FPGA教学的实践研究

刘春玲

(黑龙江信息技术职业学院，黑龙江 哈尔滨 150025)

FPGA教学的实践研究

刘春玲

(黑龙江信息技术职业学院，黑龙江 哈尔滨 150025)

FPGA是目前电子设计中的热点之一。在教学中，如何调动学生的学习兴趣，培养学生的创造能力，是教育者应该思考的问题。文章从FPGA教学实践出发，对教学改革进行了探索和尝试，介绍了一些观点和具体做法。

FPGA教学；数字系统设计；电子设计自动化

1 课程分析

FPGA（Field-Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，一种半定制的集成电路，主要用在航空航天等高端领域。随着技术的进步和成本的降低，FPGA性价比越来越高、集成度越来越大，可编程性能方面呈现出快速构建系统（System-In-Weeks）的优势，逐步渗透至计算机、通信、控制、消费电子和汽车电子等民用领域。尤其是在数据通信、无线通信、先进消费电子领域，FPGA更是已经取代了一些处理器，成为新一代的系统级的硬件开发平台，各高校也纷纷开设了FPGA课程。

FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。由于涉及门电路、时序电路以及硬件描述语言开发，因此,学习这门技术之前,应对数字电路课程和计算机软件编程有一定程度的认识。此外，这门技术的实践性较强,应给与足够的实验课时，以培养学生的动手能力和创造力。通过对FPGA的学习，应能使学生了解FPGA器件结构、特性，掌握设计方法，最终达到能进行简单的数字系统设计，并能对所设计的电子系统进行模拟仿真或在实验开发板上硬件实现。

2 FPGA教学的实践探索

（1）遵循学习规律，教学内容应循序渐进给出新知识点。以学生为主体，强调“学习者取向”。教学内容的安排应从最简单的数字电路设计和已经掌握的基本的语言语法开始，让初学者不知不觉中掌握了一种新技术，利用所学过的数字电路知识和C语言类似的基本Verilog语句就能实现。然后在此基础之上安排一些新的电路设计点和介入Verilog HDL语法。例如，在讲述半加器电路设计时可以采用数字电路中的设计方式，使用两个门（与门和或门）就可以实现半加器的设计。然后分析电路的行为，完全可以使用拼接符去实现，并重点从功能角度讲述。即：两个一位数相加，结果最多为两位，结果中高位即为进位位，低位则为和输出位。语法实现为assign{co，s}=a+b，一方面引入了新的语法（拼接符{}），另一方面从“行为”角度讲述了半加器的工作，避开了数字电路中的化简过程，且符合学生思考解决问题的思路，课堂教学效果很好。

（2）教学内容应尽可能结合应用或者结合应用的构成部分。FPGA是一项实用技术，在小的电路设计系统中经常作为外设的译码电路，可以结合多路译码器电路进行设计应用，在实验过程中尽可能采用此类内容作为实验。在较大型的设计中可能会涉及到DSP算法或者复杂的通信协议，结合学生已经掌握的知识点设计一些内容进行讲授。如：奇偶校验，在串行口的通信中校验是基本的功能之一，在Verilog HDL中使用一条简单的语句“assign P= ^D；”就可以实现。一方面实现了使用逻辑门电路很难实现的算法，另一方面也增加了新语法（“^”为缩位异或运算）的应用。再如：并串转换和串并转换，是现在串行通信中几乎不可缺少的组成部分，大多数教材讲述的方法不具有实用价值，应该结合应用时的通信技术，增加部分控制信号，使讲述的内容能够直接应用到系统中。

（3）入门知识点要尽可能简单，最好使用所学知识引导进入新的知识点，然后扩展至知识面，最后达到全面掌握本课程全部知识点的范畴。现有教学内容的入门教学方式不符合思维方式，它采用的方法为从抽象化到具体化的安排过程。现有的教材内容一般在第一章介绍EDA技术领域的一些新概念，发展过程和扩展至系统级中的一些内容，例如IP的概念、固核硬核软核等。这些内容在基础类教学中往往不会涉及，有些即使涉及了，学生也不明白和前面的概念之间的联系，不利于教学的开展。按照常规的思维方式，教学的入门可以从一个熟悉的知识点入手，进而辐射至其他的新知识点、新概念。在教学内容安排上，可以从与门电路设计开始，然后引入两个门电路同时实现，并给出HDL并行执行的概念，有利于重点突出HDL的特点，激发学生学习FPGA的积极性。

（4）简化逻辑产生过程，注重输入输出之间的行为关系。部分FPGA教学内容安排在数字电路设计之后。受数字电路设计思想的影响，很多学生认为HDL仅仅是用于描述门级电路的，而实际上HDL能够从更高的系统级角度描述电路行为。以N位全加器为例，不需要知道内部电路构成的细节，从行为级角度就可以直接描述出电路。再如：在教学内容的后期设计一个简单的CPU。CPU是复杂数字电路的代表，通过CPU的设计一方面可以使学生掌握CPU的基本原理和设计方法，另一方面可以让学生们了解，即使再复杂的电路都可以使用HDL描述，让学生们有系统级的概念，为今后进行更加复杂的系统设计打下思想基础。

（5）仿真要与物理综合结果相结合。从物理意义上讲解，注重设计综合细节的说明。EDA仿真工具一般有专用仿真工具和厂家软件自带的仿真工具两类。专业的仿真工具，如modelsim，严格遵守Verilog HDL仿真语法要求；而厂家的仿真一般会结合综合效果，不完全符合HDL语言本身的要求。例如，若有always@（a）c=a&b；在modelsim中进行仿真结果和QuartusII中的仿真结果不同。在modelsim中，若b信号发生了变化，仿真结果不会出现变化，而在QuartusII中若b变化了，c输出也会跟着变化的（规律是与门的规律）。从语法角度上讲，若b信号变化，但它不在敏感信号列表里，所以不会触发always块，因此modelsim仿真结果不变；而QuartuII认为，这个代码就是用来描述一组合电路-与门的，它会按照与门的输入输出关系变化仿真结果，实际教学中应注意两者仿真的不同，并对学生进行科学的解释。当然，教学过程中应尽可能引导学生把这类代码写成完整的形式：always@（a，b）c=a&b，避免出现不必要的错误结果。

The FPGA Teaching Practice Research

LIU Chun-ling
（Information Technology Vocational College in Heilongjiang Province，Harbin，Heilongjiang 150025，China）

At present，the FPGA is one of the hot spots of electronic design.Educators should reflects on how to arouse students'interest in learning and cultivate the students'creative ability in the process of teaching.This article，starting from the practiceof the FPGA teaching,exploresand attempts the teaching reform，introducessome ideasand specificmethods.

the FPGA teaching；digitalsystem design；electronic design automation

G434

A

2095-980X(2016)08-0135-01

2016-07-14

刘春玲（1985-），女，湖北宜昌人，大学本科，讲师，主要研究方向：FPGA实践研究。