《可编程逻辑器件与应用》课程教学探索

【摘要】 可编程逻辑器件具有集成度高、配置灵活方便等优点，可广泛用于通信系统、专用集成电路设计及数字电路实验中。《可编程逻辑器件与应用》重点介绍可编程逻辑器件的原理、特点及其应用，是通信、电子、自动化等专业的核心课程。基于此，本文对《可编程逻辑器件与应用》课程教学进行探索。

【关键词】 可编程逻辑器件 教学软件 课程探索

随着集成电路技术向深亚微米技术的发展及电子设计自动化（EDA）技术的日趋成熟，可编程逻辑器件（Programmable Logic Device， PLD）的应用越来越广泛，它与微处理器、数字信号处理单元、模数转换器、数模转换器、存储器（RAM和ROM）等器件的功能界限已日趋模糊。特别是软核、硬核、固核等产业的迅速发展，集成各种信号处理单元、存储器的PLD器件与片上系统（SOC）已经商用，PLD越来越受到业内人士的关注。作为通信、电子、自动化类专业课的《可编程逻辑器件与应用》， 其主要内容包括可编程邏辑器件的原理与应用， 主要目的是让学生掌握基于PLD数字系统设计基本思想及设计方法 ， 包括CPLD/FPGA器件的基本原理、基于FPGA的数字系统设计法 、相关EDA设计软件的使用方法及HDL设计语言等， 通过理论教学和实验教学相结合，使学生掌握采用硬件描述语言设计开发常用的数字电路的能力，增强对数字电路的理解，提高学生解决问题的能力[1]。但目前《可编程逻辑器件与应用》在教学过程中还面临较多问题。在此背景下，我们对《可编程逻辑器件与应用》课程进行教学探索。

一、教学内容设置

教学中以J. O. Hamblen等人编著的《Rapid Prototyping of Digital Systems （SOPC Edition）》的教材为主，并辅以夏宇闻编著的《Verilog数字系统设计教程》教材为辅，对教学内容进行讲授，主要包括可编程逻辑器件的介绍、FPGA开发板简介、Quartus II软件使用、Verilog语言讲授、按键检测、计数器及其LED显示、通过SPI接口完成DAC配置、DDS的FPGA实现、SoPC简介及Nois II软件的使用、Nois II软核的应用等内容，从理论到实验，并进行与课堂教学相关实验内容的上机操作，使学生掌握可编程逻辑器件设计的基本理念、设计流程。

二、教学中存在的问题

1. 在理论教学方面，仅使用PPT教学课程对对相应的程序范例进行讲授，教学方法和教学手段相对单一[2-3]，学生较难参与到教学过程中；同时程序范例较为生涩，缺少对程序范例的运行效果的演示，使教学效果大打折扣。这种常规教学方法费时费力，较为刻板，学生难以理解相关教学内容，不利于学生动手能力的培养，更不利于学生实践创新能力的培养。

2. 在实验上机方面，大部分学生可根据实验流程指导完成基础实验中的程序编写、调试及验证；但在后续的综合性实验中，需要将前期基础实验进行整合并做适当修改、优化才可完成。在这种综合性实验中，暴露了学生对于硬件描述语言的语法掌握的还不够熟练，对于可综合与不可综合语句的概念理解不够深入，习惯用软件的编程思想进行硬件设计；同时，对于系统间各模块电路的接口连接关系的认识也比较欠缺。

3. 在实验上机小测试中，发现部分学生对EDA软件的基本设计流程还不熟悉，知识的灵活应用能力较差。测试中所涉及的题目只是平时上机实验中的小变动，但部分学生感觉无从下手，无法完成题目规定内容。

三、教学方法改革

为了改善教学效果，必须对传统的理论实验教学手段和教学方法进行改进。

1. 将理论教学与实验教学相结合，使理论教学与实验教学相融合，激发学生的兴趣，培养学生动手能力。在教学过程中不仅采用PPT加板书的方式进行教学，同时辅以视频，对可编程逻辑器件的应用案例进行生动的演示，激发学生的兴趣；同时在程序范例教学过程中，不是简单、生涩的对程序功能进行讲解，而是增加实际操作，包括建立工程、Verilog程序代码输入、编译、仿真、Debug等操作，让学生直观理解FPGA的设计流程；同时，通过这种基本设计流程的重复演示，有利于提升学生的EDA设计软件的熟练掌握程度。

2. 教学实验内容循序渐近，相互衔接。在教学内容安排上，首先对PLD进行介绍，并对实验上机所用的FPGA开发板进行介绍，然后讲解EDA软件的基本设计流程，并通过简单的组合逻辑电路进行演示；在此基础上，逐步讲解Verilog的基本语法，从组合逻辑电路讲解到时序电路，再到状态机的设计以及测试平台的搭建等，并辅以对应的实验内容，使学生掌握基于Verilog语言的FPGA设计流程。

3. 改进上机实验，为学生安排基本实验和提高实验。基本实验用于指导学生使用相关EDA软件及范例程序的调试验证方法，提高实验用于培养学生的灵活运用知识的能力。通过基本实验的上机操作，使学生掌握基本数字功能电路的设计理念、FPGA的基本设计流程以及电路调试、仿真等电路设计技能；通过提高实验，促进学生实践创新能力的培养，增加学生知识灵活运用的能力，使学生对数字系统的设计有基本认识，培养学生复杂问题的解决能力。

结语

《可编程逻辑器件与应用》是一门理论和实验并重的课程，只有通过实验、实践才能强化理论教学效果，提升学生的实验操作能力及创新实践能力。通过改进教学安排以及为学生提供大量的实践动手机会，是提高实验教学质量的有效途径。

参考文献

[1] 汤勇明，郑姚生，吴忠，等. “可编程逻辑器件的基础与应用”课程建设与教学实践[J]. 电气电子教学学报， 2007，29，（2）.

[2] 杨传燕， 马冬梅， 党晓圆. 《可编程逻辑器件设计》实践教学改革的探索[J]. 教育， 2015，（13）.

[3] 陈力颖. 《大规模可编程逻辑器件设计》课程的实验教学改革探索[J]. 考试周刊，2013，（47）.