VHDL设计教学方法探讨

高 克芳

(福建农林大学 机电工程学院，福建 福州 350002)

VHDL设计教学方法探讨

高 克芳

(福建农林大学 机电工程学院，福建 福州 350002)

针对课程“VHDL设计”综合性、实践性很强的特点，就如何培养学生的动手能力，使其能独立、创新地将理论知识应用到实际工程中，能切实做到学以致用的方法进行分析. 并主要对比较法、案例教学法、电子作业答疑系统增强教学法等几种方法进行研究. 实际的授课表明，这些方法能取得较好的教学效果.

VHDL；教学探讨；案例教学；电子作业答疑系统

VHDL(Very-High-Speed Integerated Circuit Hardware Description Language)是一种电路硬件描述语音，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式. 与传统的设计方法相比，用该方法设计系统既可以降低硬件电路的设计难度、又可以缩短研发周期，节约成本[1-3]. 因此，顺应新形式的要求，“VHDL设计”作为信息类专业近年来新开出的一门重要的专业选修课，与一般课程相比，VHDL的语法不多，且简单易学，但在教学过程却发现仍存在很多问题：一是兴趣不浓，主要原因是学生觉得VHDL好像没有用，或者用处不大；二是对VHDL的语法掌握得好，但对VHDL的具体应用掌握却不是很好，达不到预期的效果. 针对这些问题，对“VHDL设计”课程的教学方法进行了探讨.

1 比较法

多年来在对教学的研究过程中发现：很多学生从开始学习一门课程，到这门课程学习完毕，一直不知道为何学习这门课程以及这门课程有何用. 因此，很多同学对所学的课程没有兴趣，老师在上面讲，学生在下面听，整个教学过程不能体现学生主观学习的兴趣. 要教好这门课，首先应该正确的引导、精心的培养学生的主观学习的兴趣. 在刚开始上课的时候，学生经常会问：“我能用VHDL做什么？”，这个时候老师应该根据学生和课程的特点，精心的设计教学，将学生的疑问转化为学习的兴趣. 所以说绪论是课程教学的重要开端，将发挥启动的重要作用[4]. 因此，笔者对绪论课进行了精心的设计，采用了比较的方法来培养学生的兴趣. 以二选一数据选择器为例，首先介绍了传统的设计方法及设计步骤：

1) 功能模块电路的设计.

① 进行逻辑抽象，写出真值表.；② 写出逻辑表达式，画出电原理图；

逻辑表达式：

表1 二选一数据选择器真值表

图1 二选一数据选择器电原理图

③ 选择逻辑元器件：两个与门，一个或门和一个非门；

④ 电路设计，焊电路版.；⑤ 功能模块调试.

2) 将各个功能模块的硬件连接起来构成系统硬件.

3) 整个系统的调试，完成系统的设计.

然后采用VHDL进行设计

比较两种设计方法，可以发现与传统的设计方法相比，采用VHDL设计存在以下特点：

1) 不需要写真值表、逻辑表达式：降低了设计的难度.

2) 主要设计文件是用VHDL语言编写的程序：易读、可继承性好、可共享.

3) VHDL语言编程可以与器件无关：工艺更新时，不需要改变程序，只要改变相应的映射工具就可以了，修改电路与修改工艺不会产生相互影响.

通过比较法教学，学生发现利用VHDL进行系统的设计比用传统的方法进行设计更容易，而且学生对EDA的概念和这门课的用途也有所了解，学生才会有主观学习的能动性. 而主观学习的能动性是学生学好一门课程的基础.

2 围绕案例教学法

“VHDL设计”这门课的内容涉及面广，但课时有限，不可能使学生得到EDA设计思想和方法的足够训练[4].因此，选择案例教学法就显得尤为重要，即将一个较大的系统分解为小的功能模块，在平时上课的过程中首先对这些小的功能模块进行设计，这样不会占用过多的课时，又可以使学生得到足够的训练.

在长期的VHDL教学过程中发现，可校时的数字钟就是一个比较好的案例. 可校时的数字钟几乎包括了设计简单系统的所有功能模块. 下面是数字钟电路的原理框图.

该系统主要由数据选择器、计数器、译码器、分频器、功能控制器等组成，几乎包含了VHDL设计课程中所有的基本功能模块. 因此，在教学中采用该案例进行教学.

在学习信号赋值语句以后，把该系统中的24选4数据选择器作为课后作业布置给学生；在学习case语句以后，将系统中的BCD 7段译码器作为作业布置给学生；在学习计数器的设计以后，让学生自己动手设计BCD码6进制、可调时的小时计数器、可调时的分计数器；在学习分频器的设计以后，让学生设计可调分频器；在学习状态机的设计方法以后[5]，可以让学生自己动手利用状态机的方法设计系统中的功能控制模块. 首先老师在课堂上介绍多功能数字钟控制系统的工作原理，通过对多功能数字钟控制系统的分析，画出该功能模块的状态转换图，如图3所示. 该数字时钟中有四种工作模式：正常计时模式、调分模式、调小时模式、清零模式. 通过功能控制模块产生的控制信号EN[4..0]控制计数器分别实现这四种工作状态.

在设计过程中，因为学生是带着能自己动手设计时钟的愿望去设计这些功能模块的，在进行这些功能模块的设计过程中，学生是积极主动地参与配合的，而不是被动的学习. 因此，通过这些练习，学生不仅可以得到足够的训练，还可以在设计中获得满足感.

在完成基本语法的学习以后，数字时钟中的各个功能模块基本已经被设计出来了，这时应该鼓励学生将这些功能模块组合起来构成时钟系统. 系统时钟的成功设计将会给学生极大的成就感，促进学习学生主观学习的能动性. 在学生获得满足感的情况下，鼓励学生用不同的、更简单的方法对数字钟进行设计，或设计密码锁、交通灯控制等简单的系统. 这些系统所用到的功能模块几乎都是在案例教学中学到功能模块. 因此，学生在设计这些系统时不会有很大的难度. 学生在不断的设计中获得的满足感进一步激发主观学习的能动性，同时，这样利用学生的主观学习的能动性，在有限的时间里使学生得到EDA设计思想和方法的足够训练，而且加深了学生对基础知识的理解与巩固.

3 利用电子作业答疑系统增强教学

“VHDL设计”课程与一般的课程不一样，它是一门实践性很强的课程，它的作业主要是一些系统和功能模块的设计，而且利用VHDL进行设计具有可共享性. 因此，传统的作业方式就存在一定的缺陷：一个功能模块可以在很多不同的系统中被重复使用. 在传统的作业方式下，对这些被重复使用的模块每次作业时都要进行重新设计，浪费学生的时间. 因此，开发了“电子作业答疑系统”. “电子作业答疑系统”不仅可以避免学生的冗余劳动；同时，教师可以将作业中存在的相同的或相似的问题放在“电子作业答疑系统”网站上，可以避免教师不断地回答重复或相似的问题，又能使学生对于作业中的问题得到及时的反馈[6-7]；可以将正确的、但采用不同设计方法的系统以及比较好的系统放在该网站上共享，学生可以从同学或他人的设计中获取自己需要的东西.

学生在学习过程中产生的问题以及教师的解答，经过一定时间的积累成为可以重复利用的宝贵资源. 其它的学生通过开展基于问题资源的学习，从中获得宝贵的经验，避免在以后的学习中走弯路.

4 结语

学生是学习的主体，他不仅仅是一个知识的被动接受者，他还是教学活动的积极参与者. 而且“VHDL设计”是一门实践性很强的课程，如果没有学生主观能动的参与，要想教好这门课程是很难的，因此，采用上述三种方法加强对学生主观能动性的培养. 只有充分发挥学生主观学习的能动性，才能在有限的时间里使学生得到EDA设计思想和方法的足够训练，加深学生对基础知识的理解与巩固. 通过在“VHDL设计”采用这些教学方法，在课程结束时，学生对“VHDL设计”的基础知识基本能理解，而且能够自主的设计一些简单的系统，并都认为该课程对以后的学习和工作是大有益处的.

[1] 侯伯亨, 顾 新. VHDL硬件描述性语言与数字逻辑电路设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,1999.

[2] 卢 毅, 赖 杰. VHDL与数字电路设计[M]. 北京: 科学出版社, 2001:23-25.

[3] 方怡冰. 算术运算的VHDL描述方法探讨[J]. 电气电子教学学报, 2007(2): 92-94.

[4] 朱奕丹. VHDL设计课程教学改革实践[J]. 电气电子教学学报, 2007(4): 22-23.

[5] 路而红. 电子设计自动化应用技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004(11): 137-145.

[6] 郭宝红. 基于校园网的E-Learning平台的设计与实现[J]. 天津理工大学学报, 2007(12): 62-64.

[7] 赵若曼, 张 川. 基于UML的网上作业系统研究与实现[J]. 计算机技术与发展, 2008(3): 225-228.

（责任编辑：饶 超）

Teaching Method for VHDL Design

GAO Ke-fang
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002, China)

The VHDL Design is a comprehensive and high practical course, Aiming at the characteristics of The VHDL Design，The paper give some analyses about how to improve the practical work ability of students and how to make students apply the theory to practice independently and creatively. In order to reach the target, compare-teaching, cases teaching method，Electronic homework and answering system improving teaching are studied. The practical teaching proves that better teaching effect has been obtained.

VHDL; Discussion on teaching; Cases teaching; Electronic homework and answering system

G471

A

1009-2854(2010)08-0083-03

2010-07-28

福建农林大学高等教育教学改革基金(01jg04079)

高克芳(1977— ), 女, 湖北荆州人, 福建农林大学机电工程学院讲师.