EDA实验教学综述

周泽华 谭 敏

（合肥学院电子信息与电气工程系 安徽 合肥 230601）

EDA实验教学综述

周泽华 谭 敏

（合肥学院电子信息与电气工程系 安徽 合肥 230601）

论述了EDA技术的基本概念，分析了高校EDA实验教学的现状、存在的问题和不足。最后对EDA实验教学的新思路进行了详细的论述。

EDA；实验教学；SOPC

0 引言

EDA是Electronic Design Automation（电子设计自动化）的缩写。EDA技术，就是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计开发工具，通过使用有关的开发软件，自动完成电子系统设计的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术[1-2]。EDA课程是一门理论性、实践性都很强的电子信息类专业的基础课，它强烈冲击了传统的电子设计方法，是现代电子设计的发展趋势。目前，几乎所有高校的电类专业都开设了EDA课程，而且各高校在积极开展EDA教学的同时，纷纷建立起了EDA实验室。EDA实验室应该怎么利用，EDA实验教学应该如何开展才能提高教学效果，是EDA教学人员一直在反复思考和探索的问题。其实验教学方法与教学效果的好坏直接影响到专业课程的教学。

1 EDA技术实验教学的现状

我们通过对编程语言、软件选择、配套硬件、实验内容、课程设置几个方面对目前EDA实验教学的现状进行分析[3-6]。

1.1 编程语言与软件的选择

大部分高校采用VHDL或VerilogHDL进行课程理论教学,以此为基础让学生对EDA技术有初步的认识和了解。同时,利用VHDL (VerilogHDL)进行软件编程,开设一系列的实验与设计。由于当前世界各地较为流行的EDA工具软件种类繁多,性能各异,其中因Protel、Multisim、MAX+PLUSⅡ和QuartusⅡ特点突出、功能齐全、操作方便,在教学中应用广泛。许多高校就是在以上几种软件中选择一种或几种完成实验教学。

1.2 配套硬件与实验内容

目前市场上EDA实验设备品种多,但大部分实验设备都是以FPGA为主体配合点阵模块、LED流水灯模块、LED数码管显示模块、并带有RS232串口、PS/2鼠标键盘接口等模块组成。利用以上硬件资源,可以完成移位寄存器、编码器、译码器、跑表、电子时钟、交通灯、信号发生器、数字电压测量等各种不同层次的实验与设计。

1.3 实验课程设置

高校对EDA实验课程的设置,一般包括8～16课时的实验,1～2周的课程设计,另外在毕业设计与毕业论文写作的环节,有很大一部分学生选择EDA技术相关内容进行实践动手能力训练,展开思考与研究。对于电子、计算机等相关专业,大部分高校对于EDA技术的实验开设都在有限的人力资源与硬件设施资源的条件下有相当的投入,将其作为理工科实验教学,培养实践动手能力的一个重要环节来布置安排。

2 EDA技术实验教学存在的问题和不足

EDA技术涉及知识面较宽,包括数字逻辑电路,硬件描述语言,微机原理,单片机原理与应用,DSP原理等理论课程;所应用的领域也十分广泛,包括DSP技术,嵌入式系统,传感与控制,PCB设计,电源技术等。因此,让学生对EDA技术有一个全面深入的理解显得十分重要又相对困难[7-9]。

技术的不断创新与教学的相对滞后是各工科专业面临的共同问题。特别是在电子技术,计算机技术,智能化技术的新概念,新方法,新理论不断涌现的今天,EDA技术的发展也是日新月异。在此背景下,高校EDA实验教学却一直处在一个停滞落后的状态。时兴的设计软件如：Workview Office,NiosII等,得不到应用,流行的技术不能向学生传授,实验与设计很多停留在计算机仿真阶段,以至于学生认为不能学以致用,走上社会一切又要从头学习。

由于EDA技术的日新月异,曾被普遍认为最优秀的PLD开发平台之一的MAX+PLUSII软件目前已经由QuartusII替代,不再推荐使用。MAX+PLUSII软件适合开发早期的中小规模PLD/FPGA,对于初学者来说易学易用,因此目前教学仍然采用此软件。从MAX+PLUSII软件过渡到QuartusII是必然的趋势,这需要硬件的支持,电脑内存至少要上512M。大多数实验机房电脑达不到这个配置。另外,QuartusII比MAX+PLUSII内容更多,如何教学也是一大难题。EDA实验箱把FPGA芯片焊接在电路板上,配备了下载口和电源,如何教学生掌握关于CPLD/FPGA器件的下载知识和与外部联系也很困难,无法让学生动手,导致学生只能专注于VHDL硬件描述语言上。目前采用兴趣小组的方式来让部分学生进一步学习,由于单片FPGA的芯片成本比单片机成本要高许多,这也增加了动手做PCB板的难度。

3 EDA技术实验教学的新思路

EDA技术课程实验的目的是培养电气信息类专业学生实际动手能力,在实验中逐渐提高他们分析问题和解决问题的能力,为以后从事EDA技术打下必要的基础。如何在有限的时间内掌握这门课程中的基本知识,如何能紧跟上日新月异EDA技术的发展变化,如何利用现有知识进行设计与创新,这是进行EDA实验教学规划与调整需要考虑的问题[12-15]。

基于EDA技术的实验教学内容更注重培养学生的能力、个性及创新意识,突出多层次、个性化的培养模式。其中,在数字电子技术实验教学中,对于传统实验内容,在实验项目和内容上,减少验证性实验,增加综合性、设计性实验；在实验项目的安排上,增设了EDA实验课程,采用选做与必做相结合,学生可根据自己的能力、知识水平和兴趣选做实验。

3.1 合理安排实验内容,培养学生创新能力

依托EDA综合实验平台进行开放式实验的改革,以“加强基础、开拓思维、培养能力”为改革指导思想,建立了一套“基本实验技能培养+综合设计能力培养和创新设计与研究能力培养”三个培养层次的开放式实验教学体系。在“数字电子技术实验中利用EDA综合实验平台,采取了这一教学体系,收到较好的教学效果。

3.1.1 基本实验

基本实验包含实验课程教学大纲规定的必修和选修的实验内容。其中必修内容包括：集成触发器的测试和应用、MSI时序功能件的应用、1位全加器原理图输入设计和VHDL设计、7段数码显示译码器设计、含异步清零和同步时钟使能的4位加法记数器的设计、4位十进制频率计设计等。选修的实验内容：随机存取存储器的应用、随机存取存储器的应用、数控分频器的设计等。该层次的主要目的是为培养学生的基本实验技能和理论联系实际、分析问题和解决问题的能力,培养学生的创新意识和创新能力。

3.1.2 提高型实验

提高型实验的实验课题不局限于课程内容,比如彩灯控制器的设计、电子抢答器的设计、汽车尾灯控制器的设计、出租车计费系统的设计等,课题可由学生自己选择或由指导老师指定。由学生自行完成设计、制作、调试,测试实验结果、完成实验报告。此外,还通过开放实验的形式,在没有实验课的时候出一些大的设计项目供学生去动手做，增加学生的动手机会、自由解决问题的机会以及查阅文献资料的能力,切实加强综合设计能力的培养。

3.1.3 创新型实验

创新型实验可以通过实验选修课、学生课外科技活动、吸纳优秀学生参加教师的科研工作等方式进行。这类课题主要有：电子密码锁、步行街道自助式交通灯控制器的设计等。对于此层次的实验,教师着重帮助学生了解科学研究的基本方法,培养学生的创新思维和创新能力。

3.2 构建开放式实验教学平台,倡导学生自主学习

构建开放实验教学平台,加强实验室的综合型、数字化和网络资源建设,为学生提供良好的实践教学环境和开放式自主实践教学服务,倡导学生自主性的实践学习和实践研究,真正体现层次化、个性化的培养模式。同时,建立实验教学质量的监控和评估机制,强化开放实验教学的组织与管理,确保开放实验教学质量。在实验室管理上,采用全天候向学生开放的新模式,学生可以充分利用课余时间,根据自己的课题进行EDA设计仿真实验,不仅充分利用了实验室设备资源,同时培养了学生独立动手能力、分析问题解决问题能力和创新能力。

3.3 采用多种形式的实验教学方式

在传统实验教学的基础上，开展多种形式的实验教学方式，提高学生的实验兴趣和动手能力。比如把双语教学引入到EDA实验课程中，EDA实验课程作为一门前沿专业课程,双语教学是一种获取知识的手段,他的目的是更好的学习专业课程。基于网络的EDA实验教学作为现代教学的重要组成部分,展示出传统实验教学无可比拟的优势。它扩大了教育规模,提高了教育速度,促进了教育改革,为创新教育构造了环境。

3.4 开展形式多样的课外科技活动

开展分层次、多样化课外科技活动,精心设计课外创新活动内容,针对不同层次的同学设计不同的内容和不同的形式,加强EDA实验教学与学生科技实践活动的紧密结合。重点扩大学生对各类活动的参与面,让更多的同学真正参与到课外科技创新活动中,并从中受益。

3.5 强化优秀学生培养力度

强化优秀学生的培养力度,在科研活动中提高学生的创新水平。为提高优秀学生科研能力,积极培养“拔尖”人才,中心在开展通识教学的同时,注重“拔尖”学生的“个性化”教育,努力为他们提供创新训练的条件与环境。

3.6 让SOC与SOPC的概念融入学生所学理论

SOC的概念的定义很多,内容也十分广泛,很难给出一个确切的定义。简单说来SOC就是在一块芯片上集成一个完整的系统,同时它又代表着一项技术,用以实现从确定的系统功能开始到软/硬件划分,将微处理器、模拟核、数字核和存储器集成在单一芯片上以完成整个系统设计。近年来,随着半导体技术的飞速发展,FPGA的性能与性价比完全可以与ASIC媲美,在这样的背景条件下,一种被称为片上可编程系统(SOPC)的新技术出现了。SOPC技术即在FPGA中放入一个处理器,一般通过两种方法实现：一种是在FPGA中植入一个嵌入式的硬核处理器,一种是使用FPGA制造厂商提供的软核处理器,比如Altera的NIOS II软核处理器和Xilinx的MicroBlaze软核处理器等。在目前国内高校的EDA实验教学中,对SOC技术及其新发展的SOPC技术关注较少。然而SOC技术与SOPC技术将是今后EDA技术发展的一个主要方向,更是改良与替代ASIC技术的主要方案。因此,在高校教学中推广这一技术,让学生很好了解接触这些技术是十分重要的。而目前国内,清华大学科教仪器TPG-EDA/SOPC教学实验平台则为广大师生提供了一个非常灵活方便的实验环境。它提供了完整的系统设计的外围设备,包括音视频处理的多媒体设备,多样的可扩展的存储设备,USB芯片,不同核心板上采用不同的软核或硬核。在使用该实验平台完成一个SOPC系统设计过程中,学生需要数字电子技术、计算机组成结构与原理、C语言编程等相关背景知识,在此期间,学生既巩固了相关理论知识,又掌握了现代电子系统的设计方法,符合现代电子技术的发展趋势和应用实际,有利于提高学生的综合素质和培养学生的创新精神。由此可见,将SOPC这样的新概念,新技术引入实验课堂,无论从教学发展的必要性,还是从学生知识体系整合的必要性,以及为学生走上社会奠定工作的技能基础都是十分有意义的。

4 结束语

随着电子技术的飞速发展,EDA技术已经成为电子电路设计和系统设计的重要手段,如何让学生尽快尽好地在学校掌握基本知识和相应的动手能力,为将来从事这方面的工作,甚至是进行专用集成电路ASIC的设计和实现,是摆在面前的一大难题。总的来说,从培养和激发学生的兴趣、编写合适的教材、采用多媒体的教学手段、注重EDA实验教学、改进现有条件、增加学生的动手能力、强调创新等方面入手,对提高教学质量无疑会有极大帮助,也有益于提高学生的综合应用电子技术开发电子产品与电子系统的基本能力。EDA技术作为新兴技术的发展方兴未艾,随着此项技术的不断发展,高校EDA实验教学也不能墨守陈规,死板僵硬,而必须不断改进,不断创新,改进教学的方式与方法,创新实验的平台与内容。唯有如此,才能不断提高电子工程及相关专业的教学质量。

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Survey of EDA Experimental Teaching

ZHOU Ze-huaTAN Min
(Department of Electronics&Electrical Engineering,Hefei University,Hefei Anhui，230601,China)

This paper discusses the basic concept of EDA and Analysis the present situation and Problems of the EDA experimental teaching of College.EDA experimental teaching new ideas were discussed in detail at the end of the paper.

DA；Experimental teaching；SOPC

周泽华（1982—），男，安徽宿松人，实验师,硕士，主要研究领域为信号与信息处理。

安徽省教育厅重点教学研究项目（20100934）；国家教育部、财政部第四批高等学校特色专业建设点“电子信息工程专业”(TS11497)；2011年度安徽高校省级科学研究项目(KJ2011B136)。

王静］