基于VHDL的數字電路課程改革研究

張天瑜

（無錫廣播電視大學，江蘇 無錫 214011）

基于VHDL的數字電路課程改革研究

張天瑜

（無錫廣播電視大學，江蘇 無錫 214011）

隨著集成電路技術的飛速發展，在高職院校中需要對數字電路進行課程改革。VHDL作為一種主流的硬件描述語言，能夠從多方面對數字電路進行建模和描述，可以提高設計的效率和電路的可靠性。針對目前數字電路中的課程現狀和存在的問題，提出將VHDL融合于數字電路的課程改革中，這對高職院校的建設以及人才的培養都能起到積極的作用。

高職院校；VHDL；數字電路；課程改革

隨著電子材料學科和集成電路技術的發展，由分立元件構成的電路逐漸被集成電路所取代。近年來隨著超大規模集成電路的廣泛應用，集成電路的設計變得越來越復雜。中國的集成電路產業起步較晚，能夠從事集成電路設計的人員比較匱乏。目前，國家已經將集成電路產業作為信息產業的重中之重，同時國外集成電路產業向國內轉移的趨勢也日漸明顯，面對這種形勢，集成電路設計人才的培養就顯得十分緊迫。另一方面，隨著EDA技術的發展與成熟，高職學生經過適當的學習和培訓完全可以進入集成電路設計的行業。數字電路是高職院校電子信息專業中的一門重要專業基礎課，它是集成電路設計的基礎。近年來，隨著大規模和超大規模可編程邏輯電路的涌現，數字電路原有的課程體系與教學模式已經不大適應現在的高職教學。因此需要對數字電路進行課程改革。

一、數字電路課程的概況

1.數字電路課程的現狀

數字電路建立在30多年前小規模集成電路的基礎上，目前已經成為高職院校電子信息專業中的一門重要專業基礎課。該課程在介紹數字電路基本知識的基礎上，重點講述了門電路、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路，其中所涉及到的集成電路主要以編碼器、譯碼器、寄存器、計數器為主。設置這門課程的主要目的是讓學生了解各種基本的邏輯電路，不僅能夠熟練運用所學的知識對數字電路進行分析，而且能夠根據實際的要求來完成數字電路的設計。然而傳統的數字電路課程其側重點在于闡述電子元器件內部的工作原理、公式的推導以及波形的分析[1-4]。由于目前高職院校的教師一般都是碩士畢業，而學生基本都是專科的層次，所以往往教師講得滔滔不絕、頭頭是道，而學生卻聽得迷迷糊糊、昏昏欲睡。此外，傳統的數字電路課程還忽視了如何利用那些已經學過的器件來構建一個完整的數字電路系統，所謂的實驗也主要是以驗證性的實驗為主。在數字電路飛速發展的今天，伴隨著大規模以及超大規模集成電路的廣泛應用，這種傳統的教學模式就顯得知識陳舊，實用性差，不利于培養高職學生的動手能力和創新能力。

2.數字電路課程的存在問題

目前雖然有部分高職院校已經對數字電路進行了課程改革，但是由于受到傳統教學模式的影響，主要體現在講授知識面面俱到，貪多求全，因而改革的效果不明顯。根據無錫市廣播電視大學的課程安排，數字電路僅有72個學時，其中還包括18個實驗課時。這樣就會使得那些基礎知識較弱，學習能力不強的高職學生感到數字電路這門課非常難學，出現了對課程的恐懼，產生了厭學情緒，從而影響了教學效果。此外，數字電路的教材在原有內容未做較大幅度調整的情況下，又新增加了一些EDA技術的簡單介紹，但這部分知識通常位于教材的最后，只是作為傳統內容的更新和補充，類似于一個“補丁”，而且一般都是作為選修的內容，不列入考核的范圍，因此對教材的總體結構影響不大[5-8]。在集成電路技術高速發展的21世紀，以往被業界作為標準的小規模集成電路（Small Scale Integrated Circuit，SSI）和中規模集成電路（Medium Scale Integrated Circuit，MSI）的設計方法在大多數領域已經被逐步淘汰，取而代之的是全定制、半定制和可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）以及超高速集成電路硬件描述語言。所以為了適應集成電路技術的發展，為了滿足企業對專業技術型人才的需要，數字電路的課程改革勢在必行。

二、數字電路課程改革的構思

1.數字電路課程的內容應符合高職學生的特點

以“基本、夠用”為度，精選課程的重要內容，通過理論學習、上機編程、創新實驗來培養學生分析問題、解決問題的能力。例如，在邏輯代數運算這一章節，教師在講解時應該圍繞三種最基本的“與”、“或”、“非”邏輯運算展開。在數制與編碼這一章節，教師應該重點講述二進制、八進制、十進制、十六進制的相關運算。在邏輯代數化簡這一章節，教師在授課時應該壓縮邏輯函數的化簡部分，重點講述卡諾圖化簡，一般涉及四個變量就可以了，因為在軟件中已經包含了邏輯代數的化簡程序。由于 VHDL能夠很容易地進行各種邏輯代數運算、不同進制之間的相互轉換以及邏輯代數的化簡，因此在講述完一個知識要點后配合VHDL編程的仿真實驗，這能夠讓學生感受到EDA技術帶來的方便，從而可以培養學生的學習興趣。

2.數字電路課程要以項目教學為主線

在數字電路的課程中可以嘗試項目教學。最初教師可以安排一些較為簡單的課題，如智力競賽搶答電路、交通燈控制電路、看門狗電路等。這些課題所涉及到的電路規模較小，知識點覆蓋不多，設計容易，學生力所能及。根據課題的要求、利用已經學過的理論知識，學生能夠自由地選擇設計方案，完成整個課題的設計過程。等有了一定的知識積累過后，教師可以進一步地安排一些綜合性的系統項目，如具有語音報時功能的數字鐘、無線電編解碼的電燈控制系統、數字密碼鎖等。這些項目的電路規模相對較大，知識點覆蓋全面，設計比較復雜。通過教師的指導，師生之間的交流，從項目設計、原理圖繪圖、電路改進、程序仿真、程序調試、電路裝配等多方面著手，這不僅可以培養高職學生的動手能力而且可以發開學生的創新能力。

3.在數字電路課程中引入討論法

目前在數字電路的課程中，大部分的課題都是由教材規定的，由于書上已經有了現成的電路圖，因此即使學生對于電路的工作原理不是很清楚，只要按照電路圖進行接線，也能做出最終的結果，這對培養學生獨立思考的能力顯得非常不利。為了培養學生的思維能力，在教學的過程中引入討論法，即在教師的指導下，學生以小組為單位，通常一個小組由5～6名同學組成，大家圍繞教學過程中的某一內容提出自己的疑問，發表自己的看法。其優點在于通過討論，學生能夠加深對所學內容的理解，提高學習的興趣。這種互相學習、互相啟發、互相提高的教學模式對于培養學生之間的團隊合作精神也能夠起到積極的作用。

4.VHDL與數字電路課程的融合

VHDL是美國國防部在20世紀80年代初推出的，其英語全稱是 Very High Speed Integrated Circuit Description Language，即超高速集成電路硬件描述語言。VHDL主要用于描述數字系統的結構、行為、功能和接口，除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式、描述風格和語法結構十分類似于計算機高級語言。VHDL遵循EDA解決方案中自頂向下的設計原則，具有良好的接口兼容性。利用Altera公司開發的軟件MAX＋plusⅡ 10.23版本，可以完成VHDL的設計。近年來，由于VHDL在超大規模集成電路中的迅速普及，因此在教學內容的編排上，VHDL的介紹不應該放到課程的最后，應該穿插在平時的項目教學中，與每一章節的知識點同步進行。對于項目教學中所涉及到的一些課題，可以要求學生先利用常見的中規模集成電路設計一次，然后再利用VHDL在GW48系統主板上再來實現一次，通過兩種方法的對比來感受 VHDL設計帶來的方便。由于VHDL的設計過程包含程序仿真，可以較早發現設計中存在的問題，并且采用了大規模集成電路的設計，外部連線相對較少，故障概率較低，因此這對于提高學生的學習興趣能夠起到積極的作用。

5.培養學生的自學能力

在數字電路課程中，新增加的VHDL內容會帶來教學課時的緊張。為此，培養學生的自學能力，增加學生的自學時間就顯得尤為重要。就數字電路而言，不少高職院校也要求學生進行自學，但在內容的選擇上是次要的、簡單的；在數量上是少量的，零散的。通常自學部分不參加考核，這種自學方式不能調動學生學習的積極性，當然也就不能滿足課程改革后的教學需要。在數字電路課程改革后，需要學生對大量的知識進行系統地自學。例如將MAX＋plus Ⅱ 10.23軟件的學習過程完全交給學生自己來完成，學完之后是否已經掌握，能不能進行編程和調試，還要進行必要的考核。因此，這不僅要求學生具備較強的自學能力，而且還要求教師具備嚴格的考核措施。因為如果課程改革后不能充分調動學生的自學能力，將會導致整個課程改革的失敗。以開發具有語音報時功能的數字鐘為例，如果學生沒有按要求完成規定的自學內容，那么該項目所涉及到的內容試將無法正常進行。因此，如何調動學生的學習積極性，使自學成為一種習慣，也將成為課程改革中的一個重要環節。

三、結束語

針對目前數字電路中的課程現狀和存在的問題，提出將VHDL融合于數字電路的課程改革中，這可以更好地發揮數字電路這門課的作用，能夠讓學生緊跟集成電路技術的發展，并且對于完善高職院校的課程建設和人才培養模式都能起到積極的作用。面對集成電路技術日新月異的發展，數字電路的課程改革依然任重道遠，它還需要在具體的教學過程中根據廣大師生的反映來進行不斷地調整和完善。

[1] 黃獲， 鄢立. 融入EDA技術，深入數字電路課程改革 [J]. 中國現代教育裝備， 2008，(2).

[2] 王露. 《數字電路》課程改革的方案 [J]. 常州信息職業技術學院學報， 2005，(1).

[3] 汪彩霞. 高職數字電路課程的改革探討 [J]. 科技廣場， 2007，(4).

[4] 康雪梅. 《數字電路》課程改革初探 [J]. 電子技術， 2009，(5).

[5] 李祥. 數字電路課程改革方案與實踐 [J]. 電腦與電信， 2008，(1).

[6] 馬達靈，張云云. 《數字電路》課程教學改革之我見 [J]. 集寧師專學報， 2008，(4).

[7] 盧永芳. 高職院校《數字電路》課程教學模式探索 [J]. 清遠職業技術學院學報， 2009，(3).

[8] 曹維， 徐東風. “數字電路與邏輯設計”實驗教學改革探索與實踐[J]. 計算機教育， 2009，(15).

Research on Curriculum Reform of Digital Circuit Based on VHDL

ZHANG Tian-yu

With the rapid development of integrated circuit technology, digital circuit needs curriculum reform in the higher vocational college. VHDL is regarded as a mainstream hardware description language, which can model and describe digital circuit from many aspects and can improve design efficiency and circuit reliability.According to the curriculum current status and the existing problems in digital circuit at present, it is proposed that VHDL is fused to the curriculum reform of digital circuit, which can play an active role in the construction of the higher vocational college and the cultivation of talents.

higher vocational college; VHDL; digital circuit; curriculum reform

G71

A

1008-7427（2010）02-0025-02

2009-11-02

作者系無錫市廣播電視大學講師。