FPGA课程教学的实践与探索.doc
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1、FPGA课程教学的实践与探索基金项目:本文系北京市人才强教深化计划中青年骨干项目(项目编号:PHR201108267)的研究成果。 一、FPGA教学的发展历程、发展现状 FPGA技术经过20多年的发展,现在已经被广泛应用到各个领域,并成为越来越多领先技术的系统级解决方案。在国内FPGA教学基本是从2003年开始大面积铺开的,当时由于FPGA刚刚进入中国市场,无论对教师、企业研发人员,还是对研究生和本科生来讲FPGA的教学几乎是同步展开的,一切从零开始。但8年后的今天,FPGA技术已经相当成熟,教学内容及方法也日趋规范。FPGA作为一种实用技术面临的最大问题就是更新速度快,从教学内容、教学思想到
2、教学资源都面临不断更新的问题,如何适应电子技术的发展速度,如何使学生在毕业后更快地适应工作,都是教师在教学过程中需要考虑的问题。 笔者从事FPGA教学7年,在7年中遇到了诸多问题,现在把教学过程中遇到的主要问题及解决方法与大家分享,希望可以更好地促进FPGA教学在中国的发展。 二、FPGA教学中遇到的问题及解决方法 1.教学内容及教学顺序问题 FPGA的教学主要包括FPGA芯片硬件结构、硬件描述语言、SOPC(片上系统)三部分,依各部分在专业中的地位不同,有些专业把这三部分合成一门课,而有些专业把这三门课分开教学,无论采用哪一种方式都存在着如何安排这三部分教学内容、教学顺序及三部分之间交集处理
3、的问题。经过多年的教学实践,这三部分可以按以下四个阶段安排教学。 第一阶段:以概述的形式讲述FPGA的发展历史、现状及趋势,引出芯片内部结构、硬件描述语言、SOPC三部分之间的关系,让学生从总体上对FPGA有所了解,而不是在最初就深入细节,导致学生在学习初期疑惑很大。 最好这个时候让学生做个小实验(例如流水灯实验),使学生对FPGA有更具体的了解。由于现在的学生计算机基础都很好,加之工程软件具有很大的相似性,可以在实验过程中讲解相关软件的使用,如Xilinx 的XPS开发环境、Altera 的 Quartus II开发环境等。软件的基本使用方法可让学生自学掌握,但高级使用方法如时序约束、时序分
4、析、设计优化等还是有必要通过开设小专题的方式在后续单元中进行讲解。如果可以的话,给学生讲述几个FPGA在生活中或工程上的典型应用,如3D技术、无线通信技术、医用诊断成像等,让学生知道FPGA的应用,激发学生的学习热情。这样学生可以从整体上对FPGA有一定的了解,使他们在主观上愿意学习这门课程。 第二阶段:有了上面的基础接下来既可以讲述FPGA芯片硬件结构,也可以讲述硬件描述语言。 在讲述FPGA芯片硬件结构时,可以从可编程器件的最基础结构讲起,讲存储器阵列、讲PAL、GAL的与或阵列、讲CPLD、FPGA的基础结构。之后可以依据本专业教学的硬件支持环境,讲述某一FPGA生产厂商的全系产品。硬件
5、部分的教学难度较大,要求学生具有良好的硬件基础,包括时钟、锁相环、DSP、总线等概念,学生最好在前序课程中已经掌握相关概念,所以笔者认为FPGA芯片硬件结构开设的时间以大三下学期为宜,否则教学会陷于基础知识的补充,难以提高。 硬件描述语言的教学既可以选用Verilog HDL 也可以选用VHDL。为激发学生的学习兴趣,可以先从语言描述相对于传统图形描述的优越性入手“不用了解过多的电路结构,几句语句就可以解决问题。”也可以对数字电子、模拟电子基础不好的同学说:“基础不好没关系,语言可以取代电路,这是一个全新的开始。”在教学过程中始终要强调语言规范和可综合的重要性,强调编程手法上与C语言的区别,强
6、调语言的并行性特点。但在学生学到一定程度时,一定要和学生强调“良好的数字电子基础是编程的基础。”语言的教学相对较容易,尤其是Verilog HDL,在教学安排紧凑的前提下,12学时基本可以掌握。教学可以安排在大三上学期,只要学完数字电子、模拟电子即可开始。 第三阶段:经历了上面两个阶段,学生基本掌握了FPGA的使用方法,实质上是CPLD的使用方法,这仅仅是FPGA的一小部分功能,FPGA最精彩的功能还没有接触。这时我们可以再次为学生讲述FPGA的发展和未来,但要比第一阶段上个台阶,相信这时的学生已不再茫然,他们会更加了解这一领域,并跃跃欲试。这一阶段的介绍应侧重于SOPC技术的发展,为下一阶段
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