EDA课程层入式教学及实验平台建设

张惠国，潘启勇，华 强，顾 涵

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

半导体技术、集成技术以及计算机技术的发展引发了电子系统设计手段与方法的革新，EDA（Electronic Design Automation，）设计技术已渗透到电子系统设计的各个领域，其核心是利用计算机完成电路设计的全程自动化，特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。EDA技术作为专业课已经在高校电子类本科专业中普遍开设，本文就课程内容的安排和教学实施进行了一些探索。

一、EDA课程的覆盖面

EDA课程包含了PCB设计、可编程芯片设计、大规模集成电路设计等方面。而根据不同的专业方向，课程内容有不同的侧重。EDA是一门具有连续性、不断深入的课程，一般在本科阶段开设相应的EDA技术基础课程，在硕士和博士阶段则开设比较精专的课题，如专用集成电路的设计等[1-3]。

对于电子类本科专业，EDA技术课程范围限于现场可编程门阵列（FPGA）的设计[4，5]。这是由于FPGA器件应用广泛，实验开设成本相对较低以及其设计方法在EDA设计中具有典型性和通用性。本科的EDA技术基础课程范围可界定为：以硬件描述语言为设计语言，以可编程器件为载体，以ASIC/SOC芯片为目标器件进行必要的元件建模和仿真的电子产品自动化过程。教学过程中，主要讲授基于FPGA平台的设计开发。

二、理论课程的分层设计

随着技术的进步，电子系统的复杂度迅速提高，其设计方法也由传统的基于PCB的设计方法向基于芯片的微电子电路设计方法演变。体现在以前利用分立元件搭建电路，其工作重点在各个分立元器件的匹配调试上。而基于芯片的设计方法，则是将一个系统（或核心部分）用一块芯片来实现，工作的关键在于充分利用现有的EDA软件功能，完成实际电路的建模仿真并实现。

EDA课程作为一门专业课，具有本科、硕士、博士阶段的连续性，本科阶段的教学内容要注意课程体系的衔接，强调设计流程。实际教学中，我们侧重于基于FPGA的设计，强调学会使用“一类器件、一种语言、一种软件、一个实验系统”，其中器件指主流的FPGA器件，语言指一种硬件描述语言（VHDL或Verilog），软件是相应的集成开发环境，实验系统是相应的硬件平台。课程内容的设计是一个分级加深的过程，我们专门开设了两类课程，一是EDA技术基础课程；二是基于FPGA嵌入式系统设计。基础课程注重于基本理论和基本系统的讲解，而嵌入式系统设计偏重于嵌入式内核的移植以及实际项目的讲解分析。

讲课的过程是一个逐层深入的过程，先从集成环境中基于原理图的设计演示开始，然后过渡到简单的硬件描述语言，进而讲整个软件环境的构成原理，至此学生应该具备了进行复杂设计的基础必备知识。之后，进一步深入讲一些硬件描述语言中的高级语法，以及复杂系统的设计和相应的应用实例讲习。讲完这部分之后，EDA的主体已经介绍完毕。根据以往的教学，此时学生已基本掌握了FPGA的设计方法。但要达到学以致用，还需要器件原理以及FPGA器件应用方面知识的学习。在我们构建的课程结构中，还加入了基于PCB的设计讲习。主要讲Protel的基本用法，原理图、印制电路板（PCB）、库的用法。目的是让学生直接了解FPGA的应用方法，促进对FPGA设计方法的理解。教学中，这些内容围绕自制FPGA实验系统而展开，给学生举例和做实验时画的板子是自制实验系统的电路。学生经过这个层次的训练后，便对实际应用系统的开发有了系统的认识和直接的经验。

EDA课程内容的主线是“原理图设计—HDL设计—状态机—复杂数字电路计—器件原理—PCB设计—FPGA应用系统设计”。在我们的教学中，器件原理以点到为止，只从结构层次上分清什么是可编程，配置的过程是怎么一回事，而不去具体深入的讲解可编程存储点的具体SRAM单元的组成原理。而讲课时，我们区别于通常的讲课顺序，将器件原理部分的授课推迟，放在PCB设计之前。这主要考虑了两点：一是和后面FPGA应用系统的设计直接衔接；二是避免一开始学生就纠缠于FPGA的细节而增加理解的难度。教学安排中，前半部分的教学讲清硬件描述语言以及相应的设计流程。之后讲授FGPA的实际应用，这同时也能加深前半部分的理解。

学生学习过程中的难点是软件平台的复杂性，容易产生机械式的点击各种菜单来完成设计。所以在讲课过程中，需要讲清软件设计的各个环节[6]，然后每次实验都要让学生知道他们所作的每一个步骤在整个流程中的地位。对于这个知识点，我们在教学中讲的比较具体。因为基于芯片的EDA设计中的一些关键概念类似，关键流程节点是相通的。掌握流程后，学生就可以理解如何用不同的工具组建一个最优的FPGA设计平台。同时，这也为后续更深入的学习FPGA设计乃至集成电路设计打下扎实的基础。

三、实验平台建设

现在的EDA课程实验设备比较多，有各种仪器厂商提供的实验箱、实验板，以及相应的成套系统。但现有的开发板或实验箱，成本相对较高，功能难于控制，不是太简单，就是太复杂。对于简单的实验箱，仅能开设一些基础性的实验，对于课程设计或者毕业设计就不能使用。而比较完善成熟的开发板又太复杂，其复杂性令普通学生不知所措。同时，实验箱和开发板损坏后，维修也相对麻烦。在建设实验平台时，根据以往出现的问题，在新一轮的实验室建设中，我们采用购买现成的SOC开发板以及自制实验开发板的方式建设实验室。利用现成的SOC开发板构建SOC实验室，目标是大型嵌入式数字系统的设计，用作学生毕业前的岗前培训训练平台以及教师横向项目使用的开发平台。自主开发的实验板，可完成常规的基础教学实验、课程设计以及相应的毕业设计。

四、实验分层设计

（一）实验分层设计

围绕教学内容，相关实验类课程按层次开设。按侧重点可分为基本实验、扩展实验、课程设计、毕业设计、项目研究、创新设计。

基本实验、课程设计是所有的电子类学生都须学习的。基本实验是与理论课教学结合在一起的，本身按层次开设，分为8个实验（16个学时），1个原理图设计实验，3个硬件描述语言基本实验，1个综合性设计实验和3个FPGA实验系统的PCB设计实验。课程设计是设计性实验（1周时间），侧重于综合性较强的实验，让学生利用实验系统完成较为完整的系统设计。课程设计按组进行，每组不超过四人，实验题目也按难度分为不同层次。选题时，学生从预先准备的16个题目中选择相应的设计课题。

扩展实验是学生的选做实验，针对的是对本课程感兴趣的学生，实验的难度介于基本实验和课程设计之间，目的是使学生更加熟练的掌握FPGA基本设计方法。

毕业设计、项目研究、创新设计，也是针对部分对EDA感兴趣的学生开设，实验具有一定的难度，主要是面向实际的应用和一些横向项目。目前，我们学院在本科学生中推广了导师制，而EDA这些实践内容是和导师制配合在一起的。学生直接跟随导师进实验室，尽可能的参与项目，达到相应的训练效果。

（二）实验的组织安排

EDA课程强调实践训练，实验较多，这和有限的实验室产生了一定矛盾。实际教学中，我们采取开放实验室完成密集实验课程的安排。同时通过外借开发板的方式鼓励学生利用课余时间学习FPGA的使用，完成对应的扩展实验。

五、EDA课程教学实践

（一）EDA教学实践

从2002年开始，我校在本二及本三的电子信息工程与电子科学与技术专业中开设了EDA课程教学，采用了多种实验系统，使用了不同厂商的可编程器件（如Altera公司、Xilinx公司以及Lattice公司的器件），并与Xilinx公司成立了联合实验室。EDA教学中，课程实验、实践内容及实验平台按照分层的原则设置构建，初步形成了分层的教学体系。EDA教研组在教学过程中不断改进教学方法，并着力于应用型EDA技术培养体系的探索。几年的教学实践表明，这些改革探索是成功的。近年来，我校学生在有关电子设计大赛中频频获奖，毕业生在EDA相关领域的就业数量也成倍增加。

（二）对于教师能力的要求

教师及实验技术人员的学术及教学水平直接影响着实验教学效果及学生创新能力的培养，而EDA技术的飞速发展对任课教师也提出了很高的要求。现有实验教师需要不断提高自身的学术、技能水平，不断改革创新实验内容[7]。这就要求教师要经常参加EDA相关学术会议、研讨班，积极争取EDA方面的科研项目，参与同社会企业的合作。

六、EDA课程教学任重道远

目前，EDA技术已经渗透到电子工业的各个领域，EDA课程的教学会直接影响到其他课程如微电子类、计算机类学科的教学。对于本科电子类学生，具备扎实的EDA知识和技能，是将来走上工作岗位的必备能力。随着EDA技术的快速发展，EDA课程的教学内容及教学方法也要不断的更新、发展，EDA课程的改革探索任重道远。

[1]王浩，丁文霞.高等院校电类专业引入EDA教学的几点思考[C].第十五届电工理论学术研讨会论文集，武汉，2003：193-195.

[2]刘志军.关于在高校开展EDA教学的设想[J].电气电子教学学报，1997，20（3）：30-32.

[3]窦衡.加强EDA教学，培养电子系统集成设计人才[J].电子科技大学学报社科版，2005，7（suppl）：107-109.

[4]谭会生，张昌海.EDA技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004：1-15.

[5]刘江海.EDA技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.

[6]Vauthn Betz，Jonathan Rose，Alexander Marquardt.Architecture and CAD for deep-submicron FPGAs[M].Norwell，Massachusetts：Kluwer academic publishers，1999：37-103.

[7]覃琴.对EDA技术及其应用实验教学体系改革的一些建议[J].价值工程，2011（1）：284.