硬件系统设计论文范文

硬件系统设计论文篇1

【关键词】嵌入式系统开发平台；硬件抽象层；设计和研究

引言

嵌入式系统开发平台在对产品周期的缩短以及资源利用率问题上提供了有效的解决方案。然而，这种平台因为较强的专用性和体积较小的缺点使得系统平台中说应用的硬件环境存在很大的差异。在实际运用中怎样对设计开发平台进行合理的开发使其适用于不同的应用环境这是重点。

1 硬件抽象层的内容及作用

内容：硬件抽象层地内容比较丰富，这里做简要的分析。首先是初始化相关的硬件部分，这个部分是系统启动的基础闷在初始化系统和管理内存中发挥着重要作用[1]；编程的支持。因为基本数据的有限性导致嵌入式系统的要求得不到满足，加上需要考虑中央处理单元，在选择基本的数据类型时对系统的同步和互斥操作进行考虑，而这些操作是经过开关中断的方式实现的；寄存器堆。寄存器堆是对中央处理单元只不过寄存器的数量和位宽进行描述的部分；时钟描述。这个部分主要负责时钟的行为；数据指令，这个部分有利于提高中央处理单元的性能，充分发挥其作用[2]；内存控制器，尽管这个部分不是一定要寻在的，但是在使用这个部分时还是需要进行描述的；中断控制器，这个部分的描述主要作用于嵌入式系统的实时性，对于中断的两极进行处理，然后向系统传送信息，这是提高系统反应速度的关键。

作用：嵌入式系统的规模小因此在整体上看其占用的空间也较小。其次，嵌入式系统的课移植性是赋予其生命力的关键。再者，由于嵌入式系统的使用的范围十分广泛，无论是军用还是民用都有其存在。另外，嵌入式系统还具有实时性、专用性等特点。

2 硬件抽象层的设计

通过上面的分析可以看出，硬件抽象层对于嵌入式系统开发平台具有很重要的作用与意义。所以，其设计工作尤为重要。嵌入式系统开发平台硬件抽象层（ESP―HAL）是对硬件的一种抽象。其设计的主要任务就是实现物理硬件到逻辑硬件之间的合理、有效地转换，最终以一种统一的硬件相关功能服务接口的方式，为上层系统的内核提供一套硬件环境[3]，这种环境严格来说只是一种逻辑意义上的环境。不同的开发系统或者平台所提供的硬件环境是不一样的，嵌入式系统开发平台的硬件抽象层即ESP―HAL是与底层硬件设备的系统软件层直接联系的，具体的位置图如图2-1。

图2-1 嵌入式系统开发平台的层次模型

具体的设计流程如图2-2。从设计的流程可以看出ESP―HAL设计要建立在实际需求的基础之上，然后再定义接口，继而对硬件及软件进行设计，设计完成后要进行测试，测试通过后才算是完成了整个的设计。在设计的过程中为了实现硬件相关与硬件无光部分的程序之间的隔离，提高系统的运行效率，要对硬件无关部分进行屏蔽，从而消除硬件之间的差异。这样才能保证硬件抽象层可以为上层软件提供一个不具有硬件特性的接口。同时，为了便于进一步扩展和运用其他的硬件平台，在设计的时候要在ESP―HAL各个子系统层之间定义一个统一的接口，从而实现系统间的信息传递[4]。

图2-2 基于ESP―HAL的设计及模式

ESP―HAL的功能结构主要包括系统的初始化、系统的中断管理、设备的操作控制、告诉缓冲、体系将诶狗的描述、基本配置的定义等。在设计的过程中为了保证系统功能的实现，要对ESP―HAL服务接口进行详细的设计。总之，在对ESP-HAL进行设计之前，要做好一个整体的方案，制定相应的设计流程，并且要结合实际的情况。保证系统的功能得到完整的实现。而且研究也证明ESP-HAL的引入有效地提高了嵌入式系统具有可行性。

3 结语

通过论文的研究可以看出目前，对嵌入式系统中的硬件抽象层地设计进行了分析，为其作为嵌入式系统平台的一部分层次的提高做了实现的准备。通过对其设计和研究的分析，为硬件抽象层在嵌入式系统平台中的应用及推广做准备。最后，希望论文的研究为相关的工作者及研究人员提供一定的借鉴与参考价值。

参考文献：

[1] 郭静寰，孟祥迪，郭丽虹，等. Windows NT硬件抽象层HAL功能分析[J].计算机应用， 2002， 22（7）： 86-88.

[2] 郭静寰，孟祥迪，郭丽虹，等. Windows NT硬件抽象层HAL功能分析[J].计算机应用， 2002， 22（7）： 86-88.

[3] Zhang Guoyin， Chen Luyuan， Yao Aihong. Study and Comparison of the RTHAL-Based and ADEOS-Based RTAI Rea-ltime Solutions for Linux [C]// Ni Jun， Dongarra J. First International Mult-i Symposiums on Computer and Computa-tional Sciences （Vol.2）. Hangzhou， China： IEEE， 2006： 771-775.

硬件系统设计论文篇2

关键词：VHDL，电路系统，数据选择器

 

1 引言

VHDL (Very HighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language)是美国国防部在20世纪80年代中期开始推出的一种通用的硬件描述语言。作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，VHDL语言在电子工程领域已成为事实上的通用硬件描述语言。VHDL为设计者提供了一种全新的数字系统的设计途径。使用VHDL语言不只是意味着代码的编写，更是为了便于建立层次结构和元件结构的设计，利用VHDL编写的电路模块可被重复利用。故可以简化设计者的设计工作，大大缩短设计时间，减少硬件设计成本，提高工作效率。

2 VHDL的优点

VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的：

（1）具有更强的行为描述能力，是系统设计领域最佳的硬件描述语言。

（2）具有丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。

（3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。该功能能满足市场大规模系统高效、高速的需要，可替代多人甚至多个组共同工作。

VHDL的许多优点给硬件设计者带来了极大的方便， 自然被广大用户接受， 得到众多厂商的大力支持。使用VHDL设计数字系统已成为当今电子设计技术的必然趋势[4 ] 。

3 “自顶向下”( Top-Down) 的设计方法

随着数字系统设计规模的急剧加大，“自顶向下”的设计方法成为现代EDA设计的趋势。论文参考。传统的系统硬件设计方法是采用自下而上的设计方法。即系统硬件的设计是从选择具体元器件开始的，并用这些元器件进行逻辑电路设计，完成系统各独立功能模块设计，然后再将各功能模块连接起来，完成整个系统的硬件设计。而在VHDL的设计中，采用“自顶向下”( Top-Down) 的设计方法，设计常用流程图如图1所示，系统被分解为各个模块的集合后，可以对设计的每个独立模块指派不同的工作小组，这些小组可以工作在不同地点，甚至可以分属不同的单位，最后将不同的模块集成为最终的系统模型，并对其进行综合测试和评价。论文参考。“自顶向下”设计的基本步骤为:

(1) 分析系统的内部结构并进行系统划分，确定各个模块的功能和接口;

(2) 编写程序，输入VHDL代码，并将其编译成标准的VHDL文件;

(3) VHDL 源代码进行综合优化处理;

(4) 配置，即加载设计规定的编程数据到一个或多个LCA器件中的运行过程，以定义器件内的逻辑功能块和其互连的功能。

(5) 下载验证，通过编程器或下载电缆载入将步骤(4) 得到的器件编程文件下载到目标芯片中，以验证设计的正确性。

图1 VHDL工程设计流程图

Fig.1 The design flow based on VHDL

4 VHDL的设计举例

下面以4选1数据选择器为例说明使用VHDL的设计过程。4选1数据选择器框图如图2所示。论文参考。

该数据选择器的VHDL描述如下：

entity sel is

port(a,b,c,d,sel_1:IN bit;

out_1:OUT bit);

end sel;

architectureexample of sel is

begin图2 4选1数据选择器

process((a,b,c,d, sel_0, sel_1) Fig.2 The one-in-four selector

begin

if sel_0=‘0’andsel_1=‘0’then

out_1<=a;

elsef sel_0=‘0’andsel_1=‘1’then

out_1<=b;

elsef sel_0=‘1’andsel_1=‘0’then

out_1<=c;

else

out_1<=d;

end if;

end process;

end example;

利用VHDL强大的仿真功能，经过编译后运行仿真，之后可以产生信号波形，用以分析仿真结果。本例中产生波形如图3所示。仿真结果符合设计功能的要求。

图3 仿真结果

Fig.3The waveform of simulation

5 结束语

本文以4选1数据选择器设计为例，说明利用VHDL设计电路系统的基本方法和过程。用VHDL语言实现电路的设计过程，是一个以软件设计为主，器件配置相结合的过程。这种软件设计与硬件设计的结合，以一片器件代替由多片小规模集成数字电路组成的电路，其优势已经越来越明显。在进行系统设计时，如果系统比较复杂，所需器件数目多，并要求体积小、速度快、功耗低时，首先应该考虑使用VHDL进行芯片设计，然后再进行整体设计。

参考文献

[1] Stafan Sjoholm，Lennart Lindh. 边计年,薛宏熙译. 用VHDL设计电子线路[M]. 北京:清华大学出版社,1999.

[2] 潘松，黄继业. EDA技术实用教程[M]. 科学出版社，2002.

[3] 侯伯亨,顾新. VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安: 西安电子科技大学出版社, 2004.

[4] 赵晨光等. VHDL语言在电子设计实践中的应用. 沈阳航空工业学院学报[J]. 2004，21（1）：57-59.

[5] 张利萍, 胡玉兰. 硬件描述语言VHDL应用设计及实例[J]. 沈阳工业学院学报，2002，21（2）：70-73.

 

硬件系统设计论文篇3

关键词：嵌入式开发系统，特点，计算机技术

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。正如我们所知嵌入式系统开发经过30多年的发展己然成为了一个成熟的技术。他现如今有如下特点：

1）交叉开发工具和环境。嵌入式开发必须要有一套开发工具以及环境才能进行开发，因为嵌入式软件本身是不具备自主开发能力.用户对其中程序功能是无法修改的。而这些工具和环境一般是要依靠在通用计算机上的软硬件设备以及逻辑分析仪、混合信号示波器等设备上进行的。开发时往往有主机和目标机交叉开发的概念，程序的开发，调试需要主机执行，而目标机最后执行。

2）软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。

3）软硬件协同设计并且专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。

4）软件代码质量与可靠性都十分高。嵌入式软件的核心是系统软件和应用软件，由于存储空间有限，因而要求软件代码紧凑、可靠，大多对实时性有严格要求。虽然现在由于半导体技术的发展使得处理器的速度不断提高，片上存储器的容量也在持续不断增加，但在大多数应用中，存储空间依旧很宝贵并且还有实时性的要求。因此要求程序编写和编译工具的质量要高，以此减少程序二进制代码长度，起到了提高执行速度的效果，而嵌入式系统正好拥有这个优势。

5）系统软件的高实时性。在多任务嵌入式软件中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾和合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。嵌入式软件应用程序虽然可以没有操作系统直接在芯片上运行，但是为了合理地调度多任务，利用系统资源，系统一般以成熟的实时操作系统作为开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

6）生命周期长。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。

7）系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。

8）系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全

2软硬件协同设计概念

软硬件协同设计是指对系统中的软硬件部分使用统一的描述和工具进行集成开发，可完成全系统的设计验证并跨越软硬件界面进行系统优化。

嵌入式软件设计是使用一组物理硬件和软件来完成所需功能的过程。系统是指任何由硬件、软件或者两者的结合来构成的功能设备。由于嵌入式软件是一个专用系统，所以在嵌入式产品的设计过程中，软件设计和硬件设计是紧密结合、相互协调的。这就产生了一种全新的发展中的设计理论――软硬件协同设计。这种方法的特点是，在设计时从系统功能的实现角度考虑，把实现时的软硬件同时考虑进去，硬件设计包括芯片级“功能定制”设计。既可最大限度地利用有效资源，缩短开发周期，又能取得更好的设计效果。

系统协同设计的整个流程从确定系统要求开始，包含系统要求的功能、性能、功耗、成本、可靠性和开发时间等。这些要求形成了由项目开发小组和市场专家共同制定的初步说明文档。系统设计首先确定所需的功能。复杂系统设计最常用的方法是将整个系统划分为较简单的子系统及这些子系统的模块组合，然后以一种选定的语言对各个对象子系统加以描述，产生设计说明文档。其次，是把系统功能转换成组织结构，将抽象的功能描述模型转换成组织结构模型。由于针对一个系统可建立多种模型，因此应根据系统的仿真和先前的经验米选择模型。

3嵌入式软件开发的方法论

由于一个完整的产品中大部分系统都是非常复杂的，不仅如此与此同时我们还需要考虑很多的因素，比如开发这个产品所需的价格，产品的性能如何，系统设计技术是什么等。唯有全面考虑这些因素我们才可能顺利进行开发，然后才可能做出一个成功的，合格的产品。一般来说，产品设计的过程会经历几个步骤，为了确保这些步骤的合理性，我们需要一个设计方法论来面对整个设计过程。采用方法论有以下三个重要理由。

确认所做的每一件事情都是必须要做的，不做无谓的工作，也不漏掉关键性的重要工作，其中包含性能最佳化或是功能测试。

根据设计方法论可以发展出计算机辅助工具或是设计经验累积，汲取每一次产品开发的经验。再经过量化之后，可以发展出一套工具或是方法，让往后的产品设计步入自动化。

开发团队遵循同一套方法论，可以让团队成员更容易彼此沟通。每个人都能在短时间内了解整体过程中将经历哪些过程，需要何种支持与接收到何种结果。此外，也容易通过一套已经定义好的方法论，彼此相互合作协调。设计过程的目标是做出有一定用途且具有创新点的产品。产品的典型规格包含功能性、制造成本、性能表现、省电考虑和其他特性。

4结束语

硬件系统设计论文篇4

【论文摘要】本文通过对传统的计算机系统集成进行分析，得出传统的计算机系统集成已经无法满足市场的需求，必须探寻新的计算机系统集成的趋势，本文对计算机系统集成的发展趋势进行了相关探讨探讨。

随着现代社会的不断发展，各行各业也都是现代化的需要。越来越多的单位迫切需要建立一个先进的计算机信息系统。由于不同的单位有自己独特的行业特性。因此，需要的计算机系统的万千变化。从政府系统的医疗单位的管理系统，从工厂的生产管理系统，证券市场证券管理系统。不同系统之间可以说是千姿百态。系统集成应用功能集成，网络集成，软件界面集成等综合技术手段，是指导信息系统的总体规划，逐步实现的一种方法和策略。系统集成是一种思想，概念，哲学，它不仅包括技术集成，更不能缺少艺术构件集成。

1、计算机系统集成的特点

1.1计算机系统集成的相关认识

系统集成通过对综合布线系统和计算机网络技术结构化，将独立分离的设备、功能、信息等集成到相互之间有关一定的联性，而且在协调统一的新系统中，能够充分共享资源，以期实现高效、集中、便利的管理策略。

系统集成是一个需要多个供应商，多协议的各种应用系统的结构，因此，实现系统集成的关键是解决不同系统连接的互操作性问题，专门解决各种分离设备，子系统之间的接口，协议，系统平台，应用程序，和系统，组织和管理，建筑环境，建筑人员，所有需要的一体化问题。系统集成的本质就在于系统的优化设计，为一个大型计算机网络集成系统，包括一对计算机软件，硬件，操作系统，数据库，网络通信等多种技术的集成，以及制造商的产品选择和搭配的集成，集成系统可以实现整体优化目标。WWw.133229.Com

1.2计算机系统集成的特点

（1）没有最好，只有最适合：计算机系统集成不像其他的产品那样，用户都希望拥有最好的。

（2）独创性：由于计算机系统集成工程是根据用户各自的特点和需求而量身定做的，因此每个计算机系统集成工程都是不同的，具有独创性。

（3）高科技：计算机系统集成不单是提供一个设备，更多的是对设备的设计、开发和调试，需要很多高科技技术法能完成的。

系统集成具有最大程度上提高系统的有机组合、完整性、灵活性和性能，对其复杂性进行简化，有着为用户提供全面、切实可行的系统解决方案的重要理论和实践意义。

2、计算机系统集成的分类

依据计算机系统集成项目的相关特点，可以把计算机系统集成分为计算机硬件系统总体设计与工程管理服务、计算机硬件设备集成与安装、计算机硬件设备的技术与服务三大类。以下对这三种项目的管理实施进行简要的定义分类解析。

2.1总体设计与工程管理

计算机硬件系统设计和项目管理服务，也可称为整体设计和项目管理，这主要是买方将正确的计算机硬件系统集成项目。一般情况下，购买者的计算机系统集成项目的结构设计以及性能指标，粒度分布有一定的认识。这类项目的实施要求相关服务提供商设计计算机系统在各种领域，它可以覆盖大部分的电脑系统，同时，相关技术人员专业水平的要求也很高。

2.2设备的集成安装

计算机硬件设备的集成和安装也可以称为一体的设备安装。计算机硬件设备的集成和安装是一种最常见的计算机系统集成项目，但大多数消费者比较常用的计算机硬件系统项目建设模式。在计算机系统集成项目的硬件设备建设，集成和安装要求买方应进行全方位的计算机系统集成框架和设备性能管理等定性选择论点。简单来说，相关设备的供应商，只要依据合同标准实施计算机系统集成项目的设备供应商，采购和安装即可。

2.3技术服务

计算机硬件技术和服务也可以称为工程技术服务。鉴于这种类型的项目，其主要是由它的技术和服务为主要内容的系统集成计算机硬件系统的建设项目。设备技术服务通常是在一个特定的服务指标和技术要求为主要目的的。这使得买方设备问题的技术和硬件的疑虑，提供相应的技术服务培训支持。这类项目的实施需要相关的技术解决方案和技术结合有效的论证。

3、计算机系统集成目前存在的问题

3.1微机系统及工具软件的管理问题

因为目前的电脑系统和软件工具比较大，如果一台设备的问题，需要重新安装操作系统和应用软件，通常需要系统工作了一天。作为一个结果，上网计算机数量巨大，导致系统维护人员疲于奔命，也是很难保证服务质量。

3.2用户管理的问题

用户被限定在固定的机器上，同时，用户的数据和文件也只能保留在该机器上。若要使用其它机器，必须在每台机器上创建该用户帐号，并将用户的文件和数据复制到新机器上。当用户固定使用的机器发生故障时，容易造成用户数据的丢失。

3.3landmark等专业应用软件方面

在计算机系统集成前，需在每台解释工作站上安装专业应用软件，并创建用户，用户在指定的机器上加载数据，以便开展工作。如此一来，用户和数据与机器捆绑在一起。有些时候，结果有的机器满负荷工作，有的机器却相对闲置。

3.4外设的共享问题

由于彩色绘图仪、彩色激光打印机、磁带机等大型外设价格贵，数量有限，不可能配置到每台机器上，用户只能登录到固定的几台机器使用。

4、计算机系统集成的发展趋势

广泛集成分布式网络环境与市场竞争的全球性激烈，每个企业集成中心也延伸到了企业的整合，使企业应用在分布式网络环境的大型integrated.web为基础的用户界面统一，使部门和地区不同的人，组织，所有用户实现方便，实时获取信息，因此，该网站的用户界面的统一是必然趋势，计算机系统集成。

专业化与多元化系统集成技术，计算机的普及和应用在中国，在很大程度上提高国民综合素质，有越来越多的挑战和机遇。今天的社会是一个网络与信息技术的整合，系统整合模式不再是简单的结构，功能单一，但基于网络结构的复杂和多功能转型。因此，专业化与多元化系统集成技术是发展的必然趋势，计算机系统集成。电子商务与企业信息系统集成，使企业供应链的有机结合，实现信息和资源充分共享，为企业降低成本，提高效率，电子商务可以说赢得了广大民众的支持，与企业信息系统集成已经成为一个必然。

结语

采用现今先进的域管理技术、网络技术、存储技术，对开发研究工作的主要计算机软、硬件平台进行了系统集成，建立了域控制器、远程安装服务器、文件服务器、软件分发服务器、nis+服务器、数据库服务器、打印服务器、磁带机服务器等十余套应用服务器，实现了操作系统远程安装、应用软件自动分发、用户数据跟随用户网上漫游、用户数据，应用软件集中管理、磁带库系统、远程自动数据备份等。系统集成尽管提高了系统管理工作的技术难度，但却极大地方便了用户的工作，同时最大限度地实现了网络资源的共享。

参考文献

[1][美]微软公司.microsoft　windows　2000目录服务基础结构设计与管理[m].北京：北京希望电子比版社，2001．

[2][美]jeffrey　a，ferris．windows2000部署与桌面管理[m].北京：机械工业出版社，2000．

硬件系统设计论文篇5

关键词：虚拟机；LINUX；Vmware；实验平台

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）09-0048-03

Limitations and Solutions of LINUX Experimental Platform

HE De-xian

（Qujing Industrial and Commercial Vocational Technical Schools， Qujing 655000， China）

Abstract： Analysis of the defects in the traditional LINUX experiment platform：system environment susceptible to modification and destruction，lack of hardware support， hard to do integration of “teaching and studying and doing". Build a virtual machine LINUX experiment platform is discussed， which can be "infinite" extend hardware devices， to destructive modification and debugging system without affecting system， experimental process achieved the integration of "teaching and studying and doing" and so on， effectively solves the problems existing in physical experiment.

Key words： Virtual machine； LINUX； Vmware；Experimental platform

LINUX操作系统作为一种开放、自由、免费的软件，它支持多用户及多任务，支持网络环境，系统安全性较高，管理方便易用，在各类行业中应用越来越广。

作为应用本科类院校及高职院校，常常在计算机类专业中开设LINUX网络操作系统或操作系统实践课程，课程常以实验项目方式来完成一系列的实验，因此，搭建一个良好的LINUX或操作系统实验平台，对于教师的教学、学生的实训是非常重要的。然而，传统的实验环境搭建困难、存在诸多不便因素，因此，改进实验平台的搭建方法、改进实验方案、提高教学成效，是一个重要的课题。操作系统的实验平台搭建在文献一中已有讨论[1]，不是本文讨论的重点。

1 传统LINUX实验平台的局限性及存在的问题

1.1 传统LINUX实验平台实验要求

LINUX网络操作系统的实验内容一般有：LINUX操作系统的安装、LINUX基本指令、LINUX文件系统、账户与组管理、配置磁盘管理、网络配置与服务管理、网络服务器配置与管理（其中有Samba服务器配置与管理、DHCP服务器配置与管理、DNS服务器配置与管理、Apache服务器配置与管理、FTP服务器配置与管理、SSH服务配置与管理等），甚至是嵌入式LINUX试验[2]。以上的实验内容几乎都要在多用户的网络环境下实现，部分实验对硬件设备要求比较苛刻，比如磁盘管理中的LVM系统搭建、RAID搭建与配置，要求硬件系统至少有两块空闲硬盘，网络配置中要求有多网卡的条件，LINUX操作系统安装要求硬件有光驱且每次都要安装光盘…… 这些要求对于一个普通机房，是很难满足的要求的[3]。

1.2 存在的问题

上述实验内容，对计算机机房的硬件及软件条件要求较高，所在，传统机房的实验环境存在下列问题：

1.2.1教师教学平台及多媒体教学课件不能实现同步

为了节约成本，目前大部分实验机房配置的是电子教室系统，很少单独配置投影或电子白板等设备，而电子教室系统又主要以windows平台的为主，LINUX平台上的几乎没有。所以，在LINUX的实验教学中，教师很难在LINUX环境下用电子教室系统进行实验教学和展示多媒体课件，如切换为windows平台，又难以实现LINUX环境的真实教学演示。所以，这是一个两难的选择，如果实验机上安装两种操作系统，切换起来非常麻烦，这使得传统的实验环境很难满足现代教学的需求。

1.2.2 实验室管理和维护困难

现代的学生机房，管理人员为了减少系统的维护工作量，往往在系统中装有保护系统，不论用户对操作系统做什么操作，只要在系统重新启动后，便能还原到初始状态。这种方式对LINUX实验环境是不利的，因为LINUX的许多实验操作要求重新启动系统才能生效，在受保系统的系统中完成LINUX实验，许多实验是无法实现的。但是，如果不保护系统，学生每次对系统的修改，都可能使系统的性能受到影响，甚至会破坏系统，不能保证系统是一个“干净”的状态，所以，要保证每次实验前系统状态的初始化，无疑会加重实验管理人员的负担。这也是一个两难的选择，在真实计算机上安装系统无法解决这样的问题。

1.2.3 实验室硬件设备无法满足实验要求

真实计算机上的LINUX实验平台，网络适配器的数量及型号、硬盘的数量及容量、有无光盘驱动器、内存容量等性能指标，是固定不变的，以后也很难有变化。但在LINUX实验平台中，有些实验要求硬件设备超出常规要求，如有些实验要求有计算机有两块及以上的网络适配器（网卡），有些实验要求有两块甚至更多块空闲硬盘，有的实验要使用打印机设备等等，如果建设实验时要满足各类实验要求，就必须投入大量资金来搭建实验平台，这对投入预算不足的实验室是个难题，一般的学生机房很难满足上述硬件配置要求，从而无法完成实验要求。

1.2.4 实验结果测试与实验报告的整理困难

LINUX实验中一些实验测试需要两台及两台以上的计算机参与，如DHCP、DNS、Apache、FTP等服务器搭建与配置，需要用LINUX主机作为服务器，至少一台计算机作为客户机，来进行各项功能的测试。在真实LINUX平台，学生在一台计算机上显然无法进行这样的测试，只有与他人合作完成，这样增加了实验时间，无法达到独立实验的目的；另外，有些实验需要整理实验报告电子文档，这些实验报告电子文档又通常是在windows平台上用WORD来处理，在LINUX平台上的某些实验结果（如截图），如果要存放到WORD文档，这当然是很不方便的，虽然LINUX平台也提供了文档处理软件，但通用性并不是很强，在文档交换中不如WORD文档方便通用。

针对以上的问题或不足，利用虚拟机平台搭建的LINUX虚拟机实验环境，以上问题迎刃而解。

2虚拟机技术及常用VMM

2.1 虚拟机技术

虚拟机技术是通过虚拟化模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。对硬件资源的虚拟化，可以在一台服务器（宿主机）上模拟出多个相同或不同的硬件平台，从而能够同时运行多个不同类型操作系统并实现相互隔离。

虚拟机技术最早由 IBM 提出，主要用于实现昂贵大型计算机系统的安全共享，后来被移植到PC平台。虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor，VMM）是虚拟机技术的核心，它是一层位于操作系统和计算机硬件之间的软件，用来将硬件平台分割成多个虚拟机。

目前典型的VMM有VMware公司的VMware workstation，Microsoft公司的Virtual PC和Oracle公司的VirtualBox，其中VirtualBox虚拟机的建立在文献4中作过论述[4]。这三个平台大同小异，现以VMware workstation为例说明其功能及特点。

2.2 VMware workstation虚拟机平台

VMware Workstation（中文名“威睿工作站”）是一款功能强大的桌面虚拟计算机软件，提供用户可在单一的桌面上同时运行不同的操作系统，和进行开发、测试、部署新的应用程序的最佳解决方案。

VMware Workstation可以让我们在一台机器上同时运行两个或更多Windows、DOS、Linux、Mac系统[5]，每个操作系统都可以进行虚拟的分区、配置而不影响真实硬盘的数据，每个操作系统都可以虚拟出一个或多个硬件设备，如硬盘、网络适配器等。你甚至可以通过网卡将几台虚拟机用网卡连接为一个局域网，作为网络配置及网络服务器测试极其方便。

3利用VMware Workstation平台搭建的LINUX虚拟机实验环境的优势

3.1 扩充“无限”的硬件设备

在LINUX虚拟机环境里，计算机的许多硬件是可以定制或添加的，如内存、CPU数量、硬盘数量及类型、网络适配器及类型以及CD/DVD驱动器等等，如图1所示。用户可以通过硬件添加向导添加一个或多个容量不同的硬盘，也可以添加不同的CD-ROM驱动器、网络适配器、打印机、通用SCSI设备等等。这些硬件的生成，只有内存容量和CPU受当前物理计算机的限制，而其他设备几乎不受限制――即使硬盘数量及容量受当前物理硬盘容量限制，对目前大容量硬盘来说，这种限制显然是微不足道的。举例来说，当前计算机物理硬盘为1TB，为虚拟机申请10%的容量作为虚拟硬盘，也达到100GB，如在教学中作为虚拟硬盘使用，可虚拟出至少5个20GB的硬盘，如图2所示。这样虚拟出来的硬盘，用户完成RAID系统实验、LVM系统实验，是在物理计算机上无法比拟的。

3.2具有“金刚不坏之身”虚拟机

实验机房首先安装WINDOWS系统，WINDOWS系统上安装VMware workstation虚拟机平台，在此平台上再安装上LINUX系统，最后对整个系统进行还原保护。如果实验用这样的策略来处理，即满足用户灵活地对LINUX系统进行组件安装、修改配置、重新启动已达到生效的目的，又可保证LINUX虚拟机有“金刚不坏之身”，即不论用户对虚拟采取何种措施，如修改配置、安装程序、删除文件，甚至是删除分区、格式化硬盘等等――这些行为对物理计算机有严重的影响，一般是是禁止的。用户如需要上述操作生效，只需要重新启动LINUX虚拟机便可；如果发现上述操作对系统造了致命的损害，只需要重新启动宿主机操作系统，以上的行为通通失效，这对于保护虚拟机系统，但又不限制用户对虚拟机的操作，是非常有意义的。

3.3 有利于实验结果的测试与整理

在LINUX操作系统上要完成一些实验，往往要对系统进行安装、配置、重新启动等一活动。在物理机上完成上述活动，如果机房安装了还原系统，在重新启动系统后，配置会还原失效；但在虚拟上完成，重启虚拟机不会对系统进行还原，可保留用户对系统的修改，得到真实的实验结果。另外，实验结论的整理也是非常方便的，如果要边做实验边整理实验报告，或者要存储实验截图，在虚拟机环境下非常容易实现。在宿主机上建立实验报告文件，在虚拟机上完成实验过程，期间可通过窗口的切换来实现不同界面的转换，屏幕信息、数据或屏幕截图也很容易通过WINDOWS系统或第三方软件来实现。这样在实验过程中就可整理实验报告，非常方便哪些实践性比较强的实验项目。

4 结束语

本文结合作者教学工作实际，分析了LINUX实验教学中面临的问题和困难，在实验物理机上完成LINUX的实验，对实验机房的硬件要求非常高，需投入大量资金购买不同设备；对机房的软件维护也需投入大量人力物力进行；实验过程中不能做到“教学做”一体化过程。提出了在VMware Workstation平台上的LINUX虚拟机完成一系列的实验过程，可解决上述资金投入量大、设备与软件系统维护工作量大的不足，而且实验过程做到“教学做”一体化，即教师教学、学生学习、学生实验可同时开展，极大地方便了实验过程，缩短了实验时间、提高了实验效率，是LINUX实验平台的极好选择。

参考文献：

[1] 庄城山.虚拟机技术在网络操作系统课程实践教学中的应用[J].安徽师范学院学报（自然科学版），2015，21（2）：212-122.

[2]罗龙.基于Linux的嵌入式实训平台及实验的设计与实现[D]，大连理工大学，2013：3-30.

[3]肖亮.基于LINUX的操作系统实验平台的设计与实现[D]，中南大学，2013：1-45.

[4]单康杰.基于virtualbox的虚拟化管理系统的设计和实现[D]，电子科技大学，2014：5-8.

[5] 李浩.基于VMware的多操作系统网络实验平台的构建[D].南昌大学，2012：7-10.

[6] 苗凤君，盛剑会.网络操作系统及配置管理[M].北京：清华大学出自版社，2015.

[7] 潘志安，沈平.LINUX操作系统应用[M].北京：高等教育出版社，2009.

硬件系统设计论文篇6

关键词：计算机；课程；教学模式；虚拟机技术

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2014）14-0099-01

《计算机组装与维修》是中职计算机专业的一门主干专业课程，其主要任务是使学生了解计算机各种部件的分类、性能、选购方法，理解各主要部件工作原理、硬件结构、相互联系和作用，熟练掌握各种软件安装，以及计算机的组装与简单故障的维修方法。它是一门实践性很强的课程，需要将理论与实践进行有效结合。

一、《计算机组装与维护》课程的特点

《计算机组装与维护》是一门侧重实践和应用的课程，主要有以下特点：

1.课程内容多，知识面涉及广。这门课程主要包括计算机组成部件介绍、计算机硬件组装、硬件评测、系统设置、硬盘规划、软件安装、计算机日常维护等方面的内容。知识面涉及计算机文化基础、计算机组成原理、Windows操作系统等课程，教学内容多，可扩充性强。

2.课程知识更新周期短，时代特征鲜明。计算机软硬件的发展日新月异，新技术、新产品层出不穷，只有定期更新教学内容，才能满足学生了解新技术和产品的需要。

3.课程侧重实践，培养独立动手能力。《计算机组装与维护》课程的教学目标是通过学习，能认识和了解计算机硬件结构，能完成计算机硬件组装、软件安装和掌握计算机日常维护的技能，提高解决实际问题的能力，要实现这一目标，必须通过大量的实践教学环节来完成。

二、《计算机组装与维护》课程教学的现状

针对该课程的特点，结合培养学生动手能力的目标，大部分学校均采用“理论+实践”的教学模式。

1.以多媒体教室或机房讲授为主的教学模式。多媒体教学是理论教学的主要形式，使用多媒体课件，能比较直观地展现计算机知识。对于计算机硬件部分的知识，从横向展示不同部件外观、连接使用，以及各自不同的功能作用。对于每种部件，可以从纵向介绍与展示其不同时期由低到高的版本发展历程和各个版本的功能特点。从理论课的学习中让学生对硬件系统的各部分都能准确地辨认与识别，形成感性认识。另外，在讲授硬件组装与系统安装时，使用多媒体有选择地播放计算机安装操作视频，让学生学习如何对一大堆硬件进行有序安装，安装过程中有哪些技巧与注意事项等。但由于中职生自控能力不是很强，上课精神状态不集中，理论教学成了教师的独角戏。特别是在软件系统的安装过程中，由于多媒体教室与机房是公共设施，往往不能进行实际操作，学生只能观看教师演示，上实践课时才能去练习，因而不能及时消化知识。如果每个学生都可以在电脑上进行系统安装等操作练习，将减轻学生实践课的压力，提高理论课学习效率。

2.以计算机组装与维修为主要实践内容的实验室教学模式。通过多媒体学习组装的理论知识，然后在组装实验室里接触实物进行实践操作，完成计算机硬件的组装与调试、软件安装、故障排除等实验。通过实践课，学生动手能力提高了，但由于各个学校硬件设施水平的差异，不一定都能满足每个学生的练习需要，部分学校机器设备陈旧，学生在实验过程中也不懂得珍惜，造成部分设备损坏严重，还有部分学生因机器设备陈旧以至于不想动手操作。中职生的抽象思维能力和综合归纳能力较弱，学习积极性不强，因而不能把提高实践能力全部放在实验室。例如，软件安装、BIOS设置等可在机房进行练习，让每个学生都有练习的机会，从而保证利用有限的资源进行有侧重点的项目练习，发挥最大效率。

三、在教学中运用“虚拟机技术”的作用

正如上述分析，如果在理论教学中能使学生获得更多的“实践”机会，将不仅有助于提高理论课堂的教学质量，体现以学生为主体的教学思想，还有利于提高实践课的课堂效率。那么，如何在理论课堂中让学生尽可能获得更多的“实践”机会呢？在计算机机房采用“虚拟机技术”进行理论教学是一种不错的选择。

虚拟机是指通过软件模拟具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的计算机系统。通过虚拟机软件，可以在一台计算机上模拟出一台或多台虚拟的计算机，这些虚拟机完全像真正的计算机那样进行工作，可以安装操作系统、安装应用程序、访问网络资源，等等。它只是运行在物理计算机上的一个应用程序，但对于在虚拟机中运行的应用程序而言就是一台真正的计算机。因此，在虚拟机中进行软件评测时，系统一样会崩溃，但只是虚拟机上的操作系统，而不是物理计算机上的操作系统，并且使用“Undo”（恢复）功能可以马上将虚拟机恢复到安装软件之前的状态。

使用Vmware可同时运行Linux各种发行版、Dos、Windows各种版本、Unix等，甚至可以在同一台计算机上安装多个Linux发行版、多个Windows版本。VMware 可以在一台机器上同时运行2个或更多Windows、DOS、LINUX系统。与“多启动”系统相比，VMWare采用了完全不同的概念。多启动系统在同一个时刻只能运行一个系统，切换系统时需要重新启动机器。而VMWare可在主系统的平台上“同时”运行多个操作系统，就像标准Windows应用程序那样切换。而且每个操作系统都可以进行虚拟的分区、配置而不影响真实硬盘的数据，极其方便。

正因为虚拟机具有以上功能，如果在教学过程中，机房的每台电脑上通过安装VMware都具有虚拟机的功能，那么不仅可以保证公用机房的高效利用，还能满足学生练习的需要，通过虚拟机可完成如操作系统等软件的安装、数据恢复与备份、BIOS设置等操作，使每个学生都获得充分的练习机会。此外，还能完成由于实验室硬件原因无法实现的高难度、复杂性实验，缓解实践教学的压力。

在计算机课程中实施“虚拟机技术”，可使学生在理论学习过程中获得更多的实践机会，提高课堂学习效果。同时也在一定程度上缓解了实训室实践教学压力，从而保证学生在有限的时间内可以进行有侧重点的项目练习，使有限的资源得到高效利用。

参考文献：

[1]郭新房，等.计算机组装与维护标准教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]佟伟光，等.微型计算机组装与维护（21世纪高等院校规划教材）[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

硬件系统设计论文篇7

关键词：系统观；计算机系统；教学内容；教学方法

一、引言

计算机组成原理是计算机专业核心基础课，传统上主要讲述构成计算机硬件系统的各功能部件的基本工作原理以及互连构成整机系统的技术。从2009年至今，在计算机考研统考中，计算机组成原理内容占了约1/3的分值比例。

随着计算机科学内涵和外延的扩展，计算机组成原理传统的教学模式也有了改变，在教学内容、教学方法及实验内容上都有一定的改进。从计算机科学的长远情况来看，未来的计算机设计、应用更需要从系统角度考虑，所以对计算机组成原理进行教W改革很有必要。

二、教学改革原因分析

计算机系统由硬件和软件两大部分组成，但随着计算机结构的复杂化和应用领域的扩大化，通常用层次结构来描述计算机系统。一种计算机系统的层次结构描述如图1所示，传统的计算机组成原理主要讨论传统机器M1和微程序机器M0的组成原理和设计思想。

但这种主要关注硬件部分的教学思想，弊端早就被感知，在国外的教学中也早被摈弃。如Patterson和Hennessy教授曾指出，“软件设计者对软件系统运行环境的硬件技术是否了解、了解多少，会很大程度地影响软件系统的性能。同样，硬件设计者必须了解设计决策将对软件产生怎样的影响”。这种硬件、软件应一起考虑的思想，在我国正逐步推广。如清华大学科教仪器厂所生产的TEC-XP计算机组成原理实验系统，其提供的实验内容既包括对CPU结构的设计、机器指令的设计等，也包括使用Basic语言的软件设计。

从计算机考研统考对一般教师的教学及学生的学习所起的指导性作用来看，也在强化这种软硬件结合，即不能把计算机组成原理只作为一门硬件课程来看待。表1统计了2009～2014年计算机考研统考试卷中软硬件内容相结合的题目。

表1 软硬内容结合题目统计

而从计算机及其应用的发展来看，20世纪80年代，信息技术和通信为互联网打开了大门，到了90年代，一个很重要的革命始于嵌入式系统技术的传播。现在值得期待的是嵌入式和互联网融合的成果――物联网的出现。很难想象未来20年计算机科学会是什么模样，但2007年图灵奖获得者约瑟夫・斯法科思指出：计算机科学的范围正从算法和程序逐渐向系统转移。在这样的系统发展观下，对计算机组成原理这样的基础课程所进行的教学改革就具有非常重要的意义。

三、教学改革探讨

1.教学内容的改革

最初的计算机专业人员对计算机的工作原理和工作方式了如指掌。计算机体系中的硬件、软件、编译器以及操作系统之间的交互既简单又透明。然而，随着现代计算机技术的日趋复杂，这种明晰性不复存在，导致一种无法避免的结果，即领域专业化，使多门计算机科学领域应运而生，每个领域只涵盖学科的某一个方面。如果学生或计算机从业人员不能把多门课程知识融合到一起，他们常会产生不安的感觉，因为他们没有完全透彻地理解计算机硬件系统和软件系统是如何紧紧地关联在一起的。

21世纪的社会结构中，计算机将成为关键支柱。过去的计算机研究以性能作为主要的优化目标，现在必须认识到常规的计算机已经被上下文计算（如传感器、移动终端、客户端、数据中心）所取代。这种转变更强调超越性能的以人为本的设计目标。在这样的背景下，作为基础课程的计算机组成原理的教学内容就应强调多门计算机课程内容的综合理解。比如，计算机运算器部分内容的讲解，既需要基本的数字电路知识，也需要介绍基于FPGA或CPLD的电路设计，因为将来的系统应用可直接采用可重用的IP（知识产权）核。在基于FPGA的电路基础上，可以让学生从基本功能部件设计开始，设计CPU、存储器和接口，最终将CPU、存储器和I/0接口通过总线互连为一个完整的计算机硬件系统。

进一步考虑我们培养的学生，大多数人没有机会构造计算机系统，他们未来主要的工作只是使用计算机或编写计算机程序，所以在教学中对内容的选取也应从程序员的角度来讲解。比如，数据的表示与运算内容的讲解，应该考虑在实际语言程序中的执行情况，分析实际程序中常见的问题与误解。针对流水线等处理技术与编译优化相关，可以以MIPS为模型机进行介绍，利用MIPS模拟器为编译技术的实验提供可验证实验环境。

2.教学方法的改革

在教学内容改革的基础上，重视多门计算机课程内容的综合理解，增加了很多教学内容，这无疑会加重教师和学生的负担，所以此时的教学方法也应进行相应的改革。

（1）采用启发式教学方法。启发式教学方法是教师启发学生积极思维，使他们主动掌握知识的一种教学方法。在较多的教学内容下，教师不可能进行知识的详细讲解、分析，所以应该深刻理解课程的重点，了解计算机科学的最新发展和知识的应用情况，在必要时抛出一些问题，引导学生进行积极思考，主动探究问题的解决方法。如针对无符号数据的表示与运算，可启发学生分析C语言下和JAVA语言下的不同处理，最终理解计算机对数据运算的处理本质。

（2）突出理论知识的实际应用。计算机组成原理的教学内容多较抽象，学生理解的难度较大。教学中要注意理论知识的实现环节，针对一个理论知识点，给出其在实际系统中的应用情况，这会引起学生的兴趣。如浮点数的IEEE754表示，单纯通过讲授来掌握其表示特点非常困难，如果在实际语言环境中（比如C语言）让学生看到浮点数在机器中的二进制表示，就会非常直观。

（3）重视实验与实践教学环节。实验和实践是计算机组成原理教学过程的一个重要环节。一方面，可以进一步深化学生对理论知识的理解和掌握；另一方面，可以培养学生的实际动手能力，提高学生的学习兴趣，增强学生的创新意识。如利用一套承上启下的基于FPGA开发板的综合实验平台，不仅能完成计算机各功能部件的设计验证，也能创新性地设计CPU及整机系统。但现阶段的计算机组成原理实验设备和实验内容还有不完善的地方，在现有的教学模式下，实验和实践的课时是受限的，能突破课时限制的开放式实验环境比较匮乏。

四、小结

计算机系统是软件和硬件的组合，但未来的系统设计不应只考虑系统软件和硬件的交互，还要考虑系统和它的受控环境。目前的计算机科学教师常忽略对学科的宏观描绘，这也限制了课程的教学内容、教学方法及教学效果。本文立足于计算机组成原理，探讨了系统观下的教学改革情况。

参考文献：

[1]马辉，王丁磊.计算机组成原理[M].北京：中国水利水电出版社，2010：10-11.

[2]王丁磊.统考下的“计算机组成原理”教学方法探讨[J].计算机教育，2010（6）：91-93.

[3]王志英.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J].计算机教育，2013（9）：1-6.

基金项目：河南省综合改革试点专业“计算机科学与技术”（2012 -859-14）。

硬件系统设计论文篇8

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系统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、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

笔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.