EDA技術教學探索

胡剛毅 曹涌

摘要：EDA技術有很強的綜合性和實踐性，有其特殊性和要求。本文分析了目前EDA技術教學的現狀和存在的問題，指出了硬件語言教學學時過多的弊端，以學生真正系統地掌握該技術入手，從組建興趣小組、不同梯隊配備實驗平臺、Verilog語言與VHDL語言并重講授、SOPC的重要性等方面討論了EDA技術教學的改革思路。

關鍵詞：EDA;教學;探索

● 引言

隨著信息技術的發展，EDA技術（EDA即電子設計自動化的縮寫，EDA技術就是以計算機為工具，設計者在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言VHDL完成設計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作）已經普及到各個領域。當今國內各大高校電子信息類專業都開設了EDA技術課程，它因理論性和實踐性強而迅速取代了傳統的電子設計方法，是當今電子技術設計的趨勢，但其面臨的最大問題是技術更新速度快，需要教學內容、教學思想和教學資源都不斷更新。如何將新技術有效傳輸，如何讓EDA技術與現實生產生活中的例子結合起來，讓學生能夠從認識技術到理解技術轉變，使學生能夠很快利用該技術解決現實生活中的問題這些都值得我們思考。

● EDA技術的教學現狀及存在的問題

長期以來，由于各高校對本科生實驗投入有限，教師無法做到手把手帶領學生進行一個完整的項目，學生在學習的過程中大多是應付學習，缺乏尋找硬件進行實訓的主動性，以致學生學完以后仍然無法獨立進行FPGA項目的開發。同時，學生在學習關于可編程邏輯陣列的結構特點、相互交叉點可編程內容時，往往不知道從何下手，但這些內容對硬件電路設計，以軟件語言的思維去改變硬件電路結構至關重要。可因為在理論課上一般是使用國內高校流行的教學硬件語言VHDL語言進行教學，會使學生錯以為前后兩個部分沒有聯系，進而感覺索然乏味，造成學習興趣缺乏。

EDA教學主要是利用現代電子系統的設計方法，使用可編程邏輯器件實現邏輯設計，同時也會講授一些電路制作軟件的使用以及仿真工具的使用。而因在市面上流行的硬件開發語言還有Verilog語言，加之各高校的教師掌握語言的熟練程度不一，也缺乏統一的教學指導，就導致各高校在講授該門課程的時候，使用的平臺各異，學生在學該門課程的時候往往滿懷信心去學，結果到實際工作中卻是面對另外一門語言。后續課程中，如SOPC系統設計，對學生和教師的要求很高，一般EDA課堂上也較少涉及SOPC的知識。學生在學習了EDA課程以后，往往感覺知道了一些，也會完成一些實訓的小項目，但牽涉到如IP核等方面的技能時卻不知從何下手。另外，由于FPGA設計的教學涉及方面很多，有理論學習部分，有實踐應用環節，需要掌握新的計算機語言，熟練使用專業的軟件平臺，了解FPGA硬件內部結構，熟悉FPGA與外圍電路的硬件設計，對理論教學、軟硬件實驗都有較高要求。除此以外，可編程邏輯器件的基礎結構、FPGA芯片內部硬件結構等內容的教學難度大，硬件程序語言的語法規則較多，而所有的這些都是為了硬件開發能更快上手，可是，高校現今往往在講述這些前述基礎知識后課時也基本完了，這樣就使得學生少了一些時間進行系統的開發，也沒有時間深入理解軟核知識對FPGA開發的重大作用。

● 改進EDA技術教學的方法

EDA技術教學主要依托的器件是可編程邏輯陣列，其課程結構可以分為：芯片內部結構演變發展及原理;硬件描述性語言;可編程片上系統設計。這三部分在EDA課程中有不同的比例。有的高校將這三個部分合為一門課程講授，在筆者所在學校，是將前兩個部分歸為一門課程，后一部分歸為一門課程。不論采用哪一種課程歸屬方式，這三部分都是相互聯系、相互依存的。其目標是要讓學生快速理解可編程器件的基本原理，從而能夠自主完成系統設計。這就需要一個又一個系統的真實的實訓案例教學，讓學生能從原理理解、程序設計、系統分析等方面得到訓練。使學生從孤立的設計到系統設計的轉變，利用“逐項引導+項目驅動”的教學模式，培養學生的自主學習能力、系統設計能力和語言表達能力。

1.結合項目開發的課堂引導教學

筆者在多年的教學過程中，發現從可編程邏輯陣列的原理入手，引導學生進入FPGA的教學中，效果甚微，學生感覺無法理解，也不知這些原理究竟有何妙用，無法真正熟知FPGA的強大魅力所在。為此，后續教學中，我們試圖引入案例教學，因為在學習EDA課程之時，學生基本上都有單片機學習的經驗和過程。在給出案例的時候，有意識地讓學生去思考，如果這個項目用單片機開發該如何進行？何處需要改進？耗費資源多少？速度多快？當學生已經進入硬件設計的殿堂之后，讓學生首先觀察同一個項目，用FPGA開發有何精妙之處。第一個項目一般是由教師給出，引導學生逐步討論，然后自學、歸納、找出與單片機的相同與不同。讓學生在有一個感性的認識后，變被動學習為主動學習。這樣可以激發學生主動思考、發現問題、解決問題、歸納和總結問題經驗的能力。例如，在學生的第一次課中，教師給出多路彩燈的實際案例，先讓學生以單片機的思維去解決問題，他們一般能夠很快入手。當換成FPGA的思維后，學生突然之間就能感覺到FPGA的強大，花樣彩燈在變換過程中，利用硬件描述性語言并行思維的好處。教師可鼓勵學生多提方案，并對方案論證辯論和反駁，得出最優方案。通過這樣的一個簡單但是卻完整的過程，學生對FPGA的設計有了一個深刻的認識，同時也加深了理解。再來學習FPGA的原理、相互交叉邏輯點的編程組合，學生就會非常有興趣，也不會望而生畏，這樣就很好地解決了入門引導的學習問題。

2.組建興趣小組，進行以學生為主的項目實踐教學

我校的FPGA教學配備了Altera公司的實驗套件，同時，也為每五人一個興趣小組配備了簡易的FPGA開發板，實驗室同時也配備了SOPC實驗平臺。這些成梯隊的實驗設備的配備，不論從性能上還是拓展學習上，已能完全滿足學生學習FPGA的需要，學生平時在課堂上學習理論知識，課下興趣小組進行實踐開發驗證，筆者鼓勵他們擴展外圍應用，解決一些學科方面的問題，如林業物聯網監控系統、數據處理等。學習之余，優秀團隊提前進入畢業設計以及參與到教師的科研團隊中，收到了很好的教學效果。學生也真正感受到FPGA的魅力所在，自覺鉆研，動手能力得到了很大提高。對于動手能力特強的學生來說，簡易的FPGA開發板已不能滿足其需求，學生就會轉移學習興趣到SOPC實訓中去。學生在一年多的訓練中，已儼然達到了對一個初級工程師的要求，工作也是得心應手。這種課下興趣小組以及我校本科生創新基地的教學模式，不僅能很好地訓練學生，同時，也可有效激發不同層次學生的學習熱情，帶動一大批學生積極學習，培養了學生的團隊精神、動手能力和創新能力，也能帶動整個專業良好的學習風氣。

3.建立網絡教學體系，彌補學時不足的問題

當前，全球正流行MOOC教學模式，我校在探討MOOC模式教學過程中，也根據自身的特點，開設了第二課堂。平時課堂上的講授，學生都會產生很多問題，在課下通過實驗驗證中，也還會有一些不同問題。針對這個特點，我校充分利用網絡資源，鼓勵學生創建FPGA的QQ討論群，讓教師也加入其中，這樣能夠最大限度地解決問題，同時，要求教師將關鍵知識點、設計過程中的重要之處，都放在網絡教學平臺上，供學生下載查看，并提供討論區供師生交流互動。另外，為了彌補教師工程實訓經驗不足的問題，我們廣泛聯系，邀請了很多FPGA企業中的工程師加入這個平臺討論。這種網絡形式的教學，在很大程度上提高了教學效率，也使教學質量有了很大的提升。

4.引導學生逐漸掌握Verilog語言

目前，電子技術的飛速發展，各大公司也相繼轉型使用Verilog語言，而縱觀國內高校的教學，很大一部分高校還在使用VHDL語言。究竟是選擇VHDL還是Verilog語言，筆者認為都是可以的，但是，如果高校在教授VHDL語言中，引導學生形成正確的硬件開發思維后，也應該要講授Verilog語言，畢竟從主流發展來說，Verilog語言已有逐漸上升的趨勢。同時，因Verilog語言是以C語言為基礎，學生也很容易接受，這樣，語言教學學時就會減少很多，可以將更多的精力放到其他實踐中去。同時，EDA的后續課程中如SOPC設計也有很多是從Verilog語言的角度去講授的。我們的思路是語言是載體，不要花大力氣去講授，而應多花時間去引導學生如何進行硬件開發。VHDL和Verilog語言都應該花些時間告知學生，讓學生能有一個全方位的認識，以后走上工作崗位，才不會感覺到對某門語言非常陌生而不知從何下手，能極大地提高學生工作的上手能力和應聘的成功率。

5.將SOPC教學引入到EDA教學中

SOPC技術是當今電子設計的主流方向，很多計算機類學生，他們沒有電路基礎的知識，也無法理解CMOS、TTL等原理，但是他們的強項是計算機語言編程，而SOPC正好提供了這樣一個平臺，可以將軟件思維編程以硬件結構實現，這是以后硬件電路設計發展的一個方向。沒有SOPC的體系，EDA就會遜色不少。隨著FPGA技術的成熟，SOPC教學也逐漸引入到本科教學中，教學重點也不再關注基礎性知識學習，而應該將重心放在系統設計領域，從硬件語言的設計轉移到C/C++語言設計，使SOPC的功能能夠以C/C++語言的形式體現，使功能更具體化。在這個階段的教學中，要力求使學生體會到各個專業課程之間的聯系與融合，進而感受到FPGA的強大魅力，自覺產生學習的興趣和意愿。只有這樣，才能真正學習好EDA。

● 結束語

EDA技術是一門技術性很強的學科，有它自身的系統性和要求，目前，很大一部分高校在教學過程中都將精力放在語言教學上，容易使學生認為這是一門硬件語言課程。我們要改變這種思維，合理安排語言教學學時，以案例教學為出發點，引導學生理解FPGA的原理和特點，并在此基礎上，完成一個又一個的項目實訓，而后，將學生引入到SOPC的體系和思維中，讓學生深刻理解一個系統不僅有“器官”，而更重要的是有“心臟”。真正達到鍛煉學生動手能力的目的，讓學生身臨項目實訓之中，更好更快地掌握技能。同時，教師也要改變以往總是講授VHDL的思維定勢，逐漸引導學生掌握Verilog語言，這樣，學生在以后的工作中，才不會對自己沒有見過的語言產生陌生感。EDA技術課程，前沿性很強，待學習待掌握的方面還有很多，學生要學習，教師更要學習，只有這樣，才能把這門專業課程講授好，才能使學生學有所用。

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