EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜述

周澤華 譚 敏

（合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系 安徽 合肥 230601）

EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜述

周澤華 譚 敏

（合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系 安徽 合肥 230601）

論述了EDA技術(shù)的基本概念，分析了高校EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題和不足。最后對(duì)EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

EDA；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；SOPC

0 引言

EDA是Electronic Design Automation（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）的縮寫。EDA技術(shù)，就是以大規(guī)模可編程邏輯器件為設(shè)計(jì)載體，以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)模可編程邏輯器件的開發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)開發(fā)工具，通過(guò)使用有關(guān)的開發(fā)軟件，自動(dòng)完成電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒囊婚T新技術(shù)[1-2]。EDA課程是一門理論性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課，它強(qiáng)烈沖擊了傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法，是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，幾乎所有高校的電類專業(yè)都開設(shè)了EDA課程，而且各高校在積極開展EDA教學(xué)的同時(shí)，紛紛建立起了EDA實(shí)驗(yàn)室。EDA實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該怎么利用，EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該如何開展才能提高教學(xué)效果，是EDA教學(xué)人員一直在反復(fù)思考和探索的問(wèn)題。其實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與教學(xué)效果的好壞直接影響到專業(yè)課程的教學(xué)。

1 EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

我們通過(guò)對(duì)編程語(yǔ)言、軟件選擇、配套硬件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、課程設(shè)置幾個(gè)方面對(duì)目前EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析[3-6]。

1.1 編程語(yǔ)言與軟件的選擇

大部分高校采用VHDL或VerilogHDL進(jìn)行課程理論教學(xué),以此為基礎(chǔ)讓學(xué)生對(duì)EDA技術(shù)有初步的認(rèn)識(shí)和了解。同時(shí),利用VHDL (VerilogHDL)進(jìn)行軟件編程,開設(shè)一系列的實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)。由于當(dāng)前世界各地較為流行的EDA工具軟件種類繁多,性能各異,其中因Protel、Multisim、MAX+PLUSⅡ和QuartusⅡ特點(diǎn)突出、功能齊全、操作方便,在教學(xué)中應(yīng)用廣泛。許多高校就是在以上幾種軟件中選擇一種或幾種完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.2 配套硬件與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

目前市場(chǎng)上EDA實(shí)驗(yàn)設(shè)備品種多,但大部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是以FPGA為主體配合點(diǎn)陣模塊、LED流水燈模塊、LED數(shù)碼管顯示模塊、并帶有RS232串口、PS/2鼠標(biāo)鍵盤接口等模塊組成。利用以上硬件資源,可以完成移位寄存器、編碼器、譯碼器、跑表、電子時(shí)鐘、交通燈、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字電壓測(cè)量等各種不同層次的實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)。

1.3 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置

高校對(duì)EDA實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置,一般包括8～16課時(shí)的實(shí)驗(yàn),1～2周的課程設(shè)計(jì),另外在畢業(yè)設(shè)計(jì)與畢業(yè)論文寫作的環(huán)節(jié),有很大一部分學(xué)生選擇EDA技術(shù)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐動(dòng)手能力訓(xùn)練,展開思考與研究。對(duì)于電子、計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè),大部分高校對(duì)于EDA技術(shù)的實(shí)驗(yàn)開設(shè)都在有限的人力資源與硬件設(shè)施資源的條件下有相當(dāng)?shù)耐度?將其作為理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué),培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)來(lái)布置安排。

2 EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題和不足

EDA技術(shù)涉及知識(shí)面較寬,包括數(shù)字邏輯電路,硬件描述語(yǔ)言,微機(jī)原理,單片機(jī)原理與應(yīng)用,DSP原理等理論課程;所應(yīng)用的領(lǐng)域也十分廣泛,包括DSP技術(shù),嵌入式系統(tǒng),傳感與控制,PCB設(shè)計(jì),電源技術(shù)等。因此,讓學(xué)生對(duì)EDA技術(shù)有一個(gè)全面深入的理解顯得十分重要又相對(duì)困難[7-9]。

技術(shù)的不斷創(chuàng)新與教學(xué)的相對(duì)滯后是各工科專業(yè)面臨的共同問(wèn)題。特別是在電子技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù),智能化技術(shù)的新概念,新方法,新理論不斷涌現(xiàn)的今天,EDA技術(shù)的發(fā)展也是日新月異。在此背景下,高校EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻一直處在一個(gè)停滯落后的狀態(tài)。時(shí)興的設(shè)計(jì)軟件如：Workview Office,NiosII等,得不到應(yīng)用,流行的技術(shù)不能向?qū)W生傳授,實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)很多停留在計(jì)算機(jī)仿真階段,以至于學(xué)生認(rèn)為不能學(xué)以致用,走上社會(huì)一切又要從頭學(xué)習(xí)。

由于EDA技術(shù)的日新月異,曾被普遍認(rèn)為最優(yōu)秀的PLD開發(fā)平臺(tái)之一的MAX+PLUSII軟件目前已經(jīng)由QuartusII替代,不再推薦使用。MAX+PLUSII軟件適合開發(fā)早期的中小規(guī)模PLD/FPGA,對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)易學(xué)易用,因此目前教學(xué)仍然采用此軟件。從MAX+PLUSII軟件過(guò)渡到QuartusII是必然的趨勢(shì),這需要硬件的支持,電腦內(nèi)存至少要上512M。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)機(jī)房電腦達(dá)不到這個(gè)配置。另外,QuartusII比MAX+PLUSII內(nèi)容更多,如何教學(xué)也是一大難題。EDA實(shí)驗(yàn)箱把FPGA芯片焊接在電路板上,配備了下載口和電源,如何教學(xué)生掌握關(guān)于CPLD/FPGA器件的下載知識(shí)和與外部聯(lián)系也很困難,無(wú)法讓學(xué)生動(dòng)手,導(dǎo)致學(xué)生只能專注于VHDL硬件描述語(yǔ)言上。目前采用興趣小組的方式來(lái)讓部分學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí),由于單片F(xiàn)PGA的芯片成本比單片機(jī)成本要高許多,這也增加了動(dòng)手做PCB板的難度。

3 EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路

EDA技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)的目的是培養(yǎng)電氣信息類專業(yè)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力,在實(shí)驗(yàn)中逐漸提高他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,為以后從事EDA技術(shù)打下必要的基礎(chǔ)。如何在有限的時(shí)間內(nèi)掌握這門課程中的基本知識(shí),如何能緊跟上日新月異EDA技術(shù)的發(fā)展變化,如何利用現(xiàn)有知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)與創(chuàng)新,這是進(jìn)行EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)劃與調(diào)整需要考慮的問(wèn)題[12-15]。

基于EDA技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更注重培養(yǎng)學(xué)生的能力、個(gè)性及創(chuàng)新意識(shí),突出多層次、個(gè)性化的培養(yǎng)模式。其中,在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容上,減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),增加綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的安排上,增設(shè)了EDA實(shí)驗(yàn)課程,采用選做與必做相結(jié)合,學(xué)生可根據(jù)自己的能力、知識(shí)水平和興趣選做實(shí)驗(yàn)。

3.1 合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

依托EDA綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)的改革,以“加強(qiáng)基礎(chǔ)、開拓思維、培養(yǎng)能力”為改革指導(dǎo)思想,建立了一套“基本實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)+綜合設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究能力培養(yǎng)”三個(gè)培養(yǎng)層次的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中利用EDA綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采取了這一教學(xué)體系,收到較好的教學(xué)效果。

3.1.1 基本實(shí)驗(yàn)

基本實(shí)驗(yàn)包含實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱規(guī)定的必修和選修的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其中必修內(nèi)容包括：集成觸發(fā)器的測(cè)試和應(yīng)用、MSI時(shí)序功能件的應(yīng)用、1位全加器原理圖輸入設(shè)計(jì)和VHDL設(shè)計(jì)、7段數(shù)碼顯示譯碼器設(shè)計(jì)、含異步清零和同步時(shí)鐘使能的4位加法記數(shù)器的設(shè)計(jì)、4位十進(jìn)制頻率計(jì)設(shè)計(jì)等。選修的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的應(yīng)用、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的應(yīng)用、數(shù)控分頻器的設(shè)計(jì)等。該層次的主要目的是為培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能和理論聯(lián)系實(shí)際、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

3.1.2 提高型實(shí)驗(yàn)

提高型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)課題不局限于課程內(nèi)容,比如彩燈控制器的設(shè)計(jì)、電子搶答器的設(shè)計(jì)、汽車尾燈控制器的設(shè)計(jì)、出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等,課題可由學(xué)生自己選擇或由指導(dǎo)老師指定。由學(xué)生自行完成設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試,測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。此外,還通過(guò)開放實(shí)驗(yàn)的形式,在沒有實(shí)驗(yàn)課的時(shí)候出一些大的設(shè)計(jì)項(xiàng)目供學(xué)生去動(dòng)手做，增加學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)、自由解決問(wèn)題的機(jī)會(huì)以及查閱文獻(xiàn)資料的能力,切實(shí)加強(qiáng)綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

3.1.3 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)選修課、學(xué)生課外科技活動(dòng)、吸納優(yōu)秀學(xué)生參加教師的科研工作等方式進(jìn)行。這類課題主要有：電子密碼鎖、步行街道自助式交通燈控制器的設(shè)計(jì)等。對(duì)于此層次的實(shí)驗(yàn),教師著重幫助學(xué)生了解科學(xué)研究的基本方法,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

3.2 構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),倡導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

構(gòu)建開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的綜合型、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè),為學(xué)生提供良好的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境和開放式自主實(shí)踐教學(xué)服務(wù),倡導(dǎo)學(xué)生自主性的實(shí)踐學(xué)習(xí)和實(shí)踐研究,真正體現(xiàn)層次化、個(gè)性化的培養(yǎng)模式。同時(shí),建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控和評(píng)估機(jī)制,強(qiáng)化開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組織與管理,確保開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)室管理上,采用全天候向?qū)W生開放的新模式,學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間,根據(jù)自己的課題進(jìn)行EDA設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn),不僅充分利用了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源,同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力。

3.3 采用多種形式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，開展多種形式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和動(dòng)手能力。比如把雙語(yǔ)教學(xué)引入到EDA實(shí)驗(yàn)課程中，EDA實(shí)驗(yàn)課程作為一門前沿專業(yè)課程,雙語(yǔ)教學(xué)是一種獲取知識(shí)的手段,他的目的是更好的學(xué)習(xí)專業(yè)課程。基于網(wǎng)絡(luò)的EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為現(xiàn)代教學(xué)的重要組成部分,展示出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。它擴(kuò)大了教育規(guī)模,提高了教育速度,促進(jìn)了教育改革,為創(chuàng)新教育構(gòu)造了環(huán)境。

3.4 開展形式多樣的課外科技活動(dòng)

開展分層次、多樣化課外科技活動(dòng),精心設(shè)計(jì)課外創(chuàng)新活動(dòng)內(nèi)容,針對(duì)不同層次的同學(xué)設(shè)計(jì)不同的內(nèi)容和不同的形式,加強(qiáng)EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)生科技實(shí)踐活動(dòng)的緊密結(jié)合。重點(diǎn)擴(kuò)大學(xué)生對(duì)各類活動(dòng)的參與面,讓更多的同學(xué)真正參與到課外科技創(chuàng)新活動(dòng)中,并從中受益。

3.5 強(qiáng)化優(yōu)秀學(xué)生培養(yǎng)力度

強(qiáng)化優(yōu)秀學(xué)生的培養(yǎng)力度,在科研活動(dòng)中提高學(xué)生的創(chuàng)新水平。為提高優(yōu)秀學(xué)生科研能力,積極培養(yǎng)“拔尖”人才,中心在開展通識(shí)教學(xué)的同時(shí),注重“拔尖”學(xué)生的“個(gè)性化”教育,努力為他們提供創(chuàng)新訓(xùn)練的條件與環(huán)境。

3.6 讓SOC與SOPC的概念融入學(xué)生所學(xué)理論

SOC的概念的定義很多,內(nèi)容也十分廣泛,很難給出一個(gè)確切的定義。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)SOC就是在一塊芯片上集成一個(gè)完整的系統(tǒng),同時(shí)它又代表著一項(xiàng)技術(shù),用以實(shí)現(xiàn)從確定的系統(tǒng)功能開始到軟/硬件劃分,將微處理器、模擬核、數(shù)字核和存儲(chǔ)器集成在單一芯片上以完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。近年來(lái),隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,FPGA的性能與性價(jià)比完全可以與ASIC媲美,在這樣的背景條件下,一種被稱為片上可編程系統(tǒng)(SOPC)的新技術(shù)出現(xiàn)了。SOPC技術(shù)即在FPGA中放入一個(gè)處理器,一般通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)：一種是在FPGA中植入一個(gè)嵌入式的硬核處理器,一種是使用FPGA制造廠商提供的軟核處理器,比如Altera的NIOS II軟核處理器和Xilinx的MicroBlaze軟核處理器等。在目前國(guó)內(nèi)高校的EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,對(duì)SOC技術(shù)及其新發(fā)展的SOPC技術(shù)關(guān)注較少。然而SOC技術(shù)與SOPC技術(shù)將是今后EDA技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要方向,更是改良與替代ASIC技術(shù)的主要方案。因此,在高校教學(xué)中推廣這一技術(shù),讓學(xué)生很好了解接觸這些技術(shù)是十分重要的。而目前國(guó)內(nèi),清華大學(xué)科教儀器TPG-EDA/SOPC教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則為廣大師生提供了一個(gè)非常靈活方便的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。它提供了完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外圍設(shè)備,包括音視頻處理的多媒體設(shè)備,多樣的可擴(kuò)展的存儲(chǔ)設(shè)備,USB芯片,不同核心板上采用不同的軟核或硬核。在使用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成一個(gè)SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,學(xué)生需要數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)與原理、C語(yǔ)言編程等相關(guān)背景知識(shí),在此期間,學(xué)生既鞏固了相關(guān)理論知識(shí),又掌握了現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,符合現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用實(shí)際,有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。由此可見,將SOPC這樣的新概念,新技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)課堂,無(wú)論從教學(xué)發(fā)展的必要性,還是從學(xué)生知識(shí)體系整合的必要性,以及為學(xué)生走上社會(huì)奠定工作的技能基礎(chǔ)都是十分有意義的。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,EDA技術(shù)已經(jīng)成為電子電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要手段,如何讓學(xué)生盡快盡好地在學(xué)校掌握基本知識(shí)和相應(yīng)的動(dòng)手能力,為將來(lái)從事這方面的工作,甚至是進(jìn)行專用集成電路ASIC的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),是擺在面前的一大難題。總的來(lái)說(shuō),從培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的興趣、編寫合適的教材、采用多媒體的教學(xué)手段、注重EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)、改進(jìn)現(xiàn)有條件、增加學(xué)生的動(dòng)手能力、強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新等方面入手,對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量無(wú)疑會(huì)有極大幫助,也有益于提高學(xué)生的綜合應(yīng)用電子技術(shù)開發(fā)電子產(chǎn)品與電子系統(tǒng)的基本能力。EDA技術(shù)作為新興技術(shù)的發(fā)展方興未艾,隨著此項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展,高校EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不能墨守陳規(guī),死板僵硬,而必須不斷改進(jìn),不斷創(chuàng)新,改進(jìn)教學(xué)的方式與方法,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)與內(nèi)容。唯有如此,才能不斷提高電子工程及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量。

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Survey of EDA Experimental Teaching

ZHOU Ze-huaTAN Min
(Department of Electronics&Electrical Engineering,Hefei University,Hefei Anhui，230601,China)

This paper discusses the basic concept of EDA and Analysis the present situation and Problems of the EDA experimental teaching of College.EDA experimental teaching new ideas were discussed in detail at the end of the paper.

DA；Experimental teaching；SOPC

周澤華（1982—），男，安徽宿松人，實(shí)驗(yàn)師,碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

安徽省教育廳重點(diǎn)教學(xué)研究項(xiàng)目（20100934）；國(guó)家教育部、財(cái)政部第四批高等學(xué)校特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)“電子信息工程專業(yè)”(TS11497)；2011年度安徽高校省級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2011B136)。

王靜］