基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的《EDA技術(shù)及應(yīng)用》課程教學(xué)改革

趙 凱

（安陽(yáng)工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽(yáng)455000）

0 引言

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)應(yīng)用型人才，需要有一定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，以適應(yīng)以后的工作需要，增強(qiáng)差異化競(jìng)爭(zhēng)能力?！禘DA技術(shù)及應(yīng)用》以理論講授、實(shí)際操作和技能考核為教學(xué)手段，重點(diǎn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行EDA設(shè)計(jì)和測(cè)試方法的訓(xùn)練。通過學(xué)習(xí)這門課程，使學(xué)生掌握利用軟件設(shè)計(jì)開發(fā)硬件電路的基本技能，為以后進(jìn)行片上系統(tǒng)（SOC）集成的系統(tǒng)能力培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。因此，對(duì)《EDA技術(shù)及應(yīng)用》課程進(jìn)行教學(xué)改革是培養(yǎng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)應(yīng)用型人才的一個(gè)重要方面。[1]

1 教學(xué)模式改革

《EDA技術(shù)及應(yīng)用》課程共32學(xué)時(shí)（理論20+實(shí)驗(yàn)12），共16周，每周一次課。理論課介紹基于FPGA/CPLD的EDA設(shè)計(jì)流程、QuartusⅡ軟件的使用、VHDL的基本語(yǔ)法、可編程邏輯器件的原理和使用方法。實(shí)驗(yàn)課通過稍有難度的實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生甚至到了最后一次實(shí)驗(yàn)，還沒有完全理解課程的實(shí)質(zhì)，僅僅認(rèn)為是在學(xué)習(xí)一門新的語(yǔ)言。我們認(rèn)為部分同學(xué)存在不理解EDA設(shè)計(jì)的真正用途，存在不了解該技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)實(shí)踐的問題。為此，進(jìn)行《EDA技術(shù)及應(yīng)用》的課程教學(xué)改革，變換教學(xué)模式，將由理論為主、實(shí)驗(yàn)為輔的培養(yǎng)模式變?yōu)轫?xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式。在課程開始就向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，要使用該技術(shù)制作出自己的專用芯片，在后續(xù)的課程設(shè)計(jì)中還要制作自己的片上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為此給出項(xiàng)目庫(kù)，確保每位學(xué)生獲取不同的項(xiàng)目。同時(shí)兼顧計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的特點(diǎn)，項(xiàng)目題目多為設(shè)計(jì)VGA接口、USB接口等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常用外設(shè)接口，為后續(xù)設(shè)計(jì)片上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

2 教學(xué)內(nèi)容改革

2.1 教材的選取

結(jié)合本校學(xué)生的特點(diǎn)以及EDA技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，剛開始選擇張昌凡和潭會(huì)生先生的《EDA技術(shù)及應(yīng)用》，該教材內(nèi)容詳實(shí)，容易上手；但涉及的內(nèi)容多，且使用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與本校不符，不利于學(xué)生自己研習(xí)。后來選擇楊旭和劉盾先生《EDA技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)教程》，該教材簡(jiǎn)單，并且?guī)в休^多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既適合課堂教學(xué)又可以滿足學(xué)生課下自學(xué)的需求。

2.2 教學(xué)內(nèi)容的選取

根據(jù)教學(xué)目的的要求，針對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容上做了些大膽的嘗試。根據(jù)數(shù)字電路教學(xué)內(nèi)容的安排，在講授數(shù)字電路課程時(shí)適當(dāng)介紹VHDL語(yǔ)言的語(yǔ)法和簡(jiǎn)單器件的編程實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，將《EDA技術(shù)及應(yīng)用》授課內(nèi)容劃分成三個(gè)大的模塊：（1）QuartusII軟件的使用；（2）如何用VHDL語(yǔ)言描述數(shù)字邏輯電路；（3）如何在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成設(shè)計(jì)的硬件驗(yàn)證。這三個(gè)模塊互相聯(lián)系，組成了數(shù)字電路設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。[2]

QuartusII軟件的使用，首先通過用原理圖輸入方法設(shè)計(jì)加法器這個(gè)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生應(yīng)用已知的數(shù)字電路的知識(shí)了解和掌握如何使用QuartusII軟件，從而在沒有任何硬件描述語(yǔ)言的基礎(chǔ)上了解現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)，掌握基于QuartusⅡ的數(shù)字電路設(shè)計(jì)流程。同時(shí)，可以讓學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)中，通過QuartusII軟件平臺(tái)仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正誤，并且逐漸熟悉軟件。實(shí)踐驗(yàn)證，這個(gè)方法能夠很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

使用何種硬件描述語(yǔ)言來描述硬件電路，使很多人感到困惑。我們認(rèn)為用VHDL或是VerilogHDL都無關(guān)緊要，重要的是學(xué)會(huì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)的思路和方法，等到一種語(yǔ)言學(xué)會(huì)之后，可以通過很短的時(shí)間學(xué)會(huì)另一種語(yǔ)言。因此，不主張兩種語(yǔ)言一起學(xué)習(xí)。實(shí)踐證明：如果同時(shí)講解兩種語(yǔ)言，很多同學(xué)會(huì)很迷惑，容易混淆。基于國(guó)內(nèi)關(guān)于VHDL教材較多而Verilog HDL教材較少，為了交流學(xué)習(xí)的方便，選擇VHDL語(yǔ)言來設(shè)計(jì)數(shù)字電路。

3 教學(xué)方法的改革

3.1 案例教學(xué)

結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)和本校學(xué)生動(dòng)手能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，在教學(xué)中應(yīng)該注重案例教學(xué)。例如：在先修課程中，學(xué)生對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行了學(xué)習(xí)，對(duì)譯碼器、編碼器等了解較多，同時(shí)在開設(shè)本課的學(xué)期，同時(shí)有單片機(jī)課程，學(xué)生也會(huì)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)譯碼有一定了解，因此可以設(shè)定案例——LED顯示接口芯片的設(shè)計(jì)。通過先設(shè)計(jì)4-16的譯碼器，再擴(kuò)充添加共陽(yáng)極LED驅(qū)動(dòng)顯示模塊，即可構(gòu)成該專用芯片的結(jié)構(gòu)體。通過使用學(xué)習(xí)的知識(shí)，制作專用芯片很容易激發(fā)學(xué)生的積極性和好奇心。再進(jìn)一步，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)4×4鍵盤接口芯片，簡(jiǎn)單的輸入輸出系統(tǒng)就初步展現(xiàn)，因?yàn)檎n堂時(shí)間有限，可以將PS2接口芯片放入到項(xiàng)目庫(kù)中進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

EDA應(yīng)用課程屬于理論與實(shí)踐并重的課程，所以在學(xué)生從課堂上掌握FPGA/CPLD器件開發(fā)的整體流程后，必須要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理論知識(shí)的鞏固，而且還要掌握利用這些理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的方法技巧。

EDA應(yīng)用課程中一共安排了6個(gè)實(shí)驗(yàn)，前5個(gè)實(shí)驗(yàn)都是一些較為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，只給學(xué)生提供需要設(shè)計(jì)的題目及要求。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)、編譯、仿真和下載驗(yàn)證的各個(gè)環(huán)節(jié)都要求學(xué)生自行完成。每節(jié)實(shí)驗(yàn)課都在題目設(shè)計(jì)要求之外，設(shè)置一些思考題，這些思考題有些是針對(duì)實(shí)驗(yàn)中容易出現(xiàn)問題的地方，希望以思考題的方式提醒學(xué)生注意，還有一些是與當(dāng)次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目類似或相關(guān)的設(shè)計(jì)題目，可以起到對(duì)課堂實(shí)驗(yàn)的一個(gè)補(bǔ)充作用。這些思考題的設(shè)置目的是讓學(xué)生對(duì)課堂講解的設(shè)計(jì)方法和技巧進(jìn)行鞏固。第6個(gè)實(shí)驗(yàn)則是貼近實(shí)際生活的小型數(shù)字系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，如交通燈控制電路、日歷等。

3.3 考核方式

考試形式對(duì)教學(xué)具有重要的影響。以往考核方式中，按照平時(shí)成績(jī)（20%）+實(shí)驗(yàn)成績(jī)（30%）+期末理論考試（50%）的比例為學(xué)生打成績(jī)。這種考核方式看起來很合理，但由于課時(shí)較少，又需要向應(yīng)用實(shí)踐傾斜，結(jié)果理論考試變成了語(yǔ)法考試。實(shí)驗(yàn)之后也沒有相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，致使效果不好。為此，我們改革考核方式，學(xué)生最后的成績(jī)由平時(shí)成績(jī)（20%）+實(shí)驗(yàn)成績(jī)（30%）+實(shí)踐項(xiàng)目（50%）組成。平時(shí)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括實(shí)驗(yàn)考勤、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)提問三項(xiàng)。最后實(shí)踐項(xiàng)目是學(xué)期初在項(xiàng)目庫(kù)中選取的項(xiàng)目，用一個(gè)學(xué)期的時(shí)間完成并在期末進(jìn)行驗(yàn)收和答辯，有效解決課時(shí)量少，實(shí)踐不充分的問題。實(shí)踐表明，這種考核方式可以有效地引起學(xué)生對(duì)獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)的重視，且能夠比較公正全面地考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

《EDA技術(shù)及應(yīng)用》課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)。本課程目的是要求學(xué)生學(xué)會(huì)如何用軟件設(shè)計(jì)開發(fā)硬件電路，向前銜接先修課程數(shù)字電路，向后為計(jì)算機(jī)組成原理設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)做準(zhǔn)備。我們對(duì)《EDA技術(shù)及應(yīng)用》課程進(jìn)行了改革的探索，目的是有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)課程之間的銜接，提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，為培養(yǎng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)類應(yīng)用型人才做進(jìn)一步的努力。

［1］朱正偉，周炯如.EDA技術(shù)在硬件課程體系教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2010(12).

［2］楊旭,劉盾.EDA技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010(7).