基于Zynq的嵌入式系统教学改革背景与措施

摘要：针对传统嵌入式系统教学中的问题，提出将Zynq平台作为嵌入式系统的教学改革实践平台。采用全新的课程体系结构，以工程实践训练为导向，驱动学生自主完成课程学习和实践活动。教学实践表明，基于Zynq平台完成嵌入式系统设计是非常重要的。它不仅巩固了学生的基础理论，而且培养了学生的工程实践能力，同时提高了学生整体嵌入式系统开发能力。

1 课程改革提出的背景

随着大量的IP（Intellectual Property）组件被集成到SOC （All Programmable SOC）上，嵌入式系统设计越来越复杂。同时，随着设计工具、设计方法的不断发展，嵌入式系统中软件和硬件的界限已经很模糊。然而，传统的ARM嵌入式系统课程理论高度分散，结构不断更新。学生学习起来难度较大，难以在短时间内形成一个简单明确的知识体系。随着大数据、智能物联网时代的到来，未来的嵌入式系统“软件”和“硬件”将根据应用的要求，变成一个全面可编程的系统。整个系统将在单芯片内按照特定的需求来设计硬件平台和软件应用。这种全面可编程的实现过程，充分体现了软件串行执行和硬件逻辑并行执行的完美结合、软件和硬件的协同调试、软件和硬件的协同设计。 为了培养全面可编程的嵌入式工程师，本文结合我系开设“片上系统设计”的教学与实践经验，提出几点基于Zynq的嵌入式系统教学改革措施。

2 课程改革的具体措施

2.1 创新的教学平台
Zynq 是一款基于Xilinx Zynq-7000 AP SOC平台的低成本开发板。这款开发板可以实现基于Linux, Android, Windows or other OS/RTOS操作系统的设计。此外，开发板上丰富的扩展接口使得用户可以方便的访问可编程逻辑和处理器系统。Zynq-7000器件是最新半导体技术、计算机技术和电子技术的一个结合体。它将基于两个ARM Cortex-A9处理器的快速处理器系统与业界速度最快、最高级的 28nm FPGA 架构相结合，搭配多个高速串行收发器以及包含两个每秒 100 万次采样模数转换器的片上模拟处理模块。Zynq-7000 AP SOC 的核心是双核硬化实现的 ARM Cortex-A9微处理器。

两个ARM Cortex-A9处理器之间通过AXI (Advanced eXtensible Interface) 的互联机制与片上存储器、SDRAM和闪存存储器以及外设模块进行通信，这些硬化模块构成了Zynq-7000 AP SOC 处理器系统部分，即PS（Processing System）。每个 CPU 都是一个 Cortex A9 处理器，带有专门的 NEON 协处理器（媒体和信号处理架构，增加了面向音频、视频、3D 图形、影像和语言处理的指令）和双精度浮点单元。片上PS通过多个AXI 端口连接到 Zynq 器件的片上可编程逻辑，即 PL（Programmable Logic）。在Zynq架构的两大关键组件之间形成了极为高效的耦合。可编程逻辑可由用户配置，并通过“互连”模块连接在一起，从而可提供用户定义的任意功能，以扩展处理器系统的性能和功能。一系列互连模块相互配合，可根据应用需求在逻辑模块间路由信号。可编程逻辑软件工具可将 RTL 应用编译到位文件中，然后将该文件载入可编程逻辑中用以配置可编程逻辑的功能。

Zynq-7000 AP SOC平台是非常好的教学实践平台。作为教学平台，学生可以在这个平台上实现全过程的嵌入式系统课程教学，学生可以清楚的看到每个实现的具体过程。这样，学生才可以真正的理解嵌入式系统的内涵。同时，学生在利用该平台开发嵌入式应用的时候，可以进一步的提高嵌入式系统的灵活性和可靠性。

2.2 创新的课程体系结构
为了培养全面可编程的嵌入式工程师，我们选用Zynq开发板作为教学平台，采用了全新的课程体系结构，即涵盖课程讲座、基础知识、基本技能、项目实训、拓展训练五大模块，新的体系结构注重学生工程训练和创新思维的培养。课程整体设计为66学时（理论48，实验18），学分为4学分。各模块课时分配情况如图1所示。为了适应课程教学需要，根据Xilinx大学计划的原版课程材料，我们自主编写了《片上系统设计讲义》、《片上系统设计实验教程》和《片上系统设计实训案例教程及拓展训练》。

 

图1 各模块课时分配

课程讲座内容聘请知名教授或者Xilinx讲师为学生讲授最新的Zynq知识，让学生了解最新的行业动态，发展趋势。课程的基本内容包括两个方面：基础知识和基本技能。基础知识教学课时为20，主要讲解基于Zynq的嵌入式系统设计方法、设计流程、AXI 4-Lite 规范，知识体系结构如图2所示。基础技能教学课时为24，基本技能体系结构如图3所示。教学过程中基本技能训练是穿插在基本知识中讲授，该部分内容是对基础知识的必要补充和实践，通过实践操作将理论知识进一步加强理解。在Zynq平台上锻炼学生的初步嵌入式系统设计技能，为项目实训打下基础。

 

图2 基础知识体系结构

项目实训模块是对学生的综合训练，要求学生在Zynq平台上设计实现一个常用的嵌入式操作系统，完成操作系统环境的搭建、u-boot原理的实现、内核的编译、设备树的实现。结合Zynq平台提供以下备选实训项目：
（1）Ubuntu操作系统在Zynq平台的实现
（2）uC/OS-III操作系统在Zynq平台的实现
（3）CentOS操作系统在Zynq平台的实现

 

图3 基本技能体系结构

拓展训练模块是针对那些学有余力的学生，在第二课堂利用课余时间完成一些创新性的设计。采用“口袋”实验室的理念，该理念由Xilinx大学计划引入中国，打破实验时间和空间的限制，学生随时随地将创新的想法付诸实践。学有余力的学生可以将“口袋”实验室作为第二课堂，拓展学生的知识面，结合自己的研究兴趣和科研方向，通过自我学习，发现问题，并通过研究实践有目的的解决问题，从而获取新知识，不断的提高自身的创新意识。

3 结语

全新的教学平台和知识体系已在12级、13级电子信息科学与技术的“片上系统设计”课程中实践，教学调查问卷表明有95%的学生“十分满意”，有 90％的同学在以后的工作中从本课程中获益，97%的学生对“口袋”实验室感兴趣。Zynq平台将嵌入式理论教学与实践教学有机的结合在一起，改变了传统的嵌入式知识结构，激发学生的创新思维。尤其是“口袋”实验室的理念，这种“随身携带”的实验室大大激发了学生的兴趣，将兴趣与学习融为一体，正逐渐成为培养创新型人才的有效途径。