EDA分层教育方法改革

牛军浩，胡 聪，殷贤华

(桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004)

EDA技术融合多学科于一体，又渗透于各学科之中，打破了软件和硬件的壁垒，代表了电子设计技术的发展方向，在各个领域得到广泛应用［1，2]。

在高校电子信息类专业的教学中，数字电路设计是整个教学的核心主干课程之一。随着半导体生产工艺的提高，以CPLD和FPGA为主导的可编程逻辑器件规模和性能都在不断提高，知识产权核IP、片上系统SOC和片上网络NOC等新概念及新的分析方法不断涌现，使高校电子信息类专业的数字电路课程的教学及实验面临着新的挑战。

改革和整合现存的数字电路教学内容，将新技术、新方法引入EDA技术课程的教学中，形成新的不同层次的课程教学体系，这对于培养学生的电子系统设计能力和适应各学科领域对高层次电路设计人员需求是十分必要的［3]。

1 EDA技术教学内容

本文以ASIC为设计目标，以“数字逻辑”、“模拟电子技术”和“单片机原理及应用”等主干课程为基础，研究并分析了EDA技术相关知识，将课程教学内容按设计难度划分为三个层次:基础层、应用层和系统层。其结构如图1所示。

图1 EDA教学内容分层结构

在所分三层结构中，基础层为EDA技术基础知识的讲授，首先是EDA发展过程及应用领域，然后讲述CPLD和FPGA结构、原理和工艺等相关技术。具有代表性的有Altera公司的MAX7000系列CPLD及CycloneII系列的FPGA。我们结合EDA设计实例，如多路选择器、计数器、译码器和全加器等，进行VHDL语言程序的设计，使学生通过基础知识的学习并完成推荐的实验后，能初步了解和掌握EDA的基本知识及VHDL语言的基本构成和设计方法。

在应用层中，我们结合“电子测量”、“编码技术”和“智能技术”等专业课程内容以及各种电子大赛题目，采用EDA技术，设计面向应用的电子系统，如高速A/D采集控制器、点阵液晶控制器、任意波形发生器和频率计等，使学生能够根据具体内容，正确理解设计要求。他们可合理划分功能组成，并通过层次设计方法，采用IP核和宏功能模块等技术进行面向应用的电子系统设计。

在系统层中，我们结合“单片机原理”、“DSP原理及应用”、“总线技术”和“嵌入式系统”等专业课程内容，介绍SOC技术在系统级专用集成电路设计中的应用，如Altera公司的片上可编程系统SOPC是一种灵活高效的SOC解决方案。该系统将处理器、存储器、I/O口和LVDS等系统设计需要的功能模块集成到一个PLD器件上，构建一个可编程的片上系统。通过系统级学习及设计，学生可以掌握基于FPGA的嵌入式系统设计方法。

2 实验改革及环境建设

在传统的EDA实验教学中，大都安排了基础类和应用类电路实验。基础类实验有译码器、计数器和逻辑运算等，而设计类实验主要有数字秒表设计、频率计设计和序列信号发生器设计等。对于完整的EDA技术层次来说，缺少系统级实验内容，部分院校使用的实验系统采用的FPGA型号规模较小、资源不充足，无法满足SOC的实验环境要求。

为了使学生掌握更加完整全面的EDA技术，应加强EDA教学实验环境建设，升级实验系统核心部件，并在原来实验内容基础上开设系统级实验，如采用NIOS嵌入式处理器、Avalon总线以及SOPC Builder软件工具，实现数据采集、运算和显示等功能，设计一个完整的嵌入式系统。

3 EDA技术在课程体系中的应用

1)EDA技术在基础类课程中的应用

在传统的“数字电路技术”教学中，理论知识以基本门电路进行讲解;然后在实验室环境下，通过跳线和插座等方式，将各种74XX系列器件组合起来，实现要求的电路功能;使用LED、示波器和频率计等对电路功能进行验证;最后，在课程设计时，使用Protel等电子电路CAD工具画原理图、布PCB板，通过制版和焊接元器件，实现完整的设计任务。

EDA技术引入以后，实验室环境可通过EDA工具来代替，如Altera的QuartusII和Xilinx的ISE集成开发环境［4]。借助EDA工具可以在计算机上快速设计数字电路系统，并及时进行仿真验证，原理图的输入方式更加符合数字电路的授课方法，更容易理解和阅读;实验者借助仿真工具，在没有目标芯片、示波器和频率计等任何硬件环境的情况下，仅借助计算机和EDA软件即可完成电路的功能仿真和时序仿真。

2)EDA技术在专业类教学课程中的应用

“智能仪器”是电子信息类专业的专业必修课之一，讲述采用主机电路、模拟量输入输出通道、人机接口和通信接口等设计具有人机交互能力的智能化仪器。传统的主机电路主要是采用单片机作为主机电路，如C51、PIC和AVR等。

而在以CPLD/FPGA为代表的EDA硬件芯片上，可以通过IP核及宏功能调用方法，快速方便的实现单片机的功能，管脚、外部资源可以随意定义和删减，极大的方便了外部电路的连接和扩展。另外，采用EDA技术作为智能仪器的辅助设计，可以实现更加高速、准确的控制和处理能力。

3)EDA技术在系统设计课程中的应用目前，在高校课程设置中的嵌入式系统类课程，主要是基于ARM和DSP等架构，操作系统包括Linux、μCOS和WinCE等。

以上以控制器为载体的嵌入式系统有个共同的特点，软件系统可通过移植操作系统和相关程序进行设计，具有可裁剪的特点。但是，硬件系统却是需要更加具体需要进行不同的设计，具有独特性。而以FPGA为载体的片上可编程系统同时具有软、硬件可编程的能力，除了潜入的控制器可按要求进行裁剪扩充外，FPGA的可编程资源依然可以根据用户需要进行设计，从而在片上实现软硬件同时可编程的能力，实现不同的系统功能。它提高了FPGA在不同应用场合的适应能力，是在数字电路系统设计中理想的嵌入式系统方案。

4)EDA技术在实践课程中的应用

在课程设计和毕业设计中，学生可综合运用所学的数字电路技术、单片机技术、智能仪器技术和嵌入式系统原理等知识，采用EDA的PLD器件作为控制器、译码器和数字接口电路等，在更小的面积上，实现功能更多、速度更快和功耗更低的系统设计。

4 结语

EDA技术在高校教学中的正确分层应用，可以为数字电路技术和数字信号处理等课程提高开发工具和手段，又可以在智能仪表和自动控制等课程中作为控制器进行使用，既减少了原来在面包板上组构电路所造成的时间消耗，又为学生的设计创新创造了条件。通过分层教育模式在EDA教学与实践中的应用，在我校电子信息类专业学生创新实践能力培养上已初见成效。

［1] 邱军兴，郭东道.EDA技术在电路设计中的地位和作用［J] .西安:西安文理学院学报，2005，8(1)

［2] 潘松，黄继业.EDA技术实用教程(第3版)［M] .北京:科学出版社，2007.08

［3] 朱正伟，周炯如.EDA技术在硬件课程体系教学改革中的应用［J] .南京:电气电子教学学报，2010，28(5)

［4] 蔡春晓，张国庆.EDA教学在数字电路实验中的实践与探索［J] .南宁:高教论坛，2010，(11)