基于SoC的现代电子系统设计课程创新研究

叶朝辉，周永明，林 博，张 燕

（清华大学自动化系，北京 100084）

基于SoC的现代电子系统设计课程创新研究

叶朝辉，周永明，林 博，张 燕

（清华大学自动化系，北京 100084）

随着SoC（System on Chip）应用越来越广泛，现代电子系统大多以SoC为基础进行设计。首先调研目前的SoC电子系统设计课程，在此基础上介绍了内容上和教学模式上具有一定创新的现代电子系统设计相关课程，并详细介绍了课程的教学指导思想、教学内容和教学模式及课程开设的效果。

SoC；电子系统设计；课程

1 电子系统设计课程的现状

现代电子技术应用非常广泛，尤其在消费、工业、航空航天、海洋、交通、汽车、电力及能源、生物医疗、环境、农业等各方面的测量、监测与控制应用中，都离不开现代电子系统。而现代电子系统大多以SoC为基础进行设计，因此在电子系统设计教学中引入SoC技术的相关内容就成了必然趋势。

SoC将需要多个集成电路芯片完成的功能集成在一块芯片上，使其集成度、稳定性和可靠性高以及功耗低，因此其应用越来越广泛。最初的SoC采用ASIC技术将多种功能制作成固定的芯片，称为ASIC SoC。随着应用需求的发展，又出现了功能可通过软件修改定制的可编程SoC（Programmable SoC或者System on Programmable Chip，简称PSoC或者SOPC），例如带模拟和数字可编程模块的PSoC，以及基于FPGA设计的SOPC系统等。另外，SoC越来越多地与嵌入式技术相结合，将32位微处理器也集成到PSoC或SOPC系统中。同时基于SoC的系统设计方法也逐渐发展成为软硬件协同设计的新方法，使得设计灵活方便，非常适合于学生进行创新设计，培养学生软硬件创新设计能力。

目前国内外开设的SoC系统设计课程大致分为4类，第一类是基于FPGA平台，培养学生从底层开始设计数字SOPC系统的能力，包括微处理器、总线、存储器等单元［1－4］；第二类是基于FPGA平台，利用已有的微处理器和总线IP核，培养学生设计SOPC系统的能力［5－7］；第三类是基于PSoC平台，培养学生设计模数混合SoC系统的能力［8－9］；第四类是基于ASIC SoC的嵌入式系统，培养学生设计嵌入式系统的能力［10－12］。

以上这些课程都是应用单一的某种SoC技术进行教学，侧重于基于某种系统平台的SoC系统设计能力的培养，或者针对某类问题培养学生设计SoC系统的创新能力，取得了较好的教学效果。然而，为了让学生更全面地理解SoC技术的发展以及不同类型SoC的特点，给学生更多的研究创新的空间，并且使学生将来在实际应用中能够更加灵活、合理地选择最合适的SoC系统，作者将在内容上和教学模式上具有一定创新的现代电子系统设计引入本科生“电子技术课程设计”和研究生“电子技术专题”2门课程。在课程中将ASIC SoC以及PSoC、SOPC均引入教学，首先让学生了解SoC技术的发展、分类和特点、设计方法等，然后利用不同的SoC实验平台完成基本实验和提高实验，在此基础上选择最合适的SoC系统完成具有实用性的综合实验，最后自由选题、自选实验平台完成一个具有创新性的实验。通过这种教学模式不仅让学生深入理解SoC的特点和设计方法、能根据应用需求选择合适的SoC系统，还能最大限度地发挥学生的创造性。

2 课程教学指导思想

课程教学指导思想主要包括4个方面：及时引入新技术；教学内容结合实际应用；教学过程循序渐进、因材施教；培养学生的创新研究能力及合作精神。

2.1 及时引入新技术

时刻关注前沿技术的发展，及时将新技术引入相关课程。2007年在国际国内较早地将模数混合可编程的PSoC芯片引入本科生“电子技术课程设计”和研究生“电子技术专题”课程，设计了实验平台和实验，编写了教材，发表了教学论文，申请了发明专利，并与课外科技活动相结合，获得多项校级挑战杯竞赛奖。

随着SoC技术的发展，基于FPGA的可编程SOPC技术逐渐兴起，2010年开始又在课程中开设了基于软核NIOS的SOPC系统设计内容。同时，原有的ASIC SoC，例如基于32位ARM微处理器的嵌入式SoC也开始设计出先进的带模数混合可编程GPIO功能的ARM CortexM系列芯片。为了让学生及时了解和掌握新技术，2011年开始又将基于ARM CortexM的SoC系统设计引入教学。

2.2 教学内容结合实际应用

在讲授系统设计方法和给学生设计实验时，将教学与科研相结合，将科研中设计过的实用系统作为样例讲授设计方法，或者将实用系统简化后作为实验设计项目。学生在教学过程中接触到实用系统，有利于学以致用，避免纸上谈兵。

2.3 教学过程循序渐进、因材施教

教学过程包括讲授和实验2个环节。课程先讲授SoC和现代电子系统设计的基本知识，然后讲授实验相关内容。

实验内容包括循序渐进的4个层次：基本实验、提高实验、综合实验和创新实验。基本实验设计目的是让学生尽快了解3种SoC的特点及设计方法，提高实验设计目的是让学生掌握利用3种SoC实现复杂功能的方法，综合实验设计目的是让学生掌握选择最合适的SoC设计实用电子系统的方法，创新实验设计目的则主要是让学生合作自由选题、自选实验平台完成一个具有创新性的实验。通过4个层次的实验，逐步培养学生独立综合、设计、研究、创新及合作的能力。

以上4个层次的实验并不要求所有学生全部完成，学生可根据自己的能力和兴趣选择，做到因材施教。基本实验和综合实验为必做实验，但学生可根据自己的兴趣选择几个基本实验和一个综合实验完成。其他2个环节学生可根据自己的能力选做，例如能力较强的学生可以跳过提高环节直接做综合实验，并选做创新实验，而能力较弱的学生则可以选择做前3个层次的实验，还有的学生则4个层次的实验都能完成。

2.4 培养学生的创新研究能力以及合作精神

为了培养学生的创新研究能力以及合作精神，设计了创新实验环节，学生可以自由组成团队，合理分工，自由选题、自选实验平台完成一个具有创新性的实验。实验器件可以选择实验室提供的，也可以自己购买。有的学生采用2个实验平台设计了难度较大的创新实验，有的学生则自行购买所需器件，自己焊接电路实现有创意的系统。该实验环节极大地调动了学生的积极性并激发了他们的创造性，同时通过团队合作培养了他们的合作精神。

3 教学内容

教学内容主要包括讲课和实验2部分内容。讲课内容主要讲授现代电子技术的发展，包括SoC发展及应用概况，以及现代电子系统的组成、特点及设计方法，SoC的特点及分类、设计方法，实用电子系统设计样例等。之后围绕ARM CortexM微处理器、PSoC、FPGA－SOPC介绍3种器件的特点、应用领域、开发环境及开发方法、实验平台及各种传感器和执行器模块等。实验内容主要包括4个层次，即基本实验、提高实验、综合实验和创新实验：

（1）基本实验部分主要包含3种器件的基本功能实验，例如，针对ARM CortexM4微处理器LM4F232设计的模拟比较器、ADC、PWM、UART、SSI、I2C、CAN、USB OTG等基本功能实验，针对PSoC3设计的PGA、比较器、ADC、DAC、PWM、Timer、USB、SPI、UART、LCD显示等基本功能实验，针对Altera CycloneIV FPGA设计的基于NIOSII软核微处理器的双直流电机驱动、LCD显示等基本实验。

（2）提高实验分别利用3种SoC实现较复杂的系统功能，例如，针对ARM CortexM4微处理器LM4F232设计的uC－OSII实时操作系统移植、直流电机速率控制与测量、SD卡文件操作及音频播放器、基于无线WiFi的网络数据获取实验等，针对PSoC3设计的波形数据采集存储及显示、彩色LED阵列驱动、直流电机速率控制与测量等，针对Altera CycloneIV FPGA设计的基于NIOSII软核微处理器的浮点数运算、简单数字滤波、UART通信等。

（3）综合实验基于实际应用背景设计了多个带传感器或执行器的系统，包括针对ARM CortexM4微处理器LM4F232和PSoC3设计的迷你车载冰箱温控系统、安防短信报警系统、超声波测距系统等，针对Altera CycloneIV FPGA设计的基于NIOSII软核微处理器的数字温度采集、存储、显示及传输等。

（4）创新实验是开放式的实验，学生可以自由选题、自选实验平台、自选外围设备模块，2人或多人合作完成一个具有创新性的实验。可以采用1个或多个实验平台设计，可以利用实验室提供的外围设备模块，也可以自己购买。

4 教学模式

采用了有利于培养学生实践能力、研究能力和创新能力的教学模式。教师除了讲授基本知识外，还要组织学生讨论、答辩并对学生进行一定的辅导，引导学生有意识地培养自己发现问题、分析问题、解决问题以及表述问题和结果的能力。而学生则在自学、设计、调试、实现等环节逐步培养自己的实践动手能力、研究问题并解决问题的能力以及创新能力等。

采用多元化考核，教师全过程观察记录学生的自学、仪器和设备操作、设计、调试、实现、答辩等环节，并对实验结果进行验收。从这些环节中评价学生的科学作风、自学能力、研究能力、解决问题能力、动手能力、表达能力、创新精神和合作精神等。

管理采用开放式，器材开放、场地和设备开放，实验时间除白天外，晚上可以预约。这种管理模式有利于学生合理安排学习，最大限度地发挥他们的潜力。

5 教学效果

基于SoC系统设计的相关课程自2007年开课以来一直受到学生的欢迎，选课人数总是超过课程容量。学生反映在课程中有很多收获，不仅学到了新知识、掌握了新技术，还激发了他们实验的热情，提高了解决问题的能力和创新能力。许多学生课后还参加了课外科技活动，利用这些实验平台设计自己创作的作品。

图1、图2分别是学生的实验作品。图1为利用PSoC3和ARM CortexM4两个平台搭建的游戏系统，其中利用了PSoC3平台的电容感应触摸按键和滑条作为输入设备，利用了ARM CortexM4平台的彩色OLED显示屏作为输出设备。图2为利用Altera CycloneIV FPGA平台实现的数字温度采集系统。

6 结束语

本文将基于SoC的电子系统设计引入相关课程教学，从教学内容、教学模式和教学手段上力求做到跟踪前沿，及时引入新技术和新方法，循序渐进、因材施教，培养学生的创新研究能力以及合作精神。课程开设几年来一直受到学生的欢迎，同时学生也提出建议和意见使课程建设得越来越好。

图1 利用PSoC3和ARM CortexM4两个平台搭建的游戏系统

图2 利用Altera CycloneIV FPGA平台实现的数字温度采集系统

（References）

［1］Ying Tang，Head L M，Ramachandran R P，et al.Vertical Integration of System－on－Chip Concepts in the Digital Design Curriculum［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2009：85－88.

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［4］Laffely A，Burleson W.Using System－on－a－Chip as a vehicle for VLSI design education［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2003.

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［9］Cypress Press Releases.University of New Hampshire Offers Com－puter Architecture Course Focusing on Cypress’s PSoC Programmable System on Chip［EB/OL］.（2011－05－20）.http：//www.cypress.com/？rID＝48280

［10］田裕康.SoC单片机在电子系统设计课程实验的应用［J］.电气电子教学学报，2006（6）：74－75.

［11］Hamblen J O.Using a low－cost SoC Computer and a Commercial RTOS in an Embedded Systems Design Course［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2007.

［12］Park S，Chae Soo－Ik.A Two－week Program for an Platform－based SoC Design［C］.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education，2005.

Research on innovation of Modern Electronic System Design course based on SoC

Ye Zhaohui，Zhou Yongming，Lin Bo，Zhang Yan
（Department of Automation，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Modern electronic systems are usually designed with SoC，because SoC is used more and more widely.This paper first studies the Modern Electronic System Design course in the world，and introduces the courses related with the Modern Electronic System Design with innovative content and teaching method.This paper introduces the course ideology，content，teaching mode，and course effects in detail.

SoC；electronic system design；course

G642.0

A

1002－4956（2014）1－0166－03

2013－05－24 修改日期：2013－07－05

叶朝辉（1968—），女，湖南望城，博士，副教授，研究方向为现代电子技术应用.

E－mail：yezhaohui＠tsinghua.edu.cn