EDA技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的研究與探討

蔡思靜

（福建工程學(xué)院 福建福州 350108）

EDA技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的研究與探討

蔡思靜

（福建工程學(xué)院 福建福州 350108）

基于現(xiàn)階段EDA教學(xué)模式分析，提出了基于FPGA平臺(tái)的EDA實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，闡述了該模式的設(shè)計(jì)思路，說(shuō)明了實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)安排，描述了該模式在教學(xué)過(guò)程中取得的效果。實(shí)踐證明，該教學(xué)模式提高了EDA課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)效果。

教學(xué)模式；SOPC；EDA；QUARTUSⅡ

引言

EDA技術(shù)作為一門(mén)綜合性學(xué)科，在硬件方面融合了大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、制造和封裝技術(shù)，在計(jì)算機(jī)輔助工程方面融合了CAD、CAM和CAT等技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)代電子學(xué)知識(shí)為現(xiàn)代電子理論和設(shè)計(jì)的表達(dá)與實(shí)現(xiàn)提供保障[1]。技術(shù)市場(chǎng)和人才市場(chǎng)對(duì)于EDA技術(shù)的需求與依賴性與日俱增，產(chǎn)品和技術(shù)的市場(chǎng)要求必然反映到教學(xué)領(lǐng)域[2]。以最近的十屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽為例，每年賽題均涉及

EDA技術(shù)，這體現(xiàn)了EDA技術(shù)在電子類本科教學(xué)中的重要地位。

一、現(xiàn)階段EDA教學(xué)模式分析

EDA技術(shù)教學(xué)在電子與計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教學(xué)中的普及率和滲透率極高，尤其是作為電子科學(xué)本科教學(xué)，對(duì)學(xué)生的思維模式構(gòu)建有著重要作用[3]。EDA技術(shù)的教學(xué)具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，需要通過(guò)大量實(shí)訓(xùn)反饋才能真正學(xué)好。目前大多數(shù)高校EDA技術(shù)的授課課時(shí)數(shù)一般安排為48課時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)課占10課時(shí)，實(shí)踐課和理論課的課時(shí)數(shù)比例約為1：3.8，且課程多安排在三年級(jí)。這不難看出其弊端：首先，重理論輕實(shí)踐的設(shè)置，導(dǎo)致學(xué)生只注重書(shū)面應(yīng)試。其次，課程安排時(shí)間較晚。EDA技術(shù)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，是多門(mén)專業(yè)技術(shù)課程的基礎(chǔ)(如工業(yè)自動(dòng)化、集成電路設(shè)計(jì)等)，其結(jié)果是導(dǎo)致后續(xù)課程得安排到大學(xué)四年級(jí)開(kāi)展，與學(xué)生的畢業(yè)、實(shí)習(xí)、求職形成矛盾。這導(dǎo)致的結(jié)果是：學(xué)生對(duì)EDA技術(shù)的認(rèn)識(shí)非常粗淺；學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)箱的操作、定制模塊的調(diào)用概念模糊；學(xué)生不具備SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的能力，降低就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

EDA技術(shù)現(xiàn)階段的本科教學(xué)而言，存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)單一，實(shí)驗(yàn)箱利用率不高，實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展及創(chuàng)新性不夠，學(xué)生的實(shí)踐能力不強(qiáng)，教學(xué)成果難達(dá)預(yù)期等問(wèn)題。無(wú)法滿足大學(xué)本科，尤其是應(yīng)用型本科的教學(xué)要求。

二、EDA技術(shù)的應(yīng)用型本科教學(xué)模式設(shè)計(jì)

本課題將針對(duì)現(xiàn)階段EDA課程設(shè)置存在的問(wèn)題及需求，進(jìn)行EDA技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的探索，該實(shí)訓(xùn)由65個(gè)課時(shí)組成，包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(16學(xué)時(shí))、實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)(課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(26學(xué)時(shí))和獨(dú)立實(shí)驗(yàn)(23學(xué)時(shí)))。

1.EDA技術(shù)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。EDA研究型課內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是：掌握硬件描述語(yǔ)言(VHDL語(yǔ)言)的編程方式及技巧；掌握QUARTUSⅡ、MuxPlusⅡ等軟件操作；具備獨(dú)立完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EDA開(kāi)發(fā)；熟悉實(shí)驗(yàn)箱的功能模塊及功能引腳，結(jié)合FPGA開(kāi)發(fā)，完成接口及模塊調(diào)用等綜合性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從簡(jiǎn)單的組合電路設(shè)計(jì)到復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以包括以下兩個(gè)部分：

(1)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)部分。該部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行邏輯行為的實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，即通過(guò)EDA工具完成數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的部分內(nèi)容，如：計(jì)數(shù)器、編碼/譯碼電路、分頻器及脈沖發(fā)生器等。其特點(diǎn)是工作頻率低，非EDA技術(shù)及相關(guān)器件也能完成，EDA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不明顯。

(2)綜合性實(shí)驗(yàn)部分。該部分進(jìn)行控制與信號(hào)傳輸功能的實(shí)現(xiàn)。如：A/D高速采樣、自動(dòng)化控制、接口與通信模塊設(shè)計(jì)等。其技術(shù)指標(biāo)大幅提高，可以讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到EDA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并為電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

2.EDA技術(shù)的實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)。EDA研究型實(shí)訓(xùn)模型的設(shè)計(jì)目的是：掌握軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)的SOPC開(kāi)發(fā)流程；可以根據(jù)硬件及性能需要進(jìn)行CPU及外設(shè)的選擇；具備利用EDA工具編寫(xiě)FPGA軟件可識(shí)別的文件，可以根據(jù)具體需要調(diào)用相應(yīng)的IO及API函數(shù)等程序編寫(xiě)能力，利用SOPC Builder定制模塊等實(shí)際操作能力；熟悉編譯下載環(huán)境，完成調(diào)試和優(yōu)化工作。

實(shí)訓(xùn)模型[4,5]的設(shè)計(jì)內(nèi)容可以是基于SOPC平臺(tái)的算法設(shè)計(jì)：

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目1(基于SOPC的USB枚舉實(shí)驗(yàn))掌握SOPC的基本流程；掌握PDIUSBD12核的使用方法；掌握USB枚舉的基本過(guò)程；掌握PDIUSBD12芯片的基本使用方法。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目2(以太網(wǎng)口口通信實(shí)驗(yàn))熟悉以太網(wǎng)協(xié)議；掌握網(wǎng)絡(luò)分析工具Sniffer的基本使用；掌握RTL8019AS各寄存器的意義及其設(shè)置；掌握RTL8019AS數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；掌握自定義IP核-RTL8019AS核的用方法。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目3(音頻CODE實(shí)驗(yàn))了解SPI接口工作的基本原理；了解通過(guò)軟件正確的控制SPI接口；熟悉定制各模塊；掌握對(duì)SPI接口正確操作的過(guò)程。

實(shí)訓(xùn)情景1(基于SOPC的USB枚舉實(shí)驗(yàn))掌握NiosⅡ CPU配合自定義IP核操作；通過(guò)PDIUSBD12芯片的初始化，了解芯片初始化步驟；完成USB設(shè)備插入到主機(jī)后的基本枚舉工作；設(shè)計(jì)一個(gè)除了PDIUSBD12核外的輸入型PIO核，負(fù)責(zé)檢測(cè)USB的中斷請(qǐng)求。

實(shí)訓(xùn)情景2(以太網(wǎng)口口通信實(shí)驗(yàn))通過(guò)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容正確控制RTL8019AS，掌握寄存器的初始化、讀取以及通過(guò)寄存器正確的收發(fā)數(shù)據(jù)包到PC機(jī)。

實(shí)訓(xùn)情景3(音頻CODE實(shí)驗(yàn))通過(guò)實(shí)訓(xùn)完成FPGA的SPI接口控制音頻CODEC芯片TLV320AIC23的操作。設(shè)計(jì)如何加入SPI接口，并使其工作在主設(shè)備模式。

三、教學(xué)改革實(shí)施效果

通過(guò)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的改革，學(xué)生的電子操作素養(yǎng)不斷提升，主要體現(xiàn)在以下方面：

1.學(xué)生操作能力大幅提高。EDA技術(shù)實(shí)訓(xùn)考核成績(jī)優(yōu)秀率從9.26%提升到13.2%。08、09級(jí)的電科班僅個(gè)別小組完成自選環(huán)節(jié)，答辯率在56%左右。電科10級(jí)同學(xué)在考核過(guò)程中，完成必選環(huán)節(jié)的同學(xué)達(dá)到100%，答辯率100%。此外，自選環(huán)節(jié)完成率達(dá)到38%，另外有13%的同學(xué)提供了自備創(chuàng)新模塊的操作及演示。

2.學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到充分調(diào)動(dòng)。非電科專業(yè)的同學(xué)選修人數(shù)明顯提升，電科專業(yè)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)均做到選修、出勤和答辯率100%。該課程2013年的教師課程加權(quán)平均分在電科專業(yè)中達(dá)到92.6390，較大分值的領(lǐng)先于其他課程。

3.實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。該教學(xué)模式依托省十二五規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目展開(kāi)，在項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中，申請(qǐng)廳級(jí)項(xiàng)目一項(xiàng)，校級(jí)項(xiàng)目多項(xiàng)，讓更多的同學(xué)參與到項(xiàng)目中。

四、結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)訓(xùn)模式正不斷在教學(xué)過(guò)程中摸索，并初顯成效，主要體現(xiàn)在：首先，學(xué)生對(duì)EDA平臺(tái)和開(kāi)發(fā)流程的理解更為深刻，克服以往教學(xué)設(shè)計(jì)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)停留在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的階段。第二，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，以往的課程安排中學(xué)生習(xí)慣于理論學(xué)習(xí)，動(dòng)手操作能力不強(qiáng)。通過(guò)不斷豐富學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容，從編程設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化到實(shí)驗(yàn)仿真、顯示，讓學(xué)生在實(shí)際操作中不斷提高工程開(kāi)發(fā)能力和創(chuàng)新水平。第三，達(dá)到以實(shí)訓(xùn)促理論的效果，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中積累的編程經(jīng)驗(yàn)和不斷激發(fā)的創(chuàng)作熱情，帶動(dòng)了學(xué)習(xí)理論知識(shí)的熱情，并為后續(xù)課程的開(kāi)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)然，該模型還需要不斷改進(jìn)，在今后的教學(xué)中將積極摸索，力求適應(yīng)現(xiàn)階段EDA教學(xué)的需要。

[1]黃衛(wèi)華,賈歷程.基于FРGА的ЕDА實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(4):203-206.

[2]蔣麗華.基于ЕDА技術(shù)的單周期СРU設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐[М].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[3]劉昌華.ЕDА技術(shù)與應(yīng)用--基于Quаrtus II和VНDL[М].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[4]尹今揚(yáng),蘆靜,陳冰虹,施珩.程控X線機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(5):209-211.

[5]譚會(huì)生.基于ЕDА技術(shù)的研究性教學(xué)探討[J],中國(guó)電力教育,2012,17(017):35-36,40.

Researching of experimental teaching mode based on EDA technique

Cai Si-jing

(Fujian University of Technology, Fuzhou Fujian,350108, China)

A Researching Teaching Mode based on EDA technique is given and the design idea of the experimental mode is discussed too. The experiment and practical training design of the teaching mode is analyzed. The results show that the teaching mode enhanced the effectiveness of theoretical and practical teaching of EDA.

teaching mode；SOPC；EDA；QUARTUSⅡ

TN702

A

1000-9795（2014）03-0193-02

［責(zé)任編輯：劉麗杰］

2014-01-14

蔡思靜（1983-），女，福建南平人，講師，從事微電子學(xué)應(yīng)用及教學(xué)研究。

福建省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度重點(diǎn)課題（FJCGZZ12-013，校內(nèi)編號(hào)：GYS12042）。