面向工程教育的SoC嵌入式系统实验平台设计与教学实践

222018年2月总第283期ISSN1672-1438CN11-4994/T 面向工程教育的SoC 嵌入式系统实验平台设计与教学实践杨昕欣 姚 远 刁为民 刘荣科 李 松北京航空航天大学电子信息工程学院 北京 100191摘 要：分析了嵌入式系统教学面临的一些问题，设计了一种基于全可编程片上系统(System on Chip ，SoC)的嵌入式系统教学实验平台。

基于实验平台设计了多个层次的实验课题，使学生既可以了解经典技术的发展也可以接触全新的技术和工具。

分析嵌入式系统课程教学目标与专业培养整体目标之间的关系，考虑学生的兴趣差异和个性化教学需求，对实验考核方式等方面做出了更精细化的调整。

基于所在专业的工程教育教学实践，对实验平台及教学方案的有效性进行了验证。

关键词：嵌入式系统；实验教学；工程教育；全可编程片上系统作者简介：杨昕欣，工学博士，讲师；姚远，工学博士，工程师；刁为民，工学硕士，实验师；刘荣科，工学博士，教授；李松，工学硕士，助教。

基金项目：北京航空航天大学教改项目“面向电子信息专业的嵌入式系统实验教学研究”“空天电子信息国家实验教学示范中心嵌入式系统实验平台开发研制”。

嵌入式系统是以应用为中心的计算机系统。

随着各类应用系统更加智能化和更多功能的需求增长，嵌入式系统技术的发展也面临着更加复杂和多样化需求的挑战。

绿色低功耗、个性化、小型化设计、快速升级等则是嵌入式系统技术目前最具有代表性的发展需求。

通过单片集成、可重配置、现场可编程、异构计算等方式应对这些挑战的可编程片上系统技术，则是嵌入式系统技术未来的重要发展趋势[1]。

嵌入式系统技术的快速发展，使得嵌入式系统的教学面临挑战，尤其是面向工程认证的实验教学具有很强的时效性，必须及时融入最新的技术。

具有可重构特性的可编程片上系统技术，仍然是以嵌入式处理器为核心的架构，继承了大量的传统软硬件开发技术，但同时也产生了异构计算、I/O 重配置、片上互联、软硬件协同设计等新的设计对象[2]，以及新的设计工具和新的设计方法学，需及时设计新的适用实验平台，以便更好地执行工程教育认证对实验教学所提出的标准。

Xilinx 的zynq-7000系列全可编程SoC 将可编程逻辑、外设和处理器集成在一起，创造出了可扩展处理平台EPP(Extensible Processing Platform)。

EPP 以处理器为核心，FPGA 充当协处理器引擎及可定制子系统，可快速构建具有特定应用I/O 和异构处理内核的应用系统[3]。

本文基于Xilinx EPP 实现了一种全新的教学实验平台，为学生展现了一系列全新的软硬件技术。

以工程教育认证毕业标准为导向，精心设计了相关实验，一方面反映了经典技术在全新平台中的应用和发展；另一方面则使学生有机会接触和实践可编程片上系统开发等新方法和技术，力图达到训练工程实践和创新能力、了解技术前沿的培养目标。

1 基于全可编程 SoC 的嵌入式实验平台平台设计基于Zynq ®-7000 全可编程SoC 架构，借助其硬件、软件和 I/O 可编程性，实现了系统级多样性、高集成度和灵活性，实验平台硬件由核心芯片、外围存储和接口芯片等构成，平台的组成框图如图1所示。

图1　实验平台组成框图核心芯片：核心芯片采用Xilinx Zynq-7000 EPP 系列芯片，集成了基于双核ARM Cortex-A9 MPCore 的处理系统(Processing System PS)和Xilinx 可编程逻辑器件(Programmable Logic PL)，既提供了FPGA 的灵活性和可扩展性，同时也兼顾了通常ASIC 和ASSPs 才具有的高性能和易用性特点。

DDR3内存：DDR3内存由2片容量256 MB 的颗粒组成，组合总线宽度为32 bit ，最高运行速度可达533 MHz ，为开展内容丰富的实验设计提供必要性能支撑。

启动设备：实验板有两种启动设备，一个是NAND Flash ，另外一种是TF 卡，具备便捷的升级调试工具，从而为学生进行系统定制实验提供了高效机制。

USB 接口：实验板提供一路USB 接口，由外部24 MHz2018年2月总第283期ISSN1672-1438CN11-4994/T晶振提供参考时钟，可以工作在Host，Device和OTG 共3种模式，支持USB Host 2.0，USB Device2.0 和USB OTG1.3标准。

以太网接口：提供一路10M/100M/1000M以太网接口，3种速度均可工作在全双工或半双工模式，千兆网收发器为MARVELL88E1111。

USB-UART接口：USB-UART桥接收发器选用Silicon Labs的CP2013-GM，将其与XC7Z020的Bank501 UART0控制器管脚连接；利用USB电缆连接将实验板，安装Silicon Labs提供的虚拟COM端口驱动程序，就可使用超级终端等软件建立主机与目标机的连接，为系统开发和调试提供了方便。

2 面向工程实践能力培养的基础实验设计嵌入式系统课程在面向工程教育认证的电子信息工程专业培养课程体系中属于专业必选课程，具有承上启下的课程定位性质，强调对先行的编程语言、计算机基础、软件技术基础、微机原理等课程知识的综合运用，特点是涉及知识面广、实践性强，实验环节极其重要[4]。

从工程教育认证毕业12条要求的角度看，嵌入式系统实验教学可以体现对工程知识、设计/开发解决方案、使用现代工具以及承担团队角色等毕业要求的支撑。

例如，操作系统的编译和移植实验，就可以设计成需要学生综合运用软件工程、微机原理、接口技术、编程语言等工程和专业知识去解决的问题；另外，嵌入式系统的软硬件开发工具五花八门，这就要求学生，不仅会使用工具还要会通过阅读资料、动手实验等方式学会从这些工具中做出选择。

基础实验的设计就是要以工程教育培养的基本要求为参考，结合学校和专业的定位，面向应用，合理设计实验的内容与难度，精心设计实验步骤，使得学生通过体验和适量的编程开发，了解相关知识、激发学习兴趣。

基于全可定制SoC嵌入式系统平台设计基础实验，其内容应以经典嵌入式系统开发技术为基础并展示相关技术、工具的最新发展趋势。

本课程团队在教学实践中设计了4个基础实验，从不同的侧面形成对工程教育毕业基本要求的支撑。

2.1 汇编及独立应用程序实验平台汇编程序实验基于较新的ARMv7-A指令集，通过调试中断向量设置、CPU初始化、内存初始化、串口控制、汇编和高级编程语言混合编程等例程，使学生理解复杂处理器系统的初始化过程，学习和对比主流的汇编IDE或者工具链。

2.2 Bootloader实验通过对U-Boot进行裁剪编译和源码分析等方式，使学生掌握嵌入式系统的引导启动原理，体会理解可移植性、可维护性、易使用、可扩展等优秀的编程思想，了解复杂软件系统的组织方式和开发工具。

2.3 内核裁剪与移植实验Linux内核的实验教学主要从两方面着手。

一方面是从内核工作原理角度，通过分析内核启动过程、加载内核模块、观察进程信息、分析少量关键源代码等方法，了解内核的主要功能和部分工作原理；另一方面，从大型软件的源码的组织和编译角度，通过分析源码树结构、编译配置方式、裁剪内核、编译内核、分析编译配置工具工作原理等，了解大型软件开发面临的挑战和常用开发方法和工具。

2.4 文件系统移植实验编译和移植文件系统实际就是定制应用系统的过程，其中涉及各种开源软件和工具，学生可以根据需要获取开源软件，编译文件系统，从而了解定制开发应用系统的过程。

此外，文件系统的管理也是内核的重要部分，文件系统实验展示了文件的组织方式，而内核源码中文件系统部分则用于实现交互，将两部分适当结合可加深对文件系统的理解。

3 面向创新能力培养的高级主题实验工程教育毕业标准既重视对工程知识和技能的掌握，更重视创新能力的养成。

基础实验为课内实验，由于学时有限，所以多采用体验和少量自主编程的形式，在运用工程和专业知识解决复杂问题方面的训练尚显不足[5]。

高级主题实验多为综合性实验，涉及大量课外阅读，需要自主编程和解决问题，可以较好地弥补上述不足，还可以对承担团队角色、终生学习等工程教育认证标准中的毕业要求形成支撑。

另外，一些高级主题实验还可以使学生有机会了解或掌握可编程SoC等新兴主流技术。

3.1 综合性实验本课程教学团队已经基于平台设计了若干综合性实验：视频播放器移植实验完成复杂软件的移植，锻炼学生进行嵌入式系统应用软件定制开发的能力；内核调度实验，分别基于模拟器和实验平台，完成简单的调度和进程管理，可以加深和提升对指令、内核、体系结构等知识的理解；Qt移植与编程实验完成简单界面程序设计，锻炼学生进行嵌入式系统应用软件GUI开发的能力；扩展存储实验基于AXI总线技术实现地址空间扩展，培养学生进行深度可编程SoC开发的能力。

3.2 SoC系统设计实验使用可重用IP技术和软硬件协同设计技术，采用系统化的方法以及开发工具，快速可靠地设计并实现23242018年2月总第283期ISSN1672-1438CN11-4994/T应用系统，成为未来电子系统工程师需要具备的重要能力。

基于平台的SoC 设计实验使学生通过学习Xilinx EDK 设计流程、设计简单IP 、定制外设、配置IP 资源、定制AXI 总线等实践过程，了解复杂的嵌入式系统的定制技术、SoC 系统片上互连技术、外设定制技术、了解可编程SoC 开发技术、认识软硬件协同设计的流程和工具以及集成系统的调试验证技术等。

4 实验教学实施方案4.1 实验教学计划实验安排与课堂教学密切关联，一般在课堂教学之后的1周进行相关实验，实验采用小组方式，每个小组2名学生，基础实验每单元2个学时，高级主题实验每单元4个学时。

4.2 考核方式实验教学的目的，一方面是帮助学生加深对课堂知识的理解；另一方面则是为了提高学生分析解决实际工程问题的实践能力，而合理有效的考核方式则是达成上述目标的重要保障。

设计考核方式时需要考虑的问题主要有以下几方面。

目前课时普遍压缩，课堂教学无法完全覆盖实验内容，需要学生完成大量课外阅读，复习课堂教学内容并预习实验手册，甚至有一部分基础练习要在学生的个人计算机上完成。

嵌入式系统实验的形式包括软件编程和软硬件联调，其中软件编程程序占据较大比重，程序容易复制抄袭，需要采取手段加以遏制。

实际教学过程中还必须以工程教育认证毕业标准为导向，正确认识嵌入式系统课程教学目标与整个专业培养目标之间的关系，即正确认识整体与局部的关系，正确认识学生对待本课程的兴趣差异。

专业培养计划中有不少课程在素质养成方面有着相同的作用，但是学生不一定对每一门课都有充足的兴趣，对部分学生一些素质的养成可以在其他更感兴趣的课程中实现。