高校EDA技术实训模式的研究与探索

第２９卷第３期　黄冈师范学院学报　Ｖ０１．２９　Ｎｏ．３　２０Ｏ９年６月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＨｕａｎｇｇａｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｊｕｎ．２Ｏ０９　高校ＥＤＡ技术实训模式的研究与探索　陈义钦　，朱　蕾２　（１．湖北工业大学实验实训中心，湖ｊＥ武汉４３００６８；２．黄冈师范学院，湖北黄州４３８０００）　摘要结合在ＥＤＡ技术实训教学中所积累的经验，主要通过研究现阶段高校在开展ＥＤＡ　技术实训课程的普遍模式，分析了存在的一些问题，提出了建立ＥＤＡ技术开放性的实训模式，　阐述了在实际教学过程中可能出现的问题，并总结出了一系列解决方案，为提高ＥＤＡ实训课　程的教学质量提出了自己的构想。　关键词ＥＤＡ；实训教学；ＦＰＧＡ；ＶＨＤＬ　中图分类号Ｇ４２４．１　文献标识码Ａ　文章编号１００３—８０７８（２００９）０３－００４６－０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ＥＤＡ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｃｏｕｒｓｅ　ｉｎ　ｃｏｌｌｅｇｅｓ　．ＣＨＥＮ　Ｙｉ－ｑｉｎ　，ＺＨＵ　Ｌｅｉ　（１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｔｒａｉｎｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｓｒｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３Ｏ０６８，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈｕａｎｇｇａｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｓｒｉｙｔ，Ｈｕａｎｇｚｈｏｕ　４３８０００，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ａ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　ＥＤＡ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｉｎ　ｃｏｌｌｅｇｅｓ，ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　ａｌｌ　ｏｐｅｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＥＤＡ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｘ—　ｐｏｕｎｄｓ　ｓｏｍｅ　ｉｓｓｕｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｙ　ａｒｉｓｅ　ｉｎ　ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ＥＤＡ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｒａｉｎｉｎｇ，　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｇｉｖｅｓ　Ｏｉｌｉ＂ｏｗｎ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＥＤＡ；ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｃｏｕｒｓｅ；ＦＰＧＡ；ＶＨＤＬ　ＥＤＡ技术（电子设计自动化一Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅ—　自动设计。与早期的ＣＡＤ软件相比，ＥＤＡ软件的　ｓｉｇｎ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）是现代电子信息技术发展的重要　自动化程度更高，功能更完善，运行速度更快，而且　成果，其发展和应用为电子产品设计及制造领域　操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性。　带来了一场¨Ｊ。ＥＤＡ技术是以大规模可编　高校中所开设的电子类实训课程是一门实践　程逻辑器件为设计载体、以硬件描述语言为系统　性较强的专业基础性课程。在教学过程中如能提　逻辑描述的主要表达方式、以计算机和大规模可　高学生的学习动机、兴趣、方法等非智力因素，用　编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计　客观实际中千变万化的电子线路特性吸引他们，　工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方　便会激发起其浓厚的学习兴趣与强烈的观察动　式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。它使　机。因此，在电子技术实训教学中可以利用ＥＤＡ　得设计人员能在计算机上完成电路的功能设计，　技术使学生通过动手加强专业理论知识的理解，　逻辑设计，性能分析，时序测试甚至印制电路板的　利用实训的方法验证所学的专业知识、理解电子　收稿日期：２００９－０５－０４．　．　作者简介：陈义钦，男，湖北武汉人，硕士　第３期　陈义钦，等：高校ＥＤＡ技术实训模式的研究与探索　线路的相关应用方法，以达到理论和实践的结合　的教学目的。　通信类相关高年级学生开设，他们都有一定计算　机编程语言的基础，所以这部分的教学可首先通　过比较硬件描述语言和计算机语言的异同切人，　使其更容易被学生理解。　对于ＥＤＡ技术可选用的软件开发工具，芯片　１　ＥＤＡ技术实训平台及内容　在教学过程中通过ＥＤＡ技术的特点、编程语　言、配套软硬件、实验内容及课程内容设置等几个　方面对目前ＥＤＡ实训教学的现状进行分析。实　训的内容主要围绕大规模可编程逻辑器件、硬件　描述语言（ＶＨＤＬ语言或ｖｅｆｉｌｏｇ　ＨＤＬ语言）、软　件开发工具（Ｑｕａｒｔｕｓ　ＩＩ）以及实验开发系统四个　方面展开。　厂家根据各自所生产的芯片不同开发了许多有针　对性的软件。我们选择了Ａｈｅｒａ公司最具代表性　的的设计软件Ｑｕａｒｔｕｓ　ＩＩ进行教学，Ｑｕ￣ｕｓ　ＩＩ是　Ａｌｔｅｒａ公司推出的ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ开发工具，它提供　了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具　有数字逻辑设计的全部特性，可利用原理图、结构　框图、Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ、ＡＨＤＬ和ＶＨＤＬ完成电路描　大规模可编程逻辑器件是在可编程逻辑器件　（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｉ￣ｇｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅ，ＰＬＤ）的基础上发展　起来的，用户可以通过对ＰＬＤ器件进行编程来实　现所需的逻辑功能。与专用集成电路ＡＳＩＣ相　比，ＰＬＤ具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险　小等优势，因而得到了广泛应用。目前使用最广　泛的可编程逻辑器件有两类：现场可编程门阵列　（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）和复杂可　编程逻辑器件（Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｄｅ—　述，并且具有完备的电路功能仿真与时序逻辑仿　真工具，可实现使用组合编译方式一次完成整体　设计流程。　ＥＤＡ技术实训课程主要包括ＥＤＡ实验教　学、ＥＤＡ实训课程设计、运用ＥＤＡ技术进行毕业　设计及运用ＥＤＡ技术进行创新科研实践活动　】。　这些ＥＤＡ技术相关的实训内容一般来说都需要　在一套完整的ＥＤＡ实验平台上完成。为开展　ｖｉｃｅ，ＣＰＬＤ）　Ｊ。由于ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ、的内部结构　稍有不同，通常ＦＰＧＡ中的寄存器资源比较丰富，　适合同步时序电路较多的数字系统；ＣＰＬＤ中组　ＥＤＡ技术实训课程，各大设备厂商，高校及科研　院所都开发研制了多种ＥＤＡ实验平台。高校在　选择实验开发系统时需要根据实际情况考虑这些　平台的可操作性，可扩展性以及性能指标。一般　来说，ＥＤＡ技术实验平台的搭建主要有两种途　径，一是自主研发实验平台。这种方式的优势在　于开发出来的系统内部架构及硬件资源分布明　确，可根据教学需要适当增减，教师对于系统的原　始资料较多，能够做到更好的讲解硬件系统，但是　这种开发成本较高，实验平台建立时间较长，还需　要自行编写整理实训教学资料，并且由于ＥＤＡ技　术是在飞速发展的，开发出来的平台性能指标可　能相对落后；二是通过向市场购买ＥＤＡ实训平　台。这样搭建的实训平台价格相对便宜，实验室　建立较快，设备性能指标可选择性较强。但是通　过该途径搭建的实训平台，教师一方面要能够熟　练运用该系统进行ＥＤＡ技术教学，另外一方面还　需要尽可能的掌握这些设备详细的硬件原理图。　虽然通过ＥＤＡ技术设计数字电路系统，减少了电　路设计的工作量，但是作为一个完整的数字系统，　硬件设备的原理还是必须掌握的，特别是平台外　围设备的控制电路是需要详细讲述的，要让学生　在自行设计一个系统的过程中，能够明白所设计　的系统是如何控制数码管的动态显示、按键开关　合逻辑资源比较丰富，适合组合电路较多的控制　应用。在这两类可编程逻辑器件中，ＣＰＬＤ提供　的逻辑资源较少，而ＦＰＧＡ提供了最高的逻辑密　度、最丰富的特性和极高的性能，因此，教学中我　们主要围绕ＦＰＧＡ的内部结构以及资源分布做相　应介绍。　随着ＥＤＡ技术的发展，使用硬件描述语言设　计ＦＰＧＡ已成为一种趋势。目前最主要的硬件描　述语言是ＶＨＤＬ和Ｖｅｆｉｌｏｇ　ＨＤＬ。ＶＨＤＬ发展得　较早，语法严格，而Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ是在Ｃ语言的基　础上发展起来的一种硬件描述语言，语法较自由。　ＶＨＤＬ和Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ两者相比，ＶＨＤＬ的书写规　则比Ｖｅｒｉｌｏｇ烦琐一些，但ｖｅｒｉｌｏｇ自由的语法也容　易让少数初学者出错。很多国外电子专业会在本　科阶段教授ＶＨＤＬ，在研究生阶段教授ｖｅｆｉｌｏｇ　ＨＤＬ。从国内来看，ＶＨＤＬ的参考书很多，便于查　找资料，而Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ的参考书相对较少，这给　学习Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ带来一些困难【３】。考虑教学时　间上的安排，在教学过程中选择着重介绍ＶＨＤＬ　语言，也利于学生在课下通过查相关书籍资料自　学。并且由于ＥＤＡ技术实训课程主要面向电子　・４８・　黄冈师范学院学报　第２９卷　如何模拟数字电路中的０和１、电机是如何驱动　工作的等。所ＶＡＳｂ充详细的电路原理图资料是非　常有必要的，它能够让学生明白一个完整的数字　电路系统设计到底是如何进行的。　２开放式实训模式及示例　传统的ＥＤＡ实训教学，均是先讲可编程逻辑　器件的结构特点，接着是ＥＤＡ工具软件的使用，　然后是硬件描述语言的语法知识，最后再讲一些　简单实例。按照这种方法教学，学生会感到枯燥　难学。在学生学习硬件描述语言的早期，由于硬　件描述语言与他们通常所接触的计算机编程语言　差别较大，而如果教师在讲课时过于强调语言的　语法，则会使学生产生畏难情绪，甚至完全放弃对　ＥＤＡ的学习；也有部分学生虽然主观上想学好　ＥＤＡ技术这门课程，但在具体学习过程中，遇到　问题后总会感到不知所措，不知道应该通过何种　途径去解决。长期如此，最后对于ＥＤＡ技术的理　解只能是一知半解。总之，现在普遍的教学方式，　使得学生的学习过程是一个不断遇到挫折的过　程，于是，很多学生感觉ＥＤＡ技术的实训课程非　常难学。　因此，如何在较短的时间内让学生能够通过　参加实训课程利用ＥＤＡ技术开展数字系统的设　计便成为教师的教学难点。笔者通过对国内几所　著名高校的调研和收集资料，以及对日常ＥＤＡ实　训教学的经验总结分析，确定了以开放式实训模　式作为我们教学的出发点、以项目教学为载体的　实训教学思路。　首先，要让学生明确设计一套数字系统通常　采用模块化的设计思想。教师在安排教学任务时　可采用自顶向下的设计方法，让学生通过分组完　成每个的模块，最后将这些的模块组成　一个完整的系统。这不仅能锻炼学生的编程　的能力，还能培养他们的团队合作精神。　其次，为了能激发学生的学习兴趣，充分调动　学生的学习积极性，使整个实训过程不仅有意义，　而且充满创新性，在学生掌握了相关理论知识及　编程手段以后，可通过开放式的实训教学模式，让　学生自主选择设计内容、设计方案、制定设计步　骤，从而创造性地完成系统设计。教师在学　生自行选题过程中，需要把握好所选内容的实用　性、趣味性、连贯性和综合性，同时还要把握难易　的程度，切忌一开始就让学生感到ＥＤＡ实验的难　度大，以免打击学生的积极性，不利于实验的顺利　开展。自己动脑、动手来实现他们在生活中的思　考和假设，让他们随堂切身体会到设计过程的乐　趣，能够将他们平时认为复杂的理论转化为易于　接受可观察的实验现象的形式。实践证明，这些　贴近生活的实验内容不仅能够很好的吸引学生的　注意力，而且还能够加深其对理论课上所学内容　的理解，但还需要注意的是教师要能够通过答疑　讨论等方式及时帮助学生解决在设计过程中所遇　到的困难，从而让学生克服实训课程的畏难心理，　充分调动学生的实训热情和对专业创新的欲望。　同时，教师可以针对学生的选题指导学生查　阅相关的参考书、文献资料及网站，让学生通过自　我学习去完成任务，以便让学生深化理解所要学　习的内容，更好的理解教学目的。　因此设计一套合理的实训模式是进行ＥＤＡ　技术教学的一项重要任务，根据教学经验，我们将　实训教学划为以下四个层次：　１）逻辑功能实现：如计数器设计、交通灯控　制器、电梯控制器设计；　２）含性能要求的数字系统设计：如高速Ａ／　Ｄ、Ｄ／Ａ处理系统、ＦＩＲ滤波器设计、视频实时处　理系统；　３）ＳＯＰＣ系统设计；　４）ＥＤＡ工具研究与开发。　首先介绍的是我们为第一层次的学生设计的　一套系统方案，即实现一个简单的计算器系统。可　将实训内容划分为下面几个模块及对应知识点：　１）两位十进制计数器设计。涉及到异步清　零、２—１Ｏ进制转换、计数器设计、Ｄ触发器的使　用等内容；　２）一位十进制加减法器设计。涉及组合逻　辑、逐级进位和超前进位的概念以及补码减法；　３）计算器运算式输入方式。涉及状态机的　设计方法；　４）ＰＳ／２键盘接口控制驱动。涉及如何去除　毛刺、串并转换、扫描码译码等内容；　５）ＶＧＡ图象显示控制器的驱动。涉及ＶＧＡ　显示时序控制、设计ＲＯＭ及读取控制；　６）简单计算器系统实现。涉及多个小组多　个模块综合的调试及构成。　第二层次的实训教学主要面对的是学生是为　了参加一些创新设计及毕业设计，因此在这个阶　段学生在设计一个系统的时候不仅要考虑到系统　第３期　陈义钦。等：高校ＥＤＡ技术实训模式的研究与探索　・４９・　功能的实现，而且还要考虑可能影响系统性能的　图１所示，该方案需要用到基于状态机的设计，采　一些因素。我们把一个在计算机编程中常用到的　用同步时钟控制，不能随时读出写入。用ｒａｍ来　点灯游戏系统放在可编程逻辑器件中去实现，点　实现小灯状态的存储，即每个ｒａｍ单元里存储　灯游戏系统是一个十分有趣的智力游戏，它的规　１ｂｉｔ信息，表示一个小灯的亮灭状态。并通过地　则是：有一Ｎ行Ｎ列的灯，开始时全部是灭的，当　址线和数据线对小灯的状态进行读取和写入。这　你点亮其中一盏灯时它的上下左右（若存在的　使本方案成为结构化的设计，最贴近硬件电路的　话）状态全部改变（即由亮变为灭，由灭变为亮），　实现方式，硬件面积资源也最为节省。　现要求以最少的步数，将全部的灯点亮。如果我　学生通过采用不同的方案实现该系统就能够　们要在ＦＰＧＡ中去实现这样一个系统，所涉及的　充分体会到可编程逻辑器件的特点，硬件描述语　知识点包括：ＦＰＧＡ设计优化、软件设计与硬件设　言和计算机语言的区别，以及影响系统性能的多　计区别、状态机设计、ＲＡＭ使用技巧、ＶＧＡ显示　方面因素，为他们设计一个合理有效的系统打下　控制器设计、ＰＳ２鼠标接口控制器。通常在实际　了良好的基础。　的设计过程中可采用的方案有以下三种：　ＥＤＡ技术作为一门新兴的电子设计技术，能　方案一、用软件的设计思想进行设计，程序中　将电路中抽象的理论形象化、复杂的电路实际化，　大量采用ｆｏｒ循环和判断语句。那么该方案在　增强学生对于电路理论的理解和对电路结构的认　ＦＰＧＡ中实现所存在的问题是：大量的ｆｏｒ循环和　识，改变传统教学中理论与实际严重脱节的问题，　判断语句与实际硬件电路的实现不能很好的兼　同时还能增强学生在学习工作中分析问题和解决　容，耗费的硬件面积资源比较大，应该根据实际硬　问题的综合能力，全面提高学生的科研素质。随　件电路的特点进行设计。　着该技术的不断发展，高校ＥＤＡ技术实训教学也　．方案二、首先根据硬件的特点进行设计，去掉　需要不断改进，不断创新，改进教学的方式与方　大量的　ｒ循环；用状态机设计来代替方案一中的　法，创新实验的平台与内容。唯有如此，才能不断　一些判断执行语句，大大减少逻辑宏单元的数量　提高电子相关专业的教学质量。　和面积资源使用。其次尽量将重复的模块合并，　减少硬件电路面积。　参考文献：　［１］潘松，黄继业．ＥＤＡ技术实用教程与实践［Ｍ］．北　京：机械工业出版社，２００４．　［２］潘松，黄继业．ＥＤＡ技术实用教程［Ｍ］．北京：科学　出版社，２００２．　［３］关成彬，程广利，吴文全．开展ＥＤＡ实验教学培养　学员综合素质［Ｊ］．海军工程大学学报（综合版），　２００８（１）：５Ｏ一５２．　［４］陈莉平，王红，秦俭，等．电子技术课程设计数字部　分的一次实践［Ｊ］．电气电子教学学报，２００８（２）：　图１　ＲＡＭ单元模块　７４—７６．　方案三、使用ＲＡＭ单元来记录灯的状态，如　责任编辑张所滨