基于EDA技術的數字電路教學研究

　　摘要：在分析傳統數字電路教學現狀的基礎上，提出將EDA技術融入數字電路教學改革中，通過實例說明EDA在數字電路教學中的優點。實踐證明，教學改革改善了數字電路的課堂教學和實驗教學方法，提高了教學效果、滿足了現代數字系統設計的要求。
　　關鍵詞：數字電路；EDA技術；教學改革；應用實例
　　
　　近年來，隨著大規模和超大規模可編程邏輯器件的出現，現代數字系統的設計要求越來越高，市場的需求前景廣闊。應用型人才的培養要密切聯系市場，使學生有能力盡快從事電子系統的設計。數字電路是計算機專業的一門重要的專業基礎課程，也是一門實踐性很強的課程，它直接影響后續課程，如微機原理與接口技術、計算機組成與結構、嵌入式系統等課程的學習，因此，學好數字電路是繼續學習的前提。隨著現代電子技術的發展，數字電路原有的教學模式已不適應現在應用型人才的培養，教學要融入新技術、突破傳統教學模式，因此，基于EDA技術的數字電路教學改革就成為一個重要的課題。
　　1引入EDA技術的必要性
　　1.1數字電路的教學現狀分析及存在的問題
　　數字電路課程重點介紹門電路、組合邏輯電路、觸發器和時序邏輯電路，涉及到的集成電路主要有編碼器、譯碼器、加法器、寄存器、計數器等。本課程目的在于使學生掌握各種基本電路，能夠根據實際對數字系統進行分析和設計。目前，數字電路的教學大多采用傳統教學方法，教師追求課程的理論性和系統性，過于強調基本原理、基本設計的推導過程。實驗環節則是一些驗證性的實驗，用以鞏固所學理論，數字電路的實驗基本在實驗箱上完成，對于復雜的數字系統，需要大量的芯片和連線。傳統的數字電路教學
　　一般遵循自低向上的設計方法，從電路的功能、真值表、輸出方程、邏輯電路圖到器件的選擇、連線、測試等，學生的認知停留在局部小器件上，復雜的系統設計思路受到限制。
　　此外，我校計算機專業數字電路課程為4個學分，64個學時，其中48個學時理論+討論，16學時的實驗，數字電路的實踐性很強，實驗學時僅限于集成電路芯片的驗證性實驗，數字電路的綜合性設計不足。因此，我們要增加學生自主設計電路的機會，另外，現代電子設計的發展趨勢要滿足企業對技術人員的需要，所以，數字電路課程的教學改革非常必要。
　　1.2引入EDA技術的優勢
　　1) 在數字電路教學中引入EDA技術，其強大的仿真功能很容易把實踐帶入課堂、帶入教學的每一個環節。利用EDA平臺，我們可以輕松實現復雜電子系統的原理圖輸入、模擬驗證、邏輯綜合、仿真設計、時序分析以及編程下載；同時，基于可編程邏輯器件的設計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[1]。
　　2)EDA技術代表了當今電子設計技術的最新發展方向。它不僅提供了一種現代電子設計技術，同時也為教學提供了一個極為便捷的、科學的實驗教學平臺。將EDA仿真軟件應用到教學中是一種教學手段的創新，也是提高教學質量的優選方法。
　　3) 引入EDA技術可以很方便地設計、測試和演示包括組合邏輯電路、時序邏輯電路和數字系統等各種電路，還可以對被仿真電路設置各種故障，從而可以在教學中模擬各種故障，以提高學生對實際電路分析和排故能力，方便考察學生的掌握情況。
　　2EDA技術與數字電路課程的融合
　　在目前的數字電路教材中，VHDL大多被放在最后一章，很多學校基本上沒有時間涉及這一部分。對此，我們應在課程的安排上，將VHDL的學習穿插在平時的教學中，根據每章的知識點進行有效融合，使教學達到意想不到的效果。
　　2.1課堂教學環節的應用
　　在數字電路的理論教學中，為了使教學更加直觀、形象、生動，我們采用過不同的教學方法，比如實物、動畫CAI，但這些方法都存在不足。EDA技術的引入，可以改善傳統電子教學的不足。在數字電路教學過程中，學生感到僅用原理圖的設計方法很難實現，此時，我們可以引導他們接受一種硬件描述語言的設計方法，即引入EDA技術，讓學生帶著一定的懸念接受EDA技術，在學習中產生新鮮感。
　　在教學中，師生借助EDA工具軟件Quartus II虛擬環境，進行數字電路的仿真，觀察電路產生的波形，以提高學生學習興趣。課堂上適當應用EDA技術，與傳統的教學互為補充，恰到好處地為師生搭建一個開放的、良好的“所想即所得”的交互平臺，實現傳統教學無法展示的內容[2]。在Quartus II工具中，提供各種各樣的電子元器件，學生可以采用原理圖的輸入法，根據具體的要求進行電路設計，或采用VHDL語言對電路的功能進行描述，并且對設計好的電路或程序進行編譯，設置一定的波形，進行虛擬仿真，分析邏輯關系，這些操作方便，界面直觀，不出教室即可實現。課堂上，師生能夠有效地通過虛擬平臺輕松完成電路設計，學生的疑問、創新性的想法等都可以及時得以驗證。
　　筆者認為，計算機專業的數字電路課程，教學重點是讓學生能夠很好地理解常用數字邏輯電路的邏輯功能，至于電路設計，實現方法不拘一格，可以采用傳統的中小規模集成電路，這是我們目前大多學校所要求的，這點固然重要，但對于計算機專業的學生來講，采用可編程的方法進行設計，不失為一種更好的方法。
　　2.2合作性學習的體現
　　EDA技術的引入，更有利于數字電路教學的合作性學習。目前，在數字電路教學中，一個數字電路功能的實現，經過功能分析—真值表—邏輯表達式—化簡—器件的選擇等，最終采用門電路或者中規模集成電路實現，電路圖比較固定，學生照此連線基本能夠得出結果，而對于其內部的邏輯關系、工作原理未必掌握得透徹。為了使學生更加深入地掌握基本理論和實際的電路設計能力，我們在教學中采用合作性教學方式，引入討論，學生分組進行。對一個特定的電路，我們要求學生采用傳統設計方法和EDA的設計方法，然后思考、對比。即便是采用VHDL語言來描述，同一個電路也可以采用不同的編寫方式，比如可以分別采用行為描述方式、寄存器傳輸描述方式和結構描述方式等，學生在功能編寫的過程中比較這些描述方式各自的特點，根據情況適當選擇。合作性學習突出了學生的參與程度，變被動為主動，一改傳統的以教師為主的教學模式，進一步激發學生的學習興趣和積極性。
　　2.3應用實例
　　根據筆者的教學實踐嘗試，在計算機專業的數字電路課程教學中，靈活采用EDA技術，用VHDL語言來描述，取得了較好的教學效果。
　　比如在教學“3-8譯碼器”時，根據譯碼器的功能和真值表，我們可以按照常規的模式設計出門電路組成的電路，結果是一個非常復雜的電路，也可以是一個中規模集成電路74LS138，熟悉每個引腳的功能等。但是如果根據真值表采用VHDL語言進行描述，則顯得非常清晰，下面是VHDL語言描述的74LS138的程序[3]。
　　LIBRARY IEEE;
　　USE IEEE.std_logic_1164.ALL;
　　ENTITY decoder_74LS138 IS
　　PORT