基于FPGA技術的課程教學改革探索

胡靖，杜西亮

摘 要：文章從FPGA技術的內涵與開展FPGA技術相關課程教學改革的現實意義出發，闡述了俄式電路專業基于FPGA技術的課程教學改革目標，并提出了基于FPGA技術的課程教學改革策略，旨在提高集成電路專業學生的就業競爭力。

關鍵詞：集成電路;FPGA技術;教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2015）03-0035-02

FPGA（Field Programmable Gate Array）即現場可編程門陣列，是1985年美國Xilinx公司率先推出的一種新型的可編程邏輯器件，其規模大、集成高、靈活性強，實現邏輯功能廣。這為集成電路設計邁上了一個新的臺階，既克服了原有可編程器件門電路只能實現小規模電路，又解決了專用集成電路設計流程中需要反復驗證反復調整設計的不足，可以作為專用集成電路設計的原型驗證，及早發現錯誤及早更改，避免重復工作。隨著FPGA技術的快速發展，新型號的產品層出不窮，其在通信、數據處理、網絡、工業控制、軍事和航空航天等領域得到廣泛應用。FPGA技術已經成為從事集成電路設計工程師必須掌握的技術之一。目前，基于FPGA技術的集成電路設計已被許多高校集成電路專業作為主要的授課及實踐課程。

近年來，社會對熟練掌握FPGA技術的高素質高校畢業生的需求逐年增加。國內外知名企業每年都會到高校高薪招聘FPGA驗證工程師、FPGA數字設計工程師和SOPC設計工程師。為滿足社會需求，各高校相關專業開設了包含FPGA技術內容的課程，如黑龍江大學集成電路與集成系統專業，從2011年開始開設了“FPGA原理與應用”“硬件描述語言”和“SOPC設計技術”等相關課程。但是，由于學生基礎課程掌握不牢，同時受實驗條件及師資的限制，一些高校在FPGA相關課程教學中偏重講授硬件描述語言，而在FPGA應用方面涉及得很少，直接導致學生的實踐技能較差，就業時難以滿足企業需求。面臨就業壓力，為了提高自身競爭力，一部分學生花費金錢和時間自費到社會培訓機構進行FPGA技術方面的學習。因此，開展FPGA技術相關課程教學改革研究具有重要的現實意義。

項目組成員針對FPGA技術在集成電路設計領域中的應用進行了詳細的調查與分析，得出了可靠的調研結果，提出了初步的課程設置整合方案，重新設計教學內容，修改部分實踐教學內容，制定了FPGA技術的應用技能評價標準。

本學期對FPGA相關的課程體系進行改革，主要包括“FPGA原理與應用”“硬件描述語言”“SOPC設計技術”“數字集成電路設計”這四門課程，通過設置教學試點，取得了一定的成效。

一、基于FPGA技術的課程教學改革目標

針對課堂教學的局限性，鼓勵學生養成課外積極收集相關專業知識的主動自學能力;鼓勵學生積極參加各種設計競賽，將所學知識靈活應用于實踐，并使學生逐漸形成創新性思維，具有較高的工程素質和實踐能力。

二、基于FPGA技術的課程教學改革策略

1.明確教學目標，即通過對集成電路相關企業進行調研，了解企業對集成電路專業學生在FPGA技術方面所需的應用技能，進一步明確FPGA技術的教學目標。往往每個企業的研究方向不同，所用的開發環境、仿真工具都各不相同。為了滿足學生就業需求，教學目標應該重基礎、求延伸。在基礎扎實的基礎上，在應用方向上尋求延伸，使學生多接觸各種常用的典型開發環境。

2.整合與FPGA技術相關的課程，設計教學內容。由于幾門相關的課程由不同的教師在不同學期授課，同時存在著有些知識點重復講授，而有些重要知識點又在課程中沒有涉及到的現象。再加上對于硬件描述語言的學習僅僅通過課堂教學是遠遠不夠的，應該邊學邊練。根據專業特色、企業需求及修訂后的教學目標，對原FPGA技術相關的多門課程的教學內容進行深入分析，依據教學內容的關聯程度，制定課程整合方案，調整教學計劃，合理安排授課內容，做好銜接，充分利用教學資源。主要包括“硬件描述語言”增設相應實驗課（modelsim仿真）;原“數字集成電路設計”的實驗內容改為quartus ii開發工具綜合項目設計實驗;“FPGA原理與應用”除了介紹原理應用方面外，另增設針對FPGA實驗箱的實驗項目（Xilinx的ise開發工具）;“SOPC設計技術”課程中要求學生熟練掌握sopc builder 和 Xilinx EDK開發環境，使學生同時掌握并比較兩大公司的典型開發環境，以及系統級設計方法。

3.增設“ASIC綜合與時序分析”課程。現有的一部分FPGA教學實驗，僅僅停留在讓學生熟悉FPGA的設計流程、設計步驟，這遠遠不夠。綜合時序分析在電路設計中起著至關重要的作用，應進一步加強綜合時序分析環節，數字集成電路實驗不能僅停留在將RTL級代碼映射為電路結構的表面工作，應深入分析電路的時序、面積及功耗，讓學生具體體會各種約束在電路具體實現中的意義。因此，增設“ASIC綜合與時序分析”課程，針對ASIC設計購置了Synopsys軟件并建立了相應機房，使學生熟練掌握不同的設計軟件，以滿足設計需求。

4.調整實驗計劃，提高學生的動手能力。數字集成電路實驗通常以Modelsim仿真為主，學生只有在最后一個綜合實驗中才能用到FPGA開發板，開發板利用率不高，而且學生對開發板的熟悉程度根本不夠。應該增加FPGA開發實驗項目，讓學生熟悉開發板結構、核心器件及外設結構、連接方式，真正能熟悉開發工具，熟練掌握開發流程，鼓勵學生多動手、多實踐，真正做到活學活用。

5.加強師資隊伍建設。由于行業技術更新快，新技術、新工具層出不窮，而學校又存在講授知識老舊，教師技術參差不齊等諸多問題。因此必須加強師資隊伍建設，進行定期技術培訓，及時更新知識結構。通過定期培訓，可以為課程中實驗授課做較好的技術支持。同時支持教師參加培訓，使一線教師能有機會直接與各地從事集成電路數字設計的一線工程師（包括清華微電子所、中芯國際、華納電子、大唐微電子等知名單位的一線工程師）進行交流。及時了解行業新動態、新趨勢、新技術以及主流工具，更好地將最新的知識及相關信息傳授給學生，緊跟時代步伐。

6.變革教學方法。傳統的教學方法強調以課堂為中心、以教師為中心、以教材為中心，主要以講授為主，而忽視學生的積極性、主動性及創造性的發揮，這將影響FPGA技術的教學效果。而且這種方式過于枯燥，對FPGA技術教學遠遠不足。在FPGA技術的教學中，根據講授的內容，采用不同的教學方法。除了課堂講授外，在講解具體實例時應采用演示法。FPGA技術的實踐性和應用性很強，設置相關課內實驗應分為基礎性實驗、提高性實驗和綜合性實驗。在實踐教學中要堅持“重基礎與技能、求綜合與創新”的改革思路，加強學生工程思維訓練、調試和分析能力，提高實踐教學體系的創新性、綜合性。除課堂講授外，督促學生在教師指導下自學、自講，以討論為主的教學方式，并根據合作程序及自愿原則進行分組。針對“集成電路設計方法”課程教學內容，建立課外創新小組，為每個小組的階段性成果在課堂上進行成果發布，鍛煉學生的語言表達能力，建立自信心。同時，由教師引導，對創新小組遇到的問題進行課堂討論、分析，調動每個學生的積極性，提高學生自行發現問題、分析問題及解決問題的能力，取得了很好的效果。教師通過與學生互動了解學生的興趣、難點所在，有目的地調整教學內容，使課堂更靈活、更有效地解決學生在學習過程中的各種問題，

7.與企業合作，建立實訓基地，培養學生的團隊精神。有些能力較強的學生習慣于獨立完成某個項目，這違背了企業需要具有團隊協作精神成員的培養方針。實訓基地以分組形式分配項目，對每個學生進行明確分工，讓學生在每個項目中分別擔任項目團隊中的不同角色，承擔各自的任務，以團隊形式完成所分配的項目，并且每個學生在課程結業時必須完成項目團隊中不同角色的任務，得到相應學分。以實際項目為基礎，領著學生從立項到著手設計再到最終完成設計，讓學生熟練掌握項目完成的各個過程。在進行綜合項目實現的過程中，學生能體會到課堂知識用于實踐是遠遠不足的，這將促進學生查找相關資料進行自主學習，培養學生的自學能力、發現問題、分析問題及解決問題的能力。

8.制定FPGA應用能力評價標準。以教師通過每個學生在項目中完成任務比重、創新性思維，加上教師對學生宣講內容及表現，以及學生互評的結果作為學生FPGA應用能力的綜合評價結果。從合作意識、動手能力、溝通能力、分析解決問題的能力等方面進行綜合評價。

經過教學試點評估，通過課程改革，一些參加創新項目的學生能順利通過就業招聘單位的筆試面試考核，就業率明顯提高。進入創新小組學習的學生中有1/3能獨立編寫程序，1/4能獨立完成小型創新設計，全部學生能夠掌握FPGA設計流程。

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