《VHDL语言及数字逻辑设计》课程实践性教学探索

孔繁锵

摘要：探讨了高校电子工程类专业的硬件逻辑设计语言课程改革的思路，从课程教学目标定位、教学内容改革、多层次的实践教学模式三个方面入手，阐述在VHDL语言及数字逻辑设计课程的实践教学环节中进行实践教学的做法和实施效果。

关键词：教学改革 实践教学 VHDL语言

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0117-02

VHDL语言[1-2]（VHDL，VHSIC （Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language）是一种标准的数字系统硬件电路设计语言，于1983年由美国国防部（DOD） 为实现其高速集成电路计划发起创建的一种高速集成电路硬件描述语言，其目的是为了给数字电路的描述与模拟提供一个基本的标准。VHDL语言在1985年完成第一版，1987年成为IEEE标准（IEEE STD1076-1987），1993年增修为（IEEE STD1076-1993）标准。VHDL语言为高级硬件行为描述型语言，为所有可编程逻辑器件厂商（如Xilinx和Altera公司等）所支持，已成为电路设计人员和电子设计工程师必须掌握的工具语言。硬件逻辑设计技术[3]是电子信息类专业的重要专业课，该课程包括课堂理论教学和实验两个模块，其特点是软硬件结合，该课程的综合知识面宽及工程实践性强。电子信息类专业的学生掌握硬件逻辑设计能力无论是对学生完成毕业设计或工程创新，还是促进学生就业都有重要意义。因此，硬件逻辑设计的实践性教学在电子信息类专业实践教学中的地位日益显著，如何开设好VHDL语言及硬件逻辑设计是当前硬件设计语言课程中的一个非常重要的问题[4-6]。

1 教学目标

《VHDL语言及数字逻辑设计》课程属电子信息类专业技术类选修课，是将控制，仿真与芯片设计相结合的一门硬件设计语言。通过本课程的学习，使学生通过对VHDL语言及EDA技术的学习和实践训练，获得现代硬件数字逻辑设计的软件化设计方法，了解并初步掌握数字系统硬件电路设计领域的最新技术；通过有针对性、分层次、分阶段地实施实践教学，激发并调动学生创造性思维能力，强化学生的实践动手能力和创新能力，为学生在硬件逻辑设计领域的进一步深入探索和进行创新奠定工程基础，以及应用VHDL及EDA工具开发设计数字系统的基本方法及技术，为学生完成毕业设计及将来的工作等打下扎实的基础。

另外，本课程的教学难点是，一方面要把握学生的数字电路基础水平；另一方面要高度概括VHDL语言的专业课内容，深入浅出，还要照顾到彼此之间的联系，尤其是面向应用。因此，首先讲清楚确知学习VHDL语言的意义和FPGA的工作原理，并进一步讲清VHDL语言的基本结构和以及VHDL语言中主要描述语句的特点和用途，并设计一些基本逻辑电路实例，目的在于让学生熟悉VHDL语言的整个过程，能运用VHDL语言编程及进行仿真，并掌握其中的关键技术。这样便于学生进一步学习和理解VHDL语言的应用，增强学生在工作中的竞争能力，达到可以用VHDL语言设计数字逻辑电路和数字应用系统，并在CPLD/FPGA可编程逻辑器件上实现自己的设计。

2 教学内容

VHDL语言如今已经广泛被应用到FPGA/CPLD和ASIC中的设计。VHDL语言具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件逻辑设计任务，提高了硬件设计效率和可靠性。而且VHDL语言具有与具体硬件电路无关和与硬件设计平台无关的特性，并具有良好的电路行为描述的能力，在语言易读性和层次化结构化设计方面表现了强大生命力和应用潜力。因此，我们选择VHDL语言作为这门课的课堂教学内容。

《VHDL语言及硬件逻辑电路设计》课程内容的主要教学思路是，以VHDL硬件描述语言为硬件设计表达手段，以Xilinx公司的ISE软件为硬件设计开发工具，并以FPGA/CPLD可编程逻辑器件开发系统为教学实践平台，来实现学生对数字电路系统的开发设计，培养学生自顶而下的层次化设计思想，提高学生应用实践创新能力。

在教学内容上，删去了一些FPGA/CPLD可编程器件结构内容的过多讲解，重点讲解VHDL语言内容，并利用有限的课时补充了硬件逻辑电路设计方面的一些最新进展，以利于学生开阔视野和提高学习兴趣；针对VHDL语言语法丰富的特点，增加了大量课堂实例，并结合应用对VHDL语言中关键要点进行详细说明，便于学生理解和掌握VHDL课程内容；在开发软件方面以Xilinx公司的ISE软件作为平台，并针对硬件仿真，重点是让学生学会并熟练掌握用ISE软件进行数字系统仿真的基本过程和操作；在实践训练方面，精心设计了课堂练习/课后习题和配套实验，提高学生实践动手能力，从而达到良好的教学效果。

3 多层次式教学模式

《VHDL语言及硬件逻辑电路设计》课程是一门工程实践性很强的课程，我们提出以实践训练为主，边学边练的硬件逻辑设计教学模式，重点加大对学生实践能力、解决实际问题能力及团体合作精神等综合素质的培养，使“数字逻辑电路设计实践教学”在本科培养中发挥更重要的作用。在教学过程中，提出多层次的实践教学模式，通过大量的多层次实例教学让学生主动建构知识、增长技能、发展能力。

我们将《VHDL语言及硬件逻辑电路设计》课程的实践教学分为三个层次。

第一层次是课堂实验教学，这一阶段主要培养的是学生的主动学习能力，通过课堂实验练习使学生掌握和熟练使用开发工具，具备基本的硬件编程能力。课堂实验教学是针对教师在讲授理论内容后，对应设计相应知识内容的实验项目，并编写课堂实验指导书。在理论课部分内容方面，首先讲解VHDL语言的基本单元，如VHDL语言设计的基本单元、构成、子结构描述（元件说明，元件安装）等，在VHDL语言的数据类型方面，主要讲解VHDL语言的客体及分类、整数类型和数组类型，表达式与运算符；其次，介绍VHDL语言主要描述语句，如顺序描述语句和并发描述语句；最后介绍基本逻辑电路的设计，如组合逻辑电路的设计，时序电路的设计，存储器和有限状态机设计等。那么针对课程的理论内容，设计的实验主要有：（1）ISE工具的使用；（2）编码器和译码器等组合逻辑电路的设计；（3）有限状态机和计数器等时序电路的设计；（4）RAM和FIFO等存储器的设计。通过这些基础知识点的实验练习，能让学生较好的熟悉VHDL语言的基础知识和语句的基本应用，从而较好的掌握VHDL语言中的关键内容，加深了对VHDL语言知识点的感性认识和全面掌握，达到可以用VHDL语言设计数字逻辑电路和数字应用系统。在课堂上通过对算法实例的程序执行仿真模拟。

第二个层次是综合性设计实验，这一层次的实验要求学生已经掌握基本的VHDL语言知识并能综合地运用所学内容，主要培养学生动手实践能力、解决实际问题能力及团队合作能力。综合性设计实验以硬件开发板实验为主，主要包括跑马灯、VGA显示、波形发生器、通用异步收发器、SRAM接口设计等题目。在实验中，教师要求学生每4人为一组进行实践练习。在实验过程中，要求学生能上机编写代码并调试VHDL程序，每组学生对实验过程和实验结果进行分析和总结，并提交硬件实验报告。在实验课中，教师根据各个小组提交的实验报告，首先安排各小组进行实践动手经验交流，然后选择一些优秀小组中的代表上台做实验心得汇报，并现场进行问题分析和技术总结，加深了对VHDL语言中知识点的感性认识和全面掌握。通过这些活动，不但让学生熟悉了硬件设计的开发环境，提高了硬件设计编程技巧，而且还能激励学生主动学习VHDL语言的兴趣，提高学生的分析和解决实际问题的能力，并培养学生团体合作能力。

第三个层次是课程设计实验，这一阶段要求学生独立完成硬件工程课题的设计与实现，在强调学生独立设计实现的同时，更加注重学生综合能力的培养。课程设计题目采取开放式选题，可由教师提供背景明确和启发性强的题目，也可以由学生自主选择题目并提交相应的课程题目设计目标、任务和方法，经教师审核批准后作为课程设计题目。另外学生也可以根据个人兴趣选择不同类型的课程设计题目后，由学生自行拟定实验方案，查阅文献资料和编写VHDL程序，自主解决实验问题，并对对实验结果进行分析总结，撰写课程设计研究报告。通过这些课程设计实验设计，在培养学生自主学习及主动学习的同时，也锻炼学生的动手能力和表达能力。

4 结语

VHDL语言及数字逻辑设计课程是一门工程实践性很强的课程，通过有多层次地实施实践教学，充分发挥实践教学的优势，激发了学生的学习热情，强化学生的实践动手能力和创新能力，并培养学生独立思考、自主创新的学习习惯，取得了较好的教学效果。该实践教学体系遵循人才培养的客观规律，将多层次实验从简单到复杂、从基础实验练习到综合创新实验，贯穿于整个VHDL语言及数字逻辑设计课程学习过程，使学生在循序渐进的实践教学过程中成长。

参考文献

[1] 侯伯亨，顾新.VHDL硬件描述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，2009.

[2] 谭会生，张昌凡，EDA技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[3] 曾志廉，何清平，通用FPGA试验系统的设计与应用[J].计算机信息，2007（11）：234-235.

[4] 叶波，赵倩.“集成电路系统设计”课程教学改革探讨[J].中国电力教育，2010（16）：109-110.

[5] 张瑾，李泽光，刘海燕.关于《EDA技术及应用》课程的思考[J].大连大学学报，2006，27（6）：110-112.

[6] 阚玲玲，张秀艳，梁洪卫.“EDA技术与应用”课程教学内容的定位与改革[J].电气电子教学学报，2010，32（5）：27-28.