EDA技術(shù)理論和實(shí)踐教學(xué)研究與探索

張芬 丁大為

安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院

EDA技術(shù)理論和實(shí)踐教學(xué)研究與探索

張芬 丁大為

安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院

本文針對(duì)傳統(tǒng)EDA技術(shù)課程教學(xué)模式的特點(diǎn)和不足，提出從教學(xué)內(nèi)容的合理設(shè)置、教學(xué)實(shí)施方式的轉(zhuǎn)變、教學(xué)模式的多元化、考核方式的改革等方面進(jìn)行研究和探索，不僅可以加深學(xué)生對(duì)基本概念和專業(yè)理論知識(shí)的理解，而且也能激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新的積極性，提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

EDA技術(shù)；教學(xué)模式；教學(xué)實(shí)施方式

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA（Electr onic Design Automation）技術(shù)[1][2]是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，以EDA軟件工具為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以硬件描述語(yǔ)言為設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以A S I C（Application Specific Integrated Circuits）為實(shí)現(xiàn)載體的電子產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程。EDA技術(shù)匯集了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、拓?fù)?、邏輯學(xué)、微電子工藝與結(jié)構(gòu)學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)等多種計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科最新成果的先進(jìn)技術(shù)。

隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，EDA技術(shù)在電子信息、自動(dòng)控制等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1][2][3]，社會(huì)對(duì)EDA技術(shù)人才的需求不斷提高，這就要求院校在培養(yǎng)EDA技術(shù)人才必須加大教學(xué)改革的力度，研究行之有效的教學(xué)方法，培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的EDA技術(shù)人才。

我校很早就開(kāi)設(shè)了“E D A技術(shù)與VHDL”這門課程，成立了專門的EDA實(shí)驗(yàn)室，并于2005年對(duì)EDA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了重建，配備了E D A實(shí)驗(yàn)箱84臺(tái)，擁有MaxplusII和QuartusII兩種EDA軟件，配置了單片機(jī)擴(kuò)展板、點(diǎn)陣交通燈擴(kuò)展板、EP1K100QC208-2適配板等，能夠完成在線硬件調(diào)試。EDA實(shí)驗(yàn)室在建成后一直免費(fèi)對(duì)全校學(xué)生開(kāi)放，給學(xué)生學(xué)習(xí)EDA技術(shù)提供了很好的平臺(tái)。

近幾年，我校一直在探索提高EDA教學(xué)質(zhì)量的方式方法，針對(duì)EDA技術(shù)這門課程的特點(diǎn)，結(jié)合我校的實(shí)際教學(xué)環(huán)境，提出了從教學(xué)內(nèi)容的合理設(shè)置、教學(xué)實(shí)施方式的轉(zhuǎn)變、考核方式的改革等多個(gè)方面進(jìn)行研究和探索，并實(shí)現(xiàn)了真正的開(kāi)放式教學(xué)。實(shí)踐證明，這種新的轉(zhuǎn)變得到了絕大部分學(xué)生的認(rèn)可，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、自主性和動(dòng)手能力均得到了增強(qiáng)。

1 教學(xué)內(nèi)容的合理設(shè)置

EDA技術(shù)課程包括EDA技術(shù)理論課程和實(shí)踐課程。EDA技術(shù)理論課程內(nèi)容主要包括：可編程邏輯器件的基本原理和結(jié)構(gòu)、硬件描述語(yǔ)言、常用軟件開(kāi)發(fā)工具的使用和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)[3]，如圖1所示。

圖2 EDA技術(shù)實(shí)踐課程三個(gè)層次

這四個(gè)方面的內(nèi)容在安排上要分清主次。可編程邏輯器件是電路設(shè)計(jì)的硬件載體，只需講解大規(guī)模邏輯器件的結(jié)構(gòu)和原理；軟件開(kāi)發(fā)工具和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證的手段，學(xué)生也只要熟悉EDA軟件的開(kāi)發(fā)流程和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的各功能模塊即可；硬件描述語(yǔ)言是本課程的教學(xué)重點(diǎn)，主要包括VHDL語(yǔ)言的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)和實(shí)際應(yīng)用，由于EDA技術(shù)側(cè)重于應(yīng)用，這部分內(nèi)容在設(shè)置時(shí)不再過(guò)多強(qiáng)調(diào)VHDL語(yǔ)言語(yǔ)法的講解，而是通過(guò)實(shí)例介紹VHDL語(yǔ)言中相關(guān)的語(yǔ)法和語(yǔ)句，給學(xué)生提供更多的練習(xí)機(jī)會(huì)，在實(shí)踐中提高設(shè)計(jì)能力。

圖34 選1的多路選擇器仿真圖

EDA技術(shù)的實(shí)踐課程按照三個(gè)層次安排教學(xué)內(nèi)容，如圖2所示。第一層次是EDA軟件的熟悉階段。主要采用原理圖的方法完成電路設(shè)計(jì)，教學(xué)重點(diǎn)是掌握軟件的使用方法和設(shè)計(jì)流程，熟悉實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。第二層次是VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)和原理圖方法結(jié)合設(shè)計(jì)綜合性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目階段。教學(xué)重點(diǎn)是掌握“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，硬件資源的占用，速度和面積優(yōu)化等。第三層次是電路板自主開(kāi)發(fā)階段。教學(xué)重點(diǎn)是擺脫實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)箱的限制，利用EDA開(kāi)發(fā)板，自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)板的外圍電路，并制作PCB板。

通過(guò)教學(xué)內(nèi)容的合理設(shè)置，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)有所側(cè)重，更好的掌握EDA技術(shù)這門課程。

2 教學(xué)實(shí)施方式的轉(zhuǎn)變

EDA技術(shù)課程教學(xué)中傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)施方式是理論課和實(shí)踐課單獨(dú)授課，理論課教學(xué)完成一定內(nèi)容后再安排實(shí)踐課，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí)被延時(shí)，無(wú)法將實(shí)踐與理論知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，有時(shí)甚至出現(xiàn)理論課與實(shí)踐課是不同的老師授課的情況，理論和實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重，學(xué)生普遍反映不能真正領(lǐng)悟老師講授的知識(shí)，對(duì)EDA學(xué)習(xí)只是停留在應(yīng)付考試的層面，學(xué)生動(dòng)手能力差，更談不上具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。因此，在授課模式上，針對(duì)EDA技術(shù)課程具有很強(qiáng)實(shí)踐性的特點(diǎn)，提倡更注重學(xué)生的實(shí)際操作能力，將理論課和實(shí)踐課融合成一門課程，在課堂中根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同，合理分配學(xué)時(shí)[4]。

我校課程安排上一般是一次兩節(jié)課，每節(jié)課40分鐘。這里以EDA技術(shù)課程中講解VHDL語(yǔ)言的IF語(yǔ)句和CASE語(yǔ)句為例，介紹我們?cè)诮虒W(xué)中采用的實(shí)施方法。首先用30分鐘的時(shí)間講解IF語(yǔ)句和CASE語(yǔ)句的基本形式和使用[1][2]，用這兩個(gè)語(yǔ)句分別實(shí)現(xiàn)4選1的多路選擇器和7段顯示譯碼器；然后，以4選1的多路選擇器為例，給學(xué)生30分鐘時(shí)間在QuartusII軟件中編程實(shí)現(xiàn)，編譯、仿真，觀察仿真波形是否正確；最后，組織學(xué)生對(duì)編程過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題、仿真結(jié)果進(jìn)行討論，研究是否可用其他學(xué)過(guò)的方法設(shè)計(jì)4選1的多路選擇器。具體步驟為：

（1）用IF和CASE語(yǔ)句分別實(shí)現(xiàn)4選1的多路選擇器。

將用IF和CASE語(yǔ)句分別實(shí)現(xiàn)4選1的多路選擇器的程序?qū)懭隥uartusII軟件中，并編譯、仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3中，a、b、c和d是輸入信號(hào)，s是選擇信號(hào)，z是輸出信號(hào)。從圖3(a)和圖3(b)仿真結(jié)果圖可以看出，雖然IF語(yǔ)句和CASE語(yǔ)句的結(jié)構(gòu)不同，但它們實(shí)現(xiàn)了同樣的功能。

（2）雖然IF語(yǔ)句和CASE語(yǔ)句可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，但是它們有所不同，和學(xué)生一起對(duì)它們進(jìn)行比較分析，比較結(jié)果如表1所示。（3）組織學(xué)生對(duì)IF語(yǔ)句和CASE語(yǔ)句進(jìn)行討論。例如4選1的多路選擇器是否可以用其他學(xué)過(guò)的語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)？例如用WHENELSE語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)4選1的多路選擇器的具體程序如表2所示。鼓勵(lì)學(xué)生用IF語(yǔ)句和CASE語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)其他的器件，特別是IF語(yǔ)句的嵌套使用，因此布置題目要求學(xué)生在課余時(shí)間完成用IF語(yǔ)句的嵌套實(shí)現(xiàn)JK觸發(fā)器。

表1 IF語(yǔ)句與CASE語(yǔ)句比較結(jié)果

通過(guò)上述過(guò)程，使學(xué)生始終參與了教學(xué)的全過(guò)程，將理論和實(shí)踐很好的結(jié)合起來(lái)，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的積極性，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)，取得很好的教學(xué)效果。

表2 用WHEN-ELSE語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)4選1的多路選擇器

3 教學(xué)模式的多元化

EDA技術(shù)課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。在以往的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，單憑常規(guī)的理論和實(shí)踐教學(xué)仍然不能最好的提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，特別是學(xué)生只是將教材中的程序進(jìn)行驗(yàn)證，缺少了創(chuàng)新性，雖然也有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，但由于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)往往比較復(fù)雜，難以在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)更好的鍛煉學(xué)生的能力。因此，除了使學(xué)生掌握基本知識(shí)和基本技能培訓(xùn)外，我們還將一定分量的教學(xué)內(nèi)容延伸到課外[5]?？紤]到EDA技術(shù)課程的特殊性，先設(shè)計(jì)一定數(shù)量的題目，或者由學(xué)生申請(qǐng)題目，對(duì)題目作可行性分析，老師批準(zhǔn)。根據(jù)題目班級(jí)學(xué)生自由組合分成不同小組，每個(gè)小組三人，一組一題，在一定時(shí)間內(nèi)完成電路設(shè)計(jì)。我們提倡學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)使用硬件開(kāi)發(fā)板，具體的型號(hào)由學(xué)生自己選擇，學(xué)生在選擇時(shí)需要考慮一系列的技術(shù)指標(biāo)，包括電路的速度、占用的面積、可靠性、容錯(cuò)性等。學(xué)生制作硬件開(kāi)發(fā)板擴(kuò)展電路的過(guò)程是一個(gè)有效的自我學(xué)習(xí)與鍛煉的過(guò)程，因?yàn)閷?duì)剛接觸專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)生而言，除了必須仔細(xì)考慮外圍器件的型號(hào)、數(shù)量、布局、焊接電路板的成本與質(zhì)量等技術(shù)問(wèn)題外，還要學(xué)習(xí)Protel制版軟件的使用和焊接制作，焊接工具和硬件開(kāi)發(fā)板由實(shí)驗(yàn)室提供。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，驗(yàn)收學(xué)生的設(shè)計(jì)成果，要求學(xué)生在驗(yàn)收時(shí)做PPT匯報(bào)設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)完成程度、具體設(shè)計(jì)程序和硬件調(diào)試結(jié)果，并對(duì)課題中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行提問(wèn)。這樣的設(shè)計(jì)過(guò)程，讓學(xué)生真正明白了所謂的EDA設(shè)計(jì)究竟是怎么一回事，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)研究的基本能力和興趣。

4 考核方式的改革

如何綜合評(píng)定學(xué)生的考試成績(jī)，也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[6]，它直接影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。傳統(tǒng)的EDA技術(shù)課程采用理論和實(shí)踐課程單獨(dú)考核的方式，理論課程以筆試為主，學(xué)生考試時(shí)遇到編程題時(shí)完全靠死記硬背或者靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)答題，因?yàn)闊o(wú)法檢測(cè)程序的正確性，因此有時(shí)連學(xué)生自己也弄不清楚答題是否正確。實(shí)踐課程的考核方式也很單一，不夠靈活。

因此，我們對(duì)EDA技術(shù)課程的考核方式作了如下改革：考核成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、筆試成績(jī)、實(shí)踐成績(jī)?nèi)糠纸M成。平時(shí)成績(jī)占20%，包括學(xué)生出勤、作業(yè)完成情況、上課表現(xiàn)、程序設(shè)計(jì)等；筆試成績(jī)占50%，采用閉卷考試，考查學(xué)生對(duì)EDA基本理論和VHDL語(yǔ)言基本語(yǔ)法的掌握情況；實(shí)訓(xùn)成績(jī)占30%，根據(jù)學(xué)生對(duì)上述課題完成的情況給出每組的成績(jī)，另外可根據(jù)該組成員任務(wù)的分配和完成情況，合理區(qū)分成員間成績(jī)的差異。

5 結(jié)束語(yǔ)

EDA技術(shù)課程教學(xué)改革不是一朝一夕之事，需要我們?nèi)w教師的一起努力，也需要師生共同的探討，更需要不斷的探索和實(shí)踐。在EDA技術(shù)課程的教學(xué)中，通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的合理設(shè)置、教學(xué)實(shí)施方式的轉(zhuǎn)變和考核方式的改革等多個(gè)方面的研究和探索，能夠?qū)⒗碚摵蛯?shí)踐內(nèi)容有效的結(jié)合，使學(xué)生牢固掌握EDA技術(shù)的基本理論知識(shí)，真正提高創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為以后從事專業(yè)工作打下扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]潘松,黃繼業(yè).E D A技術(shù)實(shí)用教程(第三版)[M].北京:科學(xué)出版社.2006.9.

[2]朱正偉.EDA技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社.2005.10.

[3]黃沛昱,雷芳,劉喬壽.E D A課程建設(shè)與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào). 2011:21-22.

[4]張利,高晶敏,楊秀媛.E D A技術(shù)課程教學(xué)模式改革探索[J].中國(guó)電力教育.2011: 80-81.

[5]朱奕丹,吳偉力.“E D A技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與探索[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào).2007:86-88.

[6]李曉敏,楊輝.“E D A技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].科技信息.2011:143.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.21.085

安徽大學(xué)211工程三期教學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目39020045；安徽大學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目XJ2009026。

張芬（1980-），女，安徽大學(xué)講師，碩士。丁大為（1977-），男，安徽大學(xué)副教授，博士。