項目化教學在“FPGA開發與應用”課程中的應用研究

吳華

【摘 要】“FPGA開發與應用”這門課主要應用VHDL語言進行數字系統設計，本文提出采用項目化教學使學生提高VHDL語言的編程能力，理解自頂向下的系統設計方法，熟悉利用ISE平臺進行數字系統設計流程，激發學生的學習興趣。

【關鍵詞】項目化教學；FPGA開發與應用；VHDL

1 基于FPGA的數字系統設計簡介

FPGA是Field Programmable Gate Array的縮寫，即現場可編程門陣列，它完全由用戶通過軟件進行編程和配置，從而完成某種特定的功能，且可以反復擦寫的新型器件。傳統的數字系統設計方法是自底向上的設計方法，它是以各種不同的中小規模集成電路芯片為基礎，按照功能要求在印刷電路板上將不同的芯片連接起來，構成實現某種功能的電子系統。基于FPGA[1]的數字系統設計方法采用自頂向下的設計方法，把系統分成若干個基本單元，然后再把每個基本單元劃分為下一層次的基本單元。它以FPGA芯片為核心，通過編程的方式完成系統功能的設計并將設計寫入FPGA芯片內，使芯片具有設計的功能。設計過程中通過不同階段的仿真可以及時檢查設計的正確性，電路的修改只需要通過修改程序并重新下載到FPGA中即可。因此基于FPGA的數字系統設計易于測試和修改，設計周期短，便于移植。

2 項目化教學實施過程

“FPGA開發與應用”這門課是針對大三計算機網絡工程專業學生開設的一門專業課，學生在前期已學過《電路》、《數字電路》、《模擬電路》、《C語言程序設計》等課程。通過該門課，使學生掌握VHDL語言（超高速集成電路硬件描述語言）的編程方法，能熟練應用ISE平臺進行數字系統設計，理解自頂向下的系統設計方法，積累數字系統設計經驗。

傳統的教學方法重在介紹VHDL語言的語法規則和語句，知識點較零散，學起來較枯燥，而且不知如何應用這些語句。而項目化教學重在將知識點融在項目中理解，學生通過做一個小項目可以掌握相應的知識點，并通過3-4人一組協作完成，培養其團隊合作能力、溝通能力和語言表達能力等。項目化教學真正實現了三個轉變：以教師為中心轉變為以學生為中心；以課本為中心轉變為以項目為中心；以課堂為中心轉變為以實際經驗為中心[2]。

下面將通過“點亮兩位數字”項目分析如何實施項目化教學[3][4]。“點亮兩位數字”項目即利用Xilinx公司的ISE軟件平臺進行系統設計，通過VHDL語言編程實現顯示兩位數字的功能，并最終生成二進制文件，下載到Basys2開發板上驗證。

2.1 項目立項階段

教師先向學生展示最終要完成的效果，講明項目任務，再對學生進行分組，盡量采取自愿原則，教師可對小組成員適當調整，保證每組中至少有一人學習情況較好，并任命一人為組長。

2.2 需求分析階段

根據項目要求，分析最終要呈現的效果，確定程序的功能模塊和性能需求。比如要用兩個數碼管顯示、動態掃描問題、譯碼問題等。

2.3 系統設計階段

首先每個小組要確定總體方案設計，例如分哪幾個模塊、每個模塊要實現什么功能，再進行詳細設計，包括用Visio軟件繪制系統功能結構圖（如圖1所示）、每個模塊如何用VHDL語言實現等。在詳細設計中，涉及每個模塊具體的功能，寫出詳細的系統設計報告，以此進行編碼和測試，從而保證系統設計的可靠性。可以由組長分配任務，讓每個組員完成一個模塊的編寫工作。

2.4 編碼、測試階段

教師檢查每組的系統功能結構圖，若無問題，則可以開始編程。在用VHDL語言編程階段，學生可根據系統功能結構圖分模塊進行調試，先將底層三個模塊（分頻器、控制模塊、譯碼器）都編好后，通過ISE軟件編譯檢查語法錯誤、并進行仿真，若無問題，再進行頂層文件編寫；若有問題，則需修改源代碼，直至無錯誤為止。頂層文件主要是通過元件例化語句將底層三個模塊進行連接，編好后，也需要經過ISE軟件編譯檢查語法錯誤。

2.5 下載、驗證階段

最后將生成的二進制文件下載到basys2開發板上驗證，若能正確顯示兩位數字，即成功。若不能正常顯示，則需返回到ISE軟件中，修改底層文件或頂層文件，直至驗證成功為止。

2.6 驗收階段

在編寫代碼的過程中，教師可適當給予指導，給學生提供一些參考資料或相似的例子，幫助學生完成項目。教師要檢查各組最終能否實現“顯示兩位數字”，協助并指導各組，完成編寫“顯示兩位數字”項目文檔，并對各組進行成績評定。各組組長向全班匯報、展示本組的作品，并列舉項目開發中遇到的各種問題，其他組的學生可以提問，最后教師對各組進行點評。各組組長根據小組成員的貢獻對小組成員進行打分，教師根據小組成績和組長對各成員的打分，確定每位學生的成績。

3 總結

由于傳統的教學方法重在介紹VHDL語言的語法和語句，學生學起來較枯燥，因此結合《FPGA開發與應用》課程的特點，通過“顯示兩位數字”項目，展示如何在《FPGA開發與應用》課程中實施項目化教學。通過項目化教學，不但能使學生掌握VHDL語言的編程方法和自頂向下的系統設計方法，熟悉真實項目的實施過程，而且通過分組協作完成一個項目，可以鍛煉學生的團隊協作能力、溝通能力、語言表達能力等，從而激發學生的學習興趣，提高學生的自主學習能力。

【參考文獻】

[1]陳學英，李穎.FPGA應用實驗教程[M].國防工業出版社，2013，05.

[2]張學琳，陳齊超，段珊，胡波.項目教學法在“C語言課程設計”中的研究與應用[J].實驗技術與管理，2011，28（02）：164-167.

[3]吳玲.《EDA技術與應用》項目化教學改革研究與探索[J].科技信息，2012（21）：244.

[4]張輝，王彥.項目教學法在《EDA技術及應用》課程中的應用[J].新課程研究：高等教育，2011（2）：73-76.

[責任編輯：楊玉潔]