EDA技術(shù)在硬件課程體系教學(xué)改革中的應(yīng)用

朱正偉,周炯如

(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇常州 213164)

在高校電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)中,硬件類(lèi)課程是整個(gè)教學(xué)的核心主干課程。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,新器件、新組件、新概念及新的分析方法不斷涌現(xiàn),電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的硬件類(lèi)課程的教學(xué)面臨著新的挑戰(zhàn)。本文論述了EDA技術(shù)在電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)硬件課程體系教學(xué)改革中的應(yīng)用,探索EDA技術(shù)在課程體系設(shè)置、實(shí)踐性教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面所起的作用。

1 硬件類(lèi)課程融合EDA技術(shù)必要性

1.1 融合EDA技術(shù)是課程發(fā)展的需要

長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)大多數(shù)高校電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)有關(guān)硬件課程仍沿用傳統(tǒng)教學(xué)模式,教學(xué)內(nèi)容上仍比較注重各門(mén)課程本身的理論性和系統(tǒng)性,較少考慮硬件課程之間彼此存在的內(nèi)在聯(lián)系。設(shè)計(jì)方法上仍停留在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法上,使用電路圖來(lái)描述系統(tǒng)的連接關(guān)系[1],不適合復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

可編程邏輯器件和EDA技術(shù)的出現(xiàn),使數(shù)字系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法發(fā)生了革命性的變化。因此改革和整合傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容,將EDA技術(shù)引入到硬件類(lèi)課程的教學(xué)中,建立硬件課程之間的內(nèi)在聯(lián)系,確定階段性的模塊化教學(xué)內(nèi)容,形成新的硬件課程教學(xué)體系,這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力是十分必要的。

1.2 融合EDA技術(shù)必要性

隨著可編程邏輯器件性?xún)r(jià)比的不斷提高和開(kāi)發(fā)軟件功能的不斷完善,在涉及通信、國(guó)防、航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表和計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中,EDA技術(shù)的含量正急劇上升,因而非常有必要把EDA技術(shù)引入到電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的硬件類(lèi)課程中,以開(kāi)闊學(xué)生的視野,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

2 EDA融合到硬件類(lèi)課程的方法

2.1 重構(gòu)課程體系

我們以專(zhuān)用集成電路芯片應(yīng)用為最終目標(biāo),以能力培養(yǎng)為宗旨,重新構(gòu)建了電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)硬件系列課程體系。在該系列課程體系中,以“硬件技術(shù)基礎(chǔ)”和“EDA技術(shù)”為基礎(chǔ)主干課程,以其它幾門(mén)課程為應(yīng)用和提高部分,形成了一套系列化的硬件課程教學(xué)體系。課程結(jié)構(gòu)上劃分為三個(gè)層次:基礎(chǔ)層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件課程體教學(xué)系結(jié)構(gòu)

在該三層體系結(jié)構(gòu)中,基礎(chǔ)層為“電路”、“模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”課程,它們是硬件系列課程的技術(shù)基礎(chǔ);在系統(tǒng)層中,以“硬件技術(shù)基礎(chǔ)”和“EDA技術(shù)”課程為主,輔之以配套的實(shí)踐性課程,是硬件課程體系中最重要的課程;應(yīng)用層中,主要以EDA技術(shù)和嵌入式技術(shù)為核心,設(shè)置了“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)”、“DSP實(shí)用技術(shù)”課程,且每門(mén)課程都配有相應(yīng)的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。

2.2 改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系

傳統(tǒng)的課程體系由電路原理、器件介紹、硬件搭試和制作樣機(jī)所組成。引入EDA技術(shù)后的新的體系應(yīng)改為電路原理、仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)制作。對(duì)分立器件的要求降低,部分教學(xué)內(nèi)容在課程之間進(jìn)行重新劃分或縮減,如數(shù)字電路中脈沖電路可劃歸到“模擬電子技術(shù)”中。對(duì)于電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的整個(gè)EDA教學(xué)過(guò)程來(lái)說(shuō),還應(yīng)分層次確定目標(biāo)。專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課作為第一層次,通過(guò)EDA教學(xué)達(dá)到的目標(biāo)是分析為主,設(shè)計(jì)為輔。相關(guān)課程設(shè)計(jì)和部分專(zhuān)業(yè)要上升到第二層次,即以設(shè)計(jì)為主。畢業(yè)設(shè)計(jì)作為第三層次,要求全面地掌握EDA工具,最終要達(dá)到“制板(PCB板)”或“流片(專(zhuān)用集成電路芯片)”的水平。

EDA技術(shù)使每門(mén)硬件類(lèi)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)都要作一定的改變。如“電路原理”課程,電路分析中技巧性的解題方法可不作要求,復(fù)雜性難題可由仿真軟件去解決,教學(xué)的重點(diǎn)完全放到電路的一般原理、定律和基本分析方法上。教學(xué)內(nèi)容變化最大的是“數(shù)字電子技術(shù)”課程,PLD技術(shù)的引入使得該課程的重點(diǎn)由分析轉(zhuǎn)為設(shè)計(jì),不僅涉及硬件,還涉及軟件編程,使軟硬件設(shè)計(jì)緊密結(jié)合。

“硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程不以某一種計(jì)算機(jī)為背景,而是集中闡述各類(lèi)計(jì)算機(jī)共同的基本原理,特別注重系統(tǒng)的概念和接口的設(shè)計(jì)?！皢纹C(jī)測(cè)控系統(tǒng)”課程在原來(lái)介紹的單片機(jī)的原理及其應(yīng)用的基礎(chǔ)上,增加了嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)容?！癉SP實(shí)用技術(shù)”課程面向嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域,構(gòu)建基于DSP的高性能嵌入式測(cè)控系統(tǒng),課程內(nèi)容包括DSP原理、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等。“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程內(nèi)容主要包括數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用實(shí)例。在這些課程中,都涉及到硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中充分應(yīng)用EDA設(shè)計(jì)方法,把EDA技術(shù)融合到相應(yīng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去。

2.3 加強(qiáng)EDA教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)

硬件類(lèi)課程的重要特點(diǎn)是工程性、實(shí)踐性很強(qiáng),因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)[2]。

EDA技術(shù)好比紐帶,可以將那些分散的硬件類(lèi)課程有機(jī)地連接起來(lái),構(gòu)建涵蓋硬件課程的層次化實(shí)驗(yàn)體系[3]。該體系的第一層次為基礎(chǔ)層實(shí)驗(yàn),涉及常用電路的分析和設(shè)計(jì),包括功能驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和常規(guī)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等。第二層次為系統(tǒng)層次實(shí)驗(yàn),能夠?qū)崿F(xiàn)硬件系統(tǒng)的各種組成部件或整機(jī)系統(tǒng),追求硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和性能的提高。第三層次為應(yīng)用層次實(shí)驗(yàn),主要完成嵌入式系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計(jì)、軟硬件綜合設(shè)計(jì)、多機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和多機(jī)并行算法設(shè)計(jì)等,最終設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)。

3 EDA技術(shù)與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)

目前我國(guó)各高校普遍開(kāi)設(shè)了EDA教學(xué)課程,建立了EDA實(shí)驗(yàn)室,利用EDA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)生創(chuàng)新能力的培訓(xùn)。這不僅解決了學(xué)校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限、品種缺乏的問(wèn)題,也大大節(jié)省了元器件的消耗。學(xué)生可以在軟件天地盡情發(fā)揮創(chuàng)造性思維,設(shè)計(jì)各種各樣的硬件電路,學(xué)生可以從最初的方案論證到最后的設(shè)計(jì)實(shí)施,從計(jì)算機(jī)電路仿真設(shè)計(jì)到實(shí)際電路制作,從虛擬器件到真實(shí)器件的應(yīng)用得到了全面訓(xùn)練,“虛”、“實(shí)”結(jié)合使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)理念有了一個(gè)全面的認(rèn)識(shí),這對(duì)于電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)將會(huì)有非常大的推動(dòng)作用。

在不同的學(xué)習(xí)階段,學(xué)生學(xué)習(xí)了相應(yīng)的硬件類(lèi)課程后,就可以在EDA實(shí)驗(yàn)室里采用EDA技術(shù),自行設(shè)計(jì)與本課程相關(guān)的電路或復(fù)雜系統(tǒng),通過(guò)此過(guò)程,學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)將得到極大提高。

將EDA技術(shù)的應(yīng)用貫穿于硬件課程的教學(xué)中,主要有以下作用。

(1)EDA技術(shù)的應(yīng)用是電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)硬件體系實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要補(bǔ)充。通過(guò)設(shè)計(jì)的描述、軟件仿真和時(shí)序分析,學(xué)生可以深化所學(xué)的硬件知識(shí),更透徹地了解這些硬件的功能和結(jié)構(gòu),并能根據(jù)仿真波形觀察到在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中根本觀察不到的諸如競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)和延遲等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,起到硬件體系實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要補(bǔ)充作用。

(2)解決了硬件設(shè)備有限與學(xué)生人數(shù)多之間的矛盾。學(xué)生最初可以在課下先借助EDA工具完成設(shè)計(jì)輸入、編譯、仿真和綜合,然后再到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行編程下載和驗(yàn)證。這種模式無(wú)須與學(xué)生規(guī)模相配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了硬件資源的集約化利用。

(3)借助于EDA技術(shù),教師可以跟蹤先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展,能多開(kāi)設(shè)一些自主性、綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。例如,面向DSP和無(wú)線通信等實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn),嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生能夠應(yīng)用 EDA技術(shù)完成大型硬件的原型設(shè)計(jì),也可進(jìn)行設(shè)計(jì)工具方面創(chuàng)新課題的研究,這無(wú)疑對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新性人才有著重要的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

EDA技術(shù)引入教學(xué),可為開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了強(qiáng)有力的輔助手段。EDA技術(shù)強(qiáng)化了學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位,有利于學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過(guò)EDA技術(shù)和硬件系列課程體系融合的實(shí)踐,在我校電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)中已初建成效。

[1] 夏益民.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展對(duì)電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)的影響[J].廣州:廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2005(9):242-246

[2] 謝云等.現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)踐課程指導(dǎo).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.193-220

[3] 曹曉莉,江朝元.電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革初探[J].重慶:重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(4)208-209