作者：陶丹 何賓 單位：北京交通大學電子信息工程學院 北京化工大學信息科學與技術學院

業界廠商全程參與業界廠商積極地參與到電子競賽前的專題培訓，有利地推動了新技術的推廣普及和應用。美國Xilinx公司對這次全國大學生電子設計競賽大賽區的P-SoC專題培訓給予了全程的支持。在培訓期間，他們向各個參加培訓的學校免費捐贈了最新的ISE13．1設計套件、基于Spartan-6器件的Nexys3板卡以及相關配套的教學資源，這些軟件和硬件平臺充分反映了FPGA設計技術的最新發展方向，使教師可以更全面地了解相關領域的發展動態和最新的設計方法。

培養學生工程能力這種競賽前教師集中培訓的形式使得教師可以有針對性的指導學生，讓學生在競賽的準備過程中得到系統工程化的訓練。這次多省區的專題培訓內容主要涉及:基于FPGA的數模混合系統的設計和基于FPGA的片上可編程系統設計兩方面內容。這些內容貫穿了電子類課程的公共基本知識點和相關專業課程的內容。學生在教師的指導下運用所學的知識以及掌握的新技術和設計平臺，基于系統建模的方法，實現一個具有創意的設計。通過這個過程，學生能夠充分地掌握建模這一重要的方法，明白系統建模和具體實現之間的有機聯系。

開放式網絡教學平臺“北化Xilinx學習社區”(網址:http://bucteda．eefocus．com)主要目的即配合大學生電子設計競賽開展相關網絡輔導工作。該開放式平臺將原有的課堂教學和課外實踐教學模式，改變成集課堂教學、科學研究和創新實踐相結合的全程化教學模式［2］，對學校相關課程的課堂教學和學生創新實踐活動以及相關電子競賽起到良好的支撐作用。自該社區創建以來，訪問量已經突破12萬人次，成為重要的免費教學資源平臺。該平臺提供了論壇、問答、郵件群發和個人博客等開放式交流互動模式。學生在競賽設計中通過組織學習素材、參與討論話題、分享經驗心得和形成競賽成果等，培養自主學習、團隊協作意識以及實踐創新能力。網站所有競賽培訓的資料面向高校師生免費下載使用，并在線解答師生在學習使用過程中所遇到的各種問題。

1介紹SoC的關鍵技術和特點1)SoC設計技術實際上是軟件和硬件的協同設計，即在硅片上通過布局和布線在FPGA內實現硬件平臺。這個芯片內的硬件平臺包含:軟核處理器、塊存儲器、外設控制器知識產權核(IP)等資源。這些IP核資源通過互連線資源，在FPGA芯片內進行互聯。SoC實質上就是若干IP核在硅片上的互聯。2)在基于FPGA實現P-SoC的設計階段，是以C語言為代表的高級語言為中心的軟件設計，而傳統數字邏輯使用的HDL在這里處于配角地位。這是由于在該設計階段，HDL語言用于構建各種IP核資源，而最終的目的是通過軟件來驅動硬件平臺工作。3)P-SoC的最大特點是硬件加速，即將一些非常耗時的軟件算法，比如FFT、MP4等，轉換成使用HDL語言構建的硬件IP核來實現。這樣在P-SoC內就實現了微處理器的串行處理和硬件IP邏輯并行處理的完美結合，提高了嵌入式系統的整體性能。

2在P-SoC內實現7段數碼管的驅動顯示

在理論講解同時，通過具體的設計案例說明軟件和硬件協同工作、并行處理和串行處理的設計思想。該驅動顯示案例包含硬件IP設計和軟件程序設計兩個部分:①使用HDL語言在P-SoC內構建7段數碼管的硬件驅動IP核;②用軟件程序將需要顯示的數據寫入到硬件驅動IP核的寄存器中。該設計案例的重點在于說明在P-SoC內實現軟件和硬件的協同設計的方法，即劃分實現該設計的軟件和硬件邊界。通過這個案例，也將P-SoC技術與傳統的單片機和純數字邏輯實現方式進行比較，來說明SoC的優勢和特點。傳統單片機使用軟件通過控制外設端口實現對7段數碼管的顯示控制，數字邏輯使用HDL通過數字邏輯電路實現7段數碼管的顯示控制。這兩種傳統的方式遠遠不能滿足嵌入式系統對系統設計靈活性的要求。基于最新的P-SoC平臺，可以根據性能要求，通過硬件IP核和軟件的協同工作來實現。該設計案例中，通過HDL定制IP核實現對7段數碼管的精確的時序控制，用軟件實現將需要顯示的數據寫入7段數碼管控制器IP核內的控制寄存器中。

3基于Xilinx的嵌入式設計套件EDK設計流程

本文通過具體實現過程，來說明軟件的使用方法，以及設計過程所滲透的先進設計理念。我們在XPS開發環境中采用如下方法實現片上嵌入式系統的構建。1)這個設計通過使用基本系統設計向導實現最小的嵌入式系統的設計，這個實現過程包括:目標板的選擇，CPU頻率的設定、塊存儲器容量的選擇和外設控制器的選擇等步驟。當最小系統構建完成后，通過實現細節來說明P-SoC系統和微機原理課堂教學之間的有機聯系。這樣教師就理解為什么P-SoC實質就是在硅片上實現微機原理。通過介紹說明這個實現過程是強調系統級設計，而“微機原理”課程的教學強調具體實現細節。這種基于P-SoC的系統級設計，可以使教師和學生更好的從系統上把握嵌入式系統實現結構。2)通過創建和導入外設向導，介紹IP核生成技術。從微機原理的角度來說，定制IP實際上就是通過HDL語言來設計一個專用的外設控制器。而在“微機原理”課程中，只是介紹如何寫控制命令字，而不涉及芯片內將這些控制命令轉換成具體的邏輯行為的方法。從這個角度來說，基于P-SoC的系統設計比微機原理課程能“看到”更多系統實現的細節問題。3)在生成的IP核模板內，使用HDL語言添加用戶端口和7段數碼管的硬件驅動邏輯，目的是將寄存器保存的軟件給出的數據，正確地顯示在7段數碼管上。在此設計過程中，教師，尤其是學生，能夠更好地理解軟件和硬件用于實現系統設計的邊界問題。4)驗證IP功能正確后，將其添加到最小系統中，并使用XPS軟件自動完成總線連接、地址分配等。此過程使教師清楚P-SoC系統的優勢在于定制，即可以根據應用的要求設計特殊的外設控制器來滿足應用的要求，這也是P-SoC技術比單片機和其它實現方式更具有優勢的地方。5)Xilinx的EDK軟件套件，體現著“生態系統”的重要思想，即設計重用，設計復用和節約設計資源。同時還體現著軟件和硬件協同設計的思想，即在XPS中實現硬件平臺的設計，SDK軟件實現軟件應用程序的設計，大大提高了設計效率。

4生成的比例流導入到SDK軟件當完成片上硬件平臺的設計后，將生成的硬件平臺比特流文件導入到SDK軟件中，SDK軟件自動生成板極支持包和應用程序模板，根據需要可以修改應用程序模板。最后，將生成的硬件和軟件比特流一起下載代碼到FPGA芯片中。