EDA技術理論和實踐教學研究與探索

張芬 丁大為

安徽大學電子信息工程學院

EDA技術理論和實踐教學研究與探索

張芬 丁大為

安徽大學電子信息工程學院

本文針對傳統EDA技術課程教學模式的特點和不足，提出從教學內容的合理設置、教學實施方式的轉變、教學模式的多元化、考核方式的改革等方面進行研究和探索，不僅可以加深學生對基本概念和專業理論知識的理解，而且也能激發學生自主創新的積極性，提高學生的工程設計能力和創新能力。

EDA技術；教學模式；教學實施方式

電子設計自動化EDA（Electr onic Design Automation）技術[1][2]是指以計算機為工作平臺，以EDA軟件工具為開發環境，以硬件描述語言為設計語言，以A S I C（Application Specific Integrated Circuits）為實現載體的電子產品自動化設計過程。EDA技術匯集了計算機圖形學、拓撲、邏輯學、微電子工藝與結構學和計算數學等多種計算機應用學科最新成果的先進技術。

隨著EDA技術的發展，EDA技術在電子信息、自動控制等眾多領域得到廣泛應用[1][2][3]，社會對EDA技術人才的需求不斷提高，這就要求院校在培養EDA技術人才必須加大教學改革的力度，研究行之有效的教學方法，培養具有工程實踐能力和創新能力的EDA技術人才。

我校很早就開設了“E D A技術與VHDL”這門課程，成立了專門的EDA實驗室，并于2005年對EDA實驗室進行了重建，配備了E D A實驗箱84臺，擁有MaxplusII和QuartusII兩種EDA軟件，配置了單片機擴展板、點陣交通燈擴展板、EP1K100QC208-2適配板等，能夠完成在線硬件調試。EDA實驗室在建成后一直免費對全校學生開放，給學生學習EDA技術提供了很好的平臺。

近幾年，我校一直在探索提高EDA教學質量的方式方法，針對EDA技術這門課程的特點，結合我校的實際教學環境，提出了從教學內容的合理設置、教學實施方式的轉變、考核方式的改革等多個方面進行研究和探索，并實現了真正的開放式教學。實踐證明，這種新的轉變得到了絕大部分學生的認可，學生學習的興趣、自主性和動手能力均得到了增強。

1 教學內容的合理設置

EDA技術課程包括EDA技術理論課程和實踐課程。EDA技術理論課程內容主要包括：可編程邏輯器件的基本原理和結構、硬件描述語言、常用軟件開發工具的使用和實驗開發系統[3]，如圖1所示。

圖2 EDA技術實踐課程三個層次

這四個方面的內容在安排上要分清主次。可編程邏輯器件是電路設計的硬件載體，只需講解大規模邏輯器件的結構和原理；軟件開發工具和實驗開發系統作為實現和驗證的手段，學生也只要熟悉EDA軟件的開發流程和實驗開發系統的各功能模塊即可；硬件描述語言是本課程的教學重點，主要包括VHDL語言的語法結構和實際應用，由于EDA技術側重于應用，這部分內容在設置時不再過多強調VHDL語言語法的講解，而是通過實例介紹VHDL語言中相關的語法和語句，給學生提供更多的練習機會，在實踐中提高設計能力。

圖34 選1的多路選擇器仿真圖

EDA技術的實踐課程按照三個層次安排教學內容，如圖2所示。第一層次是EDA軟件的熟悉階段。主要采用原理圖的方法完成電路設計，教學重點是掌握軟件的使用方法和設計流程，熟悉實驗開發系統。第二層次是VHDL語言設計和原理圖方法結合設計綜合性與創新性實驗項目階段。教學重點是掌握“自頂向下”的設計方法，硬件資源的占用，速度和面積優化等。第三層次是電路板自主開發階段。教學重點是擺脫實驗室實驗箱的限制，利用EDA開發板，自行設計開發板的外圍電路，并制作PCB板。

通過教學內容的合理設置，使學生在學習時有所側重，更好的掌握EDA技術這門課程。

2 教學實施方式的轉變

EDA技術課程教學中傳統的教學實施方式是理論課和實踐課單獨授課，理論課教學完成一定內容后再安排實踐課，導致學生對教學內容的感性認識被延時，無法將實踐與理論知識聯系起來，有時甚至出現理論課與實踐課是不同的老師授課的情況，理論和實踐脫節嚴重，學生普遍反映不能真正領悟老師講授的知識，對EDA學習只是停留在應付考試的層面，學生動手能力差，更談不上具有很強的設計能力和創新能力。因此，在授課模式上，針對EDA技術課程具有很強實踐性的特點，提倡更注重學生的實際操作能力，將理論課和實踐課融合成一門課程，在課堂中根據教學內容的不同，合理分配學時[4]。

我校課程安排上一般是一次兩節課，每節課40分鐘。這里以EDA技術課程中講解VHDL語言的IF語句和CASE語句為例，介紹我們在教學中采用的實施方法。首先用30分鐘的時間講解IF語句和CASE語句的基本形式和使用[1][2]，用這兩個語句分別實現4選1的多路選擇器和7段顯示譯碼器；然后，以4選1的多路選擇器為例，給學生30分鐘時間在QuartusII軟件中編程實現，編譯、仿真，觀察仿真波形是否正確；最后，組織學生對編程過程中出現的問題、仿真結果進行討論，研究是否可用其他學過的方法設計4選1的多路選擇器。具體步驟為：

（1）用IF和CASE語句分別實現4選1的多路選擇器。

將用IF和CASE語句分別實現4選1的多路選擇器的程序寫入QuartusII軟件中，并編譯、仿真，仿真結果如圖3所示。

圖3中，a、b、c和d是輸入信號，s是選擇信號，z是輸出信號。從圖3(a)和圖3(b)仿真結果圖可以看出，雖然IF語句和CASE語句的結構不同，但它們實現了同樣的功能。

（2）雖然IF語句和CASE語句可以實現同樣的功能，但是它們有所不同，和學生一起對它們進行比較分析，比較結果如表1所示。（3）組織學生對IF語句和CASE語句進行討論。例如4選1的多路選擇器是否可以用其他學過的語句實現？例如用WHENELSE語句實現4選1的多路選擇器的具體程序如表2所示。鼓勵學生用IF語句和CASE語句實現其他的器件，特別是IF語句的嵌套使用，因此布置題目要求學生在課余時間完成用IF語句的嵌套實現JK觸發器。

表1 IF語句與CASE語句比較結果

通過上述過程，使學生始終參與了教學的全過程，將理論和實踐很好的結合起來，同時激發了學生學習這門課程的積極性，引導學生進行更深入的學習，取得很好的教學效果。

表2 用WHEN-ELSE語句實現4選1的多路選擇器

3 教學模式的多元化

EDA技術課程具有很強的實踐性。在以往的教學實踐中發現，單憑常規的理論和實踐教學仍然不能最好的提高學生的設計能力和創新能力，特別是學生只是將教材中的程序進行驗證，缺少了創新性，雖然也有設計性實驗，但由于設計性實驗往往比較復雜，難以在有限的實驗時間內更好的鍛煉學生的能力。因此，除了使學生掌握基本知識和基本技能培訓外，我們還將一定分量的教學內容延伸到課外[5]。考慮到EDA技術課程的特殊性，先設計一定數量的題目，或者由學生申請題目，對題目作可行性分析，老師批準。根據題目班級學生自由組合分成不同小組，每個小組三人，一組一題，在一定時間內完成電路設計。我們提倡學生在設計時使用硬件開發板，具體的型號由學生自己選擇，學生在選擇時需要考慮一系列的技術指標，包括電路的速度、占用的面積、可靠性、容錯性等。學生制作硬件開發板擴展電路的過程是一個有效的自我學習與鍛煉的過程，因為對剛接觸專業基礎課的學生而言，除了必須仔細考慮外圍器件的型號、數量、布局、焊接電路板的成本與質量等技術問題外，還要學習Protel制版軟件的使用和焊接制作，焊接工具和硬件開發板由實驗室提供。在規定時間內，驗收學生的設計成果，要求學生在驗收時做PPT匯報設計思想、設計完成程度、具體設計程序和硬件調試結果，并對課題中的相關問題進行提問。這樣的設計過程，讓學生真正明白了所謂的EDA設計究竟是怎么一回事，培養了學生科學研究的基本能力和興趣。

4 考核方式的改革

如何綜合評定學生的考試成績，也是至關重要的一個環節[6]，它直接影響了學生學習的積極性。傳統的EDA技術課程采用理論和實踐課程單獨考核的方式，理論課程以筆試為主，學生考試時遇到編程題時完全靠死記硬背或者靠經驗來答題，因為無法檢測程序的正確性，因此有時連學生自己也弄不清楚答題是否正確。實踐課程的考核方式也很單一，不夠靈活。

因此，我們對EDA技術課程的考核方式作了如下改革：考核成績由平時成績、筆試成績、實踐成績三部分組成。平時成績占20%，包括學生出勤、作業完成情況、上課表現、程序設計等；筆試成績占50%，采用閉卷考試，考查學生對EDA基本理論和VHDL語言基本語法的掌握情況；實訓成績占30%，根據學生對上述課題完成的情況給出每組的成績，另外可根據該組成員任務的分配和完成情況，合理區分成員間成績的差異。

5 結束語

EDA技術課程教學改革不是一朝一夕之事，需要我們全體教師的一起努力，也需要師生共同的探討，更需要不斷的探索和實踐。在EDA技術課程的教學中，通過對教學內容的合理設置、教學實施方式的轉變和考核方式的改革等多個方面的研究和探索，能夠將理論和實踐內容有效的結合，使學生牢固掌握EDA技術的基本理論知識，真正提高創新能力和解決實際問題的能力，為以后從事專業工作打下扎實的技術基礎。

[1]潘松,黃繼業.E D A技術實用教程(第三版)[M].北京:科學出版社.2006.9.

[2]朱正偉.EDA技術及應用[M].北京:清華大學出版社.2005.10.

[3]黃沛昱,雷芳,劉喬壽.E D A課程建設與創新型人才培養[J].電氣電子教學學報. 2011:21-22.

[4]張利,高晶敏,楊秀媛.E D A技術課程教學模式改革探索[J].中國電力教育.2011: 80-81.

[5]朱奕丹,吳偉力.“E D A技術”課程實踐教學環節的改革與探索[J].集美大學學報.2007:86-88.

[6]李曉敏,楊輝.“E D A技術與應用”課程教學的幾點思考[J].科技信息.2011:143.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.21.085

安徽大學211工程三期教學質量工程項目39020045；安徽大學質量工程建設項目XJ2009026。

張芬（1980-），女，安徽大學講師，碩士。丁大為（1977-），男，安徽大學副教授，博士。