校企協同合作 促進EDA課程建設

薛亞茹 閆景富 陳 沖

（中國石油大學（北京）信息工程學院電子信息工程系，北京 102249）

0 引言

2017年2 月，教育部提出推進新工科建設，并達成了10項共識，其中“新工科建設需要社會力量積極參與”“新工科建設需要加強研究和實踐”說明學校建設需要社會參與尤其是專業課程建設更需要相關企業參與，專業課程不僅僅是基礎知識的建設，更需要新知識；新技術的注入，教師提升研究水平，學生需要更多的實踐能力并與社會接軌，這些社會發展需求督促學校加強校企合作，提升專業課程建設水平。

EDA課程是電子信息專業的一門主要實踐課程，以FPGA開發為主要教學內容。近年來FPGA憑借編程靈活性強、產品適應性廣、計算可并行化等優勢，不僅在傳統領域中得到了廣泛應用，在5G、通信、自動駕駛、人工智能、云計算等前沿科技領域也發揮著舉足輕重的作用。

為了提高EDA課程建設水平，按照注重課堂基礎建設、師資繼續教育培訓、企業進校提升綜合實踐能力、校企合作培養創新能力四個層次，循序漸進提升EDA課程質量。

1 注重課堂基礎建設

為加強教學實踐內容的基礎建設，按照EDA實現方法和內容分層次教學[1]。將簡單組合邏輯電路的實現作為最低層次，即程序編寫時更多地采用數據流描述方式和結構描述方式，如選擇器、加法器、譯碼器、表決器等電路的實現。以上數字電路設計盡管是采用EDA技術實現，但并不能充分體現EDA技術的優勢，這部分內容的學習更多是讓初學者體會如何通過EDA技術實現先前所學過的中小規模集成電路功能。將時序邏輯電路尤其信號傳輸及時序控制電路的設計作為第二層次，如A/D轉換器命令傳輸及數據讀寫控制、各種通信接口電路設計，其特點是邏輯功能比較復雜，必須使用EDA技術并通過行為描述方式進行編程才能實現，可以讓學生充分體會EDA技術的優勢，并從中不斷學習硬件描述語言的編程方法和技巧。將算法或具有獨立功能的子模塊的實現作為最高層次，如FFT、FIR、軟核嵌入式系統等，這些設計上升到系統層面，需要在了解其他學科相關理論知識的基礎上，學習如何使用EDA技術并實現其算法功能，是EDA技術應用的進一步提升。

這種分層次的教學更好地反映了EDA技術的教學本質內容。針對上述建設思想，將課堂實驗分為兩個層次。一是基礎實驗練習。主要設計了以下4個實驗：加法器及7段數碼顯示譯碼電路、半整數與奇數分頻器設計、DDS正弦信號發生器設計、ADC采樣控制電路設計。二是實踐練習。在基礎實驗之上，設計了具有綜合性質的實踐練習，包括樂曲硬件演奏電路設計、計時電路設計、正弦信號發生器設計、FIR濾波器設計、數字頻率計設計等。通過兩個層次的訓練，學生對EDA設計建立了知識框架，為以后進行工程設計打下了良好的設計基礎。

2 師資繼續教育培訓

為貫徹落實《國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見》（國辦發〔2017〕95號）和《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》等有關文件精神，深入推進產學合作協同育人，教育部在16年推出產學合作協同育人項目。該項目通過政府搭建高校與企業之間溝通平臺，企業提供部分資金和設備支持，與高校教師協同進行課程建設、師資培訓、實驗室建設等項目，共同建設各類教學資源，達到校企深度合作，促進產學研結合。

FPGA是一門快速發展的技術，對教師的教學水平不斷提升提出較高要求。借助此平臺學校申報了相關的師資培訓，進行了有關單/雙口RAM、常系數復雜FIR濾波器的設計等，分享了EDA工具在各個綜合階段的設計技巧。為與相關課程銜接，我們與企業工程師共同開發了圖像邊沿檢測、目標自動跟蹤等有較高難度的實踐開發項目。通過這些技術的共同交流，教師及時更新知識結構，保證了學校教育與社會用人需求接軌。

3 企業進校提升綜合實踐能力

傳統課堂教學注重基礎知識構建，課程分散時間較長，實踐項目的針對性練習相對較少。而對于傳統教學課程安排，企業集訓可以在短時間內有針對性地提高學生FPGA知識水平，通過具體的實驗項目結合市場導向，再結合課堂學習中的模數電基礎知識，在具體實踐項目中帶領學生完整地學習FPGA開發流程，讓學生在短期內掌握研發工程師所需要的基礎開發技能以及工具使用方面的技巧，可以獨立自主完成項目分析需求設計開發。

為此我們邀請相關企業進校配合教師協同完成EDA課程設計。利用企業豐富的硬件資源，拓展教學的實驗器材種類豐富，mini擴展版，配合口袋機進行課堂演練，遠程云端硬件實驗則可以滿足學生在課下業余時間通過互聯網在線訪問遠程硬件進行線上練習。

針對計算機組成原理項目，以MIPS CPU為例，從寄存器，多路器，存儲器等逐步構建，對每個模塊都繪制時序電路，帶領學生現場根據電路用編程語言描述出構想的電路，最終通過集訓完成單周期、多周期以及流水線CPU設計。在此基礎上，擴展模塊與口袋機硬件相配合還實現了智能電梯模擬控制、智能家居模擬以及指紋識別，RFID門禁控制，WIFI等。

通過與企業合作，提高了學生實踐能力，學生也初步建立了工程意識[2]。

4 校企合作培養創新能力

學生的培養需要與社會接軌，在綜合實驗完成以后，對于優秀學生應鼓勵他們參與教師科研項目，或參與校企合作培養。經過多方調研，與某視頻公司建立了深度合作。在與公司的合作研究中，將企業工程問題化解為一個個子課題，讓學生組成科研團隊逐個解決，完成生產級項目。

例如，以基于FPGA的KVM收發器設計為目標，將該項目分解為視頻信號的收發、音頻信號的收發、串口信息的收發、鼠標鍵盤信息的收發、紅外信息的收發等模塊。

第一模塊實現1080P＠60Hz視頻的信號收發功能；第二模塊實現IIS音頻的信號收發功能；第三模塊實現串口信息的收發功能；第四模塊實現鼠標鍵盤信息的收發功能；第五模塊實現紅外信息的收發功能，發送端接收到數據進行解調，按NEC協議解碼，嵌入視頻流后發送。

基于FPGA的KVM收發器設計實現了視頻信息的雙向收發和音頻信息、串口信息、鼠標鍵盤信息、紅外信息的單向傳輸，在實現多功能信息傳輸的同時保證速度快、低時延，形成一個完整的項目，提高了學生綜合設計能力。在實際操作的過程中，學生也遇到了許多困難和問題，經過不斷地嘗試、思考、總結和反復修改，學生能力得到很大提高。

對于實踐性強的EDA課程，提升課程質量，與企業合作是一條有效的途徑。對于學生，從課堂走向項目，鍛煉了其綜合實踐能力，使其了解了工程實踐要求，學生后續課程的學習方法和學習態度都得到了很大的促進；對于教師，經過與企業的對接，不斷更新知識體系，了解社會對人才的需求，實現教學內容及時與社會同步，保證了良好的教學質量；對于企業，既培養了學生，也與學校建立了良好的合作關系，提升科研實力，達到雙贏。