FPGA技術在數字邏輯課程中的應用

欒嵐

摘要：新時期的高等院校在人才培養目標上進行了革新，高技能、高素質的實踐型應用人才是現在高校為中國特色社會主義主要輸送的人才類型。數字邏輯課程是電子信息工程、通信工程、計算機科學技術等理工類專業的技術基礎課程，是一門集理論知識和實驗探究于一身的綜合性課程。傳統“灌輸式”的教學模式在很大程度上抑制了學生的學習興趣，基于高校現在的教育目標，傳統教學模式已經不能滿足企業對人才的需求，也不能滿足學生學習需要，教學模式的變革已是必然，在新型教學方法的探索過程中，FPGA技術被運用于數字邏輯課程的教學過程中，該技術的應用可以將抽象的理論知識形象化，降低學生的學習難度，也可實現對學生實踐能力和創新思維的培養，進而提升數字邏輯課程的教學質量。

關鍵詞：FPGA技術;數字邏輯課程;有效應用

從計算機的層次結構上來說，數字邏輯課程是學生對計算機“內核”進行深層次了解和研究的基礎課程，也是一門關鍵課程，數字邏輯課程具有較強的實踐性，其教學目標主要是為了幫助學生領悟數字邏輯和系統的工作方法以及分析技巧，讓學生可以做到自己分析設計一些重要的邏輯部件。熟練使用標準的集成電路，以及高密度可編程邏輯器件，對數字系統的基本設計方法有清晰的了解，以為深層次，大規模的集成電路學習奠定基礎。FPGA技術在很多行業都有廣泛的應用，功能全集成化，應用于高校數字邏輯教學中可以進行仿真驗證，幫助學生對教學內容進行直觀的感受，讓學生在短暫的課堂學習時間中進行高效率，高質量的學習。

1 FPGA技術的內涵

FPGA是基于PLA、GLA等可編程器件上進行發展創新的產物，是集成電路中專用的一種半定制電路，FPGA技術的開發和應用不僅解決了定制電路的缺陷，還有效優化改善了原來可編程器件門電路數有限的不足。FPGA設計不只是對芯片的簡單研究，更是一種產品設計模式。FPGA技術在通信行業有著廣泛的應用，FPGA的基本結構多樣，其中包含，可編程輸入輸出單元、可配置邏輯塊、數字時鐘管理模塊、嵌入式塊RAM、布線資源、內嵌專用硬核以及底層內嵌功能單元等，這也豐富了FPGA技術的功能。FPGA技術的重復編程度和集成度都很高，還擁有豐富的布線資源，而且不需要大數額的成本投資，這也使得該技術在通信行業、軍事航天領域、汽車行業以及醫療行業等都有廣泛的應用。FPGA技術有著非常好的發展前景，并可以在一定程度上促進我國科學技術水平再次提升[1]。

2 數字邏輯課程的教學現狀分析

2.1 教學方法單一

傳統的教學理念和教學模式使用的時間太長，在很多教師的腦海中已經根深蒂固，所以即便新課程改革在近些年進行大力的推進落實，但是教師和學生都需要時間去適應和轉變。所以在部分高校中，還是有一些教師沿用著傳統的“灌輸式”教學方法，教師一言堂的現象還是很明顯，理論知識本就相對枯燥一些，而實驗知識更是需要動手實踐才能融會貫通，這樣的教學模式讓學生在課堂學習的過程中提不起興趣，積極性也大大受損，學生沒有太多自我學習和自我探索的機會，也就使得數字邏輯課程的教學效率和質量不甚理想[2]。

2.2 理論與實踐課程分離

理論是實踐的基礎，實踐是理論的應用體現，二者之間是相輔相成的，尤其是在新時期的高校教育過程中，要培養應用型人才就必須要實現理論與實踐的和諧統一，這樣才能獲得最佳教學效果，提升學生的實踐能力和創新能力。但是在現階段的數字邏輯課程教學過程中，理論知識課與實踐課程的開展不成正比，很多理論知識課程都沒有相應的實踐課程進行輔助理解教學，而實踐課程的開展也達不到對理論課程貫通的效果，所選擇的實踐教學也是以傳統實驗為主，沒有針對行業的發展實際進行有效的拓展，學生在學習過程中不能與實際工程項目接觸，這就使得很多學生參與工作后會出現很多“紙上談兵”的狀態和現象，缺乏解決實際問題的能力。

2.3 實驗課程效果不佳

實驗課程是數字邏輯課程中的一項重要教學內容，實驗課程是學生梳理和發散思維最直接的一種方式，但是在現階段的高校數字邏輯教學中，很多地方院校的實驗課程開設效果并不理想。一方面，一些學校因為資金、場地等因素影響沒有開設實驗課程，整個數字邏輯課程的學習全部依靠理論講解和學生的自我消化。另一方面，很多院校開設了實驗課程，但是實驗設備和實驗方式并不先進，導致實驗教學的效果達不到理想的教學要求。已經設置實驗課程的院校一般在實驗教學上使用兩種教學方式，一是基于硬件的傳統實驗教學，這也是使用最多的方法，傳統實驗教學可以讓學生身處真實的實驗環境中，對學生理解掌握數字邏輯相關的理論知識有很大的促進作用，但是傳統實驗方式也有其自身的很多局限性和不穩定影響因素。二是基于軟件的虛擬實驗教學，虛擬實驗教學是依托于虛擬技術平臺和軟件實現的，其在很大程度上優化了傳統實驗教學的不足，并提升了數字邏輯實驗課程的教學質量，但是虛擬實驗還是和真實實驗操作存在一定的區別，在一些特定知識的學習中虛擬實驗就沒有傳統實驗的效果好。這就是現階段高校數字邏輯課程的教學現狀[3]。

3 FPGA技術在數字邏輯課程中的應用

3.1 利用FPRA技術豐富教學方法

新時代的社會發展需要創新型人才，學生的創新思維培養很重要，開展數字邏輯課程的過程中，教師要打破傳統單一的教學模式，利用任務教學法、合作學習法、情境教學法等新型教學方式實現數字邏輯課程的多元化開展，讓學生擺脫傳統課程教學中被動接受教育的現狀，利用FPGA技術，將數字邏輯課程中抽象的理論知識形象化，提升學生的學習興趣和實踐積極性。比如：在組合邏輯電路設計的過程中，開展理論知識學習后，教師可以給學生布置一個控制水泵的組合邏輯電路任務，教師可以結合任務教學模式讓學生有效利用FPGA技術，結合Quartus Ⅱ和Verilog HDL等知識對組合邏輯電路進行設計。首先，對電路設計要求進行分析，然后根據分析數據明確輸入和輸出信號，并確定二者之間的因果關系。其次，以輸入和輸出信號之間的關系為依據，利用Verilog HDL語言來對組合邏輯電路進行描述。然后，通過Quartus Ⅱ開發環境對已經描述好的組合邏輯電路做出編輯、翻譯、綜合與仿真。最后。利用FPGA技術將Quartus Ⅱ開發環境整理后的網表文件進行實踐仿真驗證。這樣的豐富的教學方法可以讓高校數字邏輯課堂活躍起來，改變傳統安靜的課堂氛圍，活躍學生的思維，實現學生的個性化發展，進而提升整體教學質量[4]。