基于FPGA的電子技術教學實踐與應用

曲帥 張迪 王宇 陸軍裝甲兵學院

1 引言

《電子技術》課程電氣、通信等專業非常重要的一門專業基礎課。如果沒能掌握相關知識內容對后面專業課程的學習產生一定的影響。電子技術發展迅速。而與以往的教學內容現已明顯跟不上現在電子技術發展的要求。如何改變這一現狀是我們目前面臨的難題。而FPGA作為當前IC設計的主流形式之一，如何將FPGA應用到電子技術的教學實踐中，讓學生能夠較短的實踐內不但能夠掌握現代化的科技與知識，同時又能提高學生創造能力，具有非常積極的作用。

2 FPGA工作原理及開發流程

FPGA（Field Programmable Gate Array）即現場可編程門陣列，其是基于PAL、GAL、EPLD、CPLD等可編程器件發展所得。作為ASIC領域中的一種半定制電路，不但能夠彌補了定制電路的缺陷，而且還能夠克服了已有可編程器件門電路有限的特點。對于一個n輸入的邏輯運算，無論屬于與或非運算或是異或運算等，最大可能存在2n種結果。因此，如若先前往相同存儲單元內存放對應的結果，便意味著具備了與非門電路功能。FPGA的原理與其相同，他采取文件燒寫的方式來配置查找表的內容，以便于能夠在同一電路下具備各類邏輯功能。查找表簡稱LUT，LUT其實就是一個RAM。FPGA多使用4或者6輸入的LUT，所以一個LUT可以看成是一個4或者6位地址線的16×1或者64×1的RAM。通常通過原理圖或者HDL語言（VHDL或者Verilog）描述了一個邏輯電路以后，FPGA開發軟件會自動計算邏輯電路的所有結果，并把真值表事先寫入RAM。這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容，然后輸出即可。

具體的FPGA開發流程包括電路設計、設計輸入、功能仿真、綜合優化、綜合后仿真、實現、布線后仿真、板級仿真以及芯片編程等步驟。主要是利用EDA開發工具軟件和編程工具對FPGA芯片進行開發。

3 FPGA在電子技術課程教學應用

電子技術是一門實踐性很強的課程，傳統的教學方式多是采用多媒體加板書。學生缺乏對電路的主觀認識，多數學生興趣不高，課堂質量不高。特別是在講授觸發器、時序邏輯電路分析等難以理解的內容時，多數同學靠死記知識點來應付考試。并不理解，更不會應用。對后續的專業課影響較大。若引入FPGA進行仿真，就可以幫助同學更加直觀的去理解概念，激發同學學習的積極性。

Vivado是Xilinx公司推出的綜合性FPGA/CPLD集成開發環境。不但含括了邏輯設計全部需要的內容，并且還有著許多建議的內置式工具與向導，使I/O分配、功耗分析、時序驅動設計收斂等關鍵步驟能夠更加直觀與簡易。而且在此過程中不需要使用其他第三方EDA軟件。

在數字電子技術課程教學中，利用Vivado2016.4作為仿真演示平臺，能方便的展示器件功能和對電路的功能進行分析，下面以8-3編碼碼器為例進行說明。

8-3 編碼器是將輸入的8個信號通過編碼器輸出3位的二進制代碼。其真值表如表1所示：

表1 8-3編碼器真值表

因為任何時刻I0-I7僅有一個取值為1，即輸入變量取值的組合僅有表1列的八種狀態。一般的設計方法就是按照真值表列出邏輯表達式同時實施化簡，然后根據化簡結果畫出邏輯電路。這種授課方式使學生對編碼器沒有一個直觀的影響。在實際的場景中更不會靈活應用。所以我們可以引用FPGA，利用Vivado平臺進行仿真分析，幫助學生更好的理解。

首先是電路輸入，利用硬件描述語言Verilog進行電路的輸入。

然后進行編譯綜合，圖1是編譯綜合后的電路圖。輸入是一個8位的信號，輸出是一個3位的二進制代碼。

圖1 編譯綜合后的電路圖

最后是仿真分析如圖2所示：

圖2 8-3編碼器仿真圖

由圖2可知，當輸入端X_0=1時，此時輸出為000。當X_1=1時，此時輸出為001。以此類推，直到當X_7=1時，此時輸出為111。波形圖很直觀的展現了8-3編碼器的功能。從而加深學生的理解。除了在課上展示外，學生課下也可以自己安裝Vivado軟件平臺。根據課上學習的知識，自己動手去分析和設計電路。從而去更好的調動學生學習積極性，同時提升其操作能力，為后期專業知識的學習夯實基礎。

4 總結

將FPGA應用到電子技術課程的教學中，能夠豐富教學方式，提高學生學習積極性。通過搭建電路，把抽象的理論形象化。從而加深學生對知識的印象，調動學生學習電子技術學習熱情，增強其操作能力，培養了學生創新能力。