EDA技术理论和实践教学研究与探索

张芬 丁大为

安徽大学电子信息工程学院

EDA技术理论和实践教学研究与探索

张芬 丁大为

安徽大学电子信息工程学院

本文针对传统EDA技术课程教学模式的特点和不足，提出从教学内容的合理设置、教学实施方式的转变、教学模式的多元化、考核方式的改革等方面进行研究和探索，不仅可以加深学生对基本概念和专业理论知识的理解，而且也能激发学生自主创新的积极性，提高学生的工程设计能力和创新能力。

EDA技术；教学模式；教学实施方式

电子设计自动化EDA（Electr onic Design Automation）技术[1][2]是指以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境，以硬件描述语言为设计语言，以A S I C（Application Specific Integrated Circuits）为实现载体的电子产品自动化设计过程。EDA技术汇集了计算机图形学、拓扑、逻辑学、微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技术。

随着EDA技术的发展，EDA技术在电子信息、自动控制等众多领域得到广泛应用[1][2][3]，社会对EDA技术人才的需求不断提高，这就要求院校在培养EDA技术人才必须加大教学改革的力度，研究行之有效的教学方法，培养具有工程实践能力和创新能力的EDA技术人才。

我校很早就开设了“E D A技术与VHDL”这门课程，成立了专门的EDA实验室，并于2005年对EDA实验室进行了重建，配备了E D A实验箱84台，拥有MaxplusII和QuartusII两种EDA软件，配置了单片机扩展板、点阵交通灯扩展板、EP1K100QC208-2适配板等，能够完成在线硬件调试。EDA实验室在建成后一直免费对全校学生开放，给学生学习EDA技术提供了很好的平台。

近几年，我校一直在探索提高EDA教学质量的方式方法，针对EDA技术这门课程的特点，结合我校的实际教学环境，提出了从教学内容的合理设置、教学实施方式的转变、考核方式的改革等多个方面进行研究和探索，并实现了真正的开放式教学。实践证明，这种新的转变得到了绝大部分学生的认可，学生学习的兴趣、自主性和动手能力均得到了增强。

1 教学内容的合理设置

EDA技术课程包括EDA技术理论课程和实践课程。EDA技术理论课程内容主要包括：可编程逻辑器件的基本原理和结构、硬件描述语言、常用软件开发工具的使用和实验开发系统[3]，如图1所示。

图2 EDA技术实践课程三个层次

这四个方面的内容在安排上要分清主次。可编程逻辑器件是电路设计的硬件载体，只需讲解大规模逻辑器件的结构和原理；软件开发工具和实验开发系统作为实现和验证的手段，学生也只要熟悉EDA软件的开发流程和实验开发系统的各功能模块即可；硬件描述语言是本课程的教学重点，主要包括VHDL语言的语法结构和实际应用，由于EDA技术侧重于应用，这部分内容在设置时不再过多强调VHDL语言语法的讲解，而是通过实例介绍VHDL语言中相关的语法和语句，给学生提供更多的练习机会，在实践中提高设计能力。

图34 选1的多路选择器仿真图

EDA技术的实践课程按照三个层次安排教学内容，如图2所示。第一层次是EDA软件的熟悉阶段。主要采用原理图的方法完成电路设计，教学重点是掌握软件的使用方法和设计流程，熟悉实验开发系统。第二层次是VHDL语言设计和原理图方法结合设计综合性与创新性实验项目阶段。教学重点是掌握“自顶向下”的设计方法，硬件资源的占用，速度和面积优化等。第三层次是电路板自主开发阶段。教学重点是摆脱实验室实验箱的限制，利用EDA开发板，自行设计开发板的外围电路，并制作PCB板。

通过教学内容的合理设置，使学生在学习时有所侧重，更好的掌握EDA技术这门课程。

2 教学实施方式的转变

EDA技术课程教学中传统的教学实施方式是理论课和实践课单独授课，理论课教学完成一定内容后再安排实践课，导致学生对教学内容的感性认识被延时，无法将实践与理论知识联系起来，有时甚至出现理论课与实践课是不同的老师授课的情况，理论和实践脱节严重，学生普遍反映不能真正领悟老师讲授的知识，对EDA学习只是停留在应付考试的层面，学生动手能力差，更谈不上具有很强的设计能力和创新能力。因此，在授课模式上，针对EDA技术课程具有很强实践性的特点，提倡更注重学生的实际操作能力，将理论课和实践课融合成一门课程，在课堂中根据教学内容的不同，合理分配学时[4]。

我校课程安排上一般是一次两节课，每节课40分钟。这里以EDA技术课程中讲解VHDL语言的IF语句和CASE语句为例，介绍我们在教学中采用的实施方法。首先用30分钟的时间讲解IF语句和CASE语句的基本形式和使用[1][2]，用这两个语句分别实现4选1的多路选择器和7段显示译码器；然后，以4选1的多路选择器为例，给学生30分钟时间在QuartusII软件中编程实现，编译、仿真，观察仿真波形是否正确；最后，组织学生对编程过程中出现的问题、仿真结果进行讨论，研究是否可用其他学过的方法设计4选1的多路选择器。具体步骤为：

（1）用IF和CASE语句分别实现4选1的多路选择器。

将用IF和CASE语句分别实现4选1的多路选择器的程序写入QuartusII软件中，并编译、仿真，仿真结果如图3所示。

图3中，a、b、c和d是输入信号，s是选择信号，z是输出信号。从图3(a)和图3(b)仿真结果图可以看出，虽然IF语句和CASE语句的结构不同，但它们实现了同样的功能。

（2）虽然IF语句和CASE语句可以实现同样的功能，但是它们有所不同，和学生一起对它们进行比较分析，比较结果如表1所示。（3）组织学生对IF语句和CASE语句进行讨论。例如4选1的多路选择器是否可以用其他学过的语句实现？例如用WHENELSE语句实现4选1的多路选择器的具体程序如表2所示。鼓励学生用IF语句和CASE语句实现其他的器件，特别是IF语句的嵌套使用，因此布置题目要求学生在课余时间完成用IF语句的嵌套实现JK触发器。

表1 IF语句与CASE语句比较结果

通过上述过程，使学生始终参与了教学的全过程，将理论和实践很好的结合起来，同时激发了学生学习这门课程的积极性，引导学生进行更深入的学习，取得很好的教学效果。

表2 用WHEN-ELSE语句实现4选1的多路选择器

3 教学模式的多元化

EDA技术课程具有很强的实践性。在以往的教学实践中发现，单凭常规的理论和实践教学仍然不能最好的提高学生的设计能力和创新能力，特别是学生只是将教材中的程序进行验证，缺少了创新性，虽然也有设计性实验，但由于设计性实验往往比较复杂，难以在有限的实验时间内更好的锻炼学生的能力。因此，除了使学生掌握基本知识和基本技能培训外，我们还将一定分量的教学内容延伸到课外[5]。考虑到EDA技术课程的特殊性，先设计一定数量的题目，或者由学生申请题目，对题目作可行性分析，老师批准。根据题目班级学生自由组合分成不同小组，每个小组三人，一组一题，在一定时间内完成电路设计。我们提倡学生在设计时使用硬件开发板，具体的型号由学生自己选择，学生在选择时需要考虑一系列的技术指标，包括电路的速度、占用的面积、可靠性、容错性等。学生制作硬件开发板扩展电路的过程是一个有效的自我学习与锻炼的过程，因为对刚接触专业基础课的学生而言，除了必须仔细考虑外围器件的型号、数量、布局、焊接电路板的成本与质量等技术问题外，还要学习Protel制版软件的使用和焊接制作，焊接工具和硬件开发板由实验室提供。在规定时间内，验收学生的设计成果，要求学生在验收时做PPT汇报设计思想、设计完成程度、具体设计程序和硬件调试结果，并对课题中的相关问题进行提问。这样的设计过程，让学生真正明白了所谓的EDA设计究竟是怎么一回事，培养了学生科学研究的基本能力和兴趣。

4 考核方式的改革

如何综合评定学生的考试成绩，也是至关重要的一个环节[6]，它直接影响了学生学习的积极性。传统的EDA技术课程采用理论和实践课程单独考核的方式，理论课程以笔试为主，学生考试时遇到编程题时完全靠死记硬背或者靠经验来答题，因为无法检测程序的正确性，因此有时连学生自己也弄不清楚答题是否正确。实践课程的考核方式也很单一，不够灵活。

因此，我们对EDA技术课程的考核方式作了如下改革：考核成绩由平时成绩、笔试成绩、实践成绩三部分组成。平时成绩占20%，包括学生出勤、作业完成情况、上课表现、程序设计等；笔试成绩占50%，采用闭卷考试，考查学生对EDA基本理论和VHDL语言基本语法的掌握情况；实训成绩占30%，根据学生对上述课题完成的情况给出每组的成绩，另外可根据该组成员任务的分配和完成情况，合理区分成员间成绩的差异。

5 结束语

EDA技术课程教学改革不是一朝一夕之事，需要我们全体教师的一起努力，也需要师生共同的探讨，更需要不断的探索和实践。在EDA技术课程的教学中，通过对教学内容的合理设置、教学实施方式的转变和考核方式的改革等多个方面的研究和探索，能够将理论和实践内容有效的结合，使学生牢固掌握EDA技术的基本理论知识，真正提高创新能力和解决实际问题的能力，为以后从事专业工作打下扎实的技术基础。

[1]潘松,黄继业.E D A技术实用教程(第三版)[M].北京:科学出版社.2006.9.

[2]朱正伟.EDA技术及应用[M].北京:清华大学出版社.2005.10.

[3]黄沛昱,雷芳,刘乔寿.E D A课程建设与创新型人才培养[J].电气电子教学学报. 2011:21-22.

[4]张利,高晶敏,杨秀媛.E D A技术课程教学模式改革探索[J].中国电力教育.2011: 80-81.

[5]朱奕丹,吴伟力.“E D A技术”课程实践教学环节的改革与探索[J].集美大学学报.2007:86-88.

[6]李晓敏,杨辉.“E D A技术与应用”课程教学的几点思考[J].科技信息.2011:143.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.21.085

安徽大学211工程三期教学质量工程项目39020045；安徽大学质量工程建设项目XJ2009026。

张芬（1980-），女，安徽大学讲师，硕士。丁大为（1977-），男，安徽大学副教授，博士。