EDA技術在高職電類專業硬件課程體系教學改革中的應用

　　摘 要： EDA 技術是現代電子系統設計的先進手段，文章分析了將EDA 技術融合到高職電類專業硬件課程體系教學改革中的必要性，給出了將EDA 技術應用到硬件類課程的有效方法并進行了實踐，實踐結果表明了該方法的有效性。
　　關鍵詞： EDA技術 高職電類專業硬件課程體系教學改革 應用 作用
　　
　　當今社會已進入了信息化的社會，硬件技術是信息技術發展的基石，硬件技術的發展推進了整個信息技術的飛速發展。在高職電類專業教學中，硬件類課程一直是整個教學的核心主干課程，隨著大規模集成電路技術的飛速發展，新器件、新組件、新概念及新的分析方法不斷涌現，硬件類課程的教學面臨著新的挑戰。本文根據EDA技術課程教學的實際經驗，論述了EDA技術在高職電類專業硬件課程體系教學改革中的應用，主要探索EDA技術在課程體系設置、實踐性教學和學生創新能力培養等方面的作用。
　　1.EDA概述
　　EDA（Electronic Design Automation）技術是以計算機為平臺、以EDA軟件工具為開發環境、以硬件描述語言為設計語言，以ASIC（Application Specific Integrated Circuits）為實現載體的電子產品自動化設計過程。它可以實現邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優化，邏輯布局布線、邏輯仿真。完成對于特定目標芯片的適配編譯、編程下載等工作，最終形成集成電子系統或專用集成芯片。EDA 技術的應用可以大大降低電子系統設計的工作量和難度，降低成本，同時可編程邏輯器件的使用能夠大大減少系統芯片的數量，縮小系統體積，提高系統的可靠性，EDA 技術已經成為電子系統設計的先進手段。
　　2.硬件類課程融合EDA 技術的必要性
　　2.1硬件類課程融合EDA 技術是課程本身發展的需要。
　　21世紀的電子系統將是以計算機技術為核心的片上復雜系統，系統設計人員將成為集成電路的主要設計者。但長期以來，我國大多數高職電類專業有關計算機硬件課程仍沿用傳統課程模式，課程教學內容上仍比較注重各門課程教學內容的理論性和系統性，沒有考慮硬件課程之間彼此存在的內在聯系。在設計方法上仍習慣使用電路圖來描述系統的連接關系，停留在傳統的設計方法上，不適合復雜的、規模大的數字系統的實現。隨著可編程邏輯器件和EDA 技術的出現，數字系統功能實現及系統的設計方法發生了革命性的變化，因此改革和整合傳統的教學內容，將EDA 技術引入到硬件類課程的教學中，建立硬件課程之間的內在聯系，設計階段性的模塊化、系統化的教學內容，建立新的硬件課程教學體系，對于培養學生的硬件系統設計能力就十分重要和必要。
　　2.2硬件類課程中融合EDA 技術是培養學生自主創新能力的需要。
　　目前隨著可編程邏輯器件性價比的不斷提高和開發軟件功能的不斷完善，在涉及通信、國防、航天、醫學、工業自動化、儀器儀表和計算機應用等領域的電子系統設計工作中，EDA 技術的含量正急劇上升，各行業對自己的專用集成電路的開發研制需求日益迫切，因此非常有必要把EDA 技術引入到硬件類課程中，培養學生適應現代數字系統設計的能力，開闊學生的視野，培養學生的創新意識和創新能力，為其今后就業或創業奠定一個良好的基礎。
　　3.EDA 技術融合到硬件類課程的方法
　　3.1重構科學的課程體系。
　　將EDA融合到硬件類課程的目的是讓學生在校期間學習到當今先進的電子電路設計技術，開拓視野，提高工程應用能力。另外，用EDA軟件平臺進行硬件電路設計，沖破了孤立地理解、學習軟件和硬件的思維模式，提高了他們綜合運用所學知識的能力。高職電類專業硬件類課程對應用EDA技術的全過程要統籌考慮，整合成為科學的課程體系。為此，我們以專用集成電路芯片應用為最終目標，以能力培養為宗旨，重新構建了高職電類專業硬件系列課程體系。在該系列課程體系中，以“硬件技術基礎”和“EDA技術”為基礎主干部分，以其它幾門課程為應用和提高部分，形成了一套系列化的硬件教學體系。該系列課程從體系結構上劃分為三個層次：基礎層、系統層和應用層。在該三層體系結構中，基礎層為“電路、模擬電子技術和數字電子技術”課程，它們是硬件系列課程的技術基礎，是必修的前續課；在系統層中，以硬件技術基礎和EDA技術課程為主，輔之以配套的實踐性課程，是硬件課程體系中最重要的課程；應用層中，主要以EDA技術和嵌入式技術為核心，設置了“數字系統設計”、“單片機技術”等課程，且每門課程都配有相應的實踐性環節。
　　3.2改革教學內容和教學體系。
　　傳統的課程體系是電路原理—器件—硬件搭試—制作樣機。引入EDA技術后的新的體系應是電路原理—仿真—實驗制作。對分立器件的闡述越來越少，要求越來越低，部分教學內容在課程之間應進行重新劃分或縮減，如數字電路中脈沖電路可劃歸模擬電子。對于高職電類專業的整個EDA教學過程來說，還應分層次確定目標。專業基礎課作為第一層次，通過EDA教學達到的目標是分析為主，設計為輔。相關課程設計和部分專業要上升到第二層次，即以設計為主。畢業設計作為第三層次，要求全面地掌握EDA工具，最終要達到“留板（PCB板）”或“流片（專用集成電路芯片）”的水平。
　　EDA技術使每門硬件類課程的教學內容、教學重點都應作一定的改變。如電路原理課程，電路分析中技巧性的解題方法可不作要求，令師生頭痛的復雜性難題可由仿真軟件去解決，教學的重點完全放到電路的一般原理、定理、定律和基本分析方法上。教學內容變化最大的是數字電路課程，PLD技術的引入徹底改變了傳統的課程內容，使得該課程的重點由分析轉為設計，不僅涉及硬件，而且涉及軟件編程，使軟硬件設計高度滲透，緊密結合。
　　硬件技術基礎課程大體相當于過去的“微機原理”、接口技術等課程，但有許多不同之處，其中最重要的區別是，不以某一個計算機為背景，而是集中闡述各計算機共同的基本原理，特別注重系統的概念和接口的設計，并不斷增添關于新技術的內容，使教學體系具有先進性和實用性。“單片機技術”是一門實用性和應用性很強的課程，該課程在原來介紹的單片機的原理及其應用的基礎上，增加了嵌入式系統的內容，課程內容包括單片機原理、單片機測控系統應用、嵌入式系統技術三大模塊組成，使學生對當前嵌入式系統的發展及應用有所了解。“數字系統設計”課程主要從拓寬學生的知識面，提高學生的應用能力和工程應用能力出發，課程內容主要包括數字系統設計的基本方法和數字系統設計的工程應用實例。在這些課程中，都涉及到硬件系統的設計，在設計我們應充分應用EDA設計方法，把EDA技術融合到相應的硬件系統設計中去。
　　3.3加強EDA教學實驗環境建設，改革教學和實驗手段。
　　3.3.1硬件類課程的重要特點之一是工程性、實際性很強，因此實驗教學是課程教學的一個很重要的環節。近年來，高職電類專業硬件課程實驗教學改革取得了一些進展，但進展緩慢，主要體現在以下兩個方面。
　　3.3.1.1從實驗教學內容看，電子信息類專業在實驗的開設上，只考慮了增加實驗學時，增大綜合性、設計型實驗比例，但這無法從根本上滿足培養創新型人才的需要。
　　3.3.1.2從實驗平臺建設來看，一方面是產業發展所帶來的對高職電類專業人才的巨大需求，使得這類專業教育資源的嚴重匱乏，其中尤以投入相對較大的實驗教學條件的匱乏更為突出。另一方面是以某門課程為對象建設的實驗環境無法最大化利用；平臺的局限，嚴重制約了該類專業的發展，成為人才培養的瓶頸。
　　
　　因此，利用EDA技術，改革高職電類專業的實驗模式，研究硬件類課程之間的關系，設計系統的實驗教學體系，對培養具有創新能力的高素質應用型人才將起決定性作用。
　　3.3.1.3EDA技術可以將那些分散的硬件類課程有機地連接起來，構建涵蓋硬件課程的階段性、層次化的、系統的實驗體系。具體可構建如下層次的實驗教學體系。第一層次為基礎層實驗，涉及常用電路的分析和設計，包括功能驗證型實驗、一些常規的設計性實驗等。第二層次為系統層次實驗，能夠實現硬件系統的各種組成部件或整機系統，追求硬件系統結構的優化和性能的提高，培養學生進行性能分析和測試的能力。第三層次為應用層次實驗，主要完成嵌入式系統的硬件、軟件的設計和軟硬件綜合設計，使學生能熟練進行嵌入式系統應用程序開發和運用嵌入式操作系統進行任務調度和管理，最終設計出一個完整的嵌入式系統。
　　3.3.3在不同的學習階段，學生學習了相應的硬件類課程后，就可以采用EDA技術，自行設計與本課程相關的電路，通過此過程，學生的自主設計能力和創新意識將得到極大提高。將EDA技術的應用貫穿于硬件課程的實驗教學中，主要有以下作用。
　　3.3.3.1EDA技術的應用是高職電類專業硬件體系實驗教學的一個重要補充，通過設計的描述、軟件仿真和時序分析，學生可以深化所學的硬件知識，更透徹地了解這些硬件的功能和結構，起到硬件體系實驗教學的一個重要補充作用。
　　3.3.3.2解決了硬件設備臺套數緊張與學生規模日益擴大之間的矛盾，由于EDA技術的特點，學生最初完全可以在計算機上借助EDA工具完成設計輸入、編譯、仿真和綜合，最后再到實驗臺上進行編程下載和驗證。在實驗平臺上，學生能夠完成涉及多門硬件類課程的實驗。采用這種模式，不需要很大的實驗室，也無須與學生規模相配套的實驗設備，實現了硬件資源的集約化利用。
　　3.3.3.3有利于隨時更新硬件實驗內容，開設自主性、綜合性、創新性實驗，硬件技術的發展日新月異，傳統的實驗裝置無法緊跟其發展，而借助于EDA技術，教師可以跟蹤先進技術的發展，把EDA技術融合到其他硬件課程中，多開設一些自主性、綜合性、創新性實驗。不僅如此，EDA軟件還可以充分發揮學生的想象力和創造力設計出他們感興趣的電路來，而不會受客觀條件的約束，使學生能夠應用EDA技術完成硬件的原型設計，也可進行設計工具方面創新課題的研究，這無疑對培養創新性人才起著重要的作用。
　　4.結語
　　EDA技術以其鮮明的時代特征、不可阻擋的科技誘惑走入我們的教學，并為開放性實驗室建設提供了一種強有力的輔助手段，EDA技術必將給學生以極大的創造空間，強化學生在教學活動中的主體地位，有利于學生創新思維和創新能力的培養，有利于學生個性和才能的全面發展。通過EDA技術和硬件系列課程體系融合的實踐，我校培養的學生也受到人才市場的歡迎。EDA技術是一種精神，更是一種理念，特別對以培養“應用型”人才為主導的高職院校，必須抓住當前大好時機，采用新技術、新方法來培養學生、鍛煉學生，為創新人才的脫穎而出創造條件。
　　
　　參考文獻：
　　［1］朱正偉等.EDA技術及其應用.清華大學出版社，2006.
　　［2］夏益民. 電子設計自動化技術發展對電子類專業教學的影響. 廣東工業大學學報（社會科學版），2005，（9）：242-246.
　　［3］謝云等. 現代電子技術實踐課程指導. 北京:機械工業出版社，2003：193-220.
　　［4］田建艷，夏路易. EDA 支持下的電子技術教學實踐. 教育理論與實踐，2005，（6）：54-55.
　　［5］曹曉莉，江朝元.電子信息類專業實踐教學改革初探。重慶工商大學學報（自然科學版）2007，（4）：208-209.
　　［6］萬曉冬等.計算機硬件系列課程體系改革探討。電氣電子教學學報，2007，（4）：4-6.