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摘要：“SOPC技术”是电子信息工程专业的一门重要课程，该课程具有先进性、系统性、综合性和实用性的特点。为了提高课程教学质量，增强学生综合运用系统设计思想分析和解决实际工程的能力，对“SOPC技术”课程的教学内容、教学方法、实践训练等方面进行了探讨和尝试。通过两个班级的教学实验表明，该课程的教学改革取得了较好的教学效果。
关键词：SOPC技术；教学内容；工程系统
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0062-02
可编程片上系统（system on programmable chip，简称SOPC）是在一个可编程芯片上集成一个完整的系统，对所有或必要的电路进行集成。此处所指完整系统包括中央处理器、存储器、模/数和数/模转换电路以及外围电路等；SOPC将原先由许多集成电路组成的电子系统集成在一个单片可编程硅片上，它已经不再是一种功能单一的单元电路，而是将完整的系统功能集成在一起，成为一个专用功能的电子系统芯片。SOPC是目前集成电路在知识集成阶段的发展主流和方向，是大规模集成电路技术、计算机辅助技术、电子设计自动化技术和嵌入式系统技术高度发展和融合的产物。SOPC技术目前已经成为现代数字系统设计的主要手段，是现代电子工程师必须要掌握的技术，具有广泛的应用前景。[1，2]但是“SOPC技术”课程作为一门融合度高、综合性强的专业课在电子信息工程专业教学中也存在一定的问题：第一，教学内容多，而教学时数少；第二，教材知识点系统化程度低，各知识点间联系不充分；第三，授课方式未能充分体现课程的工程实践特点，学生学习的积极性未被完全调动。针对这些问题，提出了一些相应改革方案：适当增加理论知识点所对应的现实例子，提高学生学习的兴趣和主动性；合理安排教学内容，优化知识点布局，做到课程知识点成体系；突出案例教学，培养学生的工程思想；强化工程实践，提高学生综合运用相关知识理论分析和设计系统的能力。
一、突出实例，激发兴趣
“SOPC技术”课程知识点分布范围广泛，涉及可编程器件、C语言程序设计、微处理器、硬件描述语言、嵌入式系统、总线等，涵盖了众多课程的内容。如果一味脱离实际地灌输理论知识点，就会使课程失去其工程前沿的本质特点，从而使学生对这门课程失去兴趣。如何在课堂上利用有限的时间，结合具体实例来阐述知识点，使其有明确的实际意义，激发学生学习的兴趣是本课程教学的重要任务。在讲解抽象的知识点时，注意引用与当前科技热点相联系的实例，使实例具有直观性、鲜明性和实效性，以期最大程度引起学生的关注。在具体的课堂实践中，进行以下尝试：
第一，在第一章绪论讲授SOPC基本概念时，利用图片形式表述集成电路发展的各个发展阶段，逐步引出SOPC的概念，让学生在了解SOPC技术由来的同时，还能够掌握SOPC的技术优势。具体来说，利用世界上第一个晶体管及其发明者William Shockley的图片表征晶体管发展阶段，利用世界上第一个集成电路及其发明者Jack Kilby的图片表示小规模集成电路阶段，利用学生比较熟悉的74LS148编码器芯片和74LS153数据选择器芯片阐述中规模集成电路阶段，利用典型的CPU芯片图片说明大规模集成电路阶段和超大规模集成电路阶段。利用图片给学生们强烈的视觉冲击，使其初步理解SOPC技术在当前高新领域中的作用。
第二，在讲授SOPC系统的硬件系统和软件系统协同设计时，首先，播放波音公司客机协同设计的视频资料，让学生对最先进的协同设计思想有一个直观的认识；其次，以该系统为分析对象，讲述如何实现系统软件系统和硬件系统的划分，如何实现各个设计人员的分工与协作；再次，引入SOPC系统设计问题，讲述SOPC系统的软件系统和硬件系统的功能划分、功能实现、系统协同问题；最后，对SOPC的软件系统和硬件系统的协同设计步骤进行总结与归纳。通过这种实例的直观化表述，使学生对复杂的SOPC系統的软件系统和硬件系统协同设计有清晰的认识和准确的把握。
第三，在讲授NOIS II软核配置时，引入最典型的嵌入式系统开发实例作为对比，以对比分析的方式讲述配置步骤、突出NOIS II软核配置的优势。首先，以嵌入式系统的开发框图为指导，讲述如何配置CPU、存储器、外围设备，并分析其复杂度；其次，以相同的功能为目标，讲述NOIS II是如何配置实现的；最后，总结NOIS II软核配置的步骤和特点。对比实例的讲述，使学生对NOIS II软核配置的认识更为深刻。
通过对以上不同实例的讲授，让学生们理解SOPC技术是当今电子信息领域的发展方向和发展重点，意识到学好SOPC技术的重要性，从而激发其学习的内动力。
二、教学内容系统化
“SOPC技术”课程内容主要包括可编程逻辑器件、硬件描述语言、硬件系统设计、软件系统设计、软件开发环境和硬件开发平台等，而且“SOPC技术”课程与相关课程知识点的交叉融合度高，对相关知识的掌握程度直接影响到本课程的学习。该课程的综合性特点决定了现在很难找到一本教材可以涵盖课程的主要内容，而且由于学生的知识面有限，学习每一章内容时很容易孤立思考，难以“系统化”思考问题，难以把课程内容串联起来，学生对课程的总体脉络把握不准确。针对上述问题，按照软件系统设计、硬件系统设计、软硬件系统协同设计这条主线组织课程教学内容，对相关内容以讲座的形式辅以介绍，从而使课程教学内容成体系、知识点系统化。具体实施方法为：第一，以讲座的形式对可编程逻辑器件相关知识进行补充，介绍可编程逻辑器件的主要特点、使用方法、软件实现等知识点，为SOPC系统的构建奠定物理器件知识基础。第二，按照功能模块形式介绍硬件描述语言，忽略具体硬件描述语言编程的语法要素，着重从描述方式和实现功能上阐述与SOPC系统设计相关的硬件描述语言特征。[3]第三，在上述相关知识基础之上，重点讲述利用相关软件实现软件系统设计的方法，主要包括设计的输入、设计的综合、设计的优化、设计的适配、设计的仿真、设计的时序分析和设计的下载等，涉及到Quartus II、SOPC Builder、Nois II IDE、Signal Tap、TimeQuest等软件的使用方法；在讲述软件系统设计方法时，以讲座的形式补充时序分析和时序约束的相关知识，以弥补学生对此部分知识掌握的欠缺。第四，讲授硬件系统的设计，从结构和功能的角度补充硬件系统开发平台Altera DEII的相关知识，[4]重点讲授如何利用Nois II对CPU进行添加和配置、对通讯模式进行选择、对各种外设进行添加和配置以及如何添加配置自定义外设、自定义指令等。第五，在设计软件系统和硬件系统的基础上进行系统的软硬协同，对整个SOPC系统进行分析，决定哪些部分用硬件实现、哪些部分用软件实现以及软硬件系统的搭配方式。此部分协同设计最为灵活，容易发挥学生的创造性，在讲授时不拘泥于实现步骤，给学生充分的发挥空间。通过这样一条主线安排课程教学内容并适当补充相关知识内容，使得学生能够清晰、系统地掌握课程的各个知识点，把握课程的重要部分。 三、实践教学案例化
“SOPC技术”是一门工程实践性很强的课程，实践教学在课程中占有很大的比重，在课程实践教学中按照案例化方式进行。通过具体案例的讲解和分析，提高学生综合运用数字系统设计理论解决实际工程的实践能力。在案例的选择和制作环节，保证每个案例包含少量知识点，降低了学生学习的难度，实现了重要知识点的分离；此外，还注意案例的新颖性、典型性和代表性，所选择的案例能够与授课内容相吻合，案例的内容能够突出授课的重点，案例内容与整体内容达到统一。总之，案例的选择兼顾知识复杂度和知识点数。在具体实施时，主要有如下几个方面：
第一，在讲授利用Quartus II设计系统时，以全加器系统设计为案例讲解VHDL和图形化这两种典型设计方法，包括每种设计方法的设计流程和详细步骤。首先，讲解如何利用VHDL设计一个半加器，包括工程的建立、器件的选择、文件的包入、仿真工具的添加、VHDL对电路结构的描述（按照几种典型方式分别描述）、输入输出量的确定、可编程器件管脚地址的分配、功能仿真验证、时序仿真验证、工程的编译、工程目标文件的下载、系统的验证等环节；其次，对验证通过的半加器工程文件进行封装处理，生成半加器元件；再次，讲解利用图形化方式构建全加器数字系统的步骤，包括图形工程文件的建立、已有元件的调用、自定义元件的使用、信号的连接方式、输入输出量的确定、各种仿真验证环节；最后，对照数字系统设计思想，归纳出两种设计方法综合实现全加器的主要步骤。通过这样一个涵盖两个重要知识点的案例，使学生能够掌握VHDL和图形化两种数字系统设计方法与设计步骤。
第二，在讲解Nois II的使用时，选择典型的流水灯系统案例来讲解系统设计的各个步骤。首先，讲解流水灯的工作原理，对流水灯功能进行划分，明确系统的哪些功能可以由Nois II来实现；其次，讲解Nois II配置系统的各个环节，包括CPU的选择、通讯方式的选择、存储器的选择、地址的分配、时钟的选择、系统的产生、输入输出量的确定、系统的综合；最后，归纳出每个环节所对应的流水灯功能模块。通过这样一个具体案例，让学生直观地掌握Nois II使用的要点。
教学效果表明，在实践教学中，随着案例学习的不断深入，学生所掌握的知识点也越来越多，运用的技巧也越来越复杂。典型案例对巩固学生记忆有很大的帮助，特别是具有代表性的案例。案例化教学方式挖掘了学生的创新潜能和创新意识，提高了学生解决实际问题的能力。
四、结束语
筆者仅根据自身的教学经验，针对“SOPC技术”课程教学进行了一些改革与建设实践，提出了教学内容系统化、系统设计案例化、理论思想工程化等观点。结果表明，通过教学改革，极大地调动了学生学习的主动性，加深了学生对SOPC系统设计思想的理解，提高了学生运用相关理论解决实际问题的能力，丰富了学生的工程实践经验，取得了良好的教学效果。
参考文献：
[1]潘松，黄继业，曾毓.SOPC技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2]杨军，李彤.基于FPGA的SOPC实践教程[M].北京：科学出版社，2010.
[3]付永庆.VHDL语言及其应用[M].北京：高等教育出版社，2005.
[4]张志刚.FPGA与SOPC设计教程——DE2实践[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.
（责任编辑：孙晴）
关键词：SOPC技术；教学内容；工程系统
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0062-02
可编程片上系统（system on programmable chip，简称SOPC）是在一个可编程芯片上集成一个完整的系统，对所有或必要的电路进行集成。此处所指完整系统包括中央处理器、存储器、模/数和数/模转换电路以及外围电路等；SOPC将原先由许多集成电路组成的电子系统集成在一个单片可编程硅片上，它已经不再是一种功能单一的单元电路，而是将完整的系统功能集成在一起，成为一个专用功能的电子系统芯片。SOPC是目前集成电路在知识集成阶段的发展主流和方向，是大规模集成电路技术、计算机辅助技术、电子设计自动化技术和嵌入式系统技术高度发展和融合的产物。SOPC技术目前已经成为现代数字系统设计的主要手段，是现代电子工程师必须要掌握的技术，具有广泛的应用前景。[1，2]但是“SOPC技术”课程作为一门融合度高、综合性强的专业课在电子信息工程专业教学中也存在一定的问题：第一，教学内容多，而教学时数少；第二，教材知识点系统化程度低，各知识点间联系不充分；第三，授课方式未能充分体现课程的工程实践特点，学生学习的积极性未被完全调动。针对这些问题，提出了一些相应改革方案：适当增加理论知识点所对应的现实例子，提高学生学习的兴趣和主动性；合理安排教学内容，优化知识点布局，做到课程知识点成体系；突出案例教学，培养学生的工程思想；强化工程实践，提高学生综合运用相关知识理论分析和设计系统的能力。
一、突出实例，激发兴趣
“SOPC技术”课程知识点分布范围广泛，涉及可编程器件、C语言程序设计、微处理器、硬件描述语言、嵌入式系统、总线等，涵盖了众多课程的内容。如果一味脱离实际地灌输理论知识点，就会使课程失去其工程前沿的本质特点，从而使学生对这门课程失去兴趣。如何在课堂上利用有限的时间，结合具体实例来阐述知识点，使其有明确的实际意义，激发学生学习的兴趣是本课程教学的重要任务。在讲解抽象的知识点时，注意引用与当前科技热点相联系的实例，使实例具有直观性、鲜明性和实效性，以期最大程度引起学生的关注。在具体的课堂实践中，进行以下尝试：
第一，在第一章绪论讲授SOPC基本概念时，利用图片形式表述集成电路发展的各个发展阶段，逐步引出SOPC的概念，让学生在了解SOPC技术由来的同时，还能够掌握SOPC的技术优势。具体来说，利用世界上第一个晶体管及其发明者William Shockley的图片表征晶体管发展阶段，利用世界上第一个集成电路及其发明者Jack Kilby的图片表示小规模集成电路阶段，利用学生比较熟悉的74LS148编码器芯片和74LS153数据选择器芯片阐述中规模集成电路阶段，利用典型的CPU芯片图片说明大规模集成电路阶段和超大规模集成电路阶段。利用图片给学生们强烈的视觉冲击，使其初步理解SOPC技术在当前高新领域中的作用。
第二，在讲授SOPC系统的硬件系统和软件系统协同设计时，首先，播放波音公司客机协同设计的视频资料，让学生对最先进的协同设计思想有一个直观的认识；其次，以该系统为分析对象，讲述如何实现系统软件系统和硬件系统的划分，如何实现各个设计人员的分工与协作；再次，引入SOPC系统设计问题，讲述SOPC系统的软件系统和硬件系统的功能划分、功能实现、系统协同问题；最后，对SOPC的软件系统和硬件系统的协同设计步骤进行总结与归纳。通过这种实例的直观化表述，使学生对复杂的SOPC系統的软件系统和硬件系统协同设计有清晰的认识和准确的把握。
第三，在讲授NOIS II软核配置时，引入最典型的嵌入式系统开发实例作为对比，以对比分析的方式讲述配置步骤、突出NOIS II软核配置的优势。首先，以嵌入式系统的开发框图为指导，讲述如何配置CPU、存储器、外围设备，并分析其复杂度；其次，以相同的功能为目标，讲述NOIS II是如何配置实现的；最后，总结NOIS II软核配置的步骤和特点。对比实例的讲述，使学生对NOIS II软核配置的认识更为深刻。
通过对以上不同实例的讲授，让学生们理解SOPC技术是当今电子信息领域的发展方向和发展重点，意识到学好SOPC技术的重要性，从而激发其学习的内动力。
二、教学内容系统化
“SOPC技术”课程内容主要包括可编程逻辑器件、硬件描述语言、硬件系统设计、软件系统设计、软件开发环境和硬件开发平台等，而且“SOPC技术”课程与相关课程知识点的交叉融合度高，对相关知识的掌握程度直接影响到本课程的学习。该课程的综合性特点决定了现在很难找到一本教材可以涵盖课程的主要内容，而且由于学生的知识面有限，学习每一章内容时很容易孤立思考，难以“系统化”思考问题，难以把课程内容串联起来，学生对课程的总体脉络把握不准确。针对上述问题，按照软件系统设计、硬件系统设计、软硬件系统协同设计这条主线组织课程教学内容，对相关内容以讲座的形式辅以介绍，从而使课程教学内容成体系、知识点系统化。具体实施方法为：第一，以讲座的形式对可编程逻辑器件相关知识进行补充，介绍可编程逻辑器件的主要特点、使用方法、软件实现等知识点，为SOPC系统的构建奠定物理器件知识基础。第二，按照功能模块形式介绍硬件描述语言，忽略具体硬件描述语言编程的语法要素，着重从描述方式和实现功能上阐述与SOPC系统设计相关的硬件描述语言特征。[3]第三，在上述相关知识基础之上，重点讲述利用相关软件实现软件系统设计的方法，主要包括设计的输入、设计的综合、设计的优化、设计的适配、设计的仿真、设计的时序分析和设计的下载等，涉及到Quartus II、SOPC Builder、Nois II IDE、Signal Tap、TimeQuest等软件的使用方法；在讲述软件系统设计方法时，以讲座的形式补充时序分析和时序约束的相关知识，以弥补学生对此部分知识掌握的欠缺。第四，讲授硬件系统的设计，从结构和功能的角度补充硬件系统开发平台Altera DEII的相关知识，[4]重点讲授如何利用Nois II对CPU进行添加和配置、对通讯模式进行选择、对各种外设进行添加和配置以及如何添加配置自定义外设、自定义指令等。第五，在设计软件系统和硬件系统的基础上进行系统的软硬协同，对整个SOPC系统进行分析，决定哪些部分用硬件实现、哪些部分用软件实现以及软硬件系统的搭配方式。此部分协同设计最为灵活，容易发挥学生的创造性，在讲授时不拘泥于实现步骤，给学生充分的发挥空间。通过这样一条主线安排课程教学内容并适当补充相关知识内容，使得学生能够清晰、系统地掌握课程的各个知识点，把握课程的重要部分。 三、实践教学案例化
“SOPC技术”是一门工程实践性很强的课程，实践教学在课程中占有很大的比重，在课程实践教学中按照案例化方式进行。通过具体案例的讲解和分析，提高学生综合运用数字系统设计理论解决实际工程的实践能力。在案例的选择和制作环节，保证每个案例包含少量知识点，降低了学生学习的难度，实现了重要知识点的分离；此外，还注意案例的新颖性、典型性和代表性，所选择的案例能够与授课内容相吻合，案例的内容能够突出授课的重点，案例内容与整体内容达到统一。总之，案例的选择兼顾知识复杂度和知识点数。在具体实施时，主要有如下几个方面：
第一，在讲授利用Quartus II设计系统时，以全加器系统设计为案例讲解VHDL和图形化这两种典型设计方法，包括每种设计方法的设计流程和详细步骤。首先，讲解如何利用VHDL设计一个半加器，包括工程的建立、器件的选择、文件的包入、仿真工具的添加、VHDL对电路结构的描述（按照几种典型方式分别描述）、输入输出量的确定、可编程器件管脚地址的分配、功能仿真验证、时序仿真验证、工程的编译、工程目标文件的下载、系统的验证等环节；其次，对验证通过的半加器工程文件进行封装处理，生成半加器元件；再次，讲解利用图形化方式构建全加器数字系统的步骤，包括图形工程文件的建立、已有元件的调用、自定义元件的使用、信号的连接方式、输入输出量的确定、各种仿真验证环节；最后，对照数字系统设计思想，归纳出两种设计方法综合实现全加器的主要步骤。通过这样一个涵盖两个重要知识点的案例，使学生能够掌握VHDL和图形化两种数字系统设计方法与设计步骤。
第二，在讲解Nois II的使用时，选择典型的流水灯系统案例来讲解系统设计的各个步骤。首先，讲解流水灯的工作原理，对流水灯功能进行划分，明确系统的哪些功能可以由Nois II来实现；其次，讲解Nois II配置系统的各个环节，包括CPU的选择、通讯方式的选择、存储器的选择、地址的分配、时钟的选择、系统的产生、输入输出量的确定、系统的综合；最后，归纳出每个环节所对应的流水灯功能模块。通过这样一个具体案例，让学生直观地掌握Nois II使用的要点。
教学效果表明，在实践教学中，随着案例学习的不断深入，学生所掌握的知识点也越来越多，运用的技巧也越来越复杂。典型案例对巩固学生记忆有很大的帮助，特别是具有代表性的案例。案例化教学方式挖掘了学生的创新潜能和创新意识，提高了学生解决实际问题的能力。
四、结束语
筆者仅根据自身的教学经验，针对“SOPC技术”课程教学进行了一些改革与建设实践，提出了教学内容系统化、系统设计案例化、理论思想工程化等观点。结果表明，通过教学改革，极大地调动了学生学习的主动性，加深了学生对SOPC系统设计思想的理解，提高了学生运用相关理论解决实际问题的能力，丰富了学生的工程实践经验，取得了良好的教学效果。
参考文献：
[1]潘松，黄继业，曾毓.SOPC技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2]杨军，李彤.基于FPGA的SOPC实践教程[M].北京：科学出版社，2010.
[3]付永庆.VHDL语言及其应用[M].北京：高等教育出版社，2005.
[4]张志刚.FPGA与SOPC设计教程——DE2实践[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.
（责任编辑：孙晴）