蔡思靜

（福建工程學(xué)院 福建福州 350108）

EDA技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)模式的研究與探討

蔡思靜

（福建工程學(xué)院 福建福州 350108）

基于現(xiàn)階段EDA教學(xué)模式分析，提出了基于FPGA平臺的EDA實訓(xùn)教學(xué)模式，闡述了該模式的設(shè)計思路，說明了實訓(xùn)內(nèi)容的設(shè)計安排，描述了該模式在教學(xué)過程中取得的效果。實踐證明，該教學(xué)模式提高了EDA課程的教學(xué)和實驗效果。

教學(xué)模式；SOPC；EDA；QUARTUSⅡ

引言

EDA技術(shù)作為一門綜合性學(xué)科，在硬件方面融合了大規(guī)模集成電路設(shè)計、制造和封裝技術(shù)，在計算機輔助工程方面融合了CAD、CAM和CAT等技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)代電子學(xué)知識為現(xiàn)代電子理論和設(shè)計的表達與實現(xiàn)提供保障[1]。技術(shù)市場和人才市場對于EDA技術(shù)的需求與依賴性與日俱增，產(chǎn)品和技術(shù)的市場要求必然反映到教學(xué)領(lǐng)域[2]。以最近的十屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽為例，每年賽題均涉及

EDA技術(shù)，這體現(xiàn)了EDA技術(shù)在電子類本科教學(xué)中的重要地位。

一、現(xiàn)階段EDA教學(xué)模式分析

EDA技術(shù)教學(xué)在電子與計算機專業(yè)本科教學(xué)中的普及率和滲透率極高，尤其是作為電子科學(xué)本科教學(xué)，對學(xué)生的思維模式構(gòu)建有著重要作用[3]。EDA技術(shù)的教學(xué)具有實踐性強的特點，需要通過大量實訓(xùn)反饋才能真正學(xué)好。目前大多數(shù)高校EDA技術(shù)的授課課時數(shù)一般安排為48課時，其中實驗課占10課時，實踐課和理論課的課時數(shù)比例約為1：3.8，且課程多安排在三年級。這不難看出其弊端：首先，重理論輕實踐的設(shè)置，導(dǎo)致學(xué)生只注重書面應(yīng)試。其次，課程安排時間較晚。EDA技術(shù)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，是多門專業(yè)技術(shù)課程的基礎(chǔ)(如工業(yè)自動化、集成電路設(shè)計等)，其結(jié)果是導(dǎo)致后續(xù)課程得安排到大學(xué)四年級開展，與學(xué)生的畢業(yè)、實習(xí)、求職形成矛盾。這導(dǎo)致的結(jié)果是：學(xué)生對EDA技術(shù)的認(rèn)識非常粗淺；學(xué)生對實驗箱的操作、定制模塊的調(diào)用概念模糊；學(xué)生不具備SOPC系統(tǒng)開發(fā)的能力，降低就業(yè)競爭力。

EDA技術(shù)現(xiàn)階段的本科教學(xué)而言，存在實驗內(nèi)容設(shè)計單一，實驗箱利用率不高，實驗擴展及創(chuàng)新性不夠，學(xué)生的實踐能力不強，教學(xué)成果難達預(yù)期等問題。無法滿足大學(xué)本科，尤其是應(yīng)用型本科的教學(xué)要求。

二、EDA技術(shù)的應(yīng)用型本科教學(xué)模式設(shè)計

本課題將針對現(xiàn)階段EDA課程設(shè)置存在的問題及需求，進行EDA技術(shù)實訓(xùn)教學(xué)模式的探索，該實訓(xùn)由65個課時組成，包括課內(nèi)實驗(16學(xué)時)、實訓(xùn)設(shè)計(課程設(shè)計實驗(26學(xué)時)和獨立實驗(23學(xué)時))。

1.EDA技術(shù)的課內(nèi)實驗設(shè)計。EDA研究型課內(nèi)實驗設(shè)計的目的是：掌握硬件描述語言(VHDL語言)的編程方式及技巧；掌握QUARTUSⅡ、MuxPlusⅡ等軟件操作；具備獨立完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的EDA開發(fā)；熟悉實驗箱的功能模塊及功能引腳，結(jié)合FPGA開發(fā)，完成接口及模塊調(diào)用等綜合性的實驗設(shè)計。

實驗內(nèi)容從簡單的組合電路設(shè)計到復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，可以包括以下兩個部分：

(1)基礎(chǔ)性實驗部分。該部分實驗進行邏輯行為的實現(xiàn)驗證，即通過EDA工具完成數(shù)字電路實驗的部分內(nèi)容，如：計數(shù)器、編碼/譯碼電路、分頻器及脈沖發(fā)生器等。其特點是工作頻率低，非EDA技術(shù)及相關(guān)器件也能完成，EDA技術(shù)的優(yōu)勢不明顯。

(2)綜合性實驗部分。該部分進行控制與信號傳輸功能的實現(xiàn)。如：A/D高速采樣、自動化控制、接口與通信模塊設(shè)計等。其技術(shù)指標(biāo)大幅提高，可以讓學(xué)生充分認(rèn)識到EDA技術(shù)的優(yōu)勢，并為電子設(shè)計競賽提供實驗指導(dǎo)。

2.EDA技術(shù)的實訓(xùn)設(shè)計。EDA研究型實訓(xùn)模型的設(shè)計目的是：掌握軟硬件協(xié)同開發(fā)的SOPC開發(fā)流程；可以根據(jù)硬件及性能需要進行CPU及外設(shè)的選擇；具備利用EDA工具編寫FPGA軟件可識別的文件，可以根據(jù)具體需要調(diào)用相應(yīng)的IO及API函數(shù)等程序編寫能力，利用SOPC Builder定制模塊等實際操作能力；熟悉編譯下載環(huán)境，完成調(diào)試和優(yōu)化工作。

實訓(xùn)模型[4,5]的設(shè)計內(nèi)容可以是基于SOPC平臺的算法設(shè)計：

實訓(xùn)項目1(基于SOPC的USB枚舉實驗)掌握SOPC的基本流程；掌握PDIUSBD12核的使用方法；掌握USB枚舉的基本過程；掌握PDIUSBD12芯片的基本使用方法。

實訓(xùn)項目2(以太網(wǎng)口口通信實驗)熟悉以太網(wǎng)協(xié)議；掌握網(wǎng)絡(luò)分析工具Sniffer的基本使用；掌握RTL8019AS各寄存器的意義及其設(shè)置；掌握RTL8019AS數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；掌握自定義IP核-RTL8019AS核的用方法。

實訓(xùn)項目3(音頻CODE實驗)了解SPI接口工作的基本原理；了解通過軟件正確的控制SPI接口；熟悉定制各模塊；掌握對SPI接口正確操作的過程。

實訓(xùn)情景1(基于SOPC的USB枚舉實驗)掌握NiosⅡ CPU配合自定義IP核操作；通過PDIUSBD12芯片的初始化，了解芯片初始化步驟；完成USB設(shè)備插入到主機后的基本枚舉工作；設(shè)計一個除了PDIUSBD12核外的輸入型PIO核，負(fù)責(zé)檢測USB的中斷請求。

實訓(xùn)情景2(以太網(wǎng)口口通信實驗)通過實訓(xùn)內(nèi)容正確控制RTL8019AS，掌握寄存器的初始化、讀取以及通過寄存器正確的收發(fā)數(shù)據(jù)包到PC機。

實訓(xùn)情景3(音頻CODE實驗)通過實訓(xùn)完成FPGA的SPI接口控制音頻CODEC芯片TLV320AIC23的操作。設(shè)計如何加入SPI接口，并使其工作在主設(shè)備模式。

三、教學(xué)改革實施效果

通過實訓(xùn)教學(xué)模式的改革，學(xué)生的電子操作素養(yǎng)不斷提升，主要體現(xiàn)在以下方面：

1.學(xué)生操作能力大幅提高。EDA技術(shù)實訓(xùn)考核成績優(yōu)秀率從9.26%提升到13.2%。08、09級的電科班僅個別小組完成自選環(huán)節(jié)，答辯率在56%左右。電科10級同學(xué)在考核過程中，完成必選環(huán)節(jié)的同學(xué)達到100%，答辯率100%。此外，自選環(huán)節(jié)完成率達到38%，另外有13%的同學(xué)提供了自備創(chuàng)新模塊的操作及演示。

2.學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到充分調(diào)動。非電科專業(yè)的同學(xué)選修人數(shù)明顯提升，電科專業(yè)的課內(nèi)實驗和實訓(xùn)環(huán)節(jié)均做到選修、出勤和答辯率100%。該課程2013年的教師課程加權(quán)平均分在電科專業(yè)中達到92.6390，較大分值的領(lǐng)先于其他課程。

3.實現(xiàn)教學(xué)相長。該教學(xué)模式依托省十二五規(guī)劃重點項目展開，在項目開展過程中，申請廳級項目一項，校級項目多項，讓更多的同學(xué)參與到項目中。

四、結(jié)束語

該實訓(xùn)模式正不斷在教學(xué)過程中摸索，并初顯成效，主要體現(xiàn)在：首先，學(xué)生對EDA平臺和開發(fā)流程的理解更為深刻，克服以往教學(xué)設(shè)計中實驗教學(xué)停留在驗證性實驗的階段。第二，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，以往的課程安排中學(xué)生習(xí)慣于理論學(xué)習(xí)，動手操作能力不強。通過不斷豐富學(xué)生實驗操作內(nèi)容，從編程設(shè)計、測試、優(yōu)化到實驗仿真、顯示，讓學(xué)生在實際操作中不斷提高工程開發(fā)能力和創(chuàng)新水平。第三，達到以實訓(xùn)促理論的效果，學(xué)生在實驗過程中積累的編程經(jīng)驗和不斷激發(fā)的創(chuàng)作熱情，帶動了學(xué)習(xí)理論知識的熱情，并為后續(xù)課程的開展打下堅實的基礎(chǔ)。當(dāng)然，該模型還需要不斷改進，在今后的教學(xué)中將積極摸索，力求適應(yīng)現(xiàn)階段EDA教學(xué)的需要。

[1]黃衛(wèi)華,賈歷程.基于FРGА的ЕDА實驗系統(tǒng)改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2012,31(4):203-206.

[2]蔣麗華.基于ЕDА技術(shù)的單周期СРU設(shè)計與實現(xiàn)——計算機組成原理實踐[М].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[3]劉昌華.ЕDА技術(shù)與應(yīng)用--基于Quаrtus II和VНDL[М].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[4]尹今揚,蘆靜,陳冰虹,施珩.程控X線機控制系統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)模式的探索[J].實驗室研究與探索,2012,31(5):209-211.

[5]譚會生.基于ЕDА技術(shù)的研究性教學(xué)探討[J],中國電力教育,2012,17(017):35-36,40.

Researching of experimental teaching mode based on EDA technique

Cai Si-jing

(Fujian University of Technology, Fuzhou Fujian,350108, China)

A Researching Teaching Mode based on EDA technique is given and the design idea of the experimental mode is discussed too. The experiment and practical training design of the teaching mode is analyzed. The results show that the teaching mode enhanced the effectiveness of theoretical and practical teaching of EDA.

teaching mode；SOPC；EDA；QUARTUSⅡ

TN702

A

1000-9795（2014）03-0193-02

［責(zé)任編輯：劉麗杰］

2014-01-14

蔡思靜（1983-），女，福建南平人，講師，從事微電子學(xué)應(yīng)用及教學(xué)研究。

福建省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度重點課題（FJCGZZ12-013，校內(nèi)編號：GYS12042）。