作者：陶丹 何宾 单位：北京交通大学电子信息工程学院 北京化工大学信息科学与技术学院
业界厂商全程参与业界厂商积极地参与到电子竞赛前的专题培训，有利地推动了新技术的推广普及和应用。美国Xilinx公司对这次全国大学生电子设计竞赛大赛区的P-SoC专题培训给予了全程的支持。在培训期间，他们向各个参加培训的学校免费捐赠了最新的ISE13．1设计套件、基于Spartan-6器件的Nexys3板卡以及相关配套的教学资源，这些软件和硬件平台充分反映了FPGA设计技术的最新发展方向，使教师可以更全面地了解相关领域的发展动态和最新的设计方法。
培养学生工程能力这种竞赛前教师集中培训的形式使得教师可以有针对性的指导学生，让学生在竞赛的准备过程中得到系统工程化的训练。这次多省区的专题培训内容主要涉及:基于FPGA的数模混合系统的设计和基于FPGA的片上可编程系统设计两方面内容。这些内容贯穿了电子类课程的公共基本知识点和相关专业课程的内容。学生在教师的指导下运用所学的知识以及掌握的新技术和设计平台，基于系统建模的方法，实现一个具有创意的设计。通过这个过程，学生能够充分地掌握建模这一重要的方法，明白系统建模和具体实现之间的有机联系。
开放式网络教学平台“北化Xilinx学习社区”(网址:bucteda．eefocus．com)主要目的即配合大学生电子设计竞赛开展相关网络辅导工作。该开放式平台将原有的课堂教学和课外实践教学模式，改变成集课堂教学、科学研究和创新实践相结合的全程化教学模式［2］，对学校相关课程的课堂教学和学生创新实践活动以及相关电子竞赛起到良好的支撑作用。自该社区创建以来，访问量已经突破12万人次，成为重要的免费教学资源平台。该平台提供了论坛、问答、邮件群发和个人博客等开放式交流互动模式。学生在竞赛设计中通过组织学习素材、参与讨论话题、分享经验心得和形成竞赛成果等，培养自主学习、团队协作意识以及实践创新能力。网站所有竞赛培训的资料面向高校师生免费下载使用，并在线解答师生在学习使用过程中所遇到的各种问题。
1介绍SoC的关键技术和特点1)SoC设计技术实际上是软件和硬件的协同设计，即在硅片上通过布局和布线在FPGA内实现硬件平台。这个芯片内的硬件平台包含:软核处理器、块存储器、外设控制器知识产权核(IP)等资源。这些IP核资源通过互连线资源，在FPGA芯片内进行互联。SoC实质上就是若干IP核在硅片上的互联。2)在基于FPGA实现P-SoC的设计阶段，是以C语言为代表的高级语言为中心的软件设计，而传统数字逻辑使用的HDL在这里处于配角地位。这是由于在该设计阶段，HDL语言用于构建各种IP核资源，而最终的目的是通过软件来驱动硬件平台工作。3)P-SoC的最大特点是硬件加速，即将一些非常耗时的软件算法，比如FFT、MP4等，转换成使用HDL语言构建的硬件IP核来实现。这样在P-SoC内就实现了微处理器的串行处理和硬件IP逻辑并行处理的完美结合，提高了嵌入式系统的整体性能。
2在P-SoC内实现7段数码管的驱动显示
在理论讲解同时，通过具体的设计案例说明软件和硬件协同工作、并行处理和串行处理的设计思想。该驱动显示案例包含硬件IP设计和软件程序设计两个部分:①使用HDL语言在P-SoC内构建7段数码管的硬件驱动IP核;②用软件程序将需要显示的数据写入到硬件驱动IP核的寄存器中。该设计案例的重点在于说明在P-SoC内实现软件和硬件的协同设计的方法，即划分实现该设计的软件和硬件边界。通过这个案例，也将P-SoC技术与传统的单片机和纯数字逻辑实现方式进行比较，来说明SoC的优势和特点。传统单片机使用软件通过控制外设端口实现对7段数码管的显示控制，数字逻辑使用HDL通过数字逻辑电路实现7段数码管的显示控制。这两种传统的方式远远不能满足嵌入式系统对系统设计灵活性的要求。基于最新的P-SoC平台，可以根据性能要求，通过硬件IP核和软件的协同工作来实现。该设计案例中，通过HDL定制IP核实现对7段数码管的精确的时序控制，用软件实现将需要显示的数据写入7段数码管控制器IP核内的控制寄存器中。
3基于Xilinx的嵌入式设计套件EDK设计流程
本文通过具体实现过程，来说明软件的使用方法，以及设计过程所渗透的先进设计理念。我们在XPS开发环境中采用如下方法实现片上嵌入式系统的构建。1)这个设计通过使用基本系统设计向导实现最小的嵌入式系统的设计，这个实现过程包括:目标板的选择，CPU频率的设定、块存储器容量的选择和外设控制器的选择等步骤。当最小系统构建完成后，通过实现细节来说明P-SoC系统和微机原理课堂教学之间的有机联系。这样教师就理解为什么P-SoC实质就是在硅片上实现微机原理。通过介绍说明这个实现过程是强调系统级设计，而“微机原理”课程的教学强调具体实现细节。这种基于P-SoC的系统级设计，可以使教师和学生更好的从系统上把握嵌入式系统实现结构。2)通过创建和导入外设向导，介绍IP核生成技术。从微机原理的角度来说，定制IP实际上就是通过HDL语言来设计一个专用的外设控制器。而在“微机原理”课程中，只是介绍如何写控制命令字，而不涉及芯片内将这些控制命令转换成具体的逻辑行为的方法。从这个角度来说，基于P-SoC的系统设计比微机原理课程能“看到”更多系统实现的细节问题。3)在生成的IP核模板内，使用HDL语言添加用户端口和7段数码管的硬件驱动逻辑，目的是将寄存器保存的软件给出的数据，正确地显示在7段数码管上。在此设计过程中，教师，尤其是学生，能够更好地理解软件和硬件用于实现系统设计的边界问题。4)验证IP功能正确后，将其添加到最小系统中，并使用XPS软件自动完成总线连接、地址分配等。此过程使教师清楚P-SoC系统的优势在于定制，即可以根据应用的要求设计特殊的外设控制器来满足应用的要求，这也是P-SoC技术比单片机和其它实现方式更具有优势的地方。5)Xilinx的EDK软件套件，体现着“生态系统”的重要思想，即设计重用，设计复用和节约设计资源。同时还体现着软件和硬件协同设计的思想，即在XPS中实现硬件平台的设计，SDK软件实现软件应用程序的设计，大大提高了设计效率。
4生成的比例流导入到SDK软件当完成片上硬件平台的设计后，将生成的硬件平台比特流文件导入到SDK软件中，SDK软件自动生成板极支持包和应用程序模板，根据需要可以修改应用程序模板。最后，将生成的硬件和软件比特流一起下载代码到FPGA芯片中。#p#分页标题#e#
在嵌入式系统设计中，除关注设计的细节外，更重要的是通过教师的指导，让学生能够独立完成系统调试，发现并解决问题。对学生来说，既可以巩固所学的理论知识，又可以提升自身解决工程问题的能力。通过使用这些典型案例的集中培训和对教师的指导，使教师很容易地将基础知识和新技术之间联系起来，能深刻地体会到使用新技术所带来的工程设计效率和系统可靠性的提高。这样，就可以对不同层次的学生因材施教，在理论和实践教学环节中，使用新技术来激发学生学习基础理论知识的热情和发挥学习的主观能动性。在全国大学生电子设计竞赛前，组织如此大规模的教师集中专题培训活动，也是电子设计竞赛组委会的一种大胆有效的尝试。通过这种组织形式，教师既可以快速地学习和掌握新技术知识，又能够掌握具体指导学生参加竞赛的方法和途径，促进创新人才和工程人才的培养。
