摘要：針對傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學中的問題，提出將Zynq平臺作為嵌入式系統(tǒng)的教學改革實踐平臺。采用全新的課程體系結(jié)構(gòu)，以工程實踐訓練為導向，驅(qū)動學生自主完成課程學習和實踐活動。教學實踐表明，基于Zynq平臺完成嵌入式系統(tǒng)設計是非常重要的。它不僅鞏固了學生的基礎理論，而且培養(yǎng)了學生的工程實踐能力，同時提高了學生整體嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力。

1 課程改革提出的背景

隨著大量的IP（Intellectual Property）組件被集成到SOC （All Programmable SOC）上，嵌入式系統(tǒng)設計越來越復雜。同時，隨著設計工具、設計方法的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)中軟件和硬件的界限已經(jīng)很模糊。然而，傳統(tǒng)的ARM嵌入式系統(tǒng)課程理論高度分散，結(jié)構(gòu)不斷更新。學生學習起來難度較大，難以在短時間內(nèi)形成一個簡單明確的知識體系。隨著大數(shù)據(jù)、智能物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，未來的嵌入式系統(tǒng)“軟件”和“硬件”將根據(jù)應用的要求，變成一個全面可編程的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)將在單芯片內(nèi)按照特定的需求來設計硬件平臺和軟件應用。這種全面可編程的實現(xiàn)過程，充分體現(xiàn)了軟件串行執(zhí)行和硬件邏輯并行執(zhí)行的完美結(jié)合、軟件和硬件的協(xié)同調(diào)試、軟件和硬件的協(xié)同設計。 為了培養(yǎng)全面可編程的嵌入式工程師，本文結(jié)合我系開設“片上系統(tǒng)設計”的教學與實踐經(jīng)驗，提出幾點基于Zynq的嵌入式系統(tǒng)教學改革措施。

2 課程改革的具體措施

2.1 創(chuàng)新的教學平臺
Zynq 是一款基于Xilinx Zynq-7000 AP SOC平臺的低成本開發(fā)板。這款開發(fā)板可以實現(xiàn)基于Linux, Android, Windows or other OS/RTOS操作系統(tǒng)的設計。此外，開發(fā)板上豐富的擴展接口使得用戶可以方便的訪問可編程邏輯和處理器系統(tǒng)。Zynq-7000器件是最新半導體技術(shù)、計算機技術(shù)和電子技術(shù)的一個結(jié)合體。它將基于兩個ARM Cortex-A9處理器的快速處理器系統(tǒng)與業(yè)界速度最快、最高級的 28nm FPGA 架構(gòu)相結(jié)合，搭配多個高速串行收發(fā)器以及包含兩個每秒 100 萬次采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器的片上模擬處理模塊。Zynq-7000 AP SOC 的核心是雙核硬化實現(xiàn)的 ARM Cortex-A9微處理器。

兩個ARM Cortex-A9處理器之間通過AXI (Advanced eXtensible Interface) 的互聯(lián)機制與片上存儲器、SDRAM和閃存存儲器以及外設模塊進行通信，這些硬化模塊構(gòu)成了Zynq-7000 AP SOC 處理器系統(tǒng)部分，即PS（Processing System）。每個 CPU 都是一個 Cortex A9 處理器，帶有專門的 NEON 協(xié)處理器（媒體和信號處理架構(gòu)，增加了面向音頻、視頻、3D 圖形、影像和語言處理的指令）和雙精度浮點單元。片上PS通過多個AXI 端口連接到 Zynq 器件的片上可編程邏輯，即 PL（Programmable Logic）。在Zynq架構(gòu)的兩大關鍵組件之間形成了極為高效的耦合?？删幊踢壿嬁捎捎脩襞渲茫⑼ㄟ^“互連”模塊連接在一起，從而可提供用戶定義的任意功能，以擴展處理器系統(tǒng)的性能和功能。一系列互連模塊相互配合，可根據(jù)應用需求在邏輯模塊間路由信號?？删幊踢壿嬡浖ぞ呖蓪?RTL 應用編譯到位文件中，然后將該文件載入可編程邏輯中用以配置可編程邏輯的功能。

Zynq-7000 AP SOC平臺是非常好的教學實踐平臺。作為教學平臺，學生可以在這個平臺上實現(xiàn)全過程的嵌入式系統(tǒng)課程教學，學生可以清楚的看到每個實現(xiàn)的具體過程。這樣，學生才可以真正的理解嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)涵。同時，學生在利用該平臺開發(fā)嵌入式應用的時候，可以進一步的提高嵌入式系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

2.2 創(chuàng)新的課程體系結(jié)構(gòu)
為了培養(yǎng)全面可編程的嵌入式工程師，我們選用Zynq開發(fā)板作為教學平臺，采用了全新的課程體系結(jié)構(gòu)，即涵蓋課程講座、基礎知識、基本技能、項目實訓、拓展訓練五大模塊，新的體系結(jié)構(gòu)注重學生工程訓練和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。課程整體設計為66學時（理論48，實驗18），學分為4學分。各模塊課時分配情況如圖1所示。為了適應課程教學需要，根據(jù)Xilinx大學計劃的原版課程材料，我們自主編寫了《片上系統(tǒng)設計講義》、《片上系統(tǒng)設計實驗教程》和《片上系統(tǒng)設計實訓案例教程及拓展訓練》。

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圖1 各模塊課時分配

課程講座內(nèi)容聘請知名教授或者Xilinx講師為學生講授最新的Zynq知識，讓學生了解最新的行業(yè)動態(tài)，發(fā)展趨勢。課程的基本內(nèi)容包括兩個方面：基礎知識和基本技能。基礎知識教學課時為20，主要講解基于Zynq的嵌入式系統(tǒng)設計方法、設計流程、AXI 4-Lite 規(guī)范，知識體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。基礎技能教學課時為24，基本技能體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。教學過程中基本技能訓練是穿插在基本知識中講授，該部分內(nèi)容是對基礎知識的必要補充和實踐，通過實踐操作將理論知識進一步加強理解。在Zynq平臺上鍛煉學生的初步嵌入式系統(tǒng)設計技能，為項目實訓打下基礎。

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圖2 基礎知識體系結(jié)構(gòu)