VHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

廖 榮， 李 蓓， 張振杰， 李宇威

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院， 廣州 510640)

0 引 言

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程定位在培養(yǎng)電子信息類專業(yè)學(xué)生的EDA設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力及工程實(shí)踐能力[1]。教學(xué)目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生建立自頂向下的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，要求學(xué)生能基于可編程邏輯器件硬件平臺(tái)，掌握運(yùn)用硬件描述語(yǔ)言完成數(shù)字系統(tǒng)自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程[2]，同時(shí)要求學(xué)生掌握測(cè)試基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法以及具備對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的能力。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一門理論實(shí)踐并重的專業(yè)基礎(chǔ)課，安排在大學(xué)三年級(jí)上學(xué)期，理論課與實(shí)驗(yàn)課同步開(kāi)設(shè)。近些年是EDA技術(shù)的高速發(fā)展時(shí)期，也是該課程建設(shè)取得重要進(jìn)展的關(guān)鍵時(shí)期[3]。本文主要針對(duì)VHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)進(jìn)行探討。

1 實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)概況

在實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)方面，依托本?！半姎庑畔⒓翱刂啤眹?guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，建設(shè)了EDA專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)踐教學(xué)環(huán)境為高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展提供了有力的保障。為了順利開(kāi)展日常教學(xué)工作與滿足工程實(shí)踐的需要，自主開(kāi)發(fā)了EDA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)選用了Altera公司的Cyclone Ⅱ芯片，配套了豐富的硬件資源，主要包括電源穩(wěn)壓電路、8位七段數(shù)碼管、1602液晶屏接口、音頻接口、串行配置芯片EPCS16、溫度傳感器、VGA接口、Ps2接口、9針串口、EEPROM、紅外接收與發(fā)送電路、下載接口、DM9000A驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)卡接口等。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置靈活，各模塊電路獨(dú)立工作，可通過(guò)跳線設(shè)置是否與芯片連接，能夠完成多種實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，讀者可以根據(jù)條件選擇適合的硬件平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配套有相應(yīng)的詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)視頻。同時(shí)，有豐富的例子和其他資源，可以使學(xué)生以最優(yōu)的方式進(jìn)行VHDL的實(shí)踐學(xué)習(xí)。

在教材建設(shè)方面，編寫(xiě)了“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)”，以及設(shè)計(jì)了7個(gè)案例，每個(gè)案例包括設(shè)計(jì)文檔與演示視頻。

在課程電子資源建設(shè)方面，目前已建成含電子教案、課堂視頻、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)視頻、設(shè)計(jì)案例、專題講座、試題庫(kù)、網(wǎng)上信息發(fā)布、師生互動(dòng)的課程網(wǎng)站[4]。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)課的指導(dǎo)思想是：本課程為一門實(shí)踐性強(qiáng)的課程，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力方面進(jìn)行探索和實(shí)踐[5]。實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)16學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)課通過(guò)內(nèi)容設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)立體化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，詳見(jiàn)圖1，要求學(xué)生綜合運(yùn)用電子信息、EDA專業(yè)知識(shí)與工程技能，經(jīng)過(guò)方案設(shè)計(jì)、電路實(shí)現(xiàn)、仿真分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、下載演示等步驟自主完成幾個(gè)較大規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，掌握設(shè)計(jì)流程，培養(yǎng)基本的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力[6]。同時(shí)通過(guò)復(fù)雜設(shè)計(jì)及開(kāi)放式命題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力。

圖1 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課具體內(nèi)容

在教學(xué)中安排了由淺入深的基本模塊電路設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單綜合設(shè)計(jì)、接近工程實(shí)際的復(fù)雜設(shè)計(jì)三個(gè)層次實(shí)驗(yàn)[7]。知識(shí)模塊順序?yàn)椋?/p>

(1) 知識(shí)儲(chǔ)備階段。介紹開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使學(xué)生充分了解開(kāi)發(fā)板提供的資源與開(kāi)放接口，通過(guò)一個(gè)綜合實(shí)例介紹基于可編程芯片的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程與軟件使用方法；EDA實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板的介紹；基于CPLD/FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程；QuartusII軟件使用；參考理論教材，設(shè)計(jì)基本模塊電路。

(2) 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。老師引導(dǎo)，學(xué)生自主實(shí)踐，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真分析與下載調(diào)試及演示結(jié)果。

(3) 簡(jiǎn)單綜合設(shè)計(jì)。學(xué)生自行完成系統(tǒng)模塊劃分、方案論證(與老師討論)、電路設(shè)計(jì)、仿真分析、下載調(diào)試。

(4) 復(fù)雜設(shè)計(jì)階段。采用課外培訓(xùn)與學(xué)生自主選題的方式，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自身興趣，獨(dú)立構(gòu)思題目，進(jìn)行接近工程實(shí)際的復(fù)雜設(shè)計(jì)(此部分為可選)。

實(shí)驗(yàn)分為必選實(shí)驗(yàn)、可選實(shí)驗(yàn)兩部分，前兩個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)作為必修實(shí)驗(yàn)，采用的是自主開(kāi)發(fā)的EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)板，能開(kāi)設(shè)多個(gè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)中考察了學(xué)生理論知識(shí)的運(yùn)用與實(shí)際動(dòng)手能力，使學(xué)生真正從理論走向?qū)嵺`，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以基本掌握時(shí)序電路、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[8]。

必選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的題目有熟悉Quartus軟件的使用及VHDL程序結(jié)構(gòu)；基本電路模塊設(shè)計(jì)(組合、時(shí)序)；基于狀態(tài)機(jī)的交通燈控制；按鍵控制的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)。每次實(shí)驗(yàn)課都要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行預(yù)習(xí)。第一次實(shí)驗(yàn)課，主要是熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境，了解設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，采用老師邊講授學(xué)生邊實(shí)踐的形式。接下來(lái)的第二次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課，老師首先會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行引導(dǎo)性講授，接著由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)提示開(kāi)始自主設(shè)計(jì)，老師輔助解決學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題。最后兩次綜合性實(shí)驗(yàn)課，老師鼓勵(lì)學(xué)生3人一組自由組合，形成團(tuán)隊(duì)，當(dāng)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，首先進(jìn)行團(tuán)隊(duì)討論自行查閱資料解決，實(shí)在存在困難的，再通過(guò)老師來(lái)解決[9]。

可選實(shí)驗(yàn)采用自編講義《SOPC實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》。實(shí)驗(yàn)板可以給學(xué)生帶回宿舍進(jìn)行下載調(diào)試，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課不再停留在仿真階段。此外任課老師還通過(guò)學(xué)校的“學(xué)生研究計(jì)劃”等學(xué)生科技項(xiàng)目吸納感興趣的學(xué)生參與到相關(guān)課題中，同時(shí)每年挑選優(yōu)秀的學(xué)生參加全國(guó)性的FPGA競(jìng)賽、全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維[10]。

3 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

為適應(yīng)高水平創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，以知識(shí)應(yīng)用與主動(dòng)學(xué)習(xí)為核心，圍繞EDA技術(shù)最新發(fā)展，著重對(duì)教學(xué)方法改革。

3.1 引入多種現(xiàn)代化教學(xué)手段

有序、協(xié)調(diào)地運(yùn)用多種教學(xué)手段，利用充沛的開(kāi)放教學(xué)資源，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與創(chuàng)新思維，促進(jìn)學(xué)生的工程意識(shí)，提高其實(shí)踐能力。建立了精品課程網(wǎng)站,實(shí)施課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)：目前該課程的電子教案、電子版實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、開(kāi)發(fā)平臺(tái)資料、部分授課視頻、專題講座課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)視頻、設(shè)計(jì)案例、仿真工具、自學(xué)資料、芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)等已全部上網(wǎng)，給學(xué)生提供了豐富的教學(xué)資源與信息獲取渠道，方便學(xué)生的自學(xué)、課后復(fù)習(xí)及拓展視野，有助于學(xué)生提高自學(xué)能力[11]。在精品課程網(wǎng)站上，開(kāi)通了教學(xué)在線與師生互動(dòng)版面，打破傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間和空間上的限制，可在線發(fā)布教學(xué)公告，在線提交作業(yè)，在線提問(wèn)，學(xué)生自學(xué)過(guò)程中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)釋疑實(shí)現(xiàn)課外零距離輔導(dǎo)[12]。

3.2 提供全方位的實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)

針對(duì)開(kāi)設(shè)的必選實(shí)驗(yàn)，課組老師自編了《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》，并對(duì)EDA實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板的使用錄制了指導(dǎo)視頻。以大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、學(xué)生研究計(jì)劃SRP、EDA相關(guān)競(jìng)賽為契機(jī)，實(shí)現(xiàn)課內(nèi)課外的有機(jī)結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)有余基礎(chǔ)上，組隊(duì)參加創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，拓展視野，實(shí)現(xiàn)課堂內(nèi)容的課外延伸[13]。

3.3 突出設(shè)計(jì)性、綜合性、前沿性，建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

實(shí)現(xiàn)了以培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)現(xiàn)能力、創(chuàng)新能力為主線的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)體系。對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行整合和優(yōu)化，建立與實(shí)際工程開(kāi)發(fā)接軌，設(shè)計(jì)性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)，緊跟學(xué)科前沿的“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[14]。理論課與實(shí)驗(yàn)課穿插進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)課的第一階段穿插在理論課的引導(dǎo)、基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備階段，實(shí)驗(yàn)課的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)穿插在時(shí)序電路設(shè)計(jì)部分，簡(jiǎn)單綜合設(shè)計(jì)穿插在仿真分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化、設(shè)計(jì)方法與綜合設(shè)計(jì)階段，實(shí)驗(yàn)課的復(fù)雜設(shè)計(jì)安排在課外。實(shí)驗(yàn)課采用老師邊講授學(xué)生邊實(shí)踐、學(xué)生自主設(shè)計(jì)、老師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)、演示答辯等形式。

實(shí)驗(yàn)課還采用課內(nèi)與課外結(jié)合的方式，通過(guò)編寫(xiě)的實(shí)驗(yàn)講義與拍攝的指導(dǎo)視頻，方便學(xué)生課外開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。在課上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)幫助學(xué)生掌握設(shè)計(jì)工具與開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。綜合性實(shí)驗(yàn)鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自身興趣自主命題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)，使本課程的實(shí)驗(yàn)水平和實(shí)驗(yàn)手段上升到一個(gè)新臺(tái)階[15]。

4 完善課程考核方法

根據(jù)課程設(shè)計(jì)性強(qiáng)、鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新的特點(diǎn)，積極探索實(shí)驗(yàn)考核方式的改革，建立多元化的實(shí)驗(yàn)考核辦法，考核的節(jié)點(diǎn)、時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)及考核方法。

4.1 預(yù)習(xí)檢查

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后首先檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況，審查學(xué)生的電路結(jié)構(gòu)框圖和用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的功能模塊文件。

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程檢查

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行指導(dǎo)，檢查學(xué)生VHDL源代碼和仿真結(jié)果，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的模塊化和源代碼的規(guī)范性。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)收

按實(shí)驗(yàn)要求驗(yàn)收功能完成情況并記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。開(kāi)發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)在線打分系統(tǒng)，當(dāng)場(chǎng)將每位學(xué)生的預(yù)習(xí)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成績(jī)輸入電腦系統(tǒng)，每位同學(xué)可以上網(wǎng)看到自己的平時(shí)成績(jī)，確保打分公正。

4.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改

報(bào)告要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)完成后3天之內(nèi)提交，在下次實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)還并講評(píng)總結(jié)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)思路和過(guò)程，畫(huà)出電路原理框圖，明確指出功能模塊的劃分與組成；功能模塊設(shè)計(jì)，各功能模塊的VHDL源代碼(打印)；系統(tǒng)調(diào)試，介紹系統(tǒng)調(diào)試的方法，在調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題以及排查過(guò)程；實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)論做簡(jiǎn)單介紹，對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)一步完善或改進(jìn)提出意見(jiàn)；總電路圖及下載演示成功的現(xiàn)場(chǎng)照片；實(shí)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)完成實(shí)驗(yàn)的收獲體會(huì)以及對(duì)包括實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)要求、驗(yàn)收等方面提出建議和要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生們對(duì)書(shū)本上所學(xué)的理論知識(shí)有了更深入的了解，清楚地知道了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門專業(yè)課的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，而且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中給予了學(xué)生豐富的思考空間，培養(yǎng)了獨(dú)立思考和科學(xué)地發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生們?cè)诋?dāng)今激烈變革的社會(huì)中更具有競(jìng)爭(zhēng)力[16]。學(xué)生上完實(shí)驗(yàn)課后普遍反映自己是從這門課真正開(kāi)始走上數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的道路、受益匪淺。

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