FPGA四层次-交叉复合实践教学模式研究与应用

郭晓云 王峰 陈海生

[摘 要]物联网电子产品大多涉及电子信息专业的多门专业课程知识。物联网的发展对电子信息专业实践教学提出了更高的要求——必须培养学生具备更多专业课程交叉复合的综合实践能力。课题组提出了“四个层次”与“多课程交叉复合”的实践教学模式，建立了与之相配套的FPGA实践教学综合案例库，并且对不同层次的教学案例分配了各自的教学环节，经过实践检验取得了较好的教学效果。

[关键词]FPGA;物联网;实践教学

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）10-0108-05

电子信息专业课程实践教学，通常可分为四个层次：课程认知实践、课程应用实践、专业综合实践以及研究创新实践。“FPGA与硬件描述语言”是电子信息专业一门重要的专业基础课，是实践性非常强的嵌入式开发专业课程。目前FPGA实践教学大多停留在课程认知实践的层次。本文旨在探讨如何与电子信息专业的其他专业基础课程进行交叉复合，结合电子信息专业的一个重要的就业方向——物联网，建立FPGA实践教学“四个层次”的教学体系。

一、FPGA在物联网市场的重大机遇

FPGA主要应用在无线通信、嵌入式视觉、工业物联网和云计算等市场领域。物联网（Internet of Things，IoT）的迅猛发展对FPGA的应用前景产生极大的推动效应。

其一，物联网生态圈面临需求的多元化、差异化、不确定性、不稳定性、细分或者小市场化。FPGA+MCU（微控制单元，Microcontroller Unit）架构为“异构计算”的一种重要解决方案，应用日益广泛。相比ASIC和ASSP这一类针对特定功能的设计方案，FPGA小批量成本更低，开发周期比ASIC低55%，更适合快速抢占市场。

其二，物联网面临一些关键问题，例如提高物联网设备的能源效率、处理不兼容的接口以及确保最大时延等。与单片机、ARM相比，FPGA可以保证物联网执行装置的最大时延，更适合作为数据接口快速转发数据，以及能够更加快速完成复杂数据处理。

其三，厂家开发出越来越多的差异化方案和FPGA产品。以往，FPGA厂商重点开发尺寸巨大、运算极快和功耗惊人的芯片，为高端数据处理提供解决方案。面临物联网需求，越来越多厂家专注于为物联网业界提供小尺寸、低功耗、低成本的FPGA产品。

FPGA在物联网市场的巨大机遇，意味着电子信息专业FPGA实践教学的最终教学目标应该是培养具备电子信息专业综合设计实践能力的人才。

二、FPGA实践教学现状与问题分析

（一）FPGA实践教学平台的外设相对简单，远远低于物联网市场应用产品的复杂度

国内外FPGA教学开发板，大多采用Altera公司的DE2-115、DE4、DE5，或者XiLinx的Basys 2、Basys3、Nexys 3、Nexys 4DDR、Spartan 3E等型號，配备了按键、LED、七段数码管、液晶显示屏、时钟芯片、串口、VGA视频接口等常用实验外设，并且提供了与开发板相配套的实验指导书与实验例程。

电子市场应用产品往往涉及单片机、ARM开发板、工控机、电机编码器、视频采集摄像头、视频压缩编解码器、SD卡、WIFI网卡、USB无线串口、ZigBee、蓝牙、各类传感器模块等外设，驱动代码实现非常复杂。

（二）FPGA实践课程内容简单，大多停留在课程认知层次，远远低于物联网的电子产品综合设计需求

由于目前FPGA在电子市场处于小众应用，实践教学内容主要是参考FPGA开发板的自带实验指导内容，大多数实验内容属于课程认知层次，例如“多路选择器”“计数器”“译码器”等。

物联网电子市场应用产品往往需要FPGA配合其他嵌入式系统、网络传输设备、传感器等其他设备一起使用，因此要求开发人员具备复合交叉的知识体系，不仅掌握FPGA开发知识，还需要了解FPGA如何与单片机、ARM等其他平台进行任务交互，如何实现网络设备、执行单元的控制接口协议以及各类传感器模块的数据交互方式。

（三）多门专业课程实践的交叉复合已成为共识，但是大多数文献没有提及如何建设与之配套的案例库

由于“FPGA与硬件描述语言”课程与电子信息专业的其他专业课程存在关联与共性，因此国内外高校开始尝试将FPGA的实践教学进一步与其他课程相结合。

英国南安普顿大学将此课程的实践环节与“计算机组成原理”相结合，设计了一个单片机;美国加州大学伯克利分校将此课程的实践环节与“计算机接口电路的设计”相结合，设计了FPGA与计算机8253、串口、并口等进行通信。大连理工大学软件学院的王洁提出了“基于FPGA的课程群一体化实践教学”的设想，将模拟与数字电路、计算机组织与结构、嵌入式课程设计与FPGA实践教学联合;上海电机学院电子信息学院的钟旭提出“基于FPGA的电子设计课程体系改革”的设想，将微机原理与接口技术、单片机原理及应用、嵌入式课程设计与FPGA教学联合;中北大学信息与通信工程学院国家级电工电子实验教学示范中心的李兆光提出“数字电子技术课程中FPGA技术教学内容的改革”的设想，将数字逻辑电路、数字电子电路与FPGA教学联合。2014年，何宾等编著出版了《Xilinx FPGA数字信号处理权威指南——从HDL到模型和C的描述》（EDA工程技术丛书），讲述如何结合FPGA和数字信号处理这两门课程在Xilinx FPGA开发板实现高性能信号处理的理论和方法;2016年电子科技大学教授唐续编著出版了《现代电子技术综合实践教程——EDA、单片机与SOPC实验（第2版）》，讲述如何结合FPGA和单片机这两门课程开展电子应用产品开发。

（四）缺乏从课程认知—课程应用—专业综合逐层递进的实践教学模式

2015年广东海洋大学电子信息工程专业修改了教学大纲，为学生增设了“电子系统设计方法”和“电子技术综合实习”两门课程，对电子信息专业涉及的电子线路CAD、单片机开发、FPGA开发以及ARM平台开发等产品设计技术进行综合训练。由于之前专业课程实践教学大多停留在课程认知的层面，学生没有能力直接跨越到专业综合层次的综合实践，所以“电子系统设计方法”和“电子技术综合实习”两门课程的实际教学内容停留在课程应用层次。

三、FPGA实践教学改革方案——“四个层次”与“多课程交叉复合”

基于FPGA实践教学问题分析，本研究提出了改革策略与实施方案，如下文所述。

（一）改革策略

1.多课程实践教学的交叉复合

将“FPGA与硬件描述语言”和“传感器原理与技术”“单片机原理与技术”“无线传感器网络”以及“数字电路”等其他专业课程相结合，例如利用FPGA采集传感器数据、FPGA利用串口与无线网络模块通信实现上网以及利用FPGA与单片机搭建“异构计算”模型，等等。多课程实践教学的交叉复合，使得实践教学内容更接近现实电子产品，将极大提高学生的实践学习兴趣，帮助学生在物联网领域就业。

2.“四个层次”逐层递进

依据现有教学计划，将FPGA实践教学的“四个层次”——课程认知实践、课程应用实践、专业综合实践以及研究创新实践，分别安排在不同的教学环节，构造循序渐进的教学模式，逐步完成学生综合实践能力的培养。

（二）“四个层次”与“多课程交叉复合”的具体实施内容

“多课程交叉复合”，是将多门其他专业课程的实验内容迁移到FPGA开发板，搭建涵盖多门专业课程知识的电子产品;“四个层次”是按照实践案例的多门专业课程融合程度以及难易程度进行划分。在具体实施过程中，分层设计实践教学内容，以逐层递进的方式从FPGA课程认知实践拓展到物联网FPGA电子产品设计，并分配到不同的教学环节，如下文所述。

1.课程认知实践的案例内容与教学实践安排

课程认知实践安排在FPGA实验课环节完成，是对课程基础理论与知识点的验证类型实践，主要涉及VHDL语言的语法应用、Quartus软件的代码编辑/引脚锁定/波形仿真/网表文件下载、FPGA开发板硬件测试等内容。考虑到实验课时的有限与课程知识点的分布，本研究选择了5个代表性案例作为课程认知实践的内容编写相应的实验指导书，案例列表如表1所示。

2.课程应用实践的案例内容与教学实践安排

课程应用实践安排在FPGA实验课与课程考核两个环节完成，是将课程的理论知识应用到电子产品构建的设计类型实践，主要是利用FPGA开发板完成简单电子产品的设计，例如电子钟、交通灯以及信号发生器等案例。小部分案例编写成实验指导书;大多数案例编写成课程设计指导书，应用在课程考核，以分组课程设计方式进行。

单片机与FPGA实践课程的交叉复合——即将单片机课程实践教学过程中涉及的众多应用型电子产品设计题目迁移到FPGA开发板，有助于学生理解单片机平台与FPGA平台的共性与差异性，为物联网FPGA模块设计提供基础。因此，本研究选择了18个代表性案例作为课程应用实践内容，案例如表2所示。

3.专业综合实践的案例内容与教学实践安排

专业综合实践安排在“电子系统设计方法”和“电子技术综合实习”两门课程教学过程中完成，是将多门专业课程的理论知识综合应用到电子产品构建中的设计类型实践。

多门专业课程实践教学的交叉复合——即将单片机、传感器、模拟电路、数字电路、计算机网络等多门专业课程的实验内容迁移到FPGA开发板上实现，有助于学生理解众多专业课程之间的共性与差异性，为物联网FPGA产品综合设计提供基础。本研究選择了6个代表性案例作为专业综合实践内容，案例如表3所示。

4.研究创新实践的案例内容与教学实践安排

研究创新实践安排在创新团队学生与毕业生的项目实践环节完成，是将物联网的成熟技术与大学专业课程综合应用到电子产品构建中的设计类型实践。研究创新实践与专业综合实践类似，同样是多门专业课程实践教学的交叉复合，区别点是研究创新实践的案例难度更高。由教师组建的学生创新团队，其成员技术实践能力较强，学习兴趣浓厚;毕业生，其技术基础通常不差，毕业论文的压力能够督促他们认真对待项目任务。由于研究创新实践对学生电子设计的实践能力与教师指导的参与度都有很高的要求，因此研究创新实践无法覆盖所有学生，目前仅涉及创新团队学生与毕业生。

物联网智能家居目前存在2种典型模式。其一，智能家居核心管理装置放置在家庭内部，通过家庭内部局域网对所有设备资源提供微服务，同时也可以将数据推送到外网。这种模式能够更好地保护个人隐私，同时减少网络带宽负载。其二，智能家居核心管理，由外网服务器进行控制，所有设备资源在外网可见，所有数据都上传。这种模式减少了设备投入费用与系统维护成本，但是个人隐私的安全性较低。本研究选择了这2种典型模式作为研究创新实践的代表性案例，案例如表4所示。

四、结语

“四个层次”与“多课程交叉复合”的FPGA实践教学体系的构建，关注专业课程之间的衔接、交叉与覆盖，重视学生实践教学的延续性与逐步提升模式，为电子信息专业建设特色专业提供支持，积累相关教学经验与案例基础，为电子专业课实践教学模式的综合改革提供借鉴。目前，这一系列的举措取得明显的教学效果，也收获了许多教师与学生的建议。FPGA实践教学综合案例库正在日益完善。但是，电子信息专业涉及太多的硬件与软件开发平台——单片机、Arduino、ARM、FPGA、树莓派、Android、IOS、Linux、MicroPython、物联网云平台以及微信小程序，等等，整个电子信息专业综合实践教学的改革任务依然庞大，还需要联合更多的专业教师与在校学生参与，还需要不断跟踪市场的最新技术与产品热点，才能将电子信息专业课程的综合实践学习从“举步维艰”转变到“势如破竹”。

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[责任编辑：钟 岚]