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摘要：FPGA技术是当前微电子学科本科与研究生实验教学不可缺少的内容。本文针对目前FPGA技术实验教学现状，对FPGA综合实验平台的建设进行了需求分析和方案设计；根据现有实验条件，对FPGA实验平台的软硬件构架进行相应设置，完善了FPGA技术实验平台的构建，提高了FPGA实验室平台的利用效率，也为提高学生创新实践能力的培养打好了坚实的基础。
关键词：FPGA技术；实验室建设；电子教室管理；场地规划
本文引用格式：李叔元，等.FPGA技术实验室建设探讨——以广西科技大学电气学院为例[J].教育现代化,2019,6(24):151-153.
Discussion on the Construction of FPGA Technology Laboratory--Taking School of Electrical and Information Engineering of Guangxi University of Science and Technology as an Example
LI Shu-yuan,HUANG Qing-nan,QIN Yong-xin,CHEN Wen-hui
(School of Electrical and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Guangxi,Liuzhou)
Abstract:FPGA technology is an indispensable content in the undergraduate and postgraduate experimental teaching of the microelectronics subject.Aiming at the current situation of experimental teaching of FPGA technology,this paper discusses the requirement analysis and scheme design about the construction of the FPGA integrated experimental platform.According to the existing experimental conditions,we set up correspondingly the software and hardware framework of the FPGA experimental platform,and we complete the construction of the FPGA integrated experimental platform,which improves the utilization efficiency of the FPGA experimental platform.It has laid a solid foundation for improving students’innovative and practical ability.
Keywords:EDA technology;Laboratory construction;Electronic classroom management;Site planning
一引言
FPGA（Field Program Gate Array，现场可编程门阵列）是集成电路中的重要门类，其应用在通信、人工智能、大数据、云计算、智能汽车以及物联网边缘计算等领域飞速发展。而集成电路产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业。相比美国，我国本土的集成电路人才规模和质量无法满足产业的要求，主要存在FPGA人才缺口巨大、高校人才培养供给严重不足、高端人才极其缺乏等问题。在这种严峻的人才培养形势下，创造良好的FPGA人才培养环境、加强高校电气类专业中FPGA技术的实践课程建设和提高FPGA实验教学质量，已经刻不容缓。
FPGA技术课程直接面向应用开发，使学生通过该课程学习能够掌握可编程器件的使用和开发技能，能够直接面向工程实践并解决问题，完成电子系统开发和设计任务。其教学过程中以实践为主，注重培养学生的应用设计能力和实践能力。FPGA技术已成为创新技能培养的重要内容和各类创新创业设计竞赛中必备的设计技能。因此，在当今应用型人才培养的目标体制下，加强FPGA技术实验室的建设，为FPGA开发人才的培养建立良好的实验环境，将进一步增强学生参与科研创新活动的兴趣，提升创新实践成果的培育能力，提高学生主动思考问题和解决问题的能力，以及科技创新水平。
二 FPGA技术实验室硬件及网络建设规划
（一）FPGA技术实验平台的搭建
每个FPGA实验平台由一台计算机、一套FPGA技术实验开发装置及配套的测试仪器构成，其中FPGA技术实验开发装置是平台中最关键的一环，其核心板上芯片型号的选择与科技发展紧紧相扣，也与FPGA人才培养目标的高度保持联系。由于FPGA芯片的系列号越高，其内置IP资源和性能就越好，FPGA技术课程内容的深度和广度也随之可做灵活的调整，使得学生在电子系统设计方面就可以多掌握更全面、更精湛的技能。所以在遵循FPGA技术教学大纲和学时限定的前提下，慎重选择与培养目标相符的实验开发装置上的FPGA芯片型号。
本实验室选用“KX_DN系列模块化创新设计综合实验开发系统”实验箱，板载FPGA芯片为Cyclone III系列EP3C555E484C8，内含55856个逻辑宏单元LCs(含55856个D触发器)、260万可编程嵌入式RAM bit、4个锁相环等，以及配置Flash存储器EPCS16。可拔插的功能模块包含：矩阵键盘模块、液晶屏模块、步进电机模块、单片机模块、VGA接口模块等，该实验箱配套的开发软件为QuartusII9.0，可以完成验证型、综合型、设计型多种内容和难度的实验。特别是综合实验，涵盖的课程包括数字系统设计自动化、嵌入式系统、计算机组成原理、计算机系统结构、微机原理与接口技术、数字图像处理等课程，为培养学生的电子系统设计能力提供了较为齐全的硬件准备和灵活的设计方案。
（二）FPGA实验场地设计
为了便于教师实施交互性良好的实验教学，开展良好的师生交流，充分发挥教师的指导作用，FPGA实验教学形式最好是采用小班教学，同时对实验场地的布置也事关重要。FPGA技术实验室一般按照一个自然班的学生数确定FPGA实验平台的数量，数量控制在40套以内。如果按照两个自然班的学生数来确定实验平台的数量，需要一个200平以上的大型实验室。实验台按行列整齐放置，每列中间或旁边都留过道，便于教师进行单独指导。FPGA技术实验室布局如图1所示。
为了便于教学和管理的需要，还需要对FPGA实验平台进行编号，包括实验桌编号、FPGA实验开发装置编号、计算机编号、计算机开机桌面的编号最后保持一致。统一编号带来的好处如：上课前，查看未上线、未连接的学生机，监测网络状况；上课时，查看学生的实验情况，收作业的情况；考试时，可以迅速查找未提交的试卷。
（三）FPGA实验室网络建设
随着电子技术的飞速发展，FPGA开发软件不断升级，对计算机平台和实验室局域网络的要求越来越高。FPGA实验平台的计算机部件最好采用主流配置。目前，主流CPU在i5以上，内存8G以上，硬盘1T以上。同时，由于升级后的FPGA软件包越来越大，用百兆的网线传输，一个软件包可能需要一天的时间，用千兆的交换机、千兆的网线也得需要一个小时的时间才可完成传输任务。如果需要联接外网，还得采用千兆的路由器。为了满足FPGA实验的教学需求，路由器、交换机、网线必须同时采用千兆的参数。
三FPGA技术实验室软件建设规划
（一）FPGA技术实验室的教室管理系统
为了更高效地实施实验教学，实验室的教师机非常有必要安装电子教室管理软件。电子教室软件具有丰富的功能，包含：1.远程控制功能，包括打开学生机、关闭学生机；2.点名功能，上课时可以对学生进行点名，并将点名信息进行记录；3.广播功能，教师通过广播向学生机传播课程内容；4.分发文件、收取文件功能；5.锁定、黑屏功能，比如学生机有玩游戏、聊天的与学习无关的异常的行为，可以进行锁定，黑屏的功能多用于考试开始前和考试终止，黑屏的图案可以采用图片、文字提示，比如“保持安静”、“考试结束”等。同时，学生机也可通过电子教室管理软件向教师机进行提交作业。
教师机也可以通过电子教室分发软件安装包至学生机。如果软件包安装过程简单，管理员可自行逐个安装。如果软件包安装复杂，需要采用编写脚本的方式进行自动化安装。脚本可以采用命令行的脚本，也可采用记录鼠标键盘动作的脚本完成软件包的安装。通过合理的脚本设计，完成学生机软件的自动化安装及软件配置。
（二）FPGA技术实验室的电脑安全管理
由于U盘等便携式存储器的广泛使用，导致学校机房成为计算机病毒的重灾区。为防止病毒泛滥入侵电子教室管理系统，计算机的硬盘系统必须进行严格管理。硬盘的分区划分为系统分区、数据分区和备份分区。备份分区可采用人工划分，也可采用软件划分。系统分区在安装操作系统及应用程序之后，应设定还原方式。系统分区采用每次启动都还原的方式，杜绝病毒程序的影响。网络同传及备份还原软件可以采用联想或者惠普自带的软件，也可以采用第三方软件三茗软件。
四小结
本校的FPGA技术实验室建成后，已经取得了一些阶段性成果，在教学、实验、课程设计、毕业设计、电子竞赛及科研环节发挥了重要的作用。既能够满足所有本科课程实验与设计要求，又能与其它设备配合使用进行复杂系统的设计；也能够满足研究生教学实践活动和创新实验竞赛的需要，拓宽研究生在相关领域内的知识应用能力与工程实践能力的广度与深度。总之，本FPGA技术实验室的建立，可以实现课程教学过程中的“软硬并重”，从而显著提高实践课程的教学质量，进一步增强学生参与科研创新活动的兴趣，提高学生科技创新水平和动手能力，进而为我国集成电路行业培养更多的优秀的FPGA人才。
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