《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》課程教學(xué)重點的探討

摘 要:《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》是面向電類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門應(yīng)用型課程。針對課程內(nèi)容新穎，學(xué)生入門困難的問題，根據(jù)近幾年課堂教學(xué)的實踐，討論闡述了該課程應(yīng)該以電路設(shè)計為核心，在熟練掌握基本電路教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上引入先進的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法的課程內(nèi)容。實踐環(huán)節(jié)中加強了設(shè)計分析步驟，實踐過程以驗證試驗入門，以自主設(shè)計來強化，以科研應(yīng)用介紹來拓展。

關(guān)鍵詞:數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計 教學(xué)內(nèi)容 可編程邏輯器件 硬件描述語言

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)01(a)-0173-01

集成電路工藝的創(chuàng)新進步和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法的演變改進給高等院校包括數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計在內(nèi)的電子技術(shù)類課程增添了新的內(nèi)容，也給該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等提出了新的挑戰(zhàn)。針對電類專業(yè)開設(shè)的《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》是一門以應(yīng)用為導(dǎo)向的課程，其教學(xué)目標是讓學(xué)生掌握前沿的技術(shù)、先進的設(shè)計方法，并具有一定的設(shè)計能力。該課程涉及到數(shù)字電路、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法、可編程邏輯器件、硬件描述語言等，內(nèi)容新穎且較為綜合，因而學(xué)生剛?cè)腴T時難以掌握課程的重點內(nèi)容。根據(jù)相關(guān)系列課程的設(shè)置、學(xué)生的認知規(guī)律以及近幾年的教學(xué)實踐，探索出了課程的教學(xué)重點及其內(nèi)容切入點，這些教學(xué)重點強調(diào)以邏輯電路與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計為核心，圍繞電路設(shè)計來串聯(lián)可編程器件、硬件描述語言、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法等教學(xué)內(nèi)容。

1 教學(xué)重點內(nèi)容

《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》是數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的后續(xù)課程，讓學(xué)生在掌握數(shù)字電路基本概念和一般電路的基礎(chǔ)上，進一步掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的方法、途徑和手段。其主要內(nèi)容包括:數(shù)字系統(tǒng)與EDA的相關(guān)概念、可編程邏輯器件、硬件描述語言、電路元件的描述、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法、開發(fā)環(huán)境與實驗開發(fā)平臺以及應(yīng)用實例的介紹等。這些課程內(nèi)容涉及面廣，為了提高教與學(xué)的效果，探索總結(jié)了以下的教學(xué)重點內(nèi)容，并作為教學(xué)實踐中的教學(xué)切入點。

1.1 掌握基本電路

常用基本電路包括組合電路中的簡單門電路、譯碼電路、加法器、乘法器、數(shù)字分配器、數(shù)字選擇器等;時序電路中的觸發(fā)器、狀態(tài)機、計數(shù)器、移位寄存器、控制器等。這些基本電路構(gòu)成了數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，在進行復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計之前應(yīng)該熟練掌握這些電路，包括電路的功能、電路的描述以及電路的應(yīng)用場合等。熟練掌握這些基本電路有助于建立電路設(shè)計思想，避免高級程序設(shè)計語言(如C語言)的設(shè)計思路對采用HDL語言描述邏輯電路時的影響。此外，掌握這些基本電路后易于將這些電路靈活組合，以實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能。

1.2 樹立電路設(shè)計思想

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計本質(zhì)上是電路設(shè)計，從而要求樹立電路設(shè)計的思想。

如前所述，樹立電路設(shè)計思想首先需要熟練掌握一些基本的邏輯功能電路。其次，樹立電路設(shè)計思想需要摒棄高級程序設(shè)計語言中通常采用的算法思維，逐步熟悉硬件描述語言的描述方式。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計強調(diào)采用硬件描述語言來對電路與系統(tǒng)進行描述、建模、仿真等。事實上，大多數(shù)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)之前并不了解硬件描述語言，卻較好的掌握了高級程序設(shè)計語言。因此開始學(xué)習(xí)硬件描述語言時常常將之與已經(jīng)學(xué)過的高級程序設(shè)計語言做類比。這種類比嚴重妨礙了電路設(shè)計思想的建立，因為高級設(shè)計語言是面向問題的算法語言，而硬件描述語言則是面向電路的硬件語言。

最后，樹立電路設(shè)計思想還需要轉(zhuǎn)換電路設(shè)計的思路。數(shù)字系統(tǒng)的行為對應(yīng)著算法中操作和操作的關(guān)系，操作由功能模塊電路完成，而操作的關(guān)系對應(yīng)著時序，它由控制電路來完成。換言之，抽象的算法最終要被轉(zhuǎn)換成具體的電路。轉(zhuǎn)換的方法是將電路的功能盡可能細化，直至能用基本電路來描述算法中每一個操作。同時，抽象算法轉(zhuǎn)換成具體電路還充分體現(xiàn)了自頂向下(TOP DOWN)層次化設(shè)計的方法。

1.3 分層次描述電路

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的過程就是從抽象到具體的過程，因此，設(shè)計和描述電路時是分層次的。然而讓很多學(xué)生困惑和難以掌握的是，分層次的電路描述存在著多個角度。實際上，這些不同的描述角度對應(yīng)著不同的問題求解域。理解不同角度的描述有助于全面了解并掌握問題，進一步拓展設(shè)計思路。

與分層次的電路描述相對應(yīng)的是，在硬件描述語言中存在著三種描述方式:行為描述方式、結(jié)構(gòu)化描述方式和寄存器傳輸描述方式。在教學(xué)中，孤立地講授硬件描述語言中的描述方式是非常枯燥的，也很難被學(xué)生理解。但是如果從電路描述的層次化來闡述，不僅容易理解，而且強調(diào)了電路的特性，也符合樹立電路設(shè)計的思想。

此外，分層次的電路描述遵循著從抽象到具體、從總體到細節(jié)的設(shè)計思路，這一設(shè)計思路正是自頂向下設(shè)計方法的體現(xiàn)。分層次描述電路事實上為自頂向下設(shè)計方法提供了實現(xiàn)的途徑。

1.4 引入先進設(shè)計方法

現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計在方法、對象、規(guī)模等方面已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)的基于固定功能的集成電路設(shè)計。現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計采用硬件描述語言描述電路，用可編程邏輯器件來實現(xiàn)高達千萬門的目標系統(tǒng)。這一過程需要也應(yīng)該有先進的設(shè)計方法。

根據(jù)硬件描述語言的特性和可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)特點以及應(yīng)用的需要，在授課過程中闡述了如下的先進設(shè)計方法。為了設(shè)計復(fù)雜的控制器(時序電路)，可采用基于狀態(tài)機的設(shè)計方法;為了滿足高速數(shù)據(jù)傳輸或運算的需求，可應(yīng)用或設(shè)計鎖相環(huán)或延時鎖相環(huán)來處理時鐘信號，應(yīng)用可編程器件的內(nèi)嵌功能單元或自行設(shè)計軟核來提高數(shù)據(jù)吞吐量。

2 實驗設(shè)計

為了提高教學(xué)效果，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容尤其是重點內(nèi)容對實驗部分設(shè)計了如下幾個環(huán)節(jié):(1)方案設(shè)計。根據(jù)給定的目標需求，將系統(tǒng)劃分為能夠用基本電路實現(xiàn)的模塊;系統(tǒng)實現(xiàn)的方案并不唯一，需要根據(jù)性能指標進一步討論優(yōu)化的方式。(2)驗證積累。通過對一些基本電路的描述與驗證，積累基本電路，熟悉硬件描述語言和開發(fā)環(huán)境，領(lǐng)悟潛在其中的描述方式和設(shè)計方法。(3)自主設(shè)計，即獨立分析和設(shè)計。自主確定方案進行設(shè)計、驗證、評價。(4)應(yīng)用介紹，即根據(jù)專業(yè)背景介紹在科研中的應(yīng)用。

3 結(jié)語

針對《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》課程內(nèi)容新穎且龐雜的特點，探索總結(jié)了該課程的教學(xué)重點，以幫助學(xué)生克服課程入門的困難，并較快地激發(fā)起學(xué)習(xí)興趣。同時將實踐環(huán)節(jié)設(shè)計為設(shè)計、積累、設(shè)計和拓展，提高了實踐效果。由于課程內(nèi)容還在進一步發(fā)展，我們需要進一步探索和更新教學(xué)重點內(nèi)容，進一步改進教學(xué)方法，科學(xué)設(shè)計實踐教學(xué)，更好地促進學(xué)生自主設(shè)計和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

參考文獻

[1] 闞玲玲，張秀艷，梁洪衛(wèi).“EDA技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容的定位與改革[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010.

[2] 劉婭琴，林霖.EDA課程教學(xué)探索和實踐[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010.