Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №12

Организация образовательного процесса в области проектирования цифровых устройств с использованием плат начального уровня на базе FPGA Spartan-6 фирмы Xilinx

Тарасов Илья


В статье обсуждаются вопросы подготовки специалистов в области проектирования цифровых систем, а также некоторые возможности университетской программы фирмы Xilinx. Рассматриваются отладочные платы начального уровня на базе FPGA Spartan-6, пригодные для организации обучения проектированию цифровых устройств.

Введение

В настоящее время наблюдается существенный дефицит квалифицированных специалистов как в собственно микроэлектронике, так и, что не менее важно, в смежных областях, где микроэлектронные устройства являются ключевыми компонентами, обеспечивающими потребительские качества выпускаемой продукции.

При производстве сложных, высокотехнологичных цифровых устройств становится все более важным организовать проектирование и моделирование цифровых систем. Из-за увеличивающейся стоимости подготовки производства и содержания производственных линий все больше компаний начинают работать по fabless-модели — разрабатывая проектную документацию и передавая ее на одну из фабрик с подходящей технологией. Перед началом серийного производства также используется макетирование на базе ПЛИС, которое значительно дешевле и доступно широкому кругу организаций и даже отдельным разработчикам.

В [1] обращается внимание на особенность современной ситуации в микроэлектронной отрасли: «Отстав на десятилетия в производстве, но сохранив квалифицированных разработчиков и школу подготовки, а также обладая собственным рынком изделий микроэлектроники, Россия имеет все предпосылки для успешного позиционирования как одного из лидеров мировой микроэлектроники. И сделать это можно путем создания национальной fabless-индустрии». В этой связи ПЛИС можно рассматривать, прежде всего, как инструмент подготовки специалистов в области проектирования цифровой электроники как таковой. Поэтому учебные курсы на базе ПЛИС можно рассматривать не только как полезный опыт освоения элементной базы одного из зарубежных производителей, но и как элемент всесторонней подготовки специалиста, способного решать сложные задачи с использованием современных методов проектирования. В данном случае конкретные платы на базе ПЛИС выступают, как правило, в качестве лабораторного стенда.

Проблемы организации подготовки специалистов в области электроники

Ввиду того, что элементная база российского производства сейчас используется крайне ограниченно, в основном можно рассчитывать на организацию обучения студентов с помощью средств разработки зарубежных компаний. При этом с точки зрения востребованности специалистов необходимо учитывать, насколько распространена эта элементная база, используется ли она на предприятиях, являющихся потенциальными работодателями для выпускников вуза, и насколько сложно ее освоить. Кроме того, преподавателям важно и то, насколько ценен материал для образовательного процесса. Некая технология или программный продукт могут быть популярными в течение короткого (по меркам цикла подготовки специалиста) времени, и включение их в образовательный процесс приведет к получению студентами некоего сиюминутного навыка, а не глубоких знаний, которые могут эволюционировать вместе с развитием отрасли. С этой точки зрения ПЛИС представляют интерес уже потому, что могут выступать в качестве демонстрационного стенда при изучении основ цифровой электроники.

В идеальном варианте порядок подготовки специалистов, имеющих профессиональные навыки работы с элементной базой и средствами разработки какого-либо производителя, может выглядеть следующим образом. Производитель устанавливает специальные цены на свою продукцию для высших учебных заведений (в том числе предлагает ее бесплатно на определенных условиях): это упрощает процесс приобретения программного обеспечения и учебных стендов для организации лаборатории. Вуз, приобретающий такое оборудование, на базе одной или нескольких кафедр разрабатывает учебно-методические материалы, пользуясь рекомендациями фирмы-производителя, а также адаптируя их к требованиям государственного образовательного стандарта и учебных планов по соответствующим специальностям. Курсы, внедренные в учебный процесс, становятся обязательной или факультативной частью подготовки студентов: на базе учебного оборудования выполняются курсовые и дипломные проекты. Предприятия, заинтересованные в специалистах такого профиля, заключают индивидуальные договоры со студентами, обеспечивают производственную практику, приглашают студентов старших курсов на работу по совместительству. Студенты, работая в качестве стажеров, получают представление о своей будущей профессиональной деятельности, приобретают необходимый опыт, а также уточняют требования к знаниям и навыкам, которые предъявляет работодатель. В конечном итоге, при должном уровне мотивации, студент имеет возможность еще в вузе приобрести необходимые знания и навыки, которые обеспечат его эффективную работу в качестве специалиста и достойную зарплату.

Реальность, к сожалению, весьма далека от идеальной картины. Естественным стремлением работодателей является немедленное решение возникающих кадровых проблем. В то же время если студенты не имеют четких ориентиров в виде требований к уровню образования, подкрепленных предложением достойной зарплаты, то в условиях дефицита кадров вряд ли удастся найти достаточное количество квалифицированных выпускников, если не прилагать целенаправленных усилий.

Дистрибьюторы компаний-производителей могут полагать, что предоставление скидок на приобретение их продукции может стать достаточным основанием для высокой активности вузов. В условиях сильной конкуренции среди производителей электроники у вуза существуют широкие возможности выбора вариантов организации учебного процесса с привлечением продуктов той или иной компании. Однако для организации лаборатории, подготовки учебно-методических материалов и их апробации требуется длительное время. В конечном итоге продемонстрировать подготовленных специалистов можно будет через 3–5 лет. Поэтому предположение о том, что после предоставления вузу скидки на отладочные платы в определенном регионе в короткие сроки резко возрастет объем продаж продукции определенной фирмы, выглядит не вполне реалистичным.

Вот, пожалуй, основные моменты, относительно которых существует некоторое недопонимание между производителями оборудования и российскими вузами.

  1. Считается, что скидка на оборудование, предоставляемое для учебных целей, — ключевой фактор, способствующий его приобретению.

    В действительности круг вопросов, которые должны быть решены в вузе, значительно шире. Требуется специально оборудованное помещение, необходимо разработать учебно-методические материалы и включить их в учебный процесс, согласовав с требованиями государственного образовательного стандарта. Существуют альтернативные варианты преподавания, основанные на оборудовании другого производителя, или же на близком, но качественно ином материале. Поэтому затраты на приобретение оборудования в масштабах общих затрат (финансовых, временных и ресурсных) оказываются не так уж велики.

  2. Ожидается, что вузы продемонстрируют результаты в кратчайшие сроки.

    Как правило, для разработки и внедрения минимального комплекта методических материалов требуется 1–2 года. Внедрение их в учебный процесс и появление студенческих работ также требует длительного времени. Не следует забывать, что студенты не концентрируются на изучении одного предмета, поэтому простого усвоения материала можно ожидать не раньше, чем после прохождения ими всего цикла обучения по предложенному курсу занятий.

  3. Ожидается, что вузы обеспечат внедрение продукции, предлагаемой дистрибьютором, на предприятиях своего региона и будут способствовать повышению объема продаж.

    Очевидно, что дистрибьютор напрямую заинтересован в повышении объемов продаж, но следует ли этого ожидать от образовательного учреждения в краткосрочной перспективе? Даже если подготовка будет проведена идеальным образом, на эволюцию от студента до инженера с опытом, достаточным для проведения разработок изделий, выпускаемых массовыми тиражами, требуется 5–10 лет, что существенно больше тех отчетных периодов, которые привычны для дистрибьюторов. В этом случае корректнее ожидать от вуза последовательных действий по созданию актуальных учебных материалов, которые станут долгосрочной основой для непрерывной подготовки новых специалистов, обладающих необходимыми навыками использования элементной базы.

Со стороны некоторых преподавателей российских вузов также иногда наблюдаются неоправданные ожидания по поводу университетской программы компании-производителя.

  1. Некоторые считают, что крупной компании-производителю не составляет труда подарить вузу комплект дорогостоящего оборудования для учебных целей.

    Действительно, многие компании-производители проводят программы поддержки университетов, в рамках которых предоставляют свою продукцию для образовательных целей с существенными скидками или бесплатно. Целью таких программ является все же распространение продукции среди разработчиков, которые пока проходят обучение в качестве студентов. Однако с точки зрения производителя помогать оборудовать лабораторию имеет смысл в том случае, если будет улучшена подготовка специалистов, которые вскоре начнут участвовать в активных процессах конструирования и производства.

  2. Существует мнение, что требуется полная адаптация учебных материалов, вплоть до создания их с нуля. Имеющиеся рекомендации западных компаний не всегда могут помочь, поскольку не учитывают специфику российского образования.

    В качестве одного из негативных моментов современного высшего образования в России отмечается преподавание на базе устаревших технологий и по устаревшим методикам. Тем не менее исправление этой ситуации не обязательно должно быть сопряжено с существенными финансовыми затратами, поскольку, как отмечалось выше, основной упор в обучении можно делать на методы проектирования микросхем с использованием языков описания аппаратуры согласно модели fabless. Плата на базе ПЛИС, использующаяся в качестве стенда для макетирования цифровых устройств, существенно мощнее стендов, собираемых на дискретных компонентах.

  3. Ряд преподавателей уверен, что для полноценной организации образовательного процесса необходимо обязательно оснастить учебную лабораторию дорогостоящим оборудованием, а платы начального уровня якобы не позволяют вести преподавание в полном объеме.

    В последнее время логические объемы ПЛИС возросли. На практике можно наблюдать двукратный рост при каждой смене технологического процесса. Это означает, что современные ПЛИС минимального и среднего объема содержат тысячи и десятки тысяч логических ячеек, чего более чем достаточно для образовательных целей. Более того, проекты, не умещающиеся в ПЛИС начального уровня, могут потребовать до нескольких часов на одну итерацию работы САПР, даже при использовании высокопроизводительных рабочих станций. Таким образом, для большинства учебных курсов не имеет практического смысла использовать дорогостоящие платы с ПЛИС большого объема.

Опыт участия в университетской программе фирмы Xilinx

В настоящее время российские вузы, наряду с учебными заведениями других стран, имеют возможность участвовать в университетской программе фирмы Xilinx (Xilinx University Program, XUP). Эта программа позволяет получать как доступ к учебно-методическим материалам, так и программное обеспечение и оборудование — бесплатно или по специальным ценам. Подобные программы есть, безусловно, и у других компаний-производителей, но хотелось бы отметить уже имеющийся позитивный опыт взаимодействия с XUP, внимательное отношение со стороны XUP при рассмотрении заявок от российских вузов и ряд других положительных моментов.

Существующая практика взаимодействия с XUP не предполагает принятия неких стратегических решений на уровне вуза для того, чтобы конкретный преподаватель мог обратиться с заявкой на оборудование для учебного курса. По сути, основным требованием для участия в XUP является заинтересованность конкретного преподавательского коллектива при наличии организационных возможностей преподавания (аудитория, оснащенная компьютерами, учебные часы, возможность внедрения учебного курса с использованием ПЛИС в образовательный процесс). Подготовка учебных курсов может быть следствием заинтересованности кафедры или коллектива в научно-исследовательской работе с использованием ПЛИС и обучении аспирантов.

При поддержке официального дистрибьютора Xilinx — компании «КТЦ Инлайн Груп» — в течение 2011 г. несколько высших учебных заведений Российской Федерации получили в качестве дара (donation) комплекты САПР и плат Atlys на базе ПЛИС Spartan-6 для оснащения учебных лабораторий.

Благодаря плодотворному сотрудничеству с Xilinx на базе кафедры физики Ковровской государственной технологической академии им. В. А. Дегтярева (КГТА) создан инженерный центр по поддержке проектов Xilinx. Сотрудники кафедры с 2000 года участвуют в XUP, осуществляя в течение этого времени преимущественно целевую подготовку специалистов в области цифровой обработки сигналов, автоматизации эксперимента, измерительной техники, проектирования систем на кристалле. Основой этих направлений стали проводимые на кафедре исследования в области прикладной физики, требующие разработки уникального оборудования. Необходимость воспроизводства кадров привела к тому, что для целевой подготовки аспирантов и студентов, участвующих в научных исследованиях, были разработаны методические материалы, дающие возможность в короткие сроки освоить маршрут проектирования на базе ПЛИС Xilinx. При кафедре функционирует учебная лаборатория, созданная при содействии ряда предприятий-партнеров, которая в 2010 году получила статус инженерного центра компании «КТЦ Инлайн Груп». Некоторые сотрудники кафедры являются преподавателями учебного центра Xilinx в России (Authorized Training Partner, ATP). Это позволяет разрабатывать учебные программы на основе актуальных рекомендаций производителя, одновременно учитывая потребности и особенности российского образования.

Один из основных партнеров в области учебно-методической работы — Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), где на базе кафедры физики конденсированного состояния создан научно-образовательный «Центр проектирования интегральных схем, устройств наноэлектроники и микросистем» [2]. Это подразделение активно сотрудничает с авторизованным учебным центром Xilinx в России в области повышения квалификации инженеров. В составе центра находятся 5 учебных классов (в общей сложности более 40 рабочих мест). В 2011 году в рамках участия в XUP центром получены 15 плат Atlys, и совместно с ATP и инженерным центром в КГТА разработаны учебные пособия по языкам описания аппаратуры, основанные на рекомендациях Xilinx и позволяющие впоследствии эффективно продолжить обучение проектированию цифровых устройств на базе ПЛИС в рамках курсов повышения квалификации.

Рабочее место студента,  оснащенное платой Atlys, в лаборатории КГТА

Рис. 1. Рабочее место студента, оснащенное платой Atlys, в лаборатории КГТА

В течение 2010–2011 учебного года сотрудниками физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (МГУ) была организована серия семинаров «Программирование и использование перспективных вычислительных систем и задачи управления» [3], на которых были рассмотрены и системы на базе FPGA. Число посетителей семинаров достигало 150. Деятельность по созданию сообщества разработчиков высокопроизводительных систем на базе ПЛИС, основанная на возможностях МГУ как ведущего вуза России, оказывает немаловажное влияние на формирование и развитие связей между отдельными вузами и предприятиями-работодателями. Лаборатория с применением плат Atlys организована на кафедре нелинейной оптики физического факультета МГУ.

Национальный исследовательский ядерный университет (НИЯУ МИФИ) включился в программу XUP в 2011 году и уже получил в дар от Xilinx платы Atlys для переоснащения имеющихся лабораторий. Имея квалифицированный преподавательский состав и методические наработки, уже две кафедры МИФИ активно участвуют в программе XUP.

В конечном итоге, на основе консультаций с инженерным центром «КТЦ Инлайн Груп», в течение последнего года российские вузы получили в общей сложности около 40 плат Atlys, которыми оснащены 7 учебных лабораторий. Сотрудничество с авторизованным учебным центром Xilinx позволяет рассчитывать на высокое качество подготовки студентов и возможность продолжения ими обучения по программам повышения квалификации, предлагаемым Xilinx.

Приведенным списком отнюдь не исчерпывается перечень российских вузов, успешно использующих ПЛИС в учебном процессе. Часто можно наблюдать высокое качество подготовки учебных материалов в результате инициативной деятельности преподавательских коллективов различных учебных заведений.

В настоящее время важным представляется усиление взаимодействия между организациями, разрабатывающими устройства на базе ПЛИС, и учебными заведениями. Наличие современных средств разработки и методических материалов создает хорошую возможность подготовки специалистов, готовых к практической деятельности в качестве разработчиков устройств на базе ПЛИС Xilinx.

Рекомендации для вузов по участию в Xilinx University Program

Особенностью университетской программы Xilinx является то, что вузы осуществляют контакты с Xilinx напрямую, минуя дистрибьюторов. Информацию о программе можно найти по адресу [4], там же можно создать аккаунт для оформления заявок. Все заявки на программное обеспечение, IP-ядра и оборудование подаются преподавателями через онлайновую форму (Donation Proposal Form). Решение об удовлетворении заявки принимается исключительно сотрудниками Xilinx, однако в процессе составления заявки возможна консультация с автором данной статьи.

Следует отметить, что в минимальном варианте освоение проектирования на базе ПЛИС не требует затрат (или затраты минимальны). Бесплатная версия САПР ISE Webpack свободно загружается с сайта [5]. В ее состав входит программа для моделирования цифровых систем ISim, что позволяет выполнить часть работы по освоению цифровой схемотехники и маршрута проектирования цифровых систем, не имея ПЛИС. Ограничением ISE Webpack является максимальный объем поддерживаемых ПЛИС, эта планка достаточно высока, и на практике переход к микросхемам, не поддерживаемым бесплатной версией, следует производить только после получения соответствующего опыта проектирования. В качестве лабораторного стенда можно использовать одну из плат, описанных далее в статье (из них самым дешевым решением является Avnet MicroBoard).

Небольшому коллективу, имеющему потребность в освоении ПЛИС как аппаратной платформы для решения исследовательских и образовательных задач, можно предложить провести подготовительную работу: установить бесплатную версию САПР, освоить маршрут проектирования, используя моделирование в программном пакете ISim, и сделать вывод о целесообразности использования этой технологии. Интересно, что подразделения вузов, получившие комплекты плат в течение последнего года, прямо или косвенно имеют отношение к физике. Это говорит о том, что потребность в ПЛИС не ограничена кафедрами и факультетами, непосредственно связанными с подготовкой специалистов в области проектирования цифровых систем.

Платы начального уровня, предназначенные для освоения маршрута проектирования

Представленные далее платы основаны на ПЛИС Spartan-6. Архитектура следующего поколения ПЛИС не изменится кардинальным образом, что позволяет продлить период использования приобретаемых сегодня плат, делая их пригодными и для отладки следующего поколения устройств. Практическим преимуществом плат является наличие встроенного программатора, поддерживаемого САПР ISE (платы компании Digilent используют собственную утилиту для загрузки конфигурации). Таким образом, для работы с платами не нужно приобретать какое-либо дополнительное оборудование. Одна из плат производится фирмой Xilinx, а остальные — ее партнерами Digilent и Avnet.

Digilent Atlys

Компания Digilent [5] производит ряд средств разработки на базе микроконтроллеров и ПЛИС. Для семейства Spartan-6 выпускается плата Atlys, которая не только обладает богатым набором периферийных устройств, но и интересна в качестве платформы для обучения, о чем уже упоминалось выше.

Плата Atlys

Рис. 2. Плата Atlys производства компании Digilent

На плате установлена ПЛИС Xilinx Spartan-6 LX45 FPGA в корпусе 324-bin BGA и следующий набор периферийных устройств:

  • 128 Мбайт памяти DDR2.
  • 10/100/1000 Ethernet PHY.
  • Порты USB2 для программирования и передачи данных.
  • Преобразователь USB-UART.
  • Порт USB-HID для подключения клавиатуры или мыши.
  • Два входных порта HDMI.
  • Два выходных порта HDMI.
  • Кодек AC-97 (разъемы line-in, line-out, микрофон, наушники).
  • Мониторы питания.
  • 16 Мбайт памяти ×4 SPI Flash, которая может использоваться для хранения конфигурации ПЛИС или данных пользователя.
  • Генератор с частотой 100 МГц.
  • 48 выводов ПЛИС выведены на внешний разъем VHDC.
  • 8 светодиодов, 6 кнопок, 8 переключателей.

Digilent Nexys 3 Spartan-6 FPGA Board

Эта плата использует ПЛИС меньшего объема, чем установленная на Atlys, — Spartan-6 XC6LX16-CS324.

Плата Nexys 3

Рис. 3. Плата Nexys 3 производства компании Digilent

На плате установлены следующие периферийные компоненты:

  • 16 Мбайт памяти Cellular RAM производства Micron;
  • 16 Мбайт памяти Parallel PCM;
  • 16 Мбайт памяти Quad-mode SPI PCM;
  • формирователь Ethernet 10/100 SMSC LAN8710 PHY;
  • порт Digilent Adept USB для загрузки конфигурации ПЛИС;
  • преобразователь USB-UART;
  • порт USB для подключения клавиатуры или мыши;
  • 8-битный порт VGA;
  • генератор с частотой 100 МГц;
  • 8 светодиодов, 4 кнопки, 8 переключателей, 4 семисегментных индикатора;
  • два разъема Pmod, один разъем VHDC.

Xilinx SP601

Плата SP601 производства Xilinx построена на базе ПЛИС Spartan-6 XC6SLX16-2CSG324. Среди информационных ресурсов Xilinx имеется достаточное количество примеров проектов для этой платы, а схемы подключения периферийных устройств могут служить основой для разработки собственных изделий. САПР Xilinx, такие как EDK и PlanAhead, имеют готовые шаблоны для быстрого создания проекта на базе этой платы. Таким образом, данную плату можно рассматривать в качестве «базового» решения, при необходимости выбирая Nexys-3 с другим набором периферийных устройств или Atlys, как более мощную.

Плата SP601

Рис. 4. Плата SP601 производства компании Xilinx

На плате установлена ПЛИС XC6SLX16 CS324-2C и следующие компоненты:

  • 128 Мбайт памяти DDR2.
  • 8 Мбайт памяти Quad SPI Flash (может быть использована для хранения конфигурации).
  • 16 Мбайт параллельной памяти Flash (может быть использована для хранения конфигурации).
  • 8 кбит памяти EEPROM с интерфейсом IIC.
  • Формирователь 10/100/1000 Tri-Speed Ethernet PHY.
  • Преобразователь USB-UART.
  • Тактовый генератор 200 МГц.
  • Разъем для генератора (установлен модуль на 27 МГц).
  • Разъемы SMA для подключения внешнего тактового генератора.
  • Разъем FMC-LPC (68 однопроводных или 34 дифференциальных сигнала).
  • 8 пользовательских выводов на разъемах 2×6.
  • 4 светодиода, 4 кнопки, 4 переключателя.

Avnet Spartan-6 FPGA LX9 MicroBoard

Плата Avnet MicroBoard

Рис. 5. Плата Avnet MicroBoard

Avnet MicroBoard действительно представляет собой небольшое (в формате USB stick) и недорогое средство разработки. В основе платы — ПЛИС Spartan-6 XC6SLX9-2CSG324C. Дополнительно установлены:

  • 64 Mбайт памяти LPDDR SDRAM;
  • 128 Mбит памяти Multi-I/O SPI Flash;
  • Ethernet 10/100;
  • преобразователь USB-UART;
  • порт JTAG;
  • два порта PMOD 2×6;
  • программируемый тактовый генератор;
  • 4 светодиода, 4 переключателя;
  • 2 кнопки («сброс» и «программирование»).

Заключение

Представленный в статье материал позволяет организовать мероприятия по созданию учебных лабораторий и курсов подготовки специалистов в области проектирования цифровых систем на базе ПЛИС. Важно то, что речь идет не о неких стратегических мероприятиях, инициируемых и финансируемых руководством вузов или крупных компаний, а о практических шагах, которые могут осуществить преподаватели, видящие в ПЛИС перспективное направление для формирования у студентов практических навыков проектирования.

Литература

  1. Данилин А. Б. Россия и fabless-индустрия в полупроводниковой микроэлектронике: В сб. «Российская электроника — ветер перемен» http://www.ruselectronics.ru/library/publications/RoselBooklet_vector.pdf
  2. http://www.edamc.mirea.ru
  3. http://fpga.ilc.edu.ru
  4. http://www.xilinx.com/university
  5. http://www.digilentinc.com
  6. http://www.em.avnet.com
  7. http://www.plis.ru

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке