應(yīng)用型本科大學(xué)FPGA教學(xué)改革與實踐

周可君

摘 要 “FPGA 原理及應(yīng)用”作為一門應(yīng)用型課程，具有很強的應(yīng)用性及專業(yè)性，要求學(xué)生學(xué)習(xí)課程之后要具備一定的編程及動手能力。對于應(yīng)用型本科大學(xué)電子專業(yè)學(xué)生，F(xiàn)PGA技術(shù)是一項重要并且應(yīng)當(dāng)熟練掌握的技術(shù)。文章結(jié)合 FPGA 行業(yè)動態(tài)和獨立學(xué)院的實際情況，針對目前FPGA教學(xué)的現(xiàn)狀及問題，提出了在FPGA教學(xué)及考核中的幾點改革意見，將理論教學(xué)與實踐課程相結(jié)合，旨在提高學(xué)生獨立思考及動手能力，提高本門課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 應(yīng)用型本科 FPGA 教學(xué) 考核

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.07.044

The Reform and Practice of FPGA Teaching of

Application - oriented Undergraduate University

ZHOU Kejun

（Chongqing Normal University Foreign Trade and Business College， Chongqing 401520）

Abstract "FPGA principle and application" as an applied course， has a strong application and professional， requires students to learn after the course to have a certain degree of programming and practical ability. For the application of undergraduate university electronics professional students， FPGA technology is an important and should be proficient in the technology. In view of the present situation and problems of FPGA teaching， this paper puts forward some suggestions on how to reform the teaching and practice in the teaching and evaluation of the FPGA， and aims at improving the students' independent thinking. And hands-on ability to improve the quality of the course of teaching.

Keywords application-oriented undergraduate； FPGA； teaching； assessment

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）技術(shù)已成為電子信息技術(shù)中最熱門的技術(shù)之一，是現(xiàn)今電子技術(shù)領(lǐng)域的一個發(fā)展熱點，在通信、控制、電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。[1]目前，F(xiàn)PGA設(shè)計人才需求很大。為適應(yīng)市場就業(yè)需求，許多高校開設(shè)了FPGA技術(shù)的相關(guān)課程，特別是應(yīng)用型本科大學(xué)，更需要培養(yǎng)能熟練掌握應(yīng)用技術(shù)的學(xué)生，提高學(xué)生的實際設(shè)計能力及就業(yè)技能。

FPGA的設(shè)計與開發(fā)，需要通過國際標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言來完成，并利用計算機仿真軟件，完成程序或原理圖的編輯、布局布線、仿真，最終生成相應(yīng)的FPGA器件配置文件，才能實現(xiàn)對實際FPGA器件的驅(qū)動，實現(xiàn)實際電路功能。對于以上一系列的工作，需要在FPGA技術(shù)教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生的實際情況，制定相應(yīng)的教學(xué)方案，帶領(lǐng)學(xué)生實際編程、制作、仿真、實驗，以求達到較好的教學(xué)效果。因此，本文根據(jù)應(yīng)用型本科大學(xué)的實際情況，就目前“FPGA原理及應(yīng)用”課程教學(xué)中存在的一些問題，提出了在理論教學(xué)、實踐教學(xué)及考核過程中幾點改革方法和措施。

1 FPGA教學(xué)現(xiàn)狀及問題

“FPGA原理及應(yīng)用”是目前電子技術(shù)學(xué)科中一門重要的應(yīng)用性課程。FPGA也稱為現(xiàn)場可編程門陣列，它為數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計提供了強大的技術(shù)性支撐，在目前的電子設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。FPGA設(shè)計具有編程靈活、可靠性高及開發(fā)簡單等優(yōu)勢，此方面人才需求量巨大，就業(yè)前景優(yōu)越，因此越來越多的應(yīng)用型高校開設(shè)了“FPGA原理及應(yīng)用”課程，在電子設(shè)計類專業(yè)中占有相當(dāng)重要的地位。學(xué)生通過對本門課程的學(xué)習(xí)，能夠掌握應(yīng)用FPGA技術(shù)對數(shù)字電路的設(shè)計，在此過程中，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力及創(chuàng)新設(shè)計能力。但在傳統(tǒng)的“FPGA原理及應(yīng)用”教學(xué)中，往往是教師教授理論知識，學(xué)生完成教師布置的實驗任務(wù)。[2]這樣的教學(xué)過程會帶來以下問題：

首先，在傳統(tǒng)教學(xué)方法中，教師先講解理論知識，之后讓學(xué)生自主操作，將理論和實踐分離，不利于學(xué)生理解，使得學(xué)生對本門課程失去興趣。

其次，作為一門應(yīng)用型很強的課程，與實踐緊密相關(guān)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生很難在獨立的實踐中，達到好的實踐效果，無法與教師所講的理論知識聯(lián)系。并且FPGA技術(shù)發(fā)展速度快，往往學(xué)習(xí)實踐跟不上技術(shù)發(fā)展的速度。

最后，作為一門專業(yè)性強的課程，初學(xué)具有一定的難度，特別是學(xué)生學(xué)習(xí)能力及基礎(chǔ)不同。因此，需要教師針對學(xué)生的具體情況制定教學(xué)計劃，否則，部分學(xué)生無法跟上教學(xué)進度，無法完成FPGA技術(shù)的應(yīng)用。

要解決以上問題，需要對目前“FPGA原理與應(yīng)用”課程，在教學(xué)上、考核方式上進行一些改革。以下是筆者根據(jù)本專業(yè)教學(xué)的一些實際情況，提出的幾點改革意見。

2 FPGA課程改革

“FPGA原理與應(yīng)用”課程的主要目的是讓學(xué)生能夠熟練的掌握數(shù)字電路的設(shè)計及可編程邏輯器件的基本知識、結(jié)構(gòu)和使用方法，能夠比較靈活的應(yīng)用FPGA技術(shù)對數(shù)字電路進行設(shè)計。[3]FPGA的開發(fā)過程中，主要有原理圖設(shè)計和程序設(shè)計兩種。原理圖設(shè)計可使用相關(guān)軟件（如Quartus Ⅱ）對數(shù)字電路圖進行直接輸入；程序設(shè)計則需要掌握相應(yīng)的硬件描述語言VHDL或verilog HDL，并能夠熟練地使用該語言在FPGA上設(shè)計相應(yīng)的數(shù)字電路系統(tǒng)，完成仿真、配置文件，最后驅(qū)動實際的FPGA芯片。在此過程中，不僅需要有扎實的理論知識、編程能力，還需要有實際的操作能力。[4]

在FPGA開發(fā)的課堂上，結(jié)合教材內(nèi)容，可直接利用開發(fā)軟件演示原理圖輸入、程序編寫、仿真，并實際演示實驗效果。將理論部分和實踐部分相結(jié)合，使得學(xué)生能夠切身了解整套FPGA開發(fā)過程。[5]這樣不僅能夠?qū)⒗碚撝R融入實踐中，而且由于學(xué)生能實際看到實驗成功后的效果，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更容易取得好的教學(xué)效果。

在FPGA實驗環(huán)節(jié)的建設(shè)上，我們打算采用EDA/SOPC系統(tǒng)綜合開發(fā)平臺，使用HH-FPGA-EP4CE40核心板、Quartus Ⅱ軟件作為主要的實驗平臺。在Quartus Ⅱ軟件上完成原理圖輸入、程序編寫、管腳分配、仿真、生成配置文件的工作。在EDA/SOPC系統(tǒng)綜合開發(fā)平臺上，下載配置文件，應(yīng)用HH-FPGA-EP4CE40核心板，得到實驗效果，完成對FPGA的完成設(shè)計流程。另外，由于傳統(tǒng)的 FPGA實驗內(nèi)容多是驗證性實驗，比較基礎(chǔ)，但設(shè)計性實驗不足。因此在實驗環(huán)節(jié)的安排上，我們根據(jù)學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況，對于掌握較好的一部分學(xué)生，將減少驗證性試驗，增加設(shè)計性與綜合性實驗內(nèi)容。另外，對學(xué)生自己設(shè)計的作品，增加展示及答辯環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠參與到真正的FPGA設(shè)計環(huán)節(jié)中來。

3 FPGA考試改革

“FPGA原理與應(yīng)用”課程是電子專業(yè)中非常重要的主干課程，由于本門課程的專業(yè)性與應(yīng)用性強的特點，不能單純采用理論考試來作為考核方法。因此，考核采用多樣化的方式，總評成績由多部分構(gòu)成。

第一，理論考試。主要包括對FPGA及數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)知識，硬件描述語言的基礎(chǔ)知識，相關(guān)軟件及實驗平臺知識及設(shè)計要點等部分。

第二，實驗操作。抽取難度適中的實驗內(nèi)容，要求考生實際操作，現(xiàn)場驗收，考察學(xué)生真正對FPGA的應(yīng)用能力。

第三，針對部分能夠獨立完成綜合設(shè)計任務(wù)的學(xué)生，對其自己設(shè)計的作品或小論文及答辯環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，酌情加分，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

第四，平時成績。根據(jù)學(xué)生平時的出勤、課堂表現(xiàn)等方面，由任課教師評分。

通過對考核方式的多樣性改革，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生重視實踐，特別是自主創(chuàng)新與設(shè)計，真正掌握FPGA設(shè)計技術(shù)。

4 結(jié)束語

隨著電子技術(shù)的發(fā)展及FPGA人才的大量需求，越來越多的應(yīng)用型高校開設(shè)“FPGA原理與應(yīng)用”課程。教學(xué)實踐表明，對該課程的教學(xué)及考核改革是非常有必要的。結(jié)合我院學(xué)生的實際情況，提出幾點改革建議，有利于提高FPGA技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于應(yīng)用型高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的宗旨。但對于“FPGA原理與應(yīng)用”課程的改革，我們還在路上，還需要進一步的探索和嘗試。

參考文獻

[1] 徐松林，古康，郝青鵬.基于FPGA的可編程技術(shù)的應(yīng)用[J].信息通信，2013.10.

[2] 張國萍.面向FPGA教學(xué)的啟發(fā)性實驗設(shè)計[A].Intelligent Information Technology Application Association.Proceedings of the 2011 International Conference on Future Computer Science and Application（FCSA 2011 V2）[C].Intelligent Information Technology Application Association：，2011：4.

[3] 張黎，李明，宋文龍，王建衛(wèi).FPGA入門級教材內(nèi)容的探索與實踐[J].中國電力教育，2014（21）：113-114.

[4] 鐘旭.基于FPGA的電子設(shè)計課程體系改革探討[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2016（32）：169.

[5] 王正勇，尹洪劍.基于FPGA/CPLD的EDA課程教學(xué)改革與實踐[J].工業(yè)和信息化教育，2013（3）：40-42.