FPGA技術(shù)在數(shù)字邏輯課程中的應(yīng)用

欒嵐

摘要：新時(shí)期的高等院校在人才培養(yǎng)目標(biāo)上進(jìn)行了革新，高技能、高素質(zhì)的實(shí)踐型應(yīng)用人才是現(xiàn)在高校為中國(guó)特色社會(huì)主義主要輸送的人才類(lèi)型。數(shù)字邏輯課程是電子信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，是一門(mén)集理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)探究于一身的綜合性課程。傳統(tǒng)“灌輸式”的教學(xué)模式在很大程度上抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，基于高校現(xiàn)在的教育目標(biāo)，傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)不能滿(mǎn)足企業(yè)對(duì)人才的需求，也不能滿(mǎn)足學(xué)生學(xué)習(xí)需要，教學(xué)模式的變革已是必然，在新型教學(xué)方法的探索過(guò)程中，F(xiàn)PGA技術(shù)被運(yùn)用于數(shù)字邏輯課程的教學(xué)過(guò)程中，該技術(shù)的應(yīng)用可以將抽象的理論知識(shí)形象化，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，進(jìn)而提升數(shù)字邏輯課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：FPGA技術(shù);數(shù)字邏輯課程;有效應(yīng)用

從計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，數(shù)字邏輯課程是學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)“內(nèi)核”進(jìn)行深層次了解和研究的基礎(chǔ)課程，也是一門(mén)關(guān)鍵課程，數(shù)字邏輯課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，其教學(xué)目標(biāo)主要是為了幫助學(xué)生領(lǐng)悟數(shù)字邏輯和系統(tǒng)的工作方法以及分析技巧，讓學(xué)生可以做到自己分析設(shè)計(jì)一些重要的邏輯部件。熟練使用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路，以及高密度可編程邏輯器件，對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法有清晰的了解，以為深層次，大規(guī)模的集成電路學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。FPGA技術(shù)在很多行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，功能全集成化，應(yīng)用于高校數(shù)字邏輯教學(xué)中可以進(jìn)行仿真驗(yàn)證，幫助學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行直觀的感受，讓學(xué)生在短暫的課堂學(xué)習(xí)時(shí)間中進(jìn)行高效率，高質(zhì)量的學(xué)習(xí)。

1 FPGA技術(shù)的內(nèi)涵

FPGA是基于PLA、GLA等可編程器件上進(jìn)行發(fā)展創(chuàng)新的產(chǎn)物，是集成電路中專(zhuān)用的一種半定制電路，F(xiàn)PGA技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用不僅解決了定制電路的缺陷，還有效優(yōu)化改善了原來(lái)可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的不足。FPGA設(shè)計(jì)不只是對(duì)芯片的簡(jiǎn)單研究，更是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式。FPGA技術(shù)在通信行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)PGA的基本結(jié)構(gòu)多樣，其中包含，可編程輸入輸出單元、可配置邏輯塊、數(shù)字時(shí)鐘管理模塊、嵌入式塊RAM、布線(xiàn)資源、內(nèi)嵌專(zhuān)用硬核以及底層內(nèi)嵌功能單元等，這也豐富了FPGA技術(shù)的功能。FPGA技術(shù)的重復(fù)編程度和集成度都很高，還擁有豐富的布線(xiàn)資源，而且不需要大數(shù)額的成本投資，這也使得該技術(shù)在通信行業(yè)、軍事航天領(lǐng)域、汽車(chē)行業(yè)以及醫(yī)療行業(yè)等都有廣泛的應(yīng)用。FPGA技術(shù)有著非常好的發(fā)展前景，并可以在一定程度上促進(jìn)我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平再次提升[1]。

2 數(shù)字邏輯課程的教學(xué)現(xiàn)狀分析

2.1 教學(xué)方法單一

傳統(tǒng)的教學(xué)理念和教學(xué)模式使用的時(shí)間太長(zhǎng)，在很多教師的腦海中已經(jīng)根深蒂固，所以即便新課程改革在近些年進(jìn)行大力的推進(jìn)落實(shí)，但是教師和學(xué)生都需要時(shí)間去適應(yīng)和轉(zhuǎn)變。所以在部分高校中，還是有一些教師沿用著傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)方法，教師一言堂的現(xiàn)象還是很明顯，理論知識(shí)本就相對(duì)枯燥一些，而實(shí)驗(yàn)知識(shí)更是需要?jiǎng)邮謱?shí)踐才能融會(huì)貫通，這樣的教學(xué)模式讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的過(guò)程中提不起興趣，積極性也大大受損，學(xué)生沒(méi)有太多自我學(xué)習(xí)和自我探索的機(jī)會(huì)，也就使得數(shù)字邏輯課程的教學(xué)效率和質(zhì)量不甚理想[2]。

2.2 理論與實(shí)踐課程分離

理論是實(shí)踐的基礎(chǔ)，實(shí)踐是理論的應(yīng)用體現(xiàn)，二者之間是相輔相成的，尤其是在新時(shí)期的高校教育過(guò)程中，要培養(yǎng)應(yīng)用型人才就必須要實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的和諧統(tǒng)一，這樣才能獲得最佳教學(xué)效果，提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。但是在現(xiàn)階段的數(shù)字邏輯課程教學(xué)過(guò)程中，理論知識(shí)課與實(shí)踐課程的開(kāi)展不成正比，很多理論知識(shí)課程都沒(méi)有相應(yīng)的實(shí)踐課程進(jìn)行輔助理解教學(xué)，而實(shí)踐課程的開(kāi)展也達(dá)不到對(duì)理論課程貫通的效果，所選擇的實(shí)踐教學(xué)也是以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主，沒(méi)有針對(duì)行業(yè)的發(fā)展實(shí)際進(jìn)行有效的拓展，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不能與實(shí)際工程項(xiàng)目接觸，這就使得很多學(xué)生參與工作后會(huì)出現(xiàn)很多“紙上談兵”的狀態(tài)和現(xiàn)象，缺乏解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.3 實(shí)驗(yàn)課程效果不佳

實(shí)驗(yàn)課程是數(shù)字邏輯課程中的一項(xiàng)重要教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)課程是學(xué)生梳理和發(fā)散思維最直接的一種方式，但是在現(xiàn)階段的高校數(shù)字邏輯教學(xué)中，很多地方院校的實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)效果并不理想。一方面，一些學(xué)校因?yàn)橘Y金、場(chǎng)地等因素影響沒(méi)有開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，整個(gè)數(shù)字邏輯課程的學(xué)習(xí)全部依靠理論講解和學(xué)生的自我消化。另一方面，很多院校開(kāi)設(shè)了實(shí)驗(yàn)課程，但是實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方式并不先進(jìn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果達(dá)不到理想的教學(xué)要求。已經(jīng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程的院校一般在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上使用兩種教學(xué)方式，一是基于硬件的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這也是使用最多的方法，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓學(xué)生身處真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，對(duì)學(xué)生理解掌握數(shù)字邏輯相關(guān)的理論知識(shí)有很大的促進(jìn)作用，但是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式也有其自身的很多局限性和不穩(wěn)定影響因素。二是基于軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托于虛擬技術(shù)平臺(tái)和軟件實(shí)現(xiàn)的，其在很大程度上優(yōu)化了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，并提升了數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，但是虛擬實(shí)驗(yàn)還是和真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作存在一定的區(qū)別，在一些特定知識(shí)的學(xué)習(xí)中虛擬實(shí)驗(yàn)就沒(méi)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的效果好。這就是現(xiàn)階段高校數(shù)字邏輯課程的教學(xué)現(xiàn)狀[3]。

3 FPGA技術(shù)在數(shù)字邏輯課程中的應(yīng)用

3.1 利用FPRA技術(shù)豐富教學(xué)方法

新時(shí)代的社會(huì)發(fā)展需要?jiǎng)?chuàng)新型人才，學(xué)生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)很重要，開(kāi)展數(shù)字邏輯課程的過(guò)程中，教師要打破傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式，利用任務(wù)教學(xué)法、合作學(xué)習(xí)法、情境教學(xué)法等新型教學(xué)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯課程的多元化開(kāi)展，讓學(xué)生擺脫傳統(tǒng)課程教學(xué)中被動(dòng)接受教育的現(xiàn)狀，利用FPGA技術(shù)，將數(shù)字邏輯課程中抽象的理論知識(shí)形象化，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐積極性。比如：在組合邏輯電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，開(kāi)展理論知識(shí)學(xué)習(xí)后，教師可以給學(xué)生布置一個(gè)控制水泵的組合邏輯電路任務(wù)，教師可以結(jié)合任務(wù)教學(xué)模式讓學(xué)生有效利用FPGA技術(shù)，結(jié)合Quartus Ⅱ和Verilog HDL等知識(shí)對(duì)組合邏輯電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，對(duì)電路設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析數(shù)據(jù)明確輸入和輸出信號(hào)，并確定二者之間的因果關(guān)系。其次，以輸入和輸出信號(hào)之間的關(guān)系為依據(jù)，利用Verilog HDL語(yǔ)言來(lái)對(duì)組合邏輯電路進(jìn)行描述。然后，通過(guò)Quartus Ⅱ開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)已經(jīng)描述好的組合邏輯電路做出編輯、翻譯、綜合與仿真。最后。利用FPGA技術(shù)將Quartus Ⅱ開(kāi)發(fā)環(huán)境整理后的網(wǎng)表文件進(jìn)行實(shí)踐仿真驗(yàn)證。這樣的豐富的教學(xué)方法可以讓高校數(shù)字邏輯課堂活躍起來(lái)，改變傳統(tǒng)安靜的課堂氛圍，活躍學(xué)生的思維，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，進(jìn)而提升整體教學(xué)質(zhì)量[4]。