項(xiàng)目化教學(xué)在“FPGA開發(fā)與應(yīng)用”課程中的應(yīng)用研究

吳華

【摘 要】“FPGA開發(fā)與應(yīng)用”這門課主要應(yīng)用VHDL語言進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文提出采用項(xiàng)目化教學(xué)使學(xué)生提高VHDL語言的編程能力，理解自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，熟悉利用ISE平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

【關(guān)鍵詞】項(xiàng)目化教學(xué)；FPGA開發(fā)與應(yīng)用；VHDL

1 基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

FPGA是Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它完全由用戶通過軟件進(jìn)行編程和配置，從而完成某種特定的功能，且可以反復(fù)擦寫的新型器件。傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是自底向上的設(shè)計(jì)方法，它是以各種不同的中小規(guī)模集成電路芯片為基礎(chǔ)，按照功能要求在印刷電路板上將不同的芯片連接起來，構(gòu)成實(shí)現(xiàn)某種功能的電子系統(tǒng)。基于FPGA[1]的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，把系統(tǒng)分成若干個(gè)基本單元，然后再把每個(gè)基本單元?jiǎng)澐譃橄乱粚哟蔚幕締卧?。它以FPGA芯片為核心，通過編程的方式完成系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)并將設(shè)計(jì)寫入FPGA芯片內(nèi)，使芯片具有設(shè)計(jì)的功能。設(shè)計(jì)過程中通過不同階段的仿真可以及時(shí)檢查設(shè)計(jì)的正確性，電路的修改只需要通過修改程序并重新下載到FPGA中即可。因此基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)易于測(cè)試和修改，設(shè)計(jì)周期短，便于移植。

2 項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施過程

“FPGA開發(fā)與應(yīng)用”這門課是針對(duì)大三計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)課，學(xué)生在前期已學(xué)過《電路》、《數(shù)字電路》、《模擬電路》、《C語言程序設(shè)計(jì)》等課程。通過該門課，使學(xué)生掌握VHDL語言（超高速集成電路硬件描述語言）的編程方法，能熟練應(yīng)用ISE平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，理解自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，積累數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法重在介紹VHDL語言的語法規(guī)則和語句，知識(shí)點(diǎn)較零散，學(xué)起來較枯燥，而且不知如何應(yīng)用這些語句。而項(xiàng)目化教學(xué)重在將知識(shí)點(diǎn)融在項(xiàng)目中理解，學(xué)生通過做一個(gè)小項(xiàng)目可以掌握相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，并通過3-4人一組協(xié)作完成，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)合作能力、溝通能力和語言表達(dá)能力等。項(xiàng)目化教學(xué)真正實(shí)現(xiàn)了三個(gè)轉(zhuǎn)變：以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心；以課本為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂?xiàng)目為中心；以課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?shí)際經(jīng)驗(yàn)為中心[2]。

下面將通過“點(diǎn)亮兩位數(shù)字”項(xiàng)目分析如何實(shí)施項(xiàng)目化教學(xué)[3][4]?！包c(diǎn)亮兩位數(shù)字”項(xiàng)目即利用Xilinx公司的ISE軟件平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)顯示兩位數(shù)字的功能，并最終生成二進(jìn)制文件，下載到Basys2開發(fā)板上驗(yàn)證。

2.1 項(xiàng)目立項(xiàng)階段

教師先向?qū)W生展示最終要完成的效果，講明項(xiàng)目任務(wù)，再對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，盡量采取自愿原則，教師可對(duì)小組成員適當(dāng)調(diào)整，保證每組中至少有一人學(xué)習(xí)情況較好，并任命一人為組長(zhǎng)。

2.2 需求分析階段

根據(jù)項(xiàng)目要求，分析最終要呈現(xiàn)的效果，確定程序的功能模塊和性能需求。比如要用兩個(gè)數(shù)碼管顯示、動(dòng)態(tài)掃描問題、譯碼問題等。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段

首先每個(gè)小組要確定總體方案設(shè)計(jì)，例如分哪幾個(gè)模塊、每個(gè)模塊要實(shí)現(xiàn)什么功能，再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括用Visio軟件繪制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖（如圖1所示）、每個(gè)模塊如何用VHDL語言實(shí)現(xiàn)等。在詳細(xì)設(shè)計(jì)中，涉及每個(gè)模塊具體的功能，寫出詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告，以此進(jìn)行編碼和測(cè)試，從而保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。可以由組長(zhǎng)分配任務(wù)，讓每個(gè)組員完成一個(gè)模塊的編寫工作。

2.4 編碼、測(cè)試階段

教師檢查每組的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖，若無問題，則可以開始編程。在用VHDL語言編程階段，學(xué)生可根據(jù)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖分模塊進(jìn)行調(diào)試，先將底層三個(gè)模塊（分頻器、控制模塊、譯碼器）都編好后，通過ISE軟件編譯檢查語法錯(cuò)誤、并進(jìn)行仿真，若無問題，再進(jìn)行頂層文件編寫；若有問題，則需修改源代碼，直至無錯(cuò)誤為止。頂層文件主要是通過元件例化語句將底層三個(gè)模塊進(jìn)行連接，編好后，也需要經(jīng)過ISE軟件編譯檢查語法錯(cuò)誤。

2.5 下載、驗(yàn)證階段

最后將生成的二進(jìn)制文件下載到basys2開發(fā)板上驗(yàn)證，若能正確顯示兩位數(shù)字，即成功。若不能正常顯示，則需返回到ISE軟件中，修改底層文件或頂層文件，直至驗(yàn)證成功為止。

2.6 驗(yàn)收階段

在編寫代碼的過程中，教師可適當(dāng)給予指導(dǎo)，給學(xué)生提供一些參考資料或相似的例子，幫助學(xué)生完成項(xiàng)目。教師要檢查各組最終能否實(shí)現(xiàn)“顯示兩位數(shù)字”，協(xié)助并指導(dǎo)各組，完成編寫“顯示兩位數(shù)字”項(xiàng)目文檔，并對(duì)各組進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。各組組長(zhǎng)向全班匯報(bào)、展示本組的作品，并列舉項(xiàng)目開發(fā)中遇到的各種問題，其他組的學(xué)生可以提問，最后教師對(duì)各組進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。各組組長(zhǎng)根據(jù)小組成員的貢獻(xiàn)對(duì)小組成員進(jìn)行打分，教師根據(jù)小組成績(jī)和組長(zhǎng)對(duì)各成員的打分，確定每位學(xué)生的成績(jī)。

3 總結(jié)

由于傳統(tǒng)的教學(xué)方法重在介紹VHDL語言的語法和語句，學(xué)生學(xué)起來較枯燥，因此結(jié)合《FPGA開發(fā)與應(yīng)用》課程的特點(diǎn)，通過“顯示兩位數(shù)字”項(xiàng)目，展示如何在《FPGA開發(fā)與應(yīng)用》課程中實(shí)施項(xiàng)目化教學(xué)。通過項(xiàng)目化教學(xué)，不但能使學(xué)生掌握VHDL語言的編程方法和自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，熟悉真實(shí)項(xiàng)目的實(shí)施過程，而且通過分組協(xié)作完成一個(gè)項(xiàng)目，可以鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通能力、語言表達(dá)能力等，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳學(xué)英，李穎.FPGA應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教程[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2013，05.

[2]張學(xué)琳，陳齊超，段珊，胡波.項(xiàng)目教學(xué)法在“C語言課程設(shè)計(jì)”中的研究與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（02）：164-167.

[3]吳玲.《EDA技術(shù)與應(yīng)用》項(xiàng)目化教學(xué)改革研究與探索[J].科技信息，2012（21）：244.

[4]張輝，王彥.項(xiàng)目教學(xué)法在《EDA技術(shù)及應(yīng)用》課程中的應(yīng)用[J].新課程研究：高等教育，2011（2）：73-76.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]