EDA技術(shù)的發(fā)展與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

常瑞麗 崔國(guó)瑋 韓 軍

摘 要:在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天,新器件、新設(shè)備不斷出現(xiàn),由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,我國(guó)很多高等院校電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法及時(shí)滿足各種電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求,而采用EDA技術(shù)仿真軟件進(jìn)行電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué),不僅可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)儀器、元器件短缺以及規(guī)格不符合要求等不足,還能通過(guò)軟件中提供的各種分析方法,幫助學(xué)生更快、更好地掌握教學(xué)內(nèi)容,加深對(duì)課堂知識(shí)的理解,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,并使學(xué)生了解了通過(guò)EDA軟件進(jìn)行電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本過(guò)程。

關(guān)鍵詞:EDA技術(shù) 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革

人類社會(huì)已進(jìn)入到高度發(fā)達(dá)的信息化社會(huì),信息社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)電子產(chǎn)品的進(jìn)步?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品在性能提高、復(fù)雜度增大的同時(shí),價(jià)格卻一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì),而且產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐也越來(lái)越快,實(shí)現(xiàn)這種進(jìn)步的主要原因就是生產(chǎn)制造技術(shù)和電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。其中生產(chǎn)制造技術(shù)以微細(xì)加工技術(shù)為代表,目前已進(jìn)展到深亞微米階段,可以在幾cm2的芯片上集成數(shù)千萬(wàn)個(gè)晶體管,電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心就是EDA技術(shù)。

一、EDA技術(shù)及其發(fā)展

EDA(Electronic Design Automation)即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化,是以計(jì)算機(jī)為工具,在EDA軟件平臺(tái)上,以硬件描述語(yǔ)言HDL(Hardware Description Language)為系統(tǒng)邏輯描述手段,完成文件的輸入、編譯、綜合及優(yōu)化、仿真、對(duì)特定目標(biāo)芯片適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術(shù)涉及面廣,內(nèi)容豐富,從教學(xué)和實(shí)用的角度看,主要有以下4個(gè)方面內(nèi)容:

(1)大規(guī)模可編程邏輯器件;

(2)硬件描述語(yǔ)言;

(3)軟件開(kāi)發(fā)工具;

(4)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

其中,大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷抢肊DA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載體;硬件描述語(yǔ)言是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要表達(dá)手段;軟件開(kāi)發(fā)工具是利用EDA技術(shù)對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的工具;實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下載工具及硬件驗(yàn)證工具。

目前,可編程邏輯器件正處于高速發(fā)展的階段。新型的FPGA/CPLD規(guī)模越來(lái)越大,成本越來(lái)越低。越來(lái)越高的性價(jià)比使可編程邏輯器件在硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域扮演著日益重要的角色。低端CPLD已經(jīng)逐步取代了74系列等傳統(tǒng)的數(shù)字元器件,高端的FPGA也在不斷地奪取ASIC的市場(chǎng)份額,特別是目前大規(guī)模FPGA多數(shù)支持可編程片上系統(tǒng)(SOPC),與CPU、DSP Core的有機(jī)結(jié)合使FPGA已經(jīng)不僅僅是傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)手段,而逐步升華為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工具。

EDA的精髓所在是其設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)理念,這一點(diǎn)給高等院校電子技術(shù)教學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了重大變革。而電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校電子、電氣和信息類專業(yè)的重要教學(xué)內(nèi)容。由于它與工程實(shí)踐聯(lián)系緊密,近年來(lái)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容隨著新器件和新技術(shù)的涌現(xiàn)而不斷更新,EDA技術(shù)也成為電子技術(shù)中的一個(gè)新興內(nèi)容。高等院校站在科學(xué)技術(shù)前沿,應(yīng)當(dāng)從一個(gè)比較高的角度看待EDA的教學(xué),以向?qū)W生灌輸新的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)理念為主要任務(wù)。EDA技術(shù)給電子技術(shù)教學(xué)尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。

二、為什么要對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革

1.高等院校電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)是高校教學(xué)活動(dòng)的重要組成環(huán)節(jié),實(shí)驗(yàn)室作為影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的外部因素,其狀況決定了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)質(zhì)量,而且直接影響教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。目前,在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面,多數(shù)高校采用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)裝置,以實(shí)物元器件進(jìn)行硬件連線測(cè)試實(shí)驗(yàn)為主,由于實(shí)驗(yàn)室客觀條件的限制,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受到限制,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一,擴(kuò)展性和開(kāi)放性不足,給學(xué)生開(kāi)設(shè)一些擴(kuò)展型、設(shè)計(jì)型以及綜合型實(shí)驗(yàn)存在一定困難,特別是在新器件不斷出現(xiàn),新設(shè)備價(jià)格昂貴的情況下,很多院校的電子實(shí)驗(yàn)室無(wú)法滿足實(shí)際需求,這無(wú)疑給學(xué)生潛能的發(fā)揮及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)帶來(lái)了很大的限制,很難滿足現(xiàn)代電子領(lǐng)域?qū)Ω咝Ｅ囵B(yǎng)具有高層次專業(yè)技術(shù)人才的需要。

目前,很多高校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面存在著資金短缺、儀器設(shè)備老化、專業(yè)維護(hù)人員缺少、維護(hù)技術(shù)落后等問(wèn)題,同時(shí),實(shí)驗(yàn)中的硬件電路性能不夠穩(wěn)定、效率低、損耗大,易耗品的保障和儀器設(shè)備的更新都受到經(jīng)費(fèi)的限制,給實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行造成了一定的壓力,這些因素正在嚴(yán)重制約電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開(kāi)展,影響著高校教學(xué)質(zhì)量的提高。

2.EDA技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

隨著教學(xué)要求的不斷提高及電子技術(shù)的迅速發(fā)展,實(shí)驗(yàn)設(shè)備的先進(jìn)性面臨著新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是以實(shí)物為主,由于采用搭接線路進(jìn)行調(diào)試,設(shè)備易磨損老化,出現(xiàn)故障較多,對(duì)于較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn),學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)難以調(diào)試成功;而通過(guò)EDA軟件做實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)環(huán)境是一個(gè)虛擬環(huán)境,克服了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備與元器件在品種、規(guī)格和數(shù)量上不足的限制。隨著軟件的不斷發(fā)展和完善,能夠做的實(shí)驗(yàn)在不斷地增加和擴(kuò)展,把以前繁瑣的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證調(diào)試和人工制板工作全部在電腦上完成,在很短的時(shí)間內(nèi)即可快速完成較復(fù)雜電路的連接、測(cè)試工作,避免了元器件損壞、接觸不良等不利因素。對(duì)于一些抽象、繁雜的變化過(guò)程也可以借助EDA工具用波形、圖像等形式生動(dòng)形象地進(jìn)行表現(xiàn),加深了學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解;電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便,實(shí)現(xiàn)了“硬件軟化”,采用可編程器件,通過(guò)設(shè)計(jì)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能,節(jié)省了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用,縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間,提高了實(shí)驗(yàn)效率。

3.增加開(kāi)放性實(shí)驗(yàn),激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)需要用到許多專門的儀器,而實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模和開(kāi)放時(shí)間是有限的,學(xué)生在課后無(wú)法繼續(xù)自己的實(shí)驗(yàn)。以EDA技術(shù)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),打破了空間和時(shí)間的限制,克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須在規(guī)定時(shí)間、規(guī)定的地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)這一缺點(diǎn)。軟件不僅提供了各種豐富的分立元件和集成元件,還提供了各種豐富的調(diào)試測(cè)量工具,是一個(gè)全開(kāi)放性的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生可以很好地完成必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,也可以根據(jù)自己的興趣愛(ài)好和自己擇業(yè)的需要,完成一些實(shí)用的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,還可以在老師的指導(dǎo)下參與科研項(xiàng)目中的一些子項(xiàng)目或功能模塊。既解決了因經(jīng)費(fèi)短缺、使用不當(dāng)?shù)群芏嘁蛩貙?duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的制約,也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,有利于學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)和新技術(shù)的掌握。

另外,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室很難滿足新電路設(shè)計(jì)和調(diào)試的需求,且靈活性差,學(xué)生運(yùn)用課堂知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)存在一定困難,而EDA工具給學(xué)生創(chuàng)造了優(yōu)良的環(huán)境,強(qiáng)化了學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位,使學(xué)生具有更大的設(shè)計(jì)自由度,可以盡情發(fā)揮自己的想象力、創(chuàng)造力,在計(jì)算機(jī)上對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行仿真測(cè)試、調(diào)整元件等,進(jìn)行多種設(shè)計(jì)方案的比較,大膽實(shí)踐而不必考慮元器件的損壞。在計(jì)算機(jī)上主動(dòng)設(shè)疑、實(shí)驗(yàn),選擇最佳設(shè)計(jì)方案,然后再通過(guò)實(shí)際器件連接調(diào)試,在驗(yàn)證、測(cè)試、設(shè)計(jì)、糾錯(cuò)和創(chuàng)新等方面進(jìn)行不同形式的訓(xùn)練,逐步培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和應(yīng)用新技術(shù)的能力,并且提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)。

4.現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的需要

EDA技術(shù)具有先進(jìn)性和科學(xué)性,是現(xiàn)代電子系統(tǒng)最有效的設(shè)計(jì)工具,也是未來(lái)電子技術(shù)發(fā)展的方向,因此,市場(chǎng)對(duì)EDA人才有著迫切的需求。掌握先進(jìn)的EDA技術(shù),與國(guó)際通信、電子設(shè)計(jì)技術(shù)的要求相適應(yīng)。EDA軟件不僅適用于實(shí)際生產(chǎn)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),也適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。并且學(xué)生在EDA技術(shù)的使用過(guò)程中可接觸到業(yè)界最新的元器件、電路以及技術(shù)。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下,電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的復(fù)雜程度增加、上市時(shí)間緊迫,產(chǎn)品的研制和開(kāi)發(fā)必須具有較高的效率和較短的周期。目前,很多企業(yè)越來(lái)越不愿意接受學(xué)生實(shí)習(xí),學(xué)生很難了解到IC生產(chǎn)制造的全過(guò)程,而EDA為學(xué)生提供了真實(shí)的實(shí)踐舞臺(tái),可使學(xué)生直接進(jìn)行IC設(shè)計(jì)和測(cè)試的過(guò)程,有利于學(xué)生接觸業(yè)界先進(jìn)技術(shù)和成果,將所學(xué)知識(shí)與社會(huì)應(yīng)用相對(duì)應(yīng),從而加強(qiáng)學(xué)校教學(xué)與社會(huì)實(shí)踐的聯(lián)系,增強(qiáng)了學(xué)生就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中應(yīng)注意的問(wèn)題

將EDA技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,能把復(fù)雜事物簡(jiǎn)單化,變抽象為具體、微觀的事物放大、宏觀事物縮小;同時(shí)可以把很多抽象和難以理解的內(nèi)容變得生動(dòng)有趣,化難為易;還能模擬一些用語(yǔ)言難以清楚表述和現(xiàn)實(shí)中不易進(jìn)行的內(nèi)容。它不僅提高了教學(xué)質(zhì)量,改善了教學(xué)手段,豐富了教學(xué)內(nèi)容,而且培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力、分析和解決問(wèn)題的能力。當(dāng)然,任何一種科學(xué)技術(shù)都是一把雙刃劍,有利也有弊,如果僅僅以完成虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)取代實(shí)物實(shí)驗(yàn),就會(huì)使學(xué)生只會(huì)在電腦上設(shè)計(jì)、仿真,對(duì)實(shí)際元器件的封裝、檢測(cè)等認(rèn)知程度降低,對(duì)實(shí)際儀器的操作能力降低,缺少對(duì)實(shí)際電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的布局能力、布線能力和安裝調(diào)試能力。為了避免這些問(wèn)題,我們必須采用虛實(shí)結(jié)合,一方面要強(qiáng)調(diào)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)的輔助作用,同時(shí)也要認(rèn)識(shí)到實(shí)際動(dòng)手能力的重要性,兩者必須相輔相成,有機(jī)結(jié)合。既要選擇科學(xué)、合理的仿真實(shí)驗(yàn)題目,讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握知識(shí),提高學(xué)習(xí)興趣;又要讓學(xué)生做一些設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn),通過(guò)自己的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試,使他們把虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)變成看得見(jiàn)摸得著的電子產(chǎn)品,把仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)際工程能力結(jié)合起來(lái)。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,可以使學(xué)生學(xué)會(huì)通過(guò)EDA工具完成一般電路的分析和仿真,采用CPLD、FPGA等邏輯器件完成較復(fù)雜電路的設(shè)計(jì),從而提高學(xué)生采用現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的能力,初步了解傳統(tǒng)的基于電路板的設(shè)計(jì)和現(xiàn)代的基于芯片的設(shè)計(jì)。

四、結(jié)束語(yǔ)

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向,EDA技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用是現(xiàn)代教育發(fā)展的一種趨勢(shì)。總之,EDA技術(shù)已經(jīng)以其鮮明的時(shí)代特征走入了我們的教學(xué),為學(xué)生的電子技能訓(xùn)練開(kāi)辟了一個(gè)廣闊的天地,為學(xué)生參加科研活動(dòng)或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了有利條件,其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性是任何傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室都無(wú)法比擬的。

參考文獻(xiàn)

[1]任國(guó)鳳.EDA在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,6 (4):86-89

[2]常瑞麗,崔國(guó)瑋.EDA技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2008,10:21-22

[3]齊洪喜.VHDL電路設(shè)計(jì)實(shí)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004

[4]胡桂,張艷.EDA技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響[J].高等教育研究,2006,22(3):38-39