EDA課程層入式教學及實驗平臺建設

張惠國，潘啟勇，華 強，顧 涵

（常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇 常熟 215500）

半導體技術、集成技術以及計算機技術的發(fā)展引發(fā)了電子系統設計手段與方法的革新，EDA（Electronic Design Automation，）設計技術已滲透到電子系統設計的各個領域，其核心是利用計算機完成電路設計的全程自動化，特征是采用高級語言描述，具有系統級仿真和綜合能力。EDA技術作為專業(yè)課已經在高校電子類本科專業(yè)中普遍開設，本文就課程內容的安排和教學實施進行了一些探索。

一、EDA課程的覆蓋面

EDA課程包含了PCB設計、可編程芯片設計、大規(guī)模集成電路設計等方面。而根據不同的專業(yè)方向，課程內容有不同的側重。EDA是一門具有連續(xù)性、不斷深入的課程，一般在本科階段開設相應的EDA技術基礎課程，在碩士和博士階段則開設比較精專的課題，如專用集成電路的設計等[1-3]。

對于電子類本科專業(yè)，EDA技術課程范圍限于現場可編程門陣列（FPGA）的設計[4，5]。這是由于FPGA器件應用廣泛，實驗開設成本相對較低以及其設計方法在EDA設計中具有典型性和通用性。本科的EDA技術基礎課程范圍可界定為：以硬件描述語言為設計語言，以可編程器件為載體，以ASIC/SOC芯片為目標器件進行必要的元件建模和仿真的電子產品自動化過程。教學過程中，主要講授基于FPGA平臺的設計開發(fā)。

二、理論課程的分層設計

隨著技術的進步，電子系統的復雜度迅速提高，其設計方法也由傳統的基于PCB的設計方法向基于芯片的微電子電路設計方法演變。體現在以前利用分立元件搭建電路，其工作重點在各個分立元器件的匹配調試上。而基于芯片的設計方法，則是將一個系統（或核心部分）用一塊芯片來實現，工作的關鍵在于充分利用現有的EDA軟件功能，完成實際電路的建模仿真并實現。

EDA課程作為一門專業(yè)課，具有本科、碩士、博士階段的連續(xù)性，本科階段的教學內容要注意課程體系的銜接，強調設計流程。實際教學中，我們側重于基于FPGA的設計，強調學會使用“一類器件、一種語言、一種軟件、一個實驗系統”，其中器件指主流的FPGA器件，語言指一種硬件描述語言（VHDL或Verilog），軟件是相應的集成開發(fā)環(huán)境，實驗系統是相應的硬件平臺。課程內容的設計是一個分級加深的過程，我們專門開設了兩類課程，一是EDA技術基礎課程；二是基于FPGA嵌入式系統設計。基礎課程注重于基本理論和基本系統的講解，而嵌入式系統設計偏重于嵌入式內核的移植以及實際項目的講解分析。

講課的過程是一個逐層深入的過程，先從集成環(huán)境中基于原理圖的設計演示開始，然后過渡到簡單的硬件描述語言，進而講整個軟件環(huán)境的構成原理，至此學生應該具備了進行復雜設計的基礎必備知識。之后，進一步深入講一些硬件描述語言中的高級語法，以及復雜系統的設計和相應的應用實例講習。講完這部分之后，EDA的主體已經介紹完畢。根據以往的教學，此時學生已基本掌握了FPGA的設計方法。但要達到學以致用，還需要器件原理以及FPGA器件應用方面知識的學習。在我們構建的課程結構中，還加入了基于PCB的設計講習。主要講Protel的基本用法，原理圖、印制電路板（PCB）、庫的用法。目的是讓學生直接了解FPGA的應用方法，促進對FPGA設計方法的理解。教學中，這些內容圍繞自制FPGA實驗系統而展開，給學生舉例和做實驗時畫的板子是自制實驗系統的電路。學生經過這個層次的訓練后，便對實際應用系統的開發(fā)有了系統的認識和直接的經驗。

EDA課程內容的主線是“原理圖設計—HDL設計—狀態(tài)機—復雜數字電路計—器件原理—PCB設計—FPGA應用系統設計”。在我們的教學中，器件原理以點到為止，只從結構層次上分清什么是可編程，配置的過程是怎么一回事，而不去具體深入的講解可編程存儲點的具體SRAM單元的組成原理。而講課時，我們區(qū)別于通常的講課順序，將器件原理部分的授課推遲，放在PCB設計之前。這主要考慮了兩點：一是和后面FPGA應用系統的設計直接銜接；二是避免一開始學生就糾纏于FPGA的細節(jié)而增加理解的難度。教學安排中，前半部分的教學講清硬件描述語言以及相應的設計流程。之后講授FGPA的實際應用，這同時也能加深前半部分的理解。

學生學習過程中的難點是軟件平臺的復雜性，容易產生機械式的點擊各種菜單來完成設計。所以在講課過程中，需要講清軟件設計的各個環(huán)節(jié)[6]，然后每次實驗都要讓學生知道他們所作的每一個步驟在整個流程中的地位。對于這個知識點，我們在教學中講的比較具體。因為基于芯片的EDA設計中的一些關鍵概念類似，關鍵流程節(jié)點是相通的。掌握流程后，學生就可以理解如何用不同的工具組建一個最優(yōu)的FPGA設計平臺。同時，這也為后續(xù)更深入的學習FPGA設計乃至集成電路設計打下扎實的基礎。

三、實驗平臺建設

現在的EDA課程實驗設備比較多，有各種儀器廠商提供的實驗箱、實驗板，以及相應的成套系統。但現有的開發(fā)板或實驗箱，成本相對較高，功能難于控制，不是太簡單，就是太復雜。對于簡單的實驗箱，僅能開設一些基礎性的實驗，對于課程設計或者畢業(yè)設計就不能使用。而比較完善成熟的開發(fā)板又太復雜，其復雜性令普通學生不知所措。同時，實驗箱和開發(fā)板損壞后，維修也相對麻煩。在建設實驗平臺時，根據以往出現的問題，在新一輪的實驗室建設中，我們采用購買現成的SOC開發(fā)板以及自制實驗開發(fā)板的方式建設實驗室。利用現成的SOC開發(fā)板構建SOC實驗室，目標是大型嵌入式數字系統的設計，用作學生畢業(yè)前的崗前培訓訓練平臺以及教師橫向項目使用的開發(fā)平臺。自主開發(fā)的實驗板，可完成常規(guī)的基礎教學實驗、課程設計以及相應的畢業(yè)設計。

四、實驗分層設計

（一）實驗分層設計

圍繞教學內容，相關實驗類課程按層次開設。按側重點可分為基本實驗、擴展實驗、課程設計、畢業(yè)設計、項目研究、創(chuàng)新設計。

基本實驗、課程設計是所有的電子類學生都須學習的?；緦嶒炇桥c理論課教學結合在一起的，本身按層次開設，分為8個實驗（16個學時），1個原理圖設計實驗，3個硬件描述語言基本實驗，1個綜合性設計實驗和3個FPGA實驗系統的PCB設計實驗。課程設計是設計性實驗（1周時間），側重于綜合性較強的實驗，讓學生利用實驗系統完成較為完整的系統設計。課程設計按組進行，每組不超過四人，實驗題目也按難度分為不同層次。選題時，學生從預先準備的16個題目中選擇相應的設計課題。

擴展實驗是學生的選做實驗，針對的是對本課程感興趣的學生，實驗的難度介于基本實驗和課程設計之間，目的是使學生更加熟練的掌握FPGA基本設計方法。

畢業(yè)設計、項目研究、創(chuàng)新設計，也是針對部分對EDA感興趣的學生開設，實驗具有一定的難度，主要是面向實際的應用和一些橫向項目。目前，我們學院在本科學生中推廣了導師制，而EDA這些實踐內容是和導師制配合在一起的。學生直接跟隨導師進實驗室，盡可能的參與項目，達到相應的訓練效果。

（二）實驗的組織安排

EDA課程強調實踐訓練，實驗較多，這和有限的實驗室產生了一定矛盾。實際教學中，我們采取開放實驗室完成密集實驗課程的安排。同時通過外借開發(fā)板的方式鼓勵學生利用課余時間學習FPGA的使用，完成對應的擴展實驗。

五、EDA課程教學實踐

（一）EDA教學實踐

從2002年開始，我校在本二及本三的電子信息工程與電子科學與技術專業(yè)中開設了EDA課程教學，采用了多種實驗系統，使用了不同廠商的可編程器件（如Altera公司、Xilinx公司以及Lattice公司的器件），并與Xilinx公司成立了聯合實驗室。EDA教學中，課程實驗、實踐內容及實驗平臺按照分層的原則設置構建，初步形成了分層的教學體系。EDA教研組在教學過程中不斷改進教學方法，并著力于應用型EDA技術培養(yǎng)體系的探索。幾年的教學實踐表明，這些改革探索是成功的。近年來，我校學生在有關電子設計大賽中頻頻獲獎，畢業(yè)生在EDA相關領域的就業(yè)數量也成倍增加。

（二）對于教師能力的要求

教師及實驗技術人員的學術及教學水平直接影響著實驗教學效果及學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而EDA技術的飛速發(fā)展對任課教師也提出了很高的要求。現有實驗教師需要不斷提高自身的學術、技能水平，不斷改革創(chuàng)新實驗內容[7]。這就要求教師要經常參加EDA相關學術會議、研討班，積極爭取EDA方面的科研項目，參與同社會企業(yè)的合作。

六、EDA課程教學任重道遠

目前，EDA技術已經滲透到電子工業(yè)的各個領域，EDA課程的教學會直接影響到其他課程如微電子類、計算機類學科的教學。對于本科電子類學生，具備扎實的EDA知識和技能，是將來走上工作崗位的必備能力。隨著EDA技術的快速發(fā)展，EDA課程的教學內容及教學方法也要不斷的更新、發(fā)展，EDA課程的改革探索任重道遠。

[1]王浩，丁文霞.高等院校電類專業(yè)引入EDA教學的幾點思考[C].第十五屆電工理論學術研討會論文集，武漢，2003：193-195.

[2]劉志軍.關于在高校開展EDA教學的設想[J].電氣電子教學學報，1997，20（3）：30-32.

[3]竇衡.加強EDA教學，培養(yǎng)電子系統集成設計人才[J].電子科技大學學報社科版，2005，7（suppl）：107-109.

[4]譚會生，張昌海.EDA技術及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004：1-15.

[5]劉江海.EDA技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2009.

[6]Vauthn Betz，Jonathan Rose，Alexander Marquardt.Architecture and CAD for deep-submicron FPGAs[M].Norwell，Massachusetts：Kluwer academic publishers，1999：37-103.

[7]覃琴.對EDA技術及其應用實驗教學體系改革的一些建議[J].價值工程，2011（1）：284.