基于FPGA的数字电路实验教学的探讨

　　摘 要： 本文阐述了FPGA在数字电路实验教学中的重要地位和作用。采用基于VHDL的模N计数器设计体现数字电路设计由硬件设计向软件化发展的新思路，表明了应用FPGA技术，能使学生在做数字电路实验时有效地提高现代化电子设计能力，激发学习兴趣，提高教学质量。
　　关键词：FPGA VHDL 模N计数器 数字电路实验教学
　　
　　1.引言
　　随着微电子技术的高速发展，集成电路设计也不断向超大规模、超高速和低功耗的方向发展。传统数字电路课程设计在许多方面都滞后于现代数字电路设计形势的发展，如效率低、损耗大、电接触不稳定、实验装置缺乏稳定性和灵活性，成为创新和应用型人才培养的阻力，而FPGA具有设计技术齐全、效率高、易仿真、可移植性高等优点［１］，通过对芯片的设计来完成大规模数字系统，可以很好地解决上述问题。
　　2.FPGA概述
　　2.1FPGA的概念。
　　FPGA（Field Programmable Gate Array）又称现场可编程门阵列是大规模集成电路技术发展的产物，属于ASIC（专用集成电路）器件中的一种，具有可编程的特性和实现方案容易改动等特点。FPGA采用的是SRAM（静态随机存储器）来构成逻辑函数发生器，一个N输入的LUT（可编程的最小逻辑构成单元）可以完成N个输入变量的逻辑功能，更适于完成触发器丰富的时序逻辑电路。在现代集成电路设计中，数字系统所占的比例越来越大，FPGA设计开发周期短、集成度高、设计制造成本低、开发工具先进，将发挥越来越重要的作用［2］。
　　2.2VHDL介绍。
　　利用系统可编程逻辑器件FPGA芯片进行数字系统设计时，是以硬件描述语言作为设计语言，目前最主要的硬件描述语言是：VHDL（Very High Speed Integrated Circuit HDL）和Verilog HDL。VHDL发展得较早，语法严格，主要利用软件编程的方式来描述数字系统的结构、数据流、行为。该语言具有功能强大的语言结构，具有多层次的设计描述功能，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。
　　3.在数字电路课程设计中引入FPGA的必要性
　　将FPGA引入数字电路课程设计中是一种全新的实验手段，可以不断修改电路和参数，及时观察输出结果，有效加深了学生对电子线路本质的理解，提高学生现代化电子设计能力，激发学习兴趣。在数字电路实验教学中引入FPGA有以下优势。
　　3.1实验项目增加，效率提高。
　　传统数字电路的实验项目较少并普遍采用的是常规逻辑器件连接起来构成不同功能的电路。由于电路板硬件决定了实验项目不能随意更改，功能单一，不利于学生综合电路设计能力的提高。较复杂的实验学生很难在2个课时内做完。采用FPGA技术，增加了综合性实验，学生只需学会EDA工具软件的使用方法，就可以在2个课时内完成更多的实验项目。
　　3.2实验难度降低，成功率提高。数字电路实验主要装置是面包板或实验箱。面包板连线时容易出现导线接触不良、线路干扰等不稳定的因素。实验箱虽然稳定，但实验使用的逻辑器件功能较为单一，难以实现复杂的数字电路。采用FPGA设计硬件电路，对于比较复杂的硬件实验，不必编写逻辑表达式和7NAHtjrLwtiPrndeZRC7zQ==真值表，降低了设计难度，缩短了设计周期。也不必用通用的逻辑元器件来构成逻辑电路，而是直接用语言描述其功能，根据电路的不同需要自行设计专用功能模块，从而实现了“软”硬件设计，降低了研发成本。程序具有良好的可读性，支持对已有设计的再利用。并且电路的设计更加合理，提高了实验成功率，体积和功耗也大为减小。
　　3.3提高了学生的实践和动手能力。采用FPGA做数字电路实验，对同一电路模块的设计有了多种不同的计方案。如采用不同的门电路或者使用语言对电路的功能进行描述，得到功能模块。此模块还可被调用，使设计更具灵活性。
　　4.现场可编程门阵列在EDA设计中的应用实例
　　下面我以设计模为N的计数器电路课程设计为例，介绍使用FPGA在数字电路设计中新的设计思路。
　　在对计数器电路进行设计中，传统的电路设计是用集成计数器构成，如图1所示。
　　但是当模N比较大或者想改变N的值的时候，会感到物理硬件连接和改动起来非常麻烦，而利用FPGA的可编程的特性，采用VHDL可以方便快捷地实现任意模N的计数器，并且容易发现结构设计上的失误，提高了设计的成功率。
　　上述电路采用VHDL语言描述如下。
　　…………
　　由程序可以看出，利用模12计数器的程序，只需修改计数器的状态数，就可以实现任意模N计数器。通过上述电路设计的学习，学生逐渐学会用VHDL语言设计电路，体会到用VHDL语言来描述复杂的控制逻辑具有简洁明了、良好的可移植性，以及不依赖特定器件的优点。提高了学生自己研究问题和解决问题的能力，培养了学生的创新意识，取得了良好的教学效果。
　　5.结语
　　随着FPGA的普及和知识产权核IP日益重视，电子产品设计中的硬件将不再是主导因素，而是全面转向软设计，使得板级设计更加简单和模块化。为了培养能适应电子技术发展趋势的创新型和应用型人才，将FPGA技术引入数字电路实验教学中，能很好地锻炼学生的综合设计开发能力和动手能力，激发他们的学习兴趣，节约实验成本，提高教学质量和设计效率。因此，将FPGA技术应用于数字电路设计必将成为今后数字电路实验教学与课程设计教学改革的新方向。
　　
　　参考文献：
　　［1］刘廷文，唐庆玉，段玉生.EDA技术是实现电工学研究型教学的良好手段［J］.实验技术与管理，2006，23，（8）：65-68.
　　［2］艾明晶，康光宇.EDA教学实验平台的设计与实现［J］.计算机应用，2002，（10）：23-24.
　　
　　基金项目：滁州学院校级教研课题：现场可编程门阵列在EDA教学中的应用研究（2009jyy035）。