基于SOPC技术的实验教学探讨

2022-10-13

目前, EDA技术已经被广泛用于电子实验教学中, 成为电子电路设计和系统设计的重要手段。但是传统EDA实验教学中存在一些问题, 即学生不能把所学的知识融会贯通, 不知道如何把理论的知识用于电子设计之中。大多数学校的本科电子专业学生学了很多课程, 如C语言、M A T L A B、D S P等, 每门课程都配套很多实验, 但由于各知识体系的实验内容相对独立, 所以导致学生不能灵活综合运用这些知识, 降低了学习兴趣。

近年来, 随着半导体技术的发展, 基于SOPC (System on a Programmable Chip, 基于可编程片上系统) 技术的实验设备逐渐进入高校, 许多高校都开设了与SOPC技术相关的理论课教学与实验教学。利用SOPC技术, 可以轻松把各类知识结合在一起, 帮助学生加深对理论知识理解并提高实践能力。

1 传统EDA实验与SOPC技术

目前, E D A技术已经被广泛用于电子实验教学中, 已经成为电子电路设计和系统设计的重要手段。各高校开展的EDA实验分为两个方面:一是进行元件功能验证和电路分析测试;二是通过硬件描述语言 (V H D L或Verilog) 或者原理图完成相应的设计文件, 然后自动的完成综合及优化、布局布线、时序分析以及仿真, 并对特定的目标芯片编程下载, 实现设计要求的电子电路功能。传统的EDA实验教学, 学生大多数专注于软件的使用, 实验内容只局限在模拟或数字系统设计验证, 难以促进学生的学习兴趣和创造性。

随着FPGA芯片的发展, 基于SOPC实验平台进入各高校实验室。S O P C即是将C P U和操作系统结合在一片单片的芯片中, 允许设计人员直接开发具有自我知识产权的计算机系统。SOPC集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器及外围I/O等, 设计中除了需要使用SOPC软件工具, 还会用到数字电子技术、计算机体系结构、C语言编程、VHDL和Verilog编程及MATLAB软件等相关背景知识, 学生可以通过S O P C实验平台完成复杂的系统设计。在设计过程中, 学生把理论知识融入实际问题中, 增加学习兴趣和解决问题的能力。

2 实验课示例

实验题目:设计一个可控信号发生器, 通过按键控制输出正弦波、方波、锯齿波和三角波, 实验结果通过示波器观察。硬件采用康芯公司的G W 4 8-S O P C开发系统, 其目标芯片为Altera公司Cyclone系列EP1C6Q240C8。

设计中主要考虑两方面内容: (1) 首先, 确定实现输出各类波形方法。对于实现波形的问题, 学生一般首选采用硬件描述语言编写输出波形, 这里要引导学生采用其他方法实现: (1) 利用C语言编写各类波形程序, 把程序运行结果输出, 导入QuartusⅡ中生成得到.m i f文件; (2) 利用M A T L A B软件生成波形数据, 再导入QuartusⅡ中生成.mif文件, (图1) ; (3) 利用SOPC系统中的DSP Builder直接生成.mif文件, (图2) 。利用上述各种方法得到的.mif文件就可以生成ROM查找表, 完成波形数据存储。实验中要求学生至少采用两种方法实现, 这样学生不但对DSP Builder有了初步认识, 而且对MATLAB软件及C语言如何与SOPC系统结合使用有了一定了解。 (2) 其次, 确定波形数据位长。这影响到ROM查找表的设计, 学生要根据S O P C实验平台上的D/A转换器确定输出波形的频率范围及波形数据长度, 如果采用8位D/A, 波形数据位长就不能超过8位 (即数据最大为255) ;根据输出频率还要考虑采用普通D/A还是高速D/A, 如果输出频率较高, 采用普通D/A输出波形就会有失真。这个环节要求学生独立分析, 根据硬件测试结果调整设计参数, 可以培养学生分析问题解决问题的能力。

3 结语

在高等院校中, 传统的EDA实验教学已经不能满足21世纪对人才培养的需要, 教学内容、教学方法的改革势在必行。目前我校对电子、自动化专业高年级本科学生及研究生开展了基于S O P C技术的电子系统设计及相关实验课程, 学生通过这些课程的学习, 不但掌握电子系统设计的方法, 而且加深对理论知识的理解、提高解决问题的能力。

摘要：本文分析了传统EDA实验教学存在的问题, 采用实例说明电子系统设计中引入SOPC技术优势, 并总结了基于SOPC技术的实验教学效果。

关键词：SOPC (基于可编程片上系统) ,EDA (电子设计自动化) ,实验教学