胡靖，杜西亮

摘 要：文章從FPGA技術(shù)的內(nèi)涵與開(kāi)展FPGA技術(shù)相關(guān)課程教學(xué)改革的現(xiàn)實(shí)意義出發(fā)，闡述了俄式電路專業(yè)基于FPGA技術(shù)的課程教學(xué)改革目標(biāo)，并提出了基于FPGA技術(shù)的課程教學(xué)改革策略，旨在提高集成電路專業(yè)學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：集成電路;FPGA技術(shù);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2015）03-0035-02

FPGA（Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是1985年美國(guó)Xilinx公司率先推出的一種新型的可編程邏輯器件，其規(guī)模大、集成高、靈活性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)邏輯功能廣。這為集成電路設(shè)計(jì)邁上了一個(gè)新的臺(tái)階，既克服了原有可編程器件門(mén)電路只能實(shí)現(xiàn)小規(guī)模電路，又解決了專用集成電路設(shè)計(jì)流程中需要反復(fù)驗(yàn)證反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)的不足，可以作為專用集成電路設(shè)計(jì)的原型驗(yàn)證，及早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及早更改，避免重復(fù)工作。隨著FPGA技術(shù)的快速發(fā)展，新型號(hào)的產(chǎn)品層出不窮，其在通信、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、軍事和航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。FPGA技術(shù)已經(jīng)成為從事集成電路設(shè)計(jì)工程師必須掌握的技術(shù)之一。目前，基于FPGA技術(shù)的集成電路設(shè)計(jì)已被許多高校集成電路專業(yè)作為主要的授課及實(shí)踐課程。

近年來(lái)，社會(huì)對(duì)熟練掌握FPGA技術(shù)的高素質(zhì)高校畢業(yè)生的需求逐年增加。國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)每年都會(huì)到高校高薪招聘FPGA驗(yàn)證工程師、FPGA數(shù)字設(shè)計(jì)工程師和SOPC設(shè)計(jì)工程師。為滿足社會(huì)需求，各高校相關(guān)專業(yè)開(kāi)設(shè)了包含F(xiàn)PGA技術(shù)內(nèi)容的課程，如黑龍江大學(xué)集成電路與集成系統(tǒng)專業(yè)，從2011年開(kāi)始開(kāi)設(shè)了“FPGA原理與應(yīng)用”“硬件描述語(yǔ)言”和“SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)”等相關(guān)課程。但是，由于學(xué)生基礎(chǔ)課程掌握不牢，同時(shí)受實(shí)驗(yàn)條件及師資的限制，一些高校在FPGA相關(guān)課程教學(xué)中偏重講授硬件描述語(yǔ)言，而在FPGA應(yīng)用方面涉及得很少，直接導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐技能較差，就業(yè)時(shí)難以滿足企業(yè)需求。面臨就業(yè)壓力，為了提高自身競(jìng)爭(zhēng)力，一部分學(xué)生花費(fèi)金錢和時(shí)間自費(fèi)到社會(huì)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行FPGA技術(shù)方面的學(xué)習(xí)。因此，開(kāi)展FPGA技術(shù)相關(guān)課程教學(xué)改革研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

項(xiàng)目組成員針對(duì)FPGA技術(shù)在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查與分析，得出了可靠的調(diào)研結(jié)果，提出了初步的課程設(shè)置整合方案，重新設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，修改部分實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，制定了FPGA技術(shù)的應(yīng)用技能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本學(xué)期對(duì)FPGA相關(guān)的課程體系進(jìn)行改革，主要包括“FPGA原理與應(yīng)用”“硬件描述語(yǔ)言”“SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)”“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”這四門(mén)課程，通過(guò)設(shè)置教學(xué)試點(diǎn)，取得了一定的成效。

一、基于FPGA技術(shù)的課程教學(xué)改革目標(biāo)

針對(duì)課堂教學(xué)的局限性，鼓勵(lì)學(xué)生養(yǎng)成課外積極收集相關(guān)專業(yè)知識(shí)的主動(dòng)自學(xué)能力;鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各種設(shè)計(jì)競(jìng)賽，將所學(xué)知識(shí)靈活應(yīng)用于實(shí)踐，并使學(xué)生逐漸形成創(chuàng)新性思維，具有較高的工程素質(zhì)和實(shí)踐能力。

二、基于FPGA技術(shù)的課程教學(xué)改革策略

1.明確教學(xué)目標(biāo)，即通過(guò)對(duì)集成電路相關(guān)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，了解企業(yè)對(duì)集成電路專業(yè)學(xué)生在FPGA技術(shù)方面所需的應(yīng)用技能，進(jìn)一步明確FPGA技術(shù)的教學(xué)目標(biāo)。往往每個(gè)企業(yè)的研究方向不同，所用的開(kāi)發(fā)環(huán)境、仿真工具都各不相同。為了滿足學(xué)生就業(yè)需求，教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該重基礎(chǔ)、求延伸。在基礎(chǔ)扎實(shí)的基礎(chǔ)上，在應(yīng)用方向上尋求延伸，使學(xué)生多接觸各種常用的典型開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2.整合與FPGA技術(shù)相關(guān)的課程，設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。由于幾門(mén)相關(guān)的課程由不同的教師在不同學(xué)期授課，同時(shí)存在著有些知識(shí)點(diǎn)重復(fù)講授，而有些重要知識(shí)點(diǎn)又在課程中沒(méi)有涉及到的現(xiàn)象。再加上對(duì)于硬件描述語(yǔ)言的學(xué)習(xí)僅僅通過(guò)課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，應(yīng)該邊學(xué)邊練。根據(jù)專業(yè)特色、企業(yè)需求及修訂后的教學(xué)目標(biāo)，對(duì)原FPGA技術(shù)相關(guān)的多門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入分析，依據(jù)教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)程度，制定課程整合方案，調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，合理安排授課內(nèi)容，做好銜接，充分利用教學(xué)資源。主要包括“硬件描述語(yǔ)言”增設(shè)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)課（modelsim仿真）;原“數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改為quartus ii開(kāi)發(fā)工具綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);“FPGA原理與應(yīng)用”除了介紹原理應(yīng)用方面外，另增設(shè)針對(duì)FPGA實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（Xilinx的ise開(kāi)發(fā)工具）;“SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)”課程中要求學(xué)生熟練掌握sopc builder 和 Xilinx EDK開(kāi)發(fā)環(huán)境，使學(xué)生同時(shí)掌握并比較兩大公司的典型開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法。

3.增設(shè)“ASIC綜合與時(shí)序分析”課程?，F(xiàn)有的一部分FPGA教學(xué)實(shí)驗(yàn)，僅僅停留在讓學(xué)生熟悉FPGA的設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)步驟，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。綜合時(shí)序分析在電路設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)綜合時(shí)序分析環(huán)節(jié)，數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)不能僅停留在將RTL級(jí)代碼映射為電路結(jié)構(gòu)的表面工作，應(yīng)深入分析電路的時(shí)序、面積及功耗，讓學(xué)生具體體會(huì)各種約束在電路具體實(shí)現(xiàn)中的意義。因此，增設(shè)“ASIC綜合與時(shí)序分析”課程，針對(duì)ASIC設(shè)計(jì)購(gòu)置了Synopsys軟件并建立了相應(yīng)機(jī)房，使學(xué)生熟練掌握不同的設(shè)計(jì)軟件，以滿足設(shè)計(jì)需求。

4.調(diào)整實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)通常以Modelsim仿真為主，學(xué)生只有在最后一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)中才能用到FPGA開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板利用率不高，而且學(xué)生對(duì)開(kāi)發(fā)板的熟悉程度根本不夠。應(yīng)該增加FPGA開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生熟悉開(kāi)發(fā)板結(jié)構(gòu)、核心器件及外設(shè)結(jié)構(gòu)、連接方式，真正能熟悉開(kāi)發(fā)工具，熟練掌握開(kāi)發(fā)流程，鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手、多實(shí)踐，真正做到活學(xué)活用。

5.加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)。由于行業(yè)技術(shù)更新快，新技術(shù)、新工具層出不窮，而學(xué)校又存在講授知識(shí)老舊，教師技術(shù)參差不齊等諸多問(wèn)題。因此必須加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，進(jìn)行定期技術(shù)培訓(xùn)，及時(shí)更新知識(shí)結(jié)構(gòu)。通過(guò)定期培訓(xùn)，可以為課程中實(shí)驗(yàn)授課做較好的技術(shù)支持。同時(shí)支持教師參加培訓(xùn)，使一線教師能有機(jī)會(huì)直接與各地從事集成電路數(shù)字設(shè)計(jì)的一線工程師（包括清華微電子所、中芯國(guó)際、華納電子、大唐微電子等知名單位的一線工程師）進(jìn)行交流。及時(shí)了解行業(yè)新動(dòng)態(tài)、新趨勢(shì)、新技術(shù)以及主流工具，更好地將最新的知識(shí)及相關(guān)信息傳授給學(xué)生，緊跟時(shí)代步伐。

6.變革教學(xué)方法。傳統(tǒng)的教學(xué)方法強(qiáng)調(diào)以課堂為中心、以教師為中心、以教材為中心，主要以講授為主，而忽視學(xué)生的積極性、主動(dòng)性及創(chuàng)造性的發(fā)揮，這將影響FPGA技術(shù)的教學(xué)效果。而且這種方式過(guò)于枯燥，對(duì)FPGA技術(shù)教學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。在FPGA技術(shù)的教學(xué)中，根據(jù)講授的內(nèi)容，采用不同的教學(xué)方法。除了課堂講授外，在講解具體實(shí)例時(shí)應(yīng)采用演示法。FPGA技術(shù)的實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)，設(shè)置相關(guān)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)應(yīng)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、提高性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)踐教學(xué)中要堅(jiān)持“重基礎(chǔ)與技能、求綜合與創(chuàng)新”的改革思路，加強(qiáng)學(xué)生工程思維訓(xùn)練、調(diào)試和分析能力，提高實(shí)踐教學(xué)體系的創(chuàng)新性、綜合性。除課堂講授外，督促學(xué)生在教師指導(dǎo)下自學(xué)、自講，以討論為主的教學(xué)方式，并根據(jù)合作程序及自愿原則進(jìn)行分組。針對(duì)“集成電路設(shè)計(jì)方法”課程教學(xué)內(nèi)容，建立課外創(chuàng)新小組，為每個(gè)小組的階段性成果在課堂上進(jìn)行成果發(fā)布，鍛煉學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力，建立自信心。同時(shí)，由教師引導(dǎo)，對(duì)創(chuàng)新小組遇到的問(wèn)題進(jìn)行課堂討論、分析，調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力，取得了很好的效果。教師通過(guò)與學(xué)生互動(dòng)了解學(xué)生的興趣、難點(diǎn)所在，有目的地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，使課堂更靈活、更有效地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的各種問(wèn)題，

7.與企業(yè)合作，建立實(shí)訓(xùn)基地，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。有些能力較強(qiáng)的學(xué)生習(xí)慣于獨(dú)立完成某個(gè)項(xiàng)目，這違背了企業(yè)需要具有團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神成員的培養(yǎng)方針。實(shí)訓(xùn)基地以分組形式分配項(xiàng)目，對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行明確分工，讓學(xué)生在每個(gè)項(xiàng)目中分別擔(dān)任項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的不同角色，承擔(dān)各自的任務(wù)，以團(tuán)隊(duì)形式完成所分配的項(xiàng)目，并且每個(gè)學(xué)生在課程結(jié)業(yè)時(shí)必須完成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中不同角色的任務(wù)，得到相應(yīng)學(xué)分。以實(shí)際項(xiàng)目為基礎(chǔ)，領(lǐng)著學(xué)生從立項(xiàng)到著手設(shè)計(jì)再到最終完成設(shè)計(jì)，讓學(xué)生熟練掌握項(xiàng)目完成的各個(gè)過(guò)程。在進(jìn)行綜合項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，學(xué)生能體會(huì)到課堂知識(shí)用于實(shí)踐是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的，這將促進(jìn)學(xué)生查找相關(guān)資料進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力。

8.制定FPGA應(yīng)用能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。以教師通過(guò)每個(gè)學(xué)生在項(xiàng)目中完成任務(wù)比重、創(chuàng)新性思維，加上教師對(duì)學(xué)生宣講內(nèi)容及表現(xiàn)，以及學(xué)生互評(píng)的結(jié)果作為學(xué)生FPGA應(yīng)用能力的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。從合作意識(shí)、動(dòng)手能力、溝通能力、分析解決問(wèn)題的能力等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

經(jīng)過(guò)教學(xué)試點(diǎn)評(píng)估，通過(guò)課程改革，一些參加創(chuàng)新項(xiàng)目的學(xué)生能順利通過(guò)就業(yè)招聘單位的筆試面試考核，就業(yè)率明顯提高。進(jìn)入創(chuàng)新小組學(xué)習(xí)的學(xué)生中有1/3能獨(dú)立編寫(xiě)程序，1/4能獨(dú)立完成小型創(chuàng)新設(shè)計(jì)，全部學(xué)生能夠掌握FPGA設(shè)計(jì)流程。

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