SoC系统平台在EDA技术教学中的应用

侯宁?赵张飞

摘要：针对本科阶段SoC系统教学的不足，研发了SoC系统平台并成功应用于EDA技术教学中。通过积极探索EDA技术课程教学，加强实践环节指导，提升学生对SoC系统的理解，初步建立起软硬件协同设计的思想。

关键词：EDA；SoC；教学特色

作者简介：侯宁（1982-），男，河南镇平人，河南城建学院电气与信息工程学院，讲师；赵张飞（1984-），男，安徽滁州人，河南城建学院电气与信息工程学院，助教。（河南 平顶山 467000）

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）08-0088-02

集成电路工艺的不断进步，使得整个嵌入式系统可以集成到单颗芯片中，称为系统芯片（System-on-a-chip，SoC）。SoC是在专用ASIC的基础上发展起来的，其不再是功能单一的单元电路，而是一种面向某种应用的嵌入式系统。[1，2]与由分立器件构成的板级系统相比，SoC在成本、体积、速度、集成度、功能多样性等方面均具有极大优势，是各种自动化设备、汽车电子、家电、消费类电子领域的核心部件。

由于我国在集成电路设计领域起步较晚，虽然历经十余年的奋起直追，但与国外的差距反而有逐步拉大的趋势。2012年，国内芯片进口总量2197.17亿个，总额约1650亿美元，已经超过石油进口总额的1200亿美元。SoC芯片的进口量更是在芯片进口总量中占有极大比重，因此，培养合格的集成电路设计人才是高校面临的一项极其迫切的任务。

一、EDA技术教学面临的挑战

SoC系统设计包含硬件设计和嵌入式软件设计两个方面，需要微机原理、数字电路设计、模拟/射频电路设计、嵌入式软件等多学科的知识与技能。同时，由于SoC系统需要软硬件协同实现系统功能，因此设计者必须在定义SoC功能规范时，确定SoC系统的软硬件划分。随后，按照软件工程方法学设计嵌入式软件，按照VLSI集成电路设计方法学设计硬件。在设计过程中也需要结合软硬件协同设计的思想，加快SoC系统的设计进度。[3，4]

现阶段，我国高校中电子类及通讯类专业均开设有导论性质的SoC系统课程，但是理论性太强，学生缺乏对SoC系统的直观认识并且出现重嵌入式软件，轻体系结构及硬件设计的问题。学生对系统总线、知识产权核（intellectual Property，IP）、软硬件划分、软硬件协同设计等概念不甚了解。

EDA技术是通讯工程、电子信息工程、电子科学与技术及相关专业的一门专业基础课，也是唯一一门讲述现代数字电路设计方法及流程的课程。[5]当前EDA技术实验面临内容单一，实验项目常以验证型实验为主，学生的设计难以突破实验箱的限制。[6]此外，在该课程教学之前，学生通过微机原理、单片机原理等课程的学习，已经对嵌入式系统的体系结构、指令集等概念建立起整体认识，但是由于面对的仍然是8051、8259等分立器件，学生还没有建立系统的概念，特别是软硬件协同设计的思想。因此，EDA技术教学中，在学生掌握了基本组合电路、时序电路设计方法后，利用一个真实的SoC系统平台进行实践教学，可以使学生进一步理解SoC系统，通过SoC系统实验使学生初步建立起软硬件协同设计思想。

二、SoC系统平台介绍

为了满足EDA设计课程教学中SoC系统实验的需要，笔者开发了一款嵌入式SoC系统平台，如图1所示。

嵌入式SoC系统平台包括一款兼容ARM指令集[7]的处理核。AHB总线挂接内部存储器，默认从设备，中断控制器。处理核通过APB总线桥访问常用的慢速外设，包括通用IO、定时器、SPI接口、I2C接口以及UART接口。

嵌入式SoC系统平台结构简单，参数化设计，外设丰富，除了满足SoC系统实验要求外，还可以做为EDA课程设计的基础平台开展一些开放性实验。

笔者开设的SoC系统实验课没有采用Altera公司的SOPC实验环境。[8，9]笔者认为对于初步接触SoC系统的学生而言，该平台涉及的自动化工具过多，容易将学生学习的注意力转移到工具的使用上，而忽略了对SoC系统本身的学习。

三、SoC系统实验介绍

已经开设的SoC系统实验包括系统总线实验、通用总线接口（General Purpose Input Output，GPIO）设计实验和开放性实验三部分。通过这部分内容的学习，要求学生掌握系统总线、IP核的概念，初步建立软硬件协同设计思想并理解软硬件资源开销。

1.系统总线实验

微机原理和单片机课程通常以8051作为授课对象。8051的外部总线是一种板级三态总线，要求地址和数据总线复用，完全不同于强调流水操作的现代系统总线。AMBA总线是ARM公司定义的一種系统总线规范，用于ARM处理核与外设IP间的数据通讯，是一种典型的现代系统总线。①由于ARM处理核超高的市场占有率，AMBA总线标准应用广泛。

AMBA总线规范内容较多，实验仅涉及AHB-LITE总线和APB总线的基本操作。

图2所示为一个典型的AHB-LITE总线系统，实验要求学生自己定义各个外设的总线地址区间，设计出总线的译码器模块和多路选择器模块。

APB总线桥连接AHB总线与APB总线，这部分内容作为开放实验的一部分，供学有余力的同学学习。实验中仅要求学生掌握APB总线的基本读写时序。

通过系统总线实验，使学生理解现代系统总线的设计思路，理解板级总线与片内系统总线的区别。

2.GPIO设计实验

GPIO是SoC系统最基本的外设IP，可以用作各类总线扩展接口，还可以提供额外的控制监视功能。本实验要求学生需要依据设计规范，设计出一款基于APB总线接口的GPIO外设IP，特别要求GPIO支持硬件“读—改—写”操作。通过该实验使学生理解IP核的设计重点，重点建立软硬件划分的设计思想，理解软硬件资源开销。

图3所示为实验技术规范定义的GPIO框图，主要包括数据模块和中断模块。GPIO规范要求设计具有如下特征：软件配置输入或者输出；支持硬件“读-改-写”功能；可配置作为中断源；可配置支持上升沿和下降沿中断。

在实际教学中，要求学生必须完成GPIO的数据模块的设计。中断模块的设计可作为开放性实验。在实验中，要求学生用软件实现“读—改—写”操作，与硬件的“读—改—写”操作比较，深刻理解嵌入式系统设计中的软硬件开销问题，对SoC系统的软硬件划分思想有初步的认识。

3.开放性实验

SoC系统的内容丰富，由于EDA技术学时有限，笔者将一些课程教学无法涉及的内容放在EDA课程设计的开放性实验环节。学生可以在利用SoC系统平台开发外设IP，丰富平台功能。

开放性实验提供的可选实验包括：PWM电机控制实验，要求学生根据规范要求设计PWM IP并控制电机运转；UART通用串口实验，要求学生根据规范设计UART IP并与PC 调试助手通讯；SPI FLASH编程实验，要求学生根据规范设计SPI IP并完成SPI FLASH编程；I2C接口液晶控制实验，要求学生根据规范设计I2C IP并控制液晶模块；RTC实验，要求学生根据规范设计RTC IP并编程支持实时时钟；未来开放性实验还将提供SD Card IP，USB IP，Ethernet IP等实验。

集成电路设计技术发展迅猛，SoC系统平台的扩展和丰富需要教师不断学习，以确保学生在校期间能接触到最先进的集成电路设计知识，快速适应未来工作。

四、 结束语

针对当前本科教育阶段SoC系统教学中重理论，轻实践，重软件，轻硬件设计的问题，笔者利用自己研发的SoC系统实验平台，积极探索EDA技术课程教学，加强实践环节指导，提升学生对SoC系统的理解，使学生初步建立起软硬件协同设计的思想。利用EDA课程设计的开放性实验环节，指导学有余力的学生独立设计一些简单的外设IP，培养学生兴趣，进一步增强学生就业竞争力。

注释：

①参见www.arm.com的内容。

参考文献：

[1]郭炜， 郭筝，谢憬.SoC设计方法与实現[M].电子工业出版社，

2007.

[2][美]罗文.复杂SoC设计[M]. 吴武臣， 侯立刚，译.机械工业出版社，2006.

[3]赵川，徐涛，孙晓光.高性能处理系统的软硬件协同设计研究[J].计算机工程与科学，2009，31（1）：20-23.

[4]于海，姚启桂，虞跃，等.基于SoPC的状态监测装置的嵌入式软硬件协同设计[J].现代电子技术，2012，（22）：1-4.

[5]周莉莉，周淑阁.EDA课程教学方法的研究与实践[J].实验室科学，2008，（5）：55-57.

[6]翟文正，管功湖.将EDA 技术引入计算机组成与结构实验教学的研究[J].实验室研究与探索，2008，（12）：12-14.

[7]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[8]潘松，黄继业，曾毓.SOPC技术使用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[9]薛小刚，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FPGA/ CPLD 设计指南[M].北京：人民邮电出版社，2008.

（责任编辑：王意琴）