“硬件描述語言”課程改革的教學(xué)研究

胡靖

摘? ? 要：針對黑龍江大學(xué)集成電路專業(yè)“硬件描述語言”課程現(xiàn)狀，分析問題所在，擬定了相關(guān)課程的整合計(jì)劃，從理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、授課內(nèi)容等方面提出了改革課程教學(xué)方案，做到理論教學(xué)和實(shí)踐相結(jié)合，為學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)數(shù)字集成電路的相關(guān)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：集成電路專業(yè);硬件描述語言;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2018）12-0013-02

硬件描述語言主要包括VHDL和Verilog HDL語言。黑龍江大學(xué)集成電路專業(yè)“硬件描述語言”的講授主要以Verilog HDL為主。Verilog HDL語言是由Gateway Design Automation公司在1983年為其研制模擬產(chǎn)品開發(fā)的硬件建模語言，最初只是作為一種專用語言開發(fā)的。后來由于該公司的模擬產(chǎn)品及仿真產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用，Verilog HDL語言以它的便捷實(shí)用被廣大設(shè)計(jì)者所接受，并逐漸被推廣到眾多領(lǐng)域，1995年成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)。不論是VHDL還是Verilog HDL語言，它們都源于C語言，語法極為相似，但硬件描述語言有其獨(dú)特性，即它受具體硬件電路的限制[1]。

硬件描述語言是描述數(shù)字電路的形式化語言，是數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)必須掌握的一項(xiàng)技能，這門課程是各高校集成電路專業(yè)的必修課[2]。

近年來，電子設(shè)計(jì)的相關(guān)行業(yè)對熟練掌握數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的高素質(zhì)高校畢業(yè)生的需求逐漸增長。相關(guān)知名企業(yè)及中小企業(yè)每年都會高薪招聘數(shù)字集成電路相關(guān)設(shè)計(jì)及研發(fā)工程師，要求應(yīng)聘人員熟練掌握硬件描述語言及其他相關(guān)語言，在筆試中一定會有關(guān)于用硬件描述語言設(shè)計(jì)數(shù)字電路的內(nèi)容[3]。為了滿足社會需求，各高校相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了相應(yīng)“硬件描述語言”課程。

黑龍江大學(xué)集成電路專業(yè)從2009年開始開設(shè)該課程，但是由于課程設(shè)置銜接不合理，課程內(nèi)容安排與實(shí)踐結(jié)合不緊密等問題，學(xué)生就業(yè)時，競爭力不高，因此開展“硬件描述語言”課程以及相關(guān)課程教學(xué)改革研究具有重要意義。

項(xiàng)目組成員針對數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了詳盡的調(diào)查研究，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，提出了課程整合方案并修正了課程教學(xué)內(nèi)容，對“硬件描述語言”課程以及相關(guān)課程進(jìn)行了一系列的改革與實(shí)踐，初步取得了一定的效果。

項(xiàng)目組成員按照集成電路人才市場最新需求引導(dǎo)培養(yǎng)人才為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)理論與實(shí)踐一體化為原則，進(jìn)行了以下教育教學(xué)改革。

一、整合集成電路專業(yè)“硬件描述語言”相關(guān)課程

目前，黑龍江大學(xué)集成電路專業(yè)開設(shè)的四門課程與硬件描述語言有關(guān)，它們是“硬件描述語言”“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”和“FPGA原理與應(yīng)用”“數(shù)字集成電路測試技術(shù)”。由于這幾門課程是由不同教師在不同學(xué)期授課，有些知識點(diǎn)在多門課程中重復(fù)講授，有些重要的知識點(diǎn)在幾門課中又都沒有涉及，有些互相依托的知識由于在不同學(xué)期不同的課程中講授，順序混亂，這些情況嚴(yán)重影響了整體的教學(xué)效果。因此，本項(xiàng)目對這些相關(guān)課程進(jìn)行系統(tǒng)探究，提出合理的課程整合方案。

現(xiàn)在，黑龍江大學(xué)集成電路專業(yè)開設(shè)的“硬件描述語言”課程沒有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全部在“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，而且“硬件描述語言”這門課程在大三上學(xué)期開設(shè)，“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”在大三下學(xué)期開設(shè)，這非常不合理。語言學(xué)完根本不會用，等于白學(xué)，下學(xué)期再上“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”時已經(jīng)忘得差不多了，還得重新學(xué)習(xí)，內(nèi)容重復(fù)且不合理。應(yīng)該在“硬件描述語言”教學(xué)中增加實(shí)踐內(nèi)容，邊學(xué)邊練。“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)更注重綜合實(shí)踐能力，并且將FPGA開發(fā)板實(shí)踐內(nèi)容納入“FPGA原理與應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中。另外，與“硬件描述語言”同學(xué)期開設(shè)的還有“數(shù)字集成電路測試技術(shù)”，在“數(shù)字集成電路測試技術(shù)”的課程實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生靈活掌握硬件描述語言，但硬件描述語言還沒有學(xué)完，就已經(jīng)開始數(shù)字集成電路測試技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，這更是不合理，直接導(dǎo)致學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)都不知道為什么要這么做，必須要整體調(diào)整。具體整合措施有（1）“硬件描述語言”增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容;（2）在大三上學(xué)期開設(shè)“硬件描述語言”“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”，“硬件描述語言”課程學(xué)完后再開設(shè)“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;（3）在熟練掌握設(shè)計(jì)語言，靈活運(yùn)用的基礎(chǔ)上，大三下學(xué)期開設(shè)“FPGA原理與應(yīng)用”“數(shù)字集成電路測試技術(shù)”;（4）對于各門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及難易程度應(yīng)該有合理的調(diào)整，從易到難，由淺入深，逐步深入，學(xué)生受益更多。

二、修正課程教學(xué)內(nèi)容

調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，往往大多數(shù)教師會走兩個極端，一些教師主張應(yīng)提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力，而另一些教師主張大學(xué)與高職不同，學(xué)生應(yīng)該有理論基礎(chǔ)、學(xué)科底蘊(yùn)，實(shí)踐能力在工作中自然會練就。這兩種極端思維都不利于大學(xué)的人才培養(yǎng)。

“硬件描述語言”的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)充分考慮專業(yè)特色，根據(jù)專業(yè)來確定教學(xué)內(nèi)容，不能千篇一律。例如，集成電路專業(yè)應(yīng)更注重硬件語言與電路結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)不同的電路結(jié)構(gòu)而選擇合適的語言描述方式來實(shí)現(xiàn)?！坝布枋稣Z言”雖然是編程語言類課程，但它的編寫卻和電路結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，不同的編寫雖然功能相同，但編寫風(fēng)格直接影響電路實(shí)現(xiàn)方式，對電路的性能、面積等都有直接影響。項(xiàng)目組成員考慮集成電路的專業(yè)特色，對與“硬件描述語言”相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)知識點(diǎn)重復(fù)或遺漏等問題。

硬件描述語言是硬件結(jié)構(gòu)的描述語言。一方面，同一電路的不同描述方式，最終實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)完全相同，如實(shí)現(xiàn)一個二選一選擇器的不同描述方式，可以用always語句，也可以用assign語句，但映射出來的電路都是二選一選擇器，電路相同。另一方面，同樣功能不同描述方式映射出不同的電路結(jié)構(gòu)，如圖1中的實(shí)例，（a）種方式描述映射出來的電路結(jié)構(gòu)為（b），而（c）種方式的描述映射出來的電路為（c），兩種電路結(jié)構(gòu)的面積、速度、功耗等都不同，但實(shí)現(xiàn)的電路功能相同。在課堂上帶領(lǐng)學(xué)生分析諸如此類的小實(shí)例，鼓勵學(xué)生用不同的方式描述同一功能電路，在實(shí)踐中對比生成實(shí)際電路的具體結(jié)構(gòu)、區(qū)別以及利弊所在，讓學(xué)生們有更加直觀的認(rèn)識，建立橫向思維，鍛煉學(xué)生自行分析電路結(jié)構(gòu)與編程描述方式的聯(lián)系，總結(jié)編程技巧，扎實(shí)設(shè)計(jì)功底。

此外，原課程教學(xué)內(nèi)容中前半部分僅僅注重語法，語法部分枯燥而且很少有獨(dú)自編程的訓(xùn)練內(nèi)容，學(xué)生很容易在此部分學(xué)習(xí)過程中失去興趣，達(dá)不到教學(xué)目標(biāo)。

在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)先將硬件描述語言的描述框架介紹給學(xué)生，讓學(xué)生對電路結(jié)構(gòu)描述先有一個整體了解，然后在講授語法的過程中結(jié)合一些簡單的小實(shí)例，給學(xué)生提供練習(xí)機(jī)會。

黑龍江大學(xué)集成電路專業(yè)從2016學(xué)年對“硬件描述語言”課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新整合，將語法規(guī)則分配到每個階段，引入相應(yīng)的實(shí)例中，讓學(xué)生每個階段都能有相應(yīng)的編程實(shí)踐內(nèi)容，即學(xué)即練。學(xué)生積極性提高，注意力集中，聽課質(zhì)量提高，授課效果有所改善，學(xué)生成績明顯提高。

經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)內(nèi)容合理分布，調(diào)整授課內(nèi)容，教學(xué)質(zhì)量明顯有所改進(jìn)，學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握牢固，有利于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，就業(yè)競爭力增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]周暉，蔣華.“硬件描述語言”課程的教學(xué)改革探索[J].高教

論壇，2008，（6）.

[2]蔣華，束劍.“硬件描述語言”課程比較式教學(xué)初探[J].高教

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[3]王建民，曹一江，田曉華，等.“硬件描述語言”課程改革探

索與研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，（1）.