EDA技術(shù)教學(xué)探索

胡剛毅 曹涌

摘要：EDA技術(shù)有很強的綜合性和實踐性，有其特殊性和要求。本文分析了目前EDA技術(shù)教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題，指出了硬件語言教學(xué)學(xué)時過多的弊端，以學(xué)生真正系統(tǒng)地掌握該技術(shù)入手，從組建興趣小組、不同梯隊配備實驗平臺、Verilog語言與VHDL語言并重講授、SOPC的重要性等方面討論了EDA技術(shù)教學(xué)的改革思路。

關(guān)鍵詞：EDA;教學(xué);探索

● 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，EDA技術(shù)（EDA即電子設(shè)計自動化的縮寫，EDA技術(shù)就是以計算機為工具，設(shè)計者在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言VHDL完成設(shè)計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作）已經(jīng)普及到各個領(lǐng)域。當(dāng)今國內(nèi)各大高校電子信息類專業(yè)都開設(shè)了EDA技術(shù)課程，它因理論性和實踐性強而迅速取代了傳統(tǒng)的電子設(shè)計方法，是當(dāng)今電子技術(shù)設(shè)計的趨勢，但其面臨的最大問題是技術(shù)更新速度快，需要教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)思想和教學(xué)資源都不斷更新。如何將新技術(shù)有效傳輸，如何讓EDA技術(shù)與現(xiàn)實生產(chǎn)生活中的例子結(jié)合起來，讓學(xué)生能夠從認(rèn)識技術(shù)到理解技術(shù)轉(zhuǎn)變，使學(xué)生能夠很快利用該技術(shù)解決現(xiàn)實生活中的問題這些都值得我們思考。

● EDA技術(shù)的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

長期以來，由于各高校對本科生實驗投入有限，教師無法做到手把手帶領(lǐng)學(xué)生進行一個完整的項目，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中大多是應(yīng)付學(xué)習(xí)，缺乏尋找硬件進行實訓(xùn)的主動性，以致學(xué)生學(xué)完以后仍然無法獨立進行FPGA項目的開發(fā)。同時，學(xué)生在學(xué)習(xí)關(guān)于可編程邏輯陣列的結(jié)構(gòu)特點、相互交叉點可編程內(nèi)容時，往往不知道從何下手，但這些內(nèi)容對硬件電路設(shè)計，以軟件語言的思維去改變硬件電路結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。可因為在理論課上一般是使用國內(nèi)高校流行的教學(xué)硬件語言VHDL語言進行教學(xué)，會使學(xué)生錯以為前后兩個部分沒有聯(lián)系，進而感覺索然乏味，造成學(xué)習(xí)興趣缺乏。

EDA教學(xué)主要是利用現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計方法，使用可編程邏輯器件實現(xiàn)邏輯設(shè)計，同時也會講授一些電路制作軟件的使用以及仿真工具的使用。而因在市面上流行的硬件開發(fā)語言還有Verilog語言，加之各高校的教師掌握語言的熟練程度不一，也缺乏統(tǒng)一的教學(xué)指導(dǎo)，就導(dǎo)致各高校在講授該門課程的時候，使用的平臺各異，學(xué)生在學(xué)該門課程的時候往往滿懷信心去學(xué)，結(jié)果到實際工作中卻是面對另外一門語言。后續(xù)課程中，如SOPC系統(tǒng)設(shè)計，對學(xué)生和教師的要求很高，一般EDA課堂上也較少涉及SOPC的知識。學(xué)生在學(xué)習(xí)了EDA課程以后，往往感覺知道了一些，也會完成一些實訓(xùn)的小項目，但牽涉到如IP核等方面的技能時卻不知從何下手。另外，由于FPGA設(shè)計的教學(xué)涉及方面很多，有理論學(xué)習(xí)部分，有實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，需要掌握新的計算機語言，熟練使用專業(yè)的軟件平臺，了解FPGA硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熟悉FPGA與外圍電路的硬件設(shè)計，對理論教學(xué)、軟硬件實驗都有較高要求。除此以外，可編程邏輯器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、FPGA芯片內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的教學(xué)難度大，硬件程序語言的語法規(guī)則較多，而所有的這些都是為了硬件開發(fā)能更快上手，可是，高?，F(xiàn)今往往在講述這些前述基礎(chǔ)知識后課時也基本完了，這樣就使得學(xué)生少了一些時間進行系統(tǒng)的開發(fā)，也沒有時間深入理解軟核知識對FPGA開發(fā)的重大作用。

● 改進EDA技術(shù)教學(xué)的方法

EDA技術(shù)教學(xué)主要依托的器件是可編程邏輯陣列，其課程結(jié)構(gòu)可以分為：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)演變發(fā)展及原理;硬件描述性語言;可編程片上系統(tǒng)設(shè)計。這三部分在EDA課程中有不同的比例。有的高校將這三個部分合為一門課程講授，在筆者所在學(xué)校，是將前兩個部分歸為一門課程，后一部分歸為一門課程。不論采用哪一種課程歸屬方式，這三部分都是相互聯(lián)系、相互依存的。其目標(biāo)是要讓學(xué)生快速理解可編程器件的基本原理，從而能夠自主完成系統(tǒng)設(shè)計。這就需要一個又一個系統(tǒng)的真實的實訓(xùn)案例教學(xué)，讓學(xué)生能從原理理解、程序設(shè)計、系統(tǒng)分析等方面得到訓(xùn)練。使學(xué)生從孤立的設(shè)計到系統(tǒng)設(shè)計的轉(zhuǎn)變，利用“逐項引導(dǎo)+項目驅(qū)動”的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、系統(tǒng)設(shè)計能力和語言表達(dá)能力。

1.結(jié)合項目開發(fā)的課堂引導(dǎo)教學(xué)

筆者在多年的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)從可編程邏輯陣列的原理入手，引導(dǎo)學(xué)生進入FPGA的教學(xué)中，效果甚微，學(xué)生感覺無法理解，也不知這些原理究竟有何妙用，無法真正熟知FPGA的強大魅力所在。為此，后續(xù)教學(xué)中，我們試圖引入案例教學(xué)，因為在學(xué)習(xí)EDA課程之時，學(xué)生基本上都有單片機學(xué)習(xí)的經(jīng)驗和過程。在給出案例的時候，有意識地讓學(xué)生去思考，如果這個項目用單片機開發(fā)該如何進行？何處需要改進？耗費資源多少？速度多快？當(dāng)學(xué)生已經(jīng)進入硬件設(shè)計的殿堂之后，讓學(xué)生首先觀察同一個項目，用FPGA開發(fā)有何精妙之處。第一個項目一般是由教師給出，引導(dǎo)學(xué)生逐步討論，然后自學(xué)、歸納、找出與單片機的相同與不同。讓學(xué)生在有一個感性的認(rèn)識后，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。這樣可以激發(fā)學(xué)生主動思考、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、歸納和總結(jié)問題經(jīng)驗的能力。例如，在學(xué)生的第一次課中，教師給出多路彩燈的實際案例，先讓學(xué)生以單片機的思維去解決問題，他們一般能夠很快入手。當(dāng)換成FPGA的思維后，學(xué)生突然之間就能感覺到FPGA的強大，花樣彩燈在變換過程中，利用硬件描述性語言并行思維的好處。教師可鼓勵學(xué)生多提方案，并對方案論證辯論和反駁，得出最優(yōu)方案。通過這樣的一個簡單但是卻完整的過程，學(xué)生對FPGA的設(shè)計有了一個深刻的認(rèn)識，同時也加深了理解。再來學(xué)習(xí)FPGA的原理、相互交叉邏輯點的編程組合，學(xué)生就會非常有興趣，也不會望而生畏，這樣就很好地解決了入門引導(dǎo)的學(xué)習(xí)問題。

2.組建興趣小組，進行以學(xué)生為主的項目實踐教學(xué)

我校的FPGA教學(xué)配備了Altera公司的實驗套件，同時，也為每五人一個興趣小組配備了簡易的FPGA開發(fā)板，實驗室同時也配備了SOPC實驗平臺。這些成梯隊的實驗設(shè)備的配備，不論從性能上還是拓展學(xué)習(xí)上，已能完全滿足學(xué)生學(xué)習(xí)FPGA的需要，學(xué)生平時在課堂上學(xué)習(xí)理論知識，課下興趣小組進行實踐開發(fā)驗證，筆者鼓勵他們擴展外圍應(yīng)用，解決一些學(xué)科方面的問題，如林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理等。學(xué)習(xí)之余，優(yōu)秀團隊提前進入畢業(yè)設(shè)計以及參與到教師的科研團隊中，收到了很好的教學(xué)效果。學(xué)生也真正感受到FPGA的魅力所在，自覺鉆研，動手能力得到了很大提高。對于動手能力特強的學(xué)生來說，簡易的FPGA開發(fā)板已不能滿足其需求，學(xué)生就會轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)興趣到SOPC實訓(xùn)中去。學(xué)生在一年多的訓(xùn)練中，已儼然達(dá)到了對一個初級工程師的要求，工作也是得心應(yīng)手。這種課下興趣小組以及我校本科生創(chuàng)新基地的教學(xué)模式，不僅能很好地訓(xùn)練學(xué)生，同時，也可有效激發(fā)不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，帶動一大批學(xué)生積極學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的團隊精神、動手能力和創(chuàng)新能力，也能帶動整個專業(yè)良好的學(xué)習(xí)風(fēng)氣。

3.建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)體系，彌補學(xué)時不足的問題

當(dāng)前，全球正流行MOOC教學(xué)模式，我校在探討MOOC模式教學(xué)過程中，也根據(jù)自身的特點，開設(shè)了第二課堂。平時課堂上的講授，學(xué)生都會產(chǎn)生很多問題，在課下通過實驗驗證中，也還會有一些不同問題。針對這個特點，我校充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，鼓勵學(xué)生創(chuàng)建FPGA的QQ討論群，讓教師也加入其中，這樣能夠最大限度地解決問題，同時，要求教師將關(guān)鍵知識點、設(shè)計過程中的重要之處，都放在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上，供學(xué)生下載查看，并提供討論區(qū)供師生交流互動。另外，為了彌補教師工程實訓(xùn)經(jīng)驗不足的問題，我們廣泛聯(lián)系，邀請了很多FPGA企業(yè)中的工程師加入這個平臺討論。這種網(wǎng)絡(luò)形式的教學(xué)，在很大程度上提高了教學(xué)效率，也使教學(xué)質(zhì)量有了很大的提升。

4.引導(dǎo)學(xué)生逐漸掌握Verilog語言

目前，電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各大公司也相繼轉(zhuǎn)型使用Verilog語言，而縱觀國內(nèi)高校的教學(xué)，很大一部分高校還在使用VHDL語言。究竟是選擇VHDL還是Verilog語言，筆者認(rèn)為都是可以的，但是，如果高校在教授VHDL語言中，引導(dǎo)學(xué)生形成正確的硬件開發(fā)思維后，也應(yīng)該要講授Verilog語言，畢竟從主流發(fā)展來說，Verilog語言已有逐漸上升的趨勢。同時，因Verilog語言是以C語言為基礎(chǔ)，學(xué)生也很容易接受，這樣，語言教學(xué)學(xué)時就會減少很多，可以將更多的精力放到其他實踐中去。同時，EDA的后續(xù)課程中如SOPC設(shè)計也有很多是從Verilog語言的角度去講授的。我們的思路是語言是載體，不要花大力氣去講授，而應(yīng)多花時間去引導(dǎo)學(xué)生如何進行硬件開發(fā)。VHDL和Verilog語言都應(yīng)該花些時間告知學(xué)生，讓學(xué)生能有一個全方位的認(rèn)識，以后走上工作崗位，才不會感覺到對某門語言非常陌生而不知從何下手，能極大地提高學(xué)生工作的上手能力和應(yīng)聘的成功率。

5.將SOPC教學(xué)引入到EDA教學(xué)中

SOPC技術(shù)是當(dāng)今電子設(shè)計的主流方向，很多計算機類學(xué)生，他們沒有電路基礎(chǔ)的知識，也無法理解CMOS、TTL等原理，但是他們的強項是計算機語言編程，而SOPC正好提供了這樣一個平臺，可以將軟件思維編程以硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，這是以后硬件電路設(shè)計發(fā)展的一個方向。沒有SOPC的體系，EDA就會遜色不少。隨著FPGA技術(shù)的成熟，SOPC教學(xué)也逐漸引入到本科教學(xué)中，教學(xué)重點也不再關(guān)注基礎(chǔ)性知識學(xué)習(xí)，而應(yīng)該將重心放在系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域，從硬件語言的設(shè)計轉(zhuǎn)移到C/C++語言設(shè)計，使SOPC的功能能夠以C/C++語言的形式體現(xiàn)，使功能更具體化。在這個階段的教學(xué)中，要力求使學(xué)生體會到各個專業(yè)課程之間的聯(lián)系與融合，進而感受到FPGA的強大魅力，自覺產(chǎn)生學(xué)習(xí)的興趣和意愿。只有這樣，才能真正學(xué)習(xí)好EDA。

● 結(jié)束語

EDA技術(shù)是一門技術(shù)性很強的學(xué)科，有它自身的系統(tǒng)性和要求，目前，很大一部分高校在教學(xué)過程中都將精力放在語言教學(xué)上，容易使學(xué)生認(rèn)為這是一門硬件語言課程。我們要改變這種思維，合理安排語言教學(xué)學(xué)時，以案例教學(xué)為出發(fā)點，引導(dǎo)學(xué)生理解FPGA的原理和特點，并在此基礎(chǔ)上，完成一個又一個的項目實訓(xùn)，而后，將學(xué)生引入到SOPC的體系和思維中，讓學(xué)生深刻理解一個系統(tǒng)不僅有“器官”，而更重要的是有“心臟”。真正達(dá)到鍛煉學(xué)生動手能力的目的，讓學(xué)生身臨項目實訓(xùn)之中，更好更快地掌握技能。同時，教師也要改變以往總是講授VHDL的思維定勢，逐漸引導(dǎo)學(xué)生掌握Verilog語言，這樣，學(xué)生在以后的工作中，才不會對自己沒有見過的語言產(chǎn)生陌生感。EDA技術(shù)課程，前沿性很強，待學(xué)習(xí)待掌握的方面還有很多，學(xué)生要學(xué)習(xí)，教師更要學(xué)習(xí)，只有這樣，才能把這門專業(yè)課程講授好，才能使學(xué)生學(xué)有所用。

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