應用型本科大學FPGA教學改革與實踐

周可君

摘 要 “FPGA 原理及應用”作為一門應用型課程，具有很強的應用性及專業性，要求學生學習課程之后要具備一定的編程及動手能力。對于應用型本科大學電子專業學生，FPGA技術是一項重要并且應當熟練掌握的技術。文章結合 FPGA 行業動態和獨立學院的實際情況，針對目前FPGA教學的現狀及問題，提出了在FPGA教學及考核中的幾點改革意見，將理論教學與實踐課程相結合，旨在提高學生獨立思考及動手能力，提高本門課程的教學質量。

關鍵詞 應用型本科 FPGA 教學 考核

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.07.044

The Reform and Practice of FPGA Teaching of

Application - oriented Undergraduate University

ZHOU Kejun

（Chongqing Normal University Foreign Trade and Business College， Chongqing 401520）

Abstract "FPGA principle and application" as an applied course， has a strong application and professional， requires students to learn after the course to have a certain degree of programming and practical ability. For the application of undergraduate university electronics professional students， FPGA technology is an important and should be proficient in the technology. In view of the present situation and problems of FPGA teaching， this paper puts forward some suggestions on how to reform the teaching and practice in the teaching and evaluation of the FPGA， and aims at improving the students' independent thinking. And hands-on ability to improve the quality of the course of teaching.

Keywords application-oriented undergraduate； FPGA； teaching； assessment

0 引言

隨著電子技術的發展，FPGA（現場可編程門陣列）技術已成為電子信息技術中最熱門的技術之一，是現今電子技術領域的一個發展熱點，在通信、控制、電子等領域得到廣泛應用。[1]目前，FPGA設計人才需求很大。為適應市場就業需求，許多高校開設了FPGA技術的相關課程，特別是應用型本科大學，更需要培養能熟練掌握應用技術的學生，提高學生的實際設計能力及就業技能。

FPGA的設計與開發，需要通過國際標準的硬件描述語言來完成，并利用計算機仿真軟件，完成程序或原理圖的編輯、布局布線、仿真，最終生成相應的FPGA器件配置文件，才能實現對實際FPGA器件的驅動，實現實際電路功能。對于以上一系列的工作，需要在FPGA技術教學過程中，根據學生的實際情況，制定相應的教學方案，帶領學生實際編程、制作、仿真、實驗，以求達到較好的教學效果。因此，本文根據應用型本科大學的實際情況，就目前“FPGA原理及應用”課程教學中存在的一些問題，提出了在理論教學、實踐教學及考核過程中幾點改革方法和措施。

1 FPGA教學現狀及問題

“FPGA原理及應用”是目前電子技術學科中一門重要的應用性課程。FPGA也稱為現場可編程門陣列，它為數字電路系統的設計提供了強大的技術性支撐，在目前的電子設計領域應用得非常廣泛。FPGA設計具有編程靈活、可靠性高及開發簡單等優勢，此方面人才需求量巨大，就業前景優越，因此越來越多的應用型高校開設了“FPGA原理及應用”課程，在電子設計類專業中占有相當重要的地位。學生通過對本門課程的學習，能夠掌握應用FPGA技術對數字電路的設計，在此過程中，培養學生的工程實踐能力及創新設計能力。但在傳統的“FPGA原理及應用”教學中，往往是教師教授理論知識，學生完成教師布置的實驗任務。[2]這樣的教學過程會帶來以下問題：

首先，在傳統教學方法中，教師先講解理論知識，之后讓學生自主操作，將理論和實踐分離，不利于學生理解，使得學生對本門課程失去興趣。

其次，作為一門應用型很強的課程，與實踐緊密相關。在傳統教學中，學生很難在獨立的實踐中，達到好的實踐效果，無法與教師所講的理論知識聯系。并且FPGA技術發展速度快，往往學習實踐跟不上技術發展的速度。

最后，作為一門專業性強的課程，初學具有一定的難度，特別是學生學習能力及基礎不同。因此，需要教師針對學生的具體情況制定教學計劃，否則，部分學生無法跟上教學進度，無法完成FPGA技術的應用。

要解決以上問題，需要對目前“FPGA原理與應用”課程，在教學上、考核方式上進行一些改革。以下是筆者根據本專業教學的一些實際情況，提出的幾點改革意見。

2 FPGA課程改革

“FPGA原理與應用”課程的主要目的是讓學生能夠熟練的掌握數字電路的設計及可編程邏輯器件的基本知識、結構和使用方法，能夠比較靈活的應用FPGA技術對數字電路進行設計。[3]FPGA的開發過程中，主要有原理圖設計和程序設計兩種。原理圖設計可使用相關軟件（如Quartus Ⅱ）對數字電路圖進行直接輸入；程序設計則需要掌握相應的硬件描述語言VHDL或verilog HDL，并能夠熟練地使用該語言在FPGA上設計相應的數字電路系統，完成仿真、配置文件，最后驅動實際的FPGA芯片。在此過程中，不僅需要有扎實的理論知識、編程能力，還需要有實際的操作能力。[4]

在FPGA開發的課堂上，結合教材內容，可直接利用開發軟件演示原理圖輸入、程序編寫、仿真，并實際演示實驗效果。將理論部分和實踐部分相結合，使得學生能夠切身了解整套FPGA開發過程。[5]這樣不僅能夠將理論知識融入實踐中，而且由于學生能實際看到實驗成功后的效果，可以提高學生的學習興趣，更容易取得好的教學效果。

在FPGA實驗環節的建設上，我們打算采用EDA/SOPC系統綜合開發平臺，使用HH-FPGA-EP4CE40核心板、Quartus Ⅱ軟件作為主要的實驗平臺。在Quartus Ⅱ軟件上完成原理圖輸入、程序編寫、管腳分配、仿真、生成配置文件的工作。在EDA/SOPC系統綜合開發平臺上，下載配置文件，應用HH-FPGA-EP4CE40核心板，得到實驗效果，完成對FPGA的完成設計流程。另外，由于傳統的 FPGA實驗內容多是驗證性實驗，比較基礎，但設計性實驗不足。因此在實驗環節的安排上，我們根據學生的實際學習情況，對于掌握較好的一部分學生，將減少驗證性試驗，增加設計性與綜合性實驗內容。另外，對學生自己設計的作品，增加展示及答辯環節，使學生能夠參與到真正的FPGA設計環節中來。

3 FPGA考試改革

“FPGA原理與應用”課程是電子專業中非常重要的主干課程，由于本門課程的專業性與應用性強的特點，不能單純采用理論考試來作為考核方法。因此，考核采用多樣化的方式，總評成績由多部分構成。

第一，理論考試。主要包括對FPGA及數字系統設計基礎知識，硬件描述語言的基礎知識，相關軟件及實驗平臺知識及設計要點等部分。

第二，實驗操作。抽取難度適中的實驗內容，要求考生實際操作，現場驗收，考察學生真正對FPGA的應用能力。

第三，針對部分能夠獨立完成綜合設計任務的學生，對其自己設計的作品或小論文及答辯環節的表現，酌情加分，調動學生的學習積極性。

第四，平時成績。根據學生平時的出勤、課堂表現等方面，由任課教師評分。

通過對考核方式的多樣性改革，調動學生的學習熱情，使學生重視實踐，特別是自主創新與設計，真正掌握FPGA設計技術。

4 結束語

隨著電子技術的發展及FPGA人才的大量需求，越來越多的應用型高校開設“FPGA原理與應用”課程。教學實踐表明，對該課程的教學及考核改革是非常有必要的。結合我院學生的實際情況，提出幾點改革建議，有利于提高FPGA技術的教學質量，提高學生的學習興趣，有利于應用型高校培養應用型人才的宗旨。但對于“FPGA原理與應用”課程的改革，我們還在路上，還需要進一步的探索和嘗試。

參考文獻

[1] 徐松林，古康，郝青鵬.基于FPGA的可編程技術的應用[J].信息通信，2013.10.

[2] 張國萍.面向FPGA教學的啟發性實驗設計[A].Intelligent Information Technology Application Association.Proceedings of the 2011 International Conference on Future Computer Science and Application（FCSA 2011 V2）[C].Intelligent Information Technology Application Association：，2011：4.

[3] 張黎，李明，宋文龍，王建衛.FPGA入門級教材內容的探索與實踐[J].中國電力教育，2014（21）：113-114.

[4] 鐘旭.基于FPGA的電子設計課程體系改革探討[J].科技經濟導刊，2016（32）：169.

[5] 王正勇，尹洪劍.基于FPGA/CPLD的EDA課程教學改革與實踐[J].工業和信息化教育，2013（3）：40-42.