數字邏輯與電路課程教學改革研究

◆葉海雄 匡興紅

數字邏輯與電路課程教學改革研究

◆葉海雄 匡興紅

數字邏輯與電路課程是理工類大學本科生基礎課。增加COLLE測試并引入EDA技術，前者改善講解的教學方法；后者通過使用EDA技術，以提高學生獨立分析問題的能力，為大學生創新奠定結實的基礎。

數字邏輯與電路課程；EDA技術；COLLE測試

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.122

1 引言

隨著科技的不斷發展，數字電路易集成、運算邏輯能力強等特點在計算機、信息、電子、自動化、航天等領域有著廣泛的應用。目前各個大學本科院校理工類專業在大學一、二年級把數字邏輯與電路課程 作為一門基礎必修課來開設。該課程通常由數字邏輯和EDA（Electronic Design Automation）技術兩部分組成，其目的是讓學生系統地獲得數字邏輯必要的基本理論知識，同時能夠掌握EDA開發軟件，將硬件描述語言編程方法和可編程器件的開發及符合工程規范的系統設計技術有機融合在一起，強調理論和實際的聯系。目前該課程教學方式以教師在課堂上講授為主，學生被動接受知識，同時完成驗證性實驗，其效果是學生掌握理論知識不牢固，并對計算機硬件描述語言編程仍然把握不足，缺乏社會競爭力。

為充分發揮學生的主觀能動性和學習知識的積極性，教師需利用現有教學資源并結合企業崗位需求重新整合教學內容，在教學中增加COLLE測試以鍛煉學生口頭表達、邏輯分析、解決問題的綜合能力，并要求學生利用EDA技術搭建實驗平臺參與電子設計實踐項目，以培養學生動手和創新能力。

2 增加COLLE測試，培養學生綜合能力

COLLE測試是法國高等教育特色教學方式之一，測試時間約為一小時，每次測試有六位學生參加。測試內容由教師提問和學生解題兩部分組成。前半部分即教師分別向學生提出不同的問題，如要求學生復述定義、解釋 定理、分析問題等，通過每個學生即時的回答，教師可以快速考查學生對課堂知識的掌握程度，從而更好地安排教學進度；后半部分是教師分別給學生不同的習題，學生當場在黑板上進行演算和解答，并闡述解題思路及過程。如果學生在答題過程中遇到困難，教師可啟發并幫助解答問題。通過演算和解答訓練，學生不斷了解自己掌握知識的缺漏，學習教師的解題經驗，清楚地找出學習中存在的問題。在COLLE測試中，不設唯一答案、沒有統一的標準，教師會根據學生的現場表現給出評分，并對學生的今后學習給出建議，憑借學生的綜合表現來考查學生的學業水平。在測試中，學生和教師位置互換，充分體現出以學生學習為主、教師幫助為輔的教學精神。

3 利用EDA 技術培養學生動手能力

EDA技術即電子設計自動化技術，該實驗平臺包括EDA硬件開發和硬件描述語言平臺。目前大部分院校采用的是Quartus II工具軟件平臺。考慮到學生有一定的C語言基礎，上海海洋大學該課程使用以C語言為主的GAUT軟件、Quartus II工具和NiosII IDE硬件開發相結合的平臺。

GAU T（Generation Automatic d’Unite de Traitement）軟件是一款由法國布列塔尼大學開發的開源高級綜合工具，它能夠將符合要求的C語言綜合出符合IEEE標準的RTL級的VHDL代碼，生成仿真腳本、原理圖和報告，大幅減少硬件設計時間。使用該工具進行可編程開發的過程由分析算法、條件約束、調度綁定和RTL綜合等步驟組成。該軟件包括的可編輯配置有C語言分析編譯器、工藝庫、內存（如單口/雙口RAM、ROM、FIFO、移位寄存器等）、IP接口（如寄存器）。由此可見，GAUT軟件功能強大，把實際設計和日常教學融合為一體。

Quartus II工具是目前高校普遍采用的教學實驗軟件。該工具支持VHDL、Verilog硬件描述語言，包括的功能模塊有分析綜合器、適配器、時序分析器、網表生成器、編輯數據接口等，同時該軟件支持第三方仿真工具Modelsim。

NiosII IDE硬件開發平臺是Altera公司針對大學研究機構推出的一款符合數字邏輯與電路課程的多媒體開發平臺。據統計，目前全球眾多名校，如哈佛大學、伯克利大學、巴黎第十一大學、蘇黎世理工學院，國內的北京大學、上海交通大學、東南大學等，都將NiosII IDE和Quartus II工具軟件平臺用于微機原理、數字信號處理、嵌入式系統等課程的教學。眾多國際半導體廠商（如三星、高通、聯發科、意法半導體等公司）也以該平臺從事原型機設計。而學生可以借助該平臺進行由簡到繁的數字電路系統的設計實踐，通過大量實戰性的演練，學生了解該領域國內外前沿技術，提高動手能力和社會競爭力。

4 教學實踐過程

數字邏輯與電路課程教學改革分為課堂教學和實驗教學兩部分。

在課堂教學的COLLE環節，具體教學要求分為三個部分。

1）要求學生復述代入、反演、對偶等定理，卡諾圖化簡規則，組合邏輯電路的定義，觸發器的特征方程，分析時序邏輯電路的步驟等基礎概念知識。

2）教師給出習題讓學生在黑板上解答，如要求學生根據題意寫出真值表、邏輯表達式、激勵方程、輸出方程，畫出狀態圖、時序圖，確定邏輯功能。

3）如果學生在解題時遇到困難，教師幫助提示啟發學生，鼓勵學生尋找最簡便的解題方法，最后幫助學生總結解題思路。如在卡諾圖中按照常規解題思路，在化簡過程中，大部分學生會按規則合并所有邏輯′1′的表達式，然后再化簡。然而在卡諾圖中出現大部分邏輯′1′情況下，只需寫出少數邏輯′0′表達式，然后根據反演定理，通化簡得到答案。通過COLLE測試，學生可以補足學習上的缺漏，為今后的學習打下結實的基礎。

在實驗教學環節中，要求學生設計一個數值濾波器，具體實驗教學可分為五個階段，

第一階段：要求學生搭建二進制加法器和一位全加器，通過手工操作實驗體會設計過程的艱難和繁瑣，同時要求學生熟悉使用相關的EDA技術軟件，如GAUT、Quartus II。

第二階段：幫助學生使用EDA技術設計具有加法和乘法功能的運算器和移位寄存器的數據通路模塊，并通過高級綜合工具GAUT軟件自動生成相應的VHDL代碼，然后用Quartus II軟件驗證運算器的準確性。

第三階段：要求學生使用EDA技術完成內存的設計，可以利用FPGA2C35開發板上的含有存儲單元的可編程器件構建自己的內存，從而簡化設計。

第四階段：協助學生通過使用EDA技術將數據通路模塊和內存存儲器結合成數字濾波器，同時編寫程序對該設計進行調試以保證準確性。

第五階段：鼓勵學生物理實現可編程器件，確定可編程器件和濾波器的引腳關系，將設計結果下載到開發板上的可編程器件，使之滿足設計要求。

5 結束語

數字邏輯與電路是一門非常重要的本科生專業基礎課程，其特點是應用性強、更新快。在課堂教學中加入COLLE測試，以注重“教師與學生互換位置”，提倡以學生為主的教學思想，努力培養學生正確的學習方法。在實驗教學中加強鞏固學生對該課程知識的全面掌握和理解，特別是增強學生動手能力和創新能力。通過使用GAUT、Quartus II工具軟件和NiosII IDE硬件開發平臺，豐富教學內容，培養符合企業要求的創新人才，并積極探索和不斷實踐教學改革，為其他相關課程提供有價值的教改參考經驗。■

Teaching Reform on Course of Digital Logic Electronic and Circuit

YE Haixiong， KUANG Xinghong

The course of Digital Logic Electronic and Circuit is a basic technical course for undergraduate science technology students. The article adds the COLLE test and introduces the EDA technology， the rst improves the current teaching method； the last is through the use of EDA technology， in order to promote students’independent analyzing ability and makes a foundation for college students’ innovation in the future.

course of digital logic electronic and circuit； EDA technology； COLLE test

G642.0

B

1671-489X（2015）24-0122-02

作者：葉海雄、匡興紅，上海海洋大學（301206）。