“硬件描述语言”课程改革的教学研究

胡靖

摘    要：针对黑龙江大学集成电路专业“硬件描述语言”课程现状，分析问题所在，拟定了相关课程的整合计划，从理论教学、实践教学、授课内容等方面提出了改革课程教学方案，做到理论教学和实践相结合，为学生进一步深入学习数字集成电路的相关课程打下坚实的基础。

关键词：集成电路专业;硬件描述语言;教学改革

中图分类号：G642.0          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2018）12-0013-02

硬件描述语言主要包括VHDL和Verilog HDL语言。黑龙江大学集成电路专业“硬件描述语言”的讲授主要以Verilog HDL为主。Verilog HDL语言是由Gateway Design Automation公司在1983年为其研制模拟产品开发的硬件建模语言，最初只是作为一种专用语言开发的。后来由于该公司的模拟产品及仿真产品被广泛应用，Verilog HDL语言以它的便捷实用被广大设计者所接受，并逐渐被推广到众多领域，1995年成为IEEE标准。不论是VHDL还是Verilog HDL语言，它们都源于C语言，语法极为相似，但硬件描述语言有其独特性，即它受具体硬件电路的限制[1]。

硬件描述语言是描述数字电路的形式化语言，是数字集成电路设计必须掌握的一项技能，这门课程是各高校集成电路专业的必修课[2]。

近年来，电子设计的相关行业对熟练掌握数字集成电路设计的高素质高校毕业生的需求逐渐增长。相关知名企业及中小企业每年都会高薪招聘数字集成电路相关设计及研发工程师，要求应聘人员熟练掌握硬件描述语言及其他相关语言，在笔试中一定会有关于用硬件描述语言设计数字电路的内容[3]。为了满足社会需求，各高校相关专业都开设了相应“硬件描述语言”课程。

黑龙江大学集成电路专业从2009年开始开设该课程，但是由于课程设置衔接不合理，课程内容安排与实践结合不紧密等问题，学生就业时，竞争力不高，因此开展“硬件描述语言”课程以及相关课程教学改革研究具有重要意义。

项目组成员针对数字集成电路设计应用领域进行了详尽的调查研究，根据调研结果，提出了课程整合方案并修正了课程教学内容，对“硬件描述语言”课程以及相关课程进行了一系列的改革与实践，初步取得了一定的效果。

项目组成员按照集成电路人才市场最新需求引导培养人才为目标，实现培养理论与实践一体化为原则，进行了以下教育教学改革。

一、整合集成电路专业“硬件描述语言”相关课程

目前，黑龙江大学集成电路专业开设的四门课程与硬件描述语言有关，它们是“硬件描述语言”“数字集成电路设计”和“FPGA原理与应用”“数字集成电路测试技术”。由于这几门课程是由不同教师在不同学期授课，有些知识点在多门课程中重复讲授，有些重要的知识点在几门课中又都没有涉及，有些互相依托的知识由于在不同学期不同的课程中讲授，顺序混乱，这些情况严重影响了整体的教学效果。因此，本项目对这些相关课程进行系统探究，提出合理的课程整合方案。

现在，黑龙江大学集成电路专业开设的“硬件描述语言”课程没有实验内容，相关的实验内容全部在“数字集成电路设计”的实验内容中，而且“硬件描述语言”这门课程在大三上学期开设，“数字集成電路设计”在大三下学期开设，这非常不合理。语言学完根本不会用，等于白学，下学期再上“数字集成电路设计”时已经忘得差不多了，还得重新学习，内容重复且不合理。应该在“硬件描述语言”教学中增加实践内容，边学边练。“数字集成电路设计”的实验内容应更注重综合实践能力，并且将FPGA开发板实践内容纳入“FPGA原理与应用”实验内容中。另外，与“硬件描述语言”同学期开设的还有“数字集成电路测试技术”，在“数字集成电路测试技术”的课程实验中要求学生灵活掌握硬件描述语言，但硬件描述语言还没有学完，就已经开始数字集成电路测试技术的实验，这更是不合理，直接导致学生做完实验都不知道为什么要这么做，必须要整体调整。具体整合措施有（1）“硬件描述语言”增加实验教学内容;（2）在大三上学期开设“硬件描述语言”“数字集成电路设计”，“硬件描述语言”课程学完后再开设“数字集成电路设计”的实验内容;（3）在熟练掌握设计语言，灵活运用的基础上，大三下学期开设“FPGA原理与应用”“数字集成电路测试技术”;（4）对于各门课程的实验内容以及难易程度应该有合理的调整，从易到难，由浅入深，逐步深入，学生受益更多。

二、修正课程教学内容

调研过程中发现，往往大多数教师会走两个极端，一些教师主张应提高学生的实践操作能力，而另一些教师主张大学与高职不同，学生应该有理论基础、学科底蕴，实践能力在工作中自然会练就。这两种极端思维都不利于大学的人才培养。

“硬件描述语言”的教学内容应充分考虑专业特色，根据专业来确定教学内容，不能千篇一律。例如，集成电路专业应更注重硬件语言与电路结构的对应关系，为实现不同的电路结构而选择合适的语言描述方式来实现。“硬件描述语言”虽然是编程语言类课程，但它的编写却和电路结构紧密联系，不同的编写虽然功能相同，但编写风格直接影响电路实现方式，对电路的性能、面积等都有直接影响。项目组成员考虑集成电路的专业特色，对与“硬件描述语言”相关课程的教学内容进行合理设计，避免出现知识点重复或遗漏等问题。

硬件描述语言是硬件结构的描述语言。一方面，同一电路的不同描述方式，最终实现的电路结构完全相同，如实现一个二选一选择器的不同描述方式，可以用always语句，也可以用assign语句，但映射出来的电路都是二选一选择器，电路相同。另一方面，同样功能不同描述方式映射出不同的电路结构，如图1中的实例，（a）种方式描述映射出来的电路结构为（b），而（c）种方式的描述映射出来的电路为（c），两种电路结构的面积、速度、功耗等都不同，但实现的电路功能相同。在课堂上带领学生分析诸如此类的小实例，鼓励学生用不同的方式描述同一功能电路，在实践中对比生成实际电路的具体结构、区别以及利弊所在，让学生们有更加直观的认识，建立横向思维，锻炼学生自行分析电路结构与编程描述方式的联系，总结编程技巧，扎实设计功底。

此外，原课程教学内容中前半部分仅仅注重语法，语法部分枯燥而且很少有独自编程的训练内容，学生很容易在此部分学习过程中失去兴趣，达不到教学目标。

在教学实践中发现，应先将硬件描述语言的描述框架介绍给学生，让学生对电路结构描述先有一个整体了解，然后在讲授语法的过程中结合一些简单的小实例，给学生提供练习机会。

黑龙江大学集成电路专业从2016学年对“硬件描述语言”课程的教学内容进行了重新整合，将语法规则分配到每个阶段，引入相应的实例中，让学生每个阶段都能有相应的编程实践内容，即学即练。学生积极性提高，注意力集中，听课质量提高，授课效果有所改善，学生成绩明显提高。

经过教学实践，教学内容合理分布，调整授课内容，教学质量明显有所改进，学生基础知识掌握牢固，有利于后续课程的学习，就业竞争力增加。

参考文献：

[1]周晖，蒋华.“硬件描述语言”课程的教学改革探索[J].高教

论坛，2008，（6）.

[2]蒋华，束剑.“硬件描述语言”课程比较式教学初探[J].高教

论坛，2012，（11）.

[3]王建民，曹一江，田晓华，等.“硬件描述语言”课程改革探

索与研究[J].电气电子教学学报，2013，（1）.