數(shù)字電子技術(shù)類課程群建設(shè)探索與改革

趙倩　王曉華　周多

摘要：以課程群模式對數(shù)字電子技術(shù)類課程進(jìn)行梳理，分析了該系列課程理論教學(xué)內(nèi)容的關(guān)系和側(cè)重點(diǎn)；建立以Altera芯片為開發(fā)板的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、FPGA應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)和SOPC應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，開發(fā)由簡單到復(fù)雜循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)體系，逐步提高學(xué)生設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的能力，同時也有助于提高此類課程群的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：FPGA數(shù)字電子技術(shù)SOPC課程群建設(shè)

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)類課程作為高校電類學(xué)科的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，對培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新工作能力等方面起著重要作用。主要面向的專業(yè)如：電氣工程及其自動化、自動化、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電子信息工程、生物醫(yī)學(xué)工程、測控技術(shù)與儀器、信息工程等。尤其隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)上，引入了《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》、《現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《FPGA應(yīng)用開發(fā)》、《SOPC技術(shù)與應(yīng)用》等課程，這些課程的共同點(diǎn)：一、處理的對象相同——數(shù)字信號；二、實(shí)驗(yàn)工具和開發(fā)板可以很好的統(tǒng)一，比如采用FPGA芯片，基于QuartuslI、Matlab和modelsim軟件開發(fā)平臺。如何理順各課程之間知識點(diǎn)的銜接關(guān)系，并形成不同專業(yè)合理的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)體系是一個新的問題，也是必要解決的問題。為此我們學(xué)院成立了數(shù)字電子技術(shù)類課程群建設(shè)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，把講授上述課程相關(guān)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師組織起來，共同探討理論和實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置問題，并通過課程群的建設(shè)，促進(jìn)教學(xué)研討和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流，逐步形成一支結(jié)構(gòu)合理、人員穩(wěn)定、教學(xué)水平高且教學(xué)效果好的教師梯隊(duì)。

一、理論課程內(nèi)容建設(shè)

由單一課程建設(shè)向課程群建設(shè)發(fā)展的目的，是為了從廣度和深度上去規(guī)劃好一門課程和一類課程的課程內(nèi)涵，并對課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化和整合，壓縮重復(fù)內(nèi)容，減少課程學(xué)時[1]。我們從課程群建設(shè)的全局出發(fā)，分析各門課程的特點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)。

（1）群內(nèi)課程內(nèi)涵的梳理

《數(shù)字電子技術(shù)》課程是研究數(shù)字邏輯問題和數(shù)字電路應(yīng)用的一門基礎(chǔ)技術(shù)。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠用真值表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、卡諾圖來完成簡單的組合邏輯電路設(shè)計(jì)和時序電路的設(shè)計(jì)，并對各常規(guī)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系非常清晰，進(jìn)而能應(yīng)用常規(guī)芯片完成相應(yīng)組合邏輯電路和時序電路的設(shè)計(jì)，因此教學(xué)內(nèi)容偏向理論基礎(chǔ)，為學(xué)生打下扎實(shí)的數(shù)字電路基礎(chǔ)知識。壓縮內(nèi)容后，理論教學(xué)學(xué)時為48學(xué)時。

《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》主要面向的是計(jì)算機(jī)學(xué)院的學(xué)生，重點(diǎn)介紹各種芯片的功能、管腳定義及芯片應(yīng)用，而數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識占用的學(xué)時比較少，突出的是用芯片設(shè)計(jì)組合邏輯和時序邏輯電路。

《FPGA應(yīng)用開發(fā)》主要講授用硬件描述語言來設(shè)計(jì)數(shù)字電路，由傳統(tǒng)的通用集成電路的應(yīng)用轉(zhuǎn)向可編程邏輯器件的應(yīng)用。通過FPGA實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建信號與系統(tǒng)、數(shù)字邏輯等課程到集成電路、微電子系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的橋梁，提高學(xué)生設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的能力[2]。課程的教學(xué)利于促進(jìn)IC人才對新器件的應(yīng)用，有利于增強(qiáng)新技術(shù)的競爭力，更有利于提高設(shè)計(jì)規(guī)模、質(zhì)量和效益。

現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)將數(shù)字電路設(shè)計(jì)提升到一個比較大的系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)，并把整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)流和控制流兩部分。分別采用流程圖和ASM圖進(jìn)行描述，最后采用數(shù)字電子技術(shù)課程中學(xué)到的小規(guī)模芯片來完成整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或者采用硬件描述語言來完成整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這門課程是《數(shù)字電子技術(shù)》課程、《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》課程及《FPGA應(yīng)用開發(fā)》中知識的提升和綜合運(yùn)用，重點(diǎn)是引入了工程設(shè)計(jì)的理念，讓學(xué)生開始從學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識走向應(yīng)用知識解決問題階段。

目前新一代的FPGA集成了中央處理器（CPU）或數(shù)字處理器（DSP）內(nèi)核，在一片F(xiàn)PGA上進(jìn)行軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)（SOPC， System On Programmable Chip）提供了強(qiáng)大的硬件支持?；赟OPC技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)最突出的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)計(jì)的并行性、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、動態(tài)可重構(gòu)，以上三點(diǎn)是基于DSP和ARM等微處理器的系統(tǒng)所沒有的。從設(shè)計(jì)內(nèi)容看，該課程教學(xué)內(nèi)容主要包括：純軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)，純硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)。由于該課程是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，因此，SOPC技術(shù)的先進(jìn)性決定了課程的先進(jìn)性，課程的突出特點(diǎn)是綜合性，綜合了軟件和硬件知識，涵蓋了電子系統(tǒng)的眾多的硬件和眾多課程的內(nèi)容[3]。

（2）修改教學(xué)大綱

《數(shù)字電子技術(shù)》、《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》、《現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《FPGA應(yīng)用開》、《SOPC技術(shù)與應(yīng)用》等課程所講授的內(nèi)容有相同的處理對象，側(cè)重點(diǎn)不同。《數(shù)字電子技術(shù)》、《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》是基礎(chǔ)，《現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《FPGA應(yīng)用開》、《SOPC技術(shù)與應(yīng)用》是后續(xù)課程。通過對課程群中各課程的關(guān)系梳理，明確這類課程在相關(guān)專業(yè)中的地位、課程的任務(wù)與課程的知識體系、主要內(nèi)容等。在有深刻的了解和認(rèn)識基礎(chǔ)上，修改教學(xué)大綱。由于團(tuán)隊(duì)中教師來自于不同專業(yè)，在教學(xué)中，引入不同專業(yè)的案例和項(xiàng)目，找到課程與專業(yè)的切入點(diǎn)，豐富學(xué)生的知識面，讓學(xué)生有著學(xué)有所用的理念。

二、實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容建設(shè)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是我國高等教育教學(xué)體系中的一個重要組成部分，對學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著舉足輕重的作用，同時實(shí)驗(yàn)教學(xué)也從一個側(cè)面反映了學(xué)校辦學(xué)水平的高低和發(fā)展?fàn)顩r[4]。因此，隨著實(shí)驗(yàn)工具和實(shí)驗(yàn)手段的提高，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也應(yīng)該相應(yīng)地給出改進(jìn)。改革傳統(tǒng)的基于面包板的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建立以Altera芯片為基礎(chǔ)的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、FPGA應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)、高級別的SOPC應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。以數(shù)字電路設(shè)計(jì)為研究對象，quartus II、modsim為軟件平臺；以數(shù)字電路技術(shù)、FPGA應(yīng)用開發(fā)、SOPC應(yīng)用技術(shù)為理論課程指導(dǎo)，開發(fā)出符合人類認(rèn)識規(guī)律，由簡單到復(fù)雜循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)體系。

（1）構(gòu)建群內(nèi)課程的實(shí)驗(yàn)體系，逐步增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難度和綜合度。

在數(shù)字電子技術(shù)課程中，我們給出一兩次課（4學(xué)時），讓學(xué)生認(rèn)識和學(xué)會使用基本的集成與非門、集成譯碼器等SSI電路的測試方法和閑置輸入端的處理方法并用示波器觀察集成電路的電壓傳輸特性。此后的實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生使用QuartuslI的軟件平臺，選用合理的芯片模塊采用搭積木的方法完成數(shù)據(jù)選擇器、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等基本電路的應(yīng)用，最后給出1，2次實(shí)驗(yàn)完成設(shè)計(jì)型和綜合型的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)要求的學(xué)時較多，但學(xué)生可以在宿舍里，用QuartuslI平臺就能自行開發(fā)了。在實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生只需要完成芯片跟外圍設(shè)備的引腳配置，并進(jìn)行硬件電路驗(yàn)證，同時教師以答辯的形式，考核學(xué)生完成的情況。此外，我們可以設(shè)置一些任務(wù)，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)題目，自己完成。這樣可以很好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生在低年級就能主動參加大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。

（2）改革實(shí)驗(yàn)工具、綜合使用軟件平臺

在FPGA應(yīng)用開發(fā)課程的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生主要是采用編程的方式完成實(shí)驗(yàn)，這門課程通常在大三上學(xué)期開設(shè)，學(xué)生已經(jīng)有了一定的專業(yè)背景，因此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不再局限于簡單的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？梢栽黾右恍〧PGA在圖像處理，視頻，音頻及通訊領(lǐng)域的應(yīng)用。而仿真軟件QuartuslI由于其輸入輸出主要是基于波形方式的，難以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證。因此，對這類實(shí)驗(yàn)如：基于FPGA圖像中值濾波設(shè)計(jì)，基于FPGA顏色空間轉(zhuǎn)換算法設(shè)計(jì)等，驗(yàn)證手段采用QuartuslI和Matlab相結(jié)合的仿真測試平臺，如圖1所示，為FPGA教學(xué)提供新的教學(xué)手段和教學(xué)方法[5]。

SOPC技術(shù)與應(yīng)用課程通常開設(shè)在高年級或者面向研究生。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通常需要對系統(tǒng)或者算法進(jìn)行分析，確定軟硬件的合理劃分，涉及到硬件和軟件兩部分設(shè)計(jì)，因此對設(shè)計(jì)者有較高的要求，具有較高的難度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：流水燈實(shí)驗(yàn)、JTAG UART通訊實(shí)驗(yàn)、液晶顯示模塊實(shí)驗(yàn)、定時器實(shí)驗(yàn)、中斷控制實(shí)驗(yàn)、帶Flash的NioslI系統(tǒng)及配置、萬年歷和俄羅斯方塊實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的更新和改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在日常教學(xué)中需要不斷更新和改進(jìn)，內(nèi)容可以來自于教師的項(xiàng)目，也可以來自于通過個別輔導(dǎo)的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)課題中。針對項(xiàng)目研發(fā)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的問題和解決方案以案例教學(xué)的形式貫穿到課程的教學(xué)中。同時，教師可以結(jié)合一些綜合性的課題在FPGA/SOPC方面的科研以講座形式介紹給學(xué)生。并根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)，建立盡可能多的“積木”，讓學(xué)生能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)搭建和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的長處，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)逐步進(jìn)入具備創(chuàng)新開發(fā)設(shè)計(jì)能力的境界。而不是總停留在根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求、搭線、寫報(bào)告這樣一個初級的能力水平線上[2]。并為今后從事FPAG/SOPC開發(fā)工作的學(xué)生提供一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過不斷地補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的統(tǒng)一。

三、總結(jié)

數(shù)字電子技術(shù)課程群是大多數(shù)工科專業(yè)的主干課程，處于基礎(chǔ)課與專業(yè)課銜接的重要地位，學(xué)生對知識掌握的好壞將直接影響后續(xù)專業(yè)課（包括FPGA應(yīng)用開發(fā)、SOPC技術(shù)與應(yīng)用等）的學(xué)習(xí)。FPGA應(yīng)用開發(fā)、SOPC技術(shù)與應(yīng)用是構(gòu)建信號與系統(tǒng)、數(shù)字邏輯電路等課程到集成電路、微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的橋梁。理順數(shù)字電子技術(shù)類課程理論和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對學(xué)生學(xué)好該系列課程起著舉足輕重的作用，能很好的引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)知識到解決問題到設(shè)計(jì)問題，逐步培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐創(chuàng)新能力，也為各課程的學(xué)時安排和內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)分布起著很好的指導(dǎo)作用。高校中很多同一系列的課程，都可以采用課程群模式進(jìn)行建設(shè)，避免向?qū)W生傳遞重復(fù)的知識，也能讓學(xué)生在更少的學(xué)時中，學(xué)到更多的知識。

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