā)流程，能進(jìn)行編程、仿真與測(cè)試及下載；熟悉Veriog或VHDL編程語(yǔ)言；熟悉使用XILINX/ALTERA的FPGA或CPLD。制定實(shí)施該體系的教學(xué)方法和教學(xué)手段。同時(shí)，F(xiàn)PGA編程和調(diào)試的過(guò)程比較繁瑣，正好也鍛煉了學(xué)生吃苦耐勞的精神。

三、FPGA實(shí)踐教學(xué)方案的實(shí)施

根據(jù)企業(yè)的要求去確定FPGA模塊化的教學(xué)方案是學(xué)校推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革的重要方向。企業(yè)要求學(xué)生掌握從系統(tǒng)構(gòu)思到編程，再到約束條件的編寫，最后進(jìn)行程序下載這一系列完整的FPGA設(shè)計(jì)流程。因此，在模塊教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)都有一個(gè)共同特點(diǎn)：每個(gè)模塊都是相對(duì)獨(dú)立的，都能使學(xué)生體會(huì)到從系統(tǒng)構(gòu)思到用Veriog HDL語(yǔ)言編程，最后到程序下載的一系列完整的程序設(shè)計(jì)過(guò)程。并且要求學(xué)生以組為單位進(jìn)行查找資料設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完作品后每組進(jìn)行總結(jié)發(fā)言，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)合作精神、溝通協(xié)調(diào)能力和自我學(xué)習(xí)的能力。每次設(shè)計(jì)要求以文檔形式進(jìn)行提交，提高他們的文檔閱讀和編寫能力。

企業(yè)要求學(xué)生掌握流水燈設(shè)計(jì)和狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，所以在FPGA的模塊化教學(xué)中把這兩部分也考慮了進(jìn)去。根據(jù)市場(chǎng)需要，現(xiàn)在流行的大屏顯示系統(tǒng)用到了16×16顯示原理，戶外的LED燈顯示如今也應(yīng)用比較廣泛。LED燈具有抗震耐沖擊、光響應(yīng)速度快、省電和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種戶外顯示屏系統(tǒng)中。戶外顯示屏分為全色、三色和單色顯示屏，全國(guó)共有100多家單位在開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。交通燈正在逐步更新?lián)Q代，采用超高亮度紅、綠、黃色LED，這些都用到了LED燈的顯示原理。如今越來(lái)越多的數(shù)字產(chǎn)品開(kāi)始使用液晶作為顯示終端，但基于VGA標(biāo)準(zhǔn)的顯示器仍是目前普及率最高的顯示器。若驅(qū)動(dòng)此類顯示器，需要很高的掃描頻率，以及極短的處理時(shí)間，正是由于這些特點(diǎn)，所以可以用FP-GA來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)VGA顯示器的驅(qū)動(dòng)。所以，基于企業(yè)和市場(chǎng)的需要，將流水燈設(shè)計(jì)、狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)、16×16點(diǎn)陣設(shè)計(jì)、LED燈顯示設(shè)計(jì)和VGA設(shè)計(jì)都融入到模塊化設(shè)計(jì)中。

按照企業(yè)在招聘時(shí)對(duì)Veriog HDL語(yǔ)言學(xué)習(xí)要求，學(xué)生需掌握Veriog HDL語(yǔ)言的順序語(yǔ)句，并發(fā)描述語(yǔ)句及狀態(tài)機(jī)的學(xué)習(xí)。其中，順序語(yǔ)句包括IF語(yǔ)句、CASE語(yǔ)句和LOOP循環(huán)語(yǔ)句。并發(fā)描述語(yǔ)句包括進(jìn)程描述語(yǔ)句，并行信號(hào)賦值語(yǔ)句，條件信號(hào)賦值語(yǔ)句和并行過(guò)程調(diào)用語(yǔ)句。為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)FPGA技術(shù)時(shí)形成一個(gè)由Veriog HDL語(yǔ)言編程，最后到程序下載的一系列完整的程序設(shè)計(jì)過(guò)程。把教科書中放在后續(xù)章節(jié)講授的設(shè)計(jì)綜合和仿真，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和時(shí)序約束放到每個(gè)模塊中講授，讓學(xué)生先熟悉Quartus II軟件環(huán)境，并會(huì)用Quartus II軟件進(jìn)行Verilog HDL語(yǔ)言編程、檢驗(yàn)、仿真和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是將綜合輸出的邏輯網(wǎng)表翻譯成所選器件的底層模塊與硬件原語(yǔ)，將設(shè)計(jì)映射到器件結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行布局布線，達(dá)到在選定器件上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程。

最后一步是下載程序到Altera硬件平臺(tái)，硬件平臺(tái)上有很多功能塊，其中，有的功能塊有固定的引腳，如8位LED燈顯示模塊、4位滑動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入模塊、12位按鍵輸入模塊，這類模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)箱一般都配有約束條件的描述，學(xué)生在設(shè)計(jì)上一般稍加改動(dòng)就可以了。有的功能塊在硬件平臺(tái)上是通過(guò)擴(kuò)展口連接上去的，如8位8字型數(shù)碼管顯示模塊、VGA接口模塊、16×16點(diǎn)陣模塊、128×32字符圖形液晶顯示模塊，這類模塊需要根據(jù)學(xué)生實(shí)際在擴(kuò)展口接線的情況來(lái)編寫約束條件。約束條件的學(xué)習(xí)是FPGA學(xué)習(xí)的又一難點(diǎn)，課題研究將FPGA的學(xué)習(xí)分成七個(gè)模塊學(xué)習(xí)，每次只講要使用的模塊的約束條件的編寫，分步進(jìn)行，學(xué)生更容易消化一些。而且，設(shè)計(jì)時(shí)先講固定引腳的約束條件，再講擴(kuò)展接口的約束條件的編寫，學(xué)生會(huì)更容易接受些。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)FPGA實(shí)踐教學(xué)的改革，使學(xué)生通過(guò)七個(gè)模塊的學(xué)習(xí)基本掌握用人單位對(duì)FPGA人才招聘的基本要求，模塊的設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣，涵蓋FPGA應(yīng)用的基本知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)效果明顯，通過(guò)學(xué)習(xí)基本能獨(dú)立編程下載完成FPGA設(shè)計(jì)的整個(gè)流程。

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