EDA技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革與研究

梁曉琳 包本剛 張 丹

（湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100）

0 引言

EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)作為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心，它依賴于功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在EDA工具軟件平臺(tái)上，對(duì)以硬件描述語言HDL(Hardware Description Language，硬件描述語言)為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)完成邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合以及邏輯優(yōu)化和仿真測(cè)試，直至實(shí)現(xiàn)既定的電子線路系統(tǒng)功能[1]。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模集成電路的普及，EDA技術(shù)成為了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的主流，它縮短了設(shè)計(jì)的開發(fā)周期、降低了設(shè)計(jì)的成本、提高了產(chǎn)品的性價(jià)比[2]。同時(shí)，在電子信息、通信、自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域的重要性日益突出。因此EDA技術(shù)是新世紀(jì)電子工程師必須掌握的一門新技術(shù)，作為以培養(yǎng)具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新人才的高校，必須積極探索良好的教學(xué)方法，以滿足社會(huì)對(duì)新一代人才的需求。

1 EDA實(shí)踐教學(xué)中常見的問題

1.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺乏連貫性

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排分為驗(yàn)證型與綜合設(shè)計(jì)型兩大類，且驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比重很大，致使培養(yǎng)學(xué)生缺少開發(fā)設(shè)計(jì)和獨(dú)立分析的機(jī)會(huì)。另外，學(xué)生從驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目直接過渡到綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，難度很大，往往不知所措，沒有能力去完成綜合設(shè)計(jì)型項(xiàng)目，從而失去學(xué)習(xí)興趣，最后達(dá)不到能力培養(yǎng)的要求[3]。

1.2 以教為主、學(xué)為輔的教學(xué)模式

上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)方式以老師講為主，一般采取“明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹v解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容—分析實(shí)驗(yàn)”的步驟。整個(gè)過程，老師講解過于詳細(xì)，根本沒有給學(xué)生留下思考問題、解決問題的空間，采用這種“滿堂灌”的方式[4]，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)實(shí)質(zhì)上只是將實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一遍。另外，學(xué)生做完幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只要跟著老師做實(shí)驗(yàn)根本沒有難度，從而養(yǎng)成依賴習(xí)慣?？梢姡扇∵@種教學(xué)模式根本不利于學(xué)生的能力培養(yǎng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境落后

隨著EDA技術(shù)的快速發(fā)展，要求EDA實(shí)驗(yàn)室必須配有配置較高的計(jì)算機(jī)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的運(yùn)行速度是影響程序代碼編譯速度的主要因素。另外，友好的開發(fā)平臺(tái)也是實(shí)驗(yàn)室不可缺少的一部分，普通的EDA實(shí)驗(yàn)箱核心芯片如FLEX10K系列的EPF10K10TC144-4不支持SOPC相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，不利于實(shí)驗(yàn)的開展。因此，原來配置較低的計(jì)算機(jī)和低端的EDA實(shí)驗(yàn)箱已經(jīng)不能滿足實(shí)踐教學(xué)的要求。

2 EDA實(shí)踐教學(xué)改革

2.1 調(diào)整實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容

EDA技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，要想有效提高學(xué)生的開發(fā)設(shè)計(jì)、獨(dú)立分析和實(shí)踐創(chuàng)新能力，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按性質(zhì)由傳統(tǒng)的驗(yàn)證型和綜合設(shè)計(jì)型兩類型調(diào)整為基礎(chǔ)驗(yàn)證型、擴(kuò)展改進(jìn)型、綜合設(shè)計(jì)型三個(gè)類型，并分階段逐步展開。在基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生對(duì)理論的知識(shí)還處于被動(dòng)接收階段，通過設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的原理圖、文本設(shè)計(jì)輸入，讓學(xué)生熟練使用EDA開發(fā)系統(tǒng)及 EDA軟件開發(fā)平臺(tái)—Quartus II軟件，熟悉FPGA設(shè)計(jì)的開發(fā)流程，掌握原理圖輸入及程序代碼輸入設(shè)計(jì)方法的步驟。在這個(gè)階段安排一些簡(jiǎn)單組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如“全加器的設(shè)計(jì)”。在擴(kuò)展改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求在老師引導(dǎo)下完成基本設(shè)計(jì)，然后讓學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際水平進(jìn)行發(fā)揮，發(fā)散自己的思維，靈活運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和驗(yàn)證，使能力達(dá)到一定程度的提升。在這個(gè)階段安排一些如“流水燈”、“掃描顯示驅(qū)動(dòng)電路”、“數(shù)字頻率計(jì)”之類的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)階段，課題式的實(shí)踐教學(xué)更能體現(xiàn)以學(xué)生為主體，更能有效提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。這一階段，學(xué)生根據(jù)課題任務(wù)要求，利用實(shí)驗(yàn)箱的豐富資源，根據(jù)自己的思路選擇單元器件和端口進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，并要求學(xué)生最后以設(shè)計(jì)報(bào)告形式匯報(bào)成果，報(bào)告內(nèi)容主要包括任務(wù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果、硬件驗(yàn)證和心得體會(huì)六個(gè)部分，這樣也可以培養(yǎng)學(xué)生撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告的能力。這個(gè)階段安排“十字路口交通燈控制器”、“數(shù)字時(shí)鐘”、“數(shù)字電壓表”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比較合適。

2.2 建立以學(xué)生為主體、老師為輔的教學(xué)模式

為了更有效提高教學(xué)效果，還得改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，建立以學(xué)生為主體、老師為輔的教學(xué)新模式，引導(dǎo)學(xué)生完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)[5]。新的模式要求老師學(xué)會(huì)“放手”，碰到問題，不要盲目地幫助學(xué)生解決，而是大膽地讓學(xué)生自己去思考和摸索，只有通過學(xué)生自己的獨(dú)立思考，才能更好地培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，也才能讓學(xué)生更好地理解和掌握該知識(shí)，以致達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。另外，對(duì)于確實(shí)無法解決某個(gè)問題的學(xué)生，老師也不要直接給出答案，而是采用引導(dǎo)的方法讓學(xué)生自己去思考，這樣才能讓學(xué)生學(xué)到更多的知識(shí)，掌握更多的技能[6]。

2.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了與相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)的設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境接軌，實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司的Magic SOPC創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中核心板PowerSOPC-2C35上所用的FPGA為Altera公司CycloneII系列的EP2C35F672，基本滿足所有的電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。同時(shí)更新了實(shí)驗(yàn)室所有的計(jì)算機(jī)（i5-2400 CPU；3GHZ 內(nèi)存；480G硬盤），安裝了QuartusII 7.0開發(fā)軟件。以上滿足了電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)。另外考慮到實(shí)踐教學(xué)課時(shí)安排的有限性，建立了開放式實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)學(xué)生自行安排時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室上機(jī)操作，培養(yǎng)他們的實(shí)踐動(dòng)手能力。

3 實(shí)踐教學(xué)改革效果

通過實(shí)踐教學(xué)改革，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)EDA技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣和積極性明顯加強(qiáng)，學(xué)生對(duì)電子電路系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)、獨(dú)立分析和實(shí)踐創(chuàng)新能力也得到了大幅提升。在實(shí)踐教學(xué)展開中，學(xué)生積極討論問題、踴躍發(fā)散思維，大膽開發(fā)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，取得了很好的實(shí)踐學(xué)習(xí)效果。比如在改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)階段的“掃描顯示驅(qū)動(dòng)電路”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展中，老師引導(dǎo)學(xué)生采用動(dòng)態(tài)掃描完成在8個(gè)數(shù)碼管上依次顯示0-7。學(xué)生掌握8位七段數(shù)碼管顯示模塊的工作原理后，自行發(fā)揮，改變數(shù)碼管的顯示，最后得到了多種正確結(jié)果，有學(xué)生顯示了自己的學(xué)號(hào)，有學(xué)生使數(shù)碼管閃爍顯示數(shù)據(jù)，有學(xué)生使數(shù)碼管像流水燈一樣改變顯示數(shù)據(jù)時(shí)的花樣等等。在綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生根據(jù)自己的想法，完成基本設(shè)計(jì)要求外，都有自己的特色設(shè)計(jì)，并出色的撰寫了各自的設(shè)計(jì)報(bào)告。

4 結(jié)論

通過實(shí)踐教學(xué)改革與研究，完善了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，建立了良好的教學(xué)模式，改良了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)EDA技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣和積極性，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，提高了學(xué)生在EDA技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)技能。同時(shí)，還啟發(fā)了學(xué)生的發(fā)散性思維，將被動(dòng)性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)性求索，獲取了很好的教學(xué)效果。

[1]潘松,黃繼業(yè),潘明.EDA技術(shù)實(shí)用教程(第4版)[M].北京:科學(xué)出版社, 2010.

[2]潘松,黃繼業(yè). EDA技術(shù)與VHDL(第3版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[3]任志平,黨瑞榮. EDA教學(xué)改革與創(chuàng)新實(shí)踐研究[J].中國電力教育,2011,(26):104.

[4]梁洪衛(wèi),高丙坤,邸曉宇.“EDA技術(shù)與應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,(01):147-149.

[5]張利,高晶敏,楊秀媛.EDA技術(shù)課程教學(xué)模式改革探索[J].中國電力教育,2011,(14):80-81.

[6]周文真,劉宏貴.以學(xué)生為本、改革大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J] .湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2004,31(4):51-52.