EDA分層教育方法改革

牛軍浩，胡 聰，殷賢華

(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西桂林541004)

EDA技術(shù)融合多學(xué)科于一體，又滲透于各學(xué)科之中，打破了軟件和硬件的壁壘，代表了電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向，在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1，2]。

在高校電子信息類專業(yè)的教學(xué)中，數(shù)字電路設(shè)計是整個教學(xué)的核心主干課程之一。隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的提高，以CPLD和FPGA為主導(dǎo)的可編程邏輯器件規(guī)模和性能都在不斷提高，知識產(chǎn)權(quán)核IP、片上系統(tǒng)SOC和片上網(wǎng)絡(luò)NOC等新概念及新的分析方法不斷涌現(xiàn)，使高校電子信息類專業(yè)的數(shù)字電路課程的教學(xué)及實驗面臨著新的挑戰(zhàn)。

改革和整合現(xiàn)存的數(shù)字電路教學(xué)內(nèi)容，將新技術(shù)、新方法引入EDA技術(shù)課程的教學(xué)中，形成新的不同層次的課程教學(xué)體系，這對于培養(yǎng)學(xué)生的電子系統(tǒng)設(shè)計能力和適應(yīng)各學(xué)科領(lǐng)域?qū)Ω邔哟坞娐吩O(shè)計人員需求是十分必要的［3]。

1 EDA技術(shù)教學(xué)內(nèi)容

本文以ASIC為設(shè)計目標，以“數(shù)字邏輯”、“模擬電子技術(shù)”和“單片機原理及應(yīng)用”等主干課程為基礎(chǔ)，研究并分析了EDA技術(shù)相關(guān)知識，將課程教學(xué)內(nèi)容按設(shè)計難度劃分為三個層次:基礎(chǔ)層、應(yīng)用層和系統(tǒng)層。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EDA教學(xué)內(nèi)容分層結(jié)構(gòu)

在所分三層結(jié)構(gòu)中，基礎(chǔ)層為EDA技術(shù)基礎(chǔ)知識的講授，首先是EDA發(fā)展過程及應(yīng)用領(lǐng)域，然后講述CPLD和FPGA結(jié)構(gòu)、原理和工藝等相關(guān)技術(shù)。具有代表性的有Altera公司的MAX7000系列CPLD及CycloneII系列的FPGA。我們結(jié)合EDA設(shè)計實例，如多路選擇器、計數(shù)器、譯碼器和全加器等，進行VHDL語言程序的設(shè)計，使學(xué)生通過基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)并完成推薦的實驗后，能初步了解和掌握EDA的基本知識及VHDL語言的基本構(gòu)成和設(shè)計方法。

在應(yīng)用層中，我們結(jié)合“電子測量”、“編碼技術(shù)”和“智能技術(shù)”等專業(yè)課程內(nèi)容以及各種電子大賽題目，采用EDA技術(shù)，設(shè)計面向應(yīng)用的電子系統(tǒng)，如高速A/D采集控制器、點陣液晶控制器、任意波形發(fā)生器和頻率計等，使學(xué)生能夠根據(jù)具體內(nèi)容，正確理解設(shè)計要求。他們可合理劃分功能組成，并通過層次設(shè)計方法，采用IP核和宏功能模塊等技術(shù)進行面向應(yīng)用的電子系統(tǒng)設(shè)計。

在系統(tǒng)層中，我們結(jié)合“單片機原理”、“DSP原理及應(yīng)用”、“總線技術(shù)”和“嵌入式系統(tǒng)”等專業(yè)課程內(nèi)容，介紹SOC技術(shù)在系統(tǒng)級專用集成電路設(shè)計中的應(yīng)用，如Altera公司的片上可編程系統(tǒng)SOPC是一種靈活高效的SOC解決方案。該系統(tǒng)將處理器、存儲器、I/O口和LVDS等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到一個PLD器件上，構(gòu)建一個可編程的片上系統(tǒng)。通過系統(tǒng)級學(xué)習(xí)及設(shè)計，學(xué)生可以掌握基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法。

2 實驗改革及環(huán)境建設(shè)

在傳統(tǒng)的EDA實驗教學(xué)中，大都安排了基礎(chǔ)類和應(yīng)用類電路實驗?；A(chǔ)類實驗有譯碼器、計數(shù)器和邏輯運算等，而設(shè)計類實驗主要有數(shù)字秒表設(shè)計、頻率計設(shè)計和序列信號發(fā)生器設(shè)計等。對于完整的EDA技術(shù)層次來說，缺少系統(tǒng)級實驗內(nèi)容，部分院校使用的實驗系統(tǒng)采用的FPGA型號規(guī)模較小、資源不充足，無法滿足SOC的實驗環(huán)境要求。

為了使學(xué)生掌握更加完整全面的EDA技術(shù)，應(yīng)加強EDA教學(xué)實驗環(huán)境建設(shè)，升級實驗系統(tǒng)核心部件，并在原來實驗內(nèi)容基礎(chǔ)上開設(shè)系統(tǒng)級實驗，如采用NIOS嵌入式處理器、Avalon總線以及SOPC Builder軟件工具，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、運算和顯示等功能，設(shè)計一個完整的嵌入式系統(tǒng)。

3 EDA技術(shù)在課程體系中的應(yīng)用

1)EDA技術(shù)在基礎(chǔ)類課程中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的“數(shù)字電路技術(shù)”教學(xué)中，理論知識以基本門電路進行講解;然后在實驗室環(huán)境下，通過跳線和插座等方式，將各種74XX系列器件組合起來，實現(xiàn)要求的電路功能;使用LED、示波器和頻率計等對電路功能進行驗證;最后，在課程設(shè)計時，使用Protel等電子電路CAD工具畫原理圖、布PCB板，通過制版和焊接元器件，實現(xiàn)完整的設(shè)計任務(wù)。

EDA技術(shù)引入以后，實驗室環(huán)境可通過EDA工具來代替，如Altera的QuartusII和Xilinx的ISE集成開發(fā)環(huán)境［4]。借助EDA工具可以在計算機上快速設(shè)計數(shù)字電路系統(tǒng)，并及時進行仿真驗證，原理圖的輸入方式更加符合數(shù)字電路的授課方法，更容易理解和閱讀;實驗者借助仿真工具，在沒有目標芯片、示波器和頻率計等任何硬件環(huán)境的情況下，僅借助計算機和EDA軟件即可完成電路的功能仿真和時序仿真。

2)EDA技術(shù)在專業(yè)類教學(xué)課程中的應(yīng)用

“智能儀器”是電子信息類專業(yè)的專業(yè)必修課之一，講述采用主機電路、模擬量輸入輸出通道、人機接口和通信接口等設(shè)計具有人機交互能力的智能化儀器。傳統(tǒng)的主機電路主要是采用單片機作為主機電路，如C51、PIC和AVR等。

而在以CPLD/FPGA為代表的EDA硬件芯片上，可以通過IP核及宏功能調(diào)用方法，快速方便的實現(xiàn)單片機的功能，管腳、外部資源可以隨意定義和刪減，極大的方便了外部電路的連接和擴展。另外，采用EDA技術(shù)作為智能儀器的輔助設(shè)計，可以實現(xiàn)更加高速、準確的控制和處理能力。

3)EDA技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計課程中的應(yīng)用目前，在高校課程設(shè)置中的嵌入式系統(tǒng)類課程，主要是基于ARM和DSP等架構(gòu)，操作系統(tǒng)包括Linux、μCOS和WinCE等。

以上以控制器為載體的嵌入式系統(tǒng)有個共同的特點，軟件系統(tǒng)可通過移植操作系統(tǒng)和相關(guān)程序進行設(shè)計，具有可裁剪的特點。但是，硬件系統(tǒng)卻是需要更加具體需要進行不同的設(shè)計，具有獨特性。而以FPGA為載體的片上可編程系統(tǒng)同時具有軟、硬件可編程的能力，除了潛入的控制器可按要求進行裁剪擴充外，F(xiàn)PGA的可編程資源依然可以根據(jù)用戶需要進行設(shè)計，從而在片上實現(xiàn)軟硬件同時可編程的能力，實現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能。它提高了FPGA在不同應(yīng)用場合的適應(yīng)能力，是在數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計中理想的嵌入式系統(tǒng)方案。

4)EDA技術(shù)在實踐課程中的應(yīng)用

在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中，學(xué)生可綜合運用所學(xué)的數(shù)字電路技術(shù)、單片機技術(shù)、智能儀器技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)原理等知識，采用EDA的PLD器件作為控制器、譯碼器和數(shù)字接口電路等，在更小的面積上，實現(xiàn)功能更多、速度更快和功耗更低的系統(tǒng)設(shè)計。

4 結(jié)語

EDA技術(shù)在高校教學(xué)中的正確分層應(yīng)用，可以為數(shù)字電路技術(shù)和數(shù)字信號處理等課程提高開發(fā)工具和手段，又可以在智能儀表和自動控制等課程中作為控制器進行使用，既減少了原來在面包板上組構(gòu)電路所造成的時間消耗，又為學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新創(chuàng)造了條件。通過分層教育模式在EDA教學(xué)與實踐中的應(yīng)用，在我校電子信息類專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)上已初見成效。

［1] 邱軍興，郭東道.EDA技術(shù)在電路設(shè)計中的地位和作用［J] .西安:西安文理學(xué)院學(xué)報，2005，8(1)

［2] 潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程(第3版)［M] .北京:科學(xué)出版社，2007.08

［3] 朱正偉，周炯如.EDA技術(shù)在硬件課程體系教學(xué)改革中的應(yīng)用［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，28(5)

［4] 蔡春曉，張國慶.EDA教學(xué)在數(shù)字電路實驗中的實踐與探索［J] .南寧:高教論壇，2010，(11)