EDA技術的實訓教學模式的研究與探討

蔡思靜

（福建工程學院 福建福州 350108）

EDA技術的實訓教學模式的研究與探討

蔡思靜

（福建工程學院 福建福州 350108）

基于現(xiàn)階段EDA教學模式分析，提出了基于FPGA平臺的EDA實訓教學模式，闡述了該模式的設計思路，說明了實訓內(nèi)容的設計安排，描述了該模式在教學過程中取得的效果。實踐證明，該教學模式提高了EDA課程的教學和實驗效果。

教學模式；SOPC；EDA；QUARTUSⅡ

引言

EDA技術作為一門綜合性學科，在硬件方面融合了大規(guī)模集成電路設計、制造和封裝技術，在計算機輔助工程方面融合了CAD、CAM和CAT等技術，并結(jié)合現(xiàn)代電子學知識為現(xiàn)代電子理論和設計的表達與實現(xiàn)提供保障[1]。技術市場和人才市場對于EDA技術的需求與依賴性與日俱增，產(chǎn)品和技術的市場要求必然反映到教學領域[2]。以最近的十屆全國大學生電子設計競賽為例，每年賽題均涉及

EDA技術，這體現(xiàn)了EDA技術在電子類本科教學中的重要地位。

一、現(xiàn)階段EDA教學模式分析

EDA技術教學在電子與計算機專業(yè)本科教學中的普及率和滲透率極高，尤其是作為電子科學本科教學，對學生的思維模式構(gòu)建有著重要作用[3]。EDA技術的教學具有實踐性強的特點，需要通過大量實訓反饋才能真正學好。目前大多數(shù)高校EDA技術的授課課時數(shù)一般安排為48課時，其中實驗課占10課時，實踐課和理論課的課時數(shù)比例約為1：3.8，且課程多安排在三年級。這不難看出其弊端：首先，重理論輕實踐的設置，導致學生只注重書面應試。其次，課程安排時間較晚。EDA技術作為專業(yè)基礎課，是多門專業(yè)技術課程的基礎(如工業(yè)自動化、集成電路設計等)，其結(jié)果是導致后續(xù)課程得安排到大學四年級開展，與學生的畢業(yè)、實習、求職形成矛盾。這導致的結(jié)果是：學生對EDA技術的認識非常粗淺；學生對實驗箱的操作、定制模塊的調(diào)用概念模糊；學生不具備SOPC系統(tǒng)開發(fā)的能力，降低就業(yè)競爭力。

EDA技術現(xiàn)階段的本科教學而言，存在實驗內(nèi)容設計單一，實驗箱利用率不高，實驗擴展及創(chuàng)新性不夠，學生的實踐能力不強，教學成果難達預期等問題。無法滿足大學本科，尤其是應用型本科的教學要求。

二、EDA技術的應用型本科教學模式設計

本課題將針對現(xiàn)階段EDA課程設置存在的問題及需求，進行EDA技術實訓教學模式的探索，該實訓由65個課時組成，包括課內(nèi)實驗(16學時)、實訓設計(課程設計實驗(26學時)和獨立實驗(23學時))。

1.EDA技術的課內(nèi)實驗設計。EDA研究型課內(nèi)實驗設計的目的是：掌握硬件描述語言(VHDL語言)的編程方式及技巧；掌握QUARTUSⅡ、MuxPlusⅡ等軟件操作；具備獨立完成數(shù)字系統(tǒng)設計的EDA開發(fā)；熟悉實驗箱的功能模塊及功能引腳，結(jié)合FPGA開發(fā)，完成接口及模塊調(diào)用等綜合性的實驗設計。

實驗內(nèi)容從簡單的組合電路設計到復雜的數(shù)字系統(tǒng)設計，可以包括以下兩個部分：

(1)基礎性實驗部分。該部分實驗進行邏輯行為的實現(xiàn)驗證，即通過EDA工具完成數(shù)字電路實驗的部分內(nèi)容，如：計數(shù)器、編碼/譯碼電路、分頻器及脈沖發(fā)生器等。其特點是工作頻率低，非EDA技術及相關器件也能完成，EDA技術的優(yōu)勢不明顯。

(2)綜合性實驗部分。該部分進行控制與信號傳輸功能的實現(xiàn)。如：A/D高速采樣、自動化控制、接口與通信模塊設計等。其技術指標大幅提高，可以讓學生充分認識到EDA技術的優(yōu)勢，并為電子設計競賽提供實驗指導。

2.EDA技術的實訓設計。EDA研究型實訓模型的設計目的是：掌握軟硬件協(xié)同開發(fā)的SOPC開發(fā)流程；可以根據(jù)硬件及性能需要進行CPU及外設的選擇；具備利用EDA工具編寫FPGA軟件可識別的文件，可以根據(jù)具體需要調(diào)用相應的IO及API函數(shù)等程序編寫能力，利用SOPC Builder定制模塊等實際操作能力；熟悉編譯下載環(huán)境，完成調(diào)試和優(yōu)化工作。

實訓模型[4,5]的設計內(nèi)容可以是基于SOPC平臺的算法設計：

實訓項目1(基于SOPC的USB枚舉實驗)掌握SOPC的基本流程；掌握PDIUSBD12核的使用方法；掌握USB枚舉的基本過程；掌握PDIUSBD12芯片的基本使用方法。

實訓項目2(以太網(wǎng)口口通信實驗)熟悉以太網(wǎng)協(xié)議；掌握網(wǎng)絡分析工具Sniffer的基本使用；掌握RTL8019AS各寄存器的意義及其設置；掌握RTL8019AS數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；掌握自定義IP核-RTL8019AS核的用方法。

實訓項目3(音頻CODE實驗)了解SPI接口工作的基本原理；了解通過軟件正確的控制SPI接口；熟悉定制各模塊；掌握對SPI接口正確操作的過程。

實訓情景1(基于SOPC的USB枚舉實驗)掌握NiosⅡ CPU配合自定義IP核操作；通過PDIUSBD12芯片的初始化，了解芯片初始化步驟；完成USB設備插入到主機后的基本枚舉工作；設計一個除了PDIUSBD12核外的輸入型PIO核，負責檢測USB的中斷請求。

實訓情景2(以太網(wǎng)口口通信實驗)通過實訓內(nèi)容正確控制RTL8019AS，掌握寄存器的初始化、讀取以及通過寄存器正確的收發(fā)數(shù)據(jù)包到PC機。

實訓情景3(音頻CODE實驗)通過實訓完成FPGA的SPI接口控制音頻CODEC芯片TLV320AIC23的操作。設計如何加入SPI接口，并使其工作在主設備模式。

三、教學改革實施效果

通過實訓教學模式的改革，學生的電子操作素養(yǎng)不斷提升，主要體現(xiàn)在以下方面：

1.學生操作能力大幅提高。EDA技術實訓考核成績優(yōu)秀率從9.26%提升到13.2%。08、09級的電科班僅個別小組完成自選環(huán)節(jié)，答辯率在56%左右。電科10級同學在考核過程中，完成必選環(huán)節(jié)的同學達到100%，答辯率100%。此外，自選環(huán)節(jié)完成率達到38%，另外有13%的同學提供了自備創(chuàng)新模塊的操作及演示。

2.學生的學習積極性得到充分調(diào)動。非電科專業(yè)的同學選修人數(shù)明顯提升，電科專業(yè)的課內(nèi)實驗和實訓環(huán)節(jié)均做到選修、出勤和答辯率100%。該課程2013年的教師課程加權(quán)平均分在電科專業(yè)中達到92.6390，較大分值的領先于其他課程。

3.實現(xiàn)教學相長。該教學模式依托省十二五規(guī)劃重點項目展開，在項目開展過程中，申請廳級項目一項，校級項目多項，讓更多的同學參與到項目中。

四、結(jié)束語

該實訓模式正不斷在教學過程中摸索，并初顯成效，主要體現(xiàn)在：首先，學生對EDA平臺和開發(fā)流程的理解更為深刻，克服以往教學設計中實驗教學停留在驗證性實驗的階段。第二，增強了學生學習的主動性，以往的課程安排中學生習慣于理論學習，動手操作能力不強。通過不斷豐富學生實驗操作內(nèi)容，從編程設計、測試、優(yōu)化到實驗仿真、顯示，讓學生在實際操作中不斷提高工程開發(fā)能力和創(chuàng)新水平。第三，達到以實訓促理論的效果，學生在實驗過程中積累的編程經(jīng)驗和不斷激發(fā)的創(chuàng)作熱情，帶動了學習理論知識的熱情，并為后續(xù)課程的開展打下堅實的基礎。當然，該模型還需要不斷改進，在今后的教學中將積極摸索，力求適應現(xiàn)階段EDA教學的需要。

[1]黃衛(wèi)華,賈歷程.基于FРGА的ЕDА實驗系統(tǒng)改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2012,31(4):203-206.

[2]蔣麗華.基于ЕDА技術的單周期СРU設計與實現(xiàn)——計算機組成原理實踐[М].北京:清華大學出版社,2012.

[3]劉昌華.ЕDА技術與應用--基于Quаrtus II和VНDL[М].北京:北京航空航天大學出版社,2012.

[4]尹今揚,蘆靜,陳冰虹,施珩.程控X線機控制系統(tǒng)實訓教學模式的探索[J].實驗室研究與探索,2012,31(5):209-211.

[5]譚會生.基于ЕDА技術的研究性教學探討[J],中國電力教育,2012,17(017):35-36,40.

Researching of experimental teaching mode based on EDA technique

Cai Si-jing

(Fujian University of Technology, Fuzhou Fujian,350108, China)

A Researching Teaching Mode based on EDA technique is given and the design idea of the experimental mode is discussed too. The experiment and practical training design of the teaching mode is analyzed. The results show that the teaching mode enhanced the effectiveness of theoretical and practical teaching of EDA.

teaching mode；SOPC；EDA；QUARTUSⅡ

TN702

A

1000-9795（2014）03-0193-02

［責任編輯：劉麗杰］

2014-01-14

蔡思靜（1983-），女，福建南平人，講師，從事微電子學應用及教學研究。

福建省教育科學“十二五”規(guī)劃2012年度重點課題（FJCGZZ12-013，校內(nèi)編號：GYS12042）。