EDA實驗教學綜述

周澤華 譚 敏

（合肥學院電子信息與電氣工程系 安徽 合肥 230601）

EDA實驗教學綜述

周澤華 譚 敏

（合肥學院電子信息與電氣工程系 安徽 合肥 230601）

論述了EDA技術的基本概念，分析了高校EDA實驗教學的現(xiàn)狀、存在的問題和不足。最后對EDA實驗教學的新思路進行了詳細的論述。

EDA；實驗教學；SOPC

0 引言

EDA是Electronic Design Automation（電子設計自動化）的縮寫。EDA技術，就是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O計載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_發(fā)軟件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設計開發(fā)工具，通過使用有關的開發(fā)軟件，自動完成電子系統(tǒng)設計的邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或專用集成芯片的一門新技術[1-2]。EDA課程是一門理論性、實踐性都很強的電子信息類專業(yè)的基礎課，它強烈沖擊了傳統(tǒng)的電子設計方法，是現(xiàn)代電子設計的發(fā)展趨勢。目前，幾乎所有高校的電類專業(yè)都開設了EDA課程，而且各高校在積極開展EDA教學的同時，紛紛建立起了EDA實驗室。EDA實驗室應該怎么利用，EDA實驗教學應該如何開展才能提高教學效果，是EDA教學人員一直在反復思考和探索的問題。其實驗教學方法與教學效果的好壞直接影響到專業(yè)課程的教學。

1 EDA技術實驗教學的現(xiàn)狀

我們通過對編程語言、軟件選擇、配套硬件、實驗內(nèi)容、課程設置幾個方面對目前EDA實驗教學的現(xiàn)狀進行分析[3-6]。

1.1 編程語言與軟件的選擇

大部分高校采用VHDL或VerilogHDL進行課程理論教學,以此為基礎讓學生對EDA技術有初步的認識和了解。同時,利用VHDL (VerilogHDL)進行軟件編程,開設一系列的實驗與設計。由于當前世界各地較為流行的EDA工具軟件種類繁多,性能各異,其中因Protel、Multisim、MAX+PLUSⅡ和QuartusⅡ特點突出、功能齊全、操作方便,在教學中應用廣泛。許多高校就是在以上幾種軟件中選擇一種或幾種完成實驗教學。

1.2 配套硬件與實驗內(nèi)容

目前市場上EDA實驗設備品種多,但大部分實驗設備都是以FPGA為主體配合點陣模塊、LED流水燈模塊、LED數(shù)碼管顯示模塊、并帶有RS232串口、PS/2鼠標鍵盤接口等模塊組成。利用以上硬件資源,可以完成移位寄存器、編碼器、譯碼器、跑表、電子時鐘、交通燈、信號發(fā)生器、數(shù)字電壓測量等各種不同層次的實驗與設計。

1.3 實驗課程設置

高校對EDA實驗課程的設置,一般包括8～16課時的實驗,1～2周的課程設計,另外在畢業(yè)設計與畢業(yè)論文寫作的環(huán)節(jié),有很大一部分學生選擇EDA技術相關內(nèi)容進行實踐動手能力訓練,展開思考與研究。對于電子、計算機等相關專業(yè),大部分高校對于EDA技術的實驗開設都在有限的人力資源與硬件設施資源的條件下有相當?shù)耐度?將其作為理工科實驗教學,培養(yǎng)實踐動手能力的一個重要環(huán)節(jié)來布置安排。

2 EDA技術實驗教學存在的問題和不足

EDA技術涉及知識面較寬,包括數(shù)字邏輯電路,硬件描述語言,微機原理,單片機原理與應用,DSP原理等理論課程;所應用的領域也十分廣泛,包括DSP技術,嵌入式系統(tǒng),傳感與控制,PCB設計,電源技術等。因此,讓學生對EDA技術有一個全面深入的理解顯得十分重要又相對困難[7-9]。

技術的不斷創(chuàng)新與教學的相對滯后是各工科專業(yè)面臨的共同問題。特別是在電子技術,計算機技術,智能化技術的新概念,新方法,新理論不斷涌現(xiàn)的今天,EDA技術的發(fā)展也是日新月異。在此背景下,高校EDA實驗教學卻一直處在一個停滯落后的狀態(tài)。時興的設計軟件如：Workview Office,NiosII等,得不到應用,流行的技術不能向學生傳授,實驗與設計很多停留在計算機仿真階段,以至于學生認為不能學以致用,走上社會一切又要從頭學習。

由于EDA技術的日新月異,曾被普遍認為最優(yōu)秀的PLD開發(fā)平臺之一的MAX+PLUSII軟件目前已經(jīng)由QuartusII替代,不再推薦使用。MAX+PLUSII軟件適合開發(fā)早期的中小規(guī)模PLD/FPGA,對于初學者來說易學易用,因此目前教學仍然采用此軟件。從MAX+PLUSII軟件過渡到QuartusII是必然的趨勢,這需要硬件的支持,電腦內(nèi)存至少要上512M。大多數(shù)實驗機房電腦達不到這個配置。另外,QuartusII比MAX+PLUSII內(nèi)容更多,如何教學也是一大難題。EDA實驗箱把FPGA芯片焊接在電路板上,配備了下載口和電源,如何教學生掌握關于CPLD/FPGA器件的下載知識和與外部聯(lián)系也很困難,無法讓學生動手,導致學生只能專注于VHDL硬件描述語言上。目前采用興趣小組的方式來讓部分學生進一步學習,由于單片F(xiàn)PGA的芯片成本比單片機成本要高許多,這也增加了動手做PCB板的難度。

3 EDA技術實驗教學的新思路

EDA技術課程實驗的目的是培養(yǎng)電氣信息類專業(yè)學生實際動手能力,在實驗中逐漸提高他們分析問題和解決問題的能力,為以后從事EDA技術打下必要的基礎。如何在有限的時間內(nèi)掌握這門課程中的基本知識,如何能緊跟上日新月異EDA技術的發(fā)展變化,如何利用現(xiàn)有知識進行設計與創(chuàng)新,這是進行EDA實驗教學規(guī)劃與調(diào)整需要考慮的問題[12-15]。

基于EDA技術的實驗教學內(nèi)容更注重培養(yǎng)學生的能力、個性及創(chuàng)新意識,突出多層次、個性化的培養(yǎng)模式。其中,在數(shù)字電子技術實驗教學中,對于傳統(tǒng)實驗內(nèi)容,在實驗項目和內(nèi)容上,減少驗證性實驗,增加綜合性、設計性實驗；在實驗項目的安排上,增設了EDA實驗課程,采用選做與必做相結合,學生可根據(jù)自己的能力、知識水平和興趣選做實驗。

3.1 合理安排實驗內(nèi)容,培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

依托EDA綜合實驗平臺進行開放式實驗的改革,以“加強基礎、開拓思維、培養(yǎng)能力”為改革指導思想,建立了一套“基本實驗技能培養(yǎng)+綜合設計能力培養(yǎng)和創(chuàng)新設計與研究能力培養(yǎng)”三個培養(yǎng)層次的開放式實驗教學體系。在“數(shù)字電子技術實驗中利用EDA綜合實驗平臺,采取了這一教學體系,收到較好的教學效果。

3.1.1 基本實驗

基本實驗包含實驗課程教學大綱規(guī)定的必修和選修的實驗內(nèi)容。其中必修內(nèi)容包括：集成觸發(fā)器的測試和應用、MSI時序功能件的應用、1位全加器原理圖輸入設計和VHDL設計、7段數(shù)碼顯示譯碼器設計、含異步清零和同步時鐘使能的4位加法記數(shù)器的設計、4位十進制頻率計設計等。選修的實驗內(nèi)容：隨機存取存儲器的應用、隨機存取存儲器的應用、數(shù)控分頻器的設計等。該層次的主要目的是為培養(yǎng)學生的基本實驗技能和理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

3.1.2 提高型實驗

提高型實驗的實驗課題不局限于課程內(nèi)容,比如彩燈控制器的設計、電子搶答器的設計、汽車尾燈控制器的設計、出租車計費系統(tǒng)的設計等,課題可由學生自己選擇或由指導老師指定。由學生自行完成設計、制作、調(diào)試,測試實驗結果、完成實驗報告。此外,還通過開放實驗的形式,在沒有實驗課的時候出一些大的設計項目供學生去動手做，增加學生的動手機會、自由解決問題的機會以及查閱文獻資料的能力,切實加強綜合設計能力的培養(yǎng)。

3.1.3 創(chuàng)新型實驗

創(chuàng)新型實驗可以通過實驗選修課、學生課外科技活動、吸納優(yōu)秀學生參加教師的科研工作等方式進行。這類課題主要有：電子密碼鎖、步行街道自助式交通燈控制器的設計等。對于此層次的實驗,教師著重幫助學生了解科學研究的基本方法,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

3.2 構建開放式實驗教學平臺,倡導學生自主學習

構建開放實驗教學平臺,加強實驗室的綜合型、數(shù)字化和網(wǎng)絡資源建設,為學生提供良好的實踐教學環(huán)境和開放式自主實踐教學服務,倡導學生自主性的實踐學習和實踐研究,真正體現(xiàn)層次化、個性化的培養(yǎng)模式。同時,建立實驗教學質量的監(jiān)控和評估機制,強化開放實驗教學的組織與管理,確保開放實驗教學質量。在實驗室管理上,采用全天候向學生開放的新模式,學生可以充分利用課余時間,根據(jù)自己的課題進行EDA設計仿真實驗,不僅充分利用了實驗室設備資源,同時培養(yǎng)了學生獨立動手能力、分析問題解決問題能力和創(chuàng)新能力。

3.3 采用多種形式的實驗教學方式

在傳統(tǒng)實驗教學的基礎上，開展多種形式的實驗教學方式，提高學生的實驗興趣和動手能力。比如把雙語教學引入到EDA實驗課程中，EDA實驗課程作為一門前沿專業(yè)課程,雙語教學是一種獲取知識的手段,他的目的是更好的學習專業(yè)課程?；诰W(wǎng)絡的EDA實驗教學作為現(xiàn)代教學的重要組成部分,展示出傳統(tǒng)實驗教學無可比擬的優(yōu)勢。它擴大了教育規(guī)模,提高了教育速度,促進了教育改革,為創(chuàng)新教育構造了環(huán)境。

3.4 開展形式多樣的課外科技活動

開展分層次、多樣化課外科技活動,精心設計課外創(chuàng)新活動內(nèi)容,針對不同層次的同學設計不同的內(nèi)容和不同的形式,加強EDA實驗教學與學生科技實踐活動的緊密結合。重點擴大學生對各類活動的參與面,讓更多的同學真正參與到課外科技創(chuàng)新活動中,并從中受益。

3.5 強化優(yōu)秀學生培養(yǎng)力度

強化優(yōu)秀學生的培養(yǎng)力度,在科研活動中提高學生的創(chuàng)新水平。為提高優(yōu)秀學生科研能力,積極培養(yǎng)“拔尖”人才,中心在開展通識教學的同時,注重“拔尖”學生的“個性化”教育,努力為他們提供創(chuàng)新訓練的條件與環(huán)境。

3.6 讓SOC與SOPC的概念融入學生所學理論

SOC的概念的定義很多,內(nèi)容也十分廣泛,很難給出一個確切的定義。簡單說來SOC就是在一塊芯片上集成一個完整的系統(tǒng),同時它又代表著一項技術,用以實現(xiàn)從確定的系統(tǒng)功能開始到軟/硬件劃分,將微處理器、模擬核、數(shù)字核和存儲器集成在單一芯片上以完成整個系統(tǒng)設計。近年來,隨著半導體技術的飛速發(fā)展,FPGA的性能與性價比完全可以與ASIC媲美,在這樣的背景條件下,一種被稱為片上可編程系統(tǒng)(SOPC)的新技術出現(xiàn)了。SOPC技術即在FPGA中放入一個處理器,一般通過兩種方法實現(xiàn)：一種是在FPGA中植入一個嵌入式的硬核處理器,一種是使用FPGA制造廠商提供的軟核處理器,比如Altera的NIOS II軟核處理器和Xilinx的MicroBlaze軟核處理器等。在目前國內(nèi)高校的EDA實驗教學中,對SOC技術及其新發(fā)展的SOPC技術關注較少。然而SOC技術與SOPC技術將是今后EDA技術發(fā)展的一個主要方向,更是改良與替代ASIC技術的主要方案。因此,在高校教學中推廣這一技術,讓學生很好了解接觸這些技術是十分重要的。而目前國內(nèi),清華大學科教儀器TPG-EDA/SOPC教學實驗平臺則為廣大師生提供了一個非常靈活方便的實驗環(huán)境。它提供了完整的系統(tǒng)設計的外圍設備,包括音視頻處理的多媒體設備,多樣的可擴展的存儲設備,USB芯片,不同核心板上采用不同的軟核或硬核。在使用該實驗平臺完成一個SOPC系統(tǒng)設計過程中,學生需要數(shù)字電子技術、計算機組成結構與原理、C語言編程等相關背景知識,在此期間,學生既鞏固了相關理論知識,又掌握了現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設計方法,符合現(xiàn)代電子技術的發(fā)展趨勢和應用實際,有利于提高學生的綜合素質和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。由此可見,將SOPC這樣的新概念,新技術引入實驗課堂,無論從教學發(fā)展的必要性,還是從學生知識體系整合的必要性,以及為學生走上社會奠定工作的技能基礎都是十分有意義的。

4 結束語

隨著電子技術的飛速發(fā)展,EDA技術已經(jīng)成為電子電路設計和系統(tǒng)設計的重要手段,如何讓學生盡快盡好地在學校掌握基本知識和相應的動手能力,為將來從事這方面的工作,甚至是進行專用集成電路ASIC的設計和實現(xiàn),是擺在面前的一大難題?？偟膩碚f,從培養(yǎng)和激發(fā)學生的興趣、編寫合適的教材、采用多媒體的教學手段、注重EDA實驗教學、改進現(xiàn)有條件、增加學生的動手能力、強調(diào)創(chuàng)新等方面入手,對提高教學質量無疑會有極大幫助,也有益于提高學生的綜合應用電子技術開發(fā)電子產(chǎn)品與電子系統(tǒng)的基本能力。EDA技術作為新興技術的發(fā)展方興未艾,隨著此項技術的不斷發(fā)展,高校EDA實驗教學也不能墨守陳規(guī),死板僵硬,而必須不斷改進,不斷創(chuàng)新,改進教學的方式與方法,創(chuàng)新實驗的平臺與內(nèi)容。唯有如此,才能不斷提高電子工程及相關專業(yè)的教學質量。

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Survey of EDA Experimental Teaching

ZHOU Ze-huaTAN Min
(Department of Electronics&Electrical Engineering,Hefei University,Hefei Anhui，230601,China)

This paper discusses the basic concept of EDA and Analysis the present situation and Problems of the EDA experimental teaching of College.EDA experimental teaching new ideas were discussed in detail at the end of the paper.

DA；Experimental teaching；SOPC

周澤華（1982—），男，安徽宿松人，實驗師,碩士，主要研究領域為信號與信息處理。

安徽省教育廳重點教學研究項目（20100934）；國家教育部、財政部第四批高等學校特色專業(yè)建設點“電子信息工程專業(yè)”(TS11497)；2011年度安徽高校省級科學研究項目(KJ2011B136)。

王靜］