“EDA技术”课程PLD器件原理的教学认识与实践

梁义涛，李 岚，李永刚，张 猛

（河南工业大学 信息科学与工程学院，郑州 450000）

一、引言

EDA技术即电子设计自动化 （Electronic Design Automation）技术，是一门以计算机为设计平台，以PLD（Programmable Logic Device）为设计载体，通过 EDA工具软件及硬件描述语言实现电子系统设计的新技术。目前，这一技术正处在飞速发展之中，并已广泛应用到信息处理、通信、智能分析、计算机系统、医疗、航天与军工、控制与自动化等多个设计领域。掌握这一具有广阔应用前景的新技术的应用，可以增强学生的综合素质，提高竞争能力，对培养学生的创新能力和科学素质影响重大。

从课程整体结构上看，多数学校将硬件描述语言的讲授和编程实践作为该课程的重点内容。这一点是毋庸置疑的，相对于飞速发展的电路设计技术而言，我们在教学中应抓住该技术这一相对稳定的设计知识内容进行讲授。但在本人多年的教学实践中，有一点深刻的体会就是如果忽略了器件基本结构的学习，不了解可编程逻辑器件的基本原理，而只是单纯地认为EDA技术只要掌握了硬件描述语言的编程技术，就可以完成电路设计任务是较为片面的。这是相关院校的一种共识。有些专业的院系解决的办法是加开一门相应的器件介绍课程。但对于一些非专业院校而言，由于整体培养方案的限制，另外单独开设一门课程可行性不强。河南工业大学信息学院就属于后一种情况。查阅相关的文献，鲜有专门就此问题的教学研究工作。因此，本文重点讨论有限课时约束下，“EDA技术”课程中对于器件结构教学的认识问题和一些个人的教学实践总结，以期为相关的教学实践和教学改革研究提供一些有益的参考。

二、课程性质分析

电子设计自动化是一个较为宽泛的概念，它涵盖了电路设计、电路测试与验证、版图设计、PCB板开发等各个不同的应用范围。而河南工业大学信息学院开设的“EDA技术”课程侧重采用硬件描述语言设计数字电路，即主要讲授大规模可编程逻辑器件原理与结构，以及由它所构成的数字系统的自动设计理论和设计方法。该课程在我校被设定为电子信息类专业所开设的专业技术基础课程。

本课程包含的主要内容有EDA技术的基本知识；可编程器件的分类、结构、工作原理及应用；EDA设计流程与EDA工具软件MAX+PLUSII的使用；VHDL语言程序结构、语言要素、顺序语句和并行语句；VHDL程序设计；VHDL语言在电子系统设计中的应用。通过本课程的理论和实验教学，着重使学生熟悉EDA技术的硬件知识、掌握EDA工具软件和VHDL语言的使用，为今后从事EDA设计相关的研发工作奠定基础。本课程结构及课时分配如图1所示。

本课程设置54个学时，32个理论讲授课时，20个实验课时，2学时为总复习（未在图中标出）。其中，在10学时“EDA概述及软硬件平台”部分有4个学时讲授的是“可编程器件的分类、结构、工作原理及应用”相关知识。

三、PLD器件原理的教学认识

1.器件结构知识讲授的必要性。

首先，EDA技术的应用就是面向硬件电路设计的，与通常意义上纯软件设计要求有很大的不同。EDA技术中，软件编程只是为完成电路设计任务用到的一种辅助工具，其主要作用是实现设计者与EDA工具软件的“交流”，告诉工具软件设计者需要什么样的电路。故硬件电路设计才是该技术应用的最终目的。因此，EDA技术中，对于程序代码要求除了一般性的软件编程要求外，更多的是强调可靠性及与相应器件适配性。而如果设计者想最大程度地提高这两方面的设计性能的话，没有基本的器件结构知识是不行的。

其次，硬件电路的特点是并行执行。如果没有硬件的支持，单凭软件系统设计实现真正的并行执行是不可能想象的。因此，VHDL语言与一般的软件编程语言最大的区别就在于是有并行执行语句的存在。如果没有硬件平台的基础知识，对于并行语句的使用和执行过程的理解是很困难的。

第三，在VHDL语言中，使用不同的语句编程可以实现相同的逻辑功能。但经过EDA工具软件的综合器综合、适配器适配后可能会得到不同的硬件结构。这不仅与综合器、适配器的性能设计有关，而且也和所选的器件结构、产品等级、条件约束和资源等方面相关。而不同的设计结构则很大程度上会影响到最终的设计性能。因此，了解器件的基本结构，选择合适的器件，对于最优化硬件电路设计是非常必要的。

2.有选择的器件结构知识讲授。

首先，纵向地看，PLD器件出现是在上世纪70年代，已经有40多年的历史了。发展至今，其基本的结构变化很大，但又有历史沿革上的逻辑联系。教学上，如果直接从复杂PLD器件入手，由于其基本结构复杂，基本的工作原理知识很难清晰、完整地通过讲解呈现，相对起点较高，不易掌握，学生只能生吞活剥地接受，很难消化。同时，由于器件结构知识本身的枯燥性，也是影响学生学习的重要因素。先简单PLD再复杂PLD的讲解，能生动地呈现PLD的发展历史，提高学生学习兴趣，也有利于学生从器件的整体结构上把握其工作和设计原理。但面面俱到的讲解，不仅必要性值得商榷，且很容易冲淡教学重点，不利于学生的学习。而且，在课时有限的前提下，也是不可行的。因此，必然要有所选择，有所侧重，有所为有所不为。

其次，横向地看，生产PLD的厂家主要有四家：ALTERA、XINLINX、LATTICE、ACTEL。它们的产品面向的主要应用领域不同，相应的器件技术也有差别。由于竞争的激烈性，结构设计技术创新变化很快。一味地要求教学跟着技术走，几乎是不可实现的。面对新出现的繁杂的结构和设计理念，我们只能采取点到为止的教学法，让学生了解当前的发展程度，便于学生今后的自学。

所以器件结构知识的教学还是应该抓住其核心的东西——数字逻辑的硬件化表达也即如何才能在硬件一定的条件下实现任意逻辑的设计。并以此为纲，提纲挈领、有简有繁地讲解。

综上，对于我校开设的“EDA技术”课程而言，个人的认识是，第一，器件结构的学习是为后续VHDL语言的学习打基础的，是必要的辅助性质内容。第二，由于器件知识的庞杂和有限课时的约束，教学中应有所选择，抓住不变的原理性内容，专注于有利于VHDL语言理解的部分深入讲授。第三，围绕核心的灵活教法的运用。下面以查找表结构的教学为例介绍说明灵活教法。

四、器件原理教学实践

器件原理教学中，我们总体的思想是由浅及深的知识讲授。

当前，CPLD/FPGA是可编程逻辑器件应用的主流。依照目前发展，我们着重介绍的是FPGA（Field Programmable Gate Array）和 CPLD（Complex Programmable Logic Device）的基本结构及工作原理部分。但由于这两种器件结构复杂，我们将相关知识分解为三个层次实施教学。

（1）从PLD器件基本结构的四个环节入手，使同学们首先从全局上把握PLD器件的基本工作原理。以设问的形式引导学生回顾数字电路的相关知识，以加深对这一类器件本身结构设计的理解，其中涉及三个数字电路的知识点：①逻辑代数的最基本的逻辑关系只有与、或、非三种；②最小项的概念；③就是数字电路中的一个理论：任何逻辑函数都可以表示成为最小项和的形式——标准与或式。

（2）紧扣上一个层次回顾的数字电路的相关知识点，以灵活的形式、简单的实例、总结式的用语和生动丰富的内容实施对照式教学，讲解简单PLD器件原理的相关内容。其中，在实践中始终把握两个关键点：第一，以示例的形式，简介该类PLD器件的工作原理。例如：概述PROM的发明、商业化及主要的应用，引起同学们的兴趣，以4输入、3输出的PROM示意结构图为例，给出器件烧写前后的器件内部节点变化，再次重复数字逻辑的相关理论，引导学生对照理论分析PROM输入输出逻辑关系，以及做存储器来用时，如何实现数据的存取等。第二，着重突出和反复强调，PLD器件的发展变化的一个核心技术就是输出结构由固定演变为可组态形式。

（3）形象教学法应用于CPLD/FPGA器件原理的讲解。这种形式在教学实践中反映良好。其中，较为突出的是FPGA核心结构——查找表的教学形式。我们首先强调FPGA中查找表结构的核心作用，以引起学生的足够重视。接下来，提出一个任务：给出一个具体的逻辑函数，和同学们一起画出相应的卡诺图。这一环节会使学生们产生一个疑问：就是卡诺图和查找表的关系问题。直到列出相应查找表的实现形式，疑问得到解答。这种形式可以激发学生的思考和研究兴趣，实践证明效果较好。学生们普遍对于查找表的记忆和理解较为深刻。

五、结束语

由于课程性质的原因，硬件设计类课程的讲授往往容易陷入枯燥，远离同学们的生活体验，缺乏感同身受的共鸣。加上并非课程的重点内容，课时有限等原因，该部分内容往往容易为部分教师和同学们所忽略。但教学实践反映出器件结构及原理知识点的不足，对于硬件描述语言的深入理解和掌握是非常不利的。基于如此的认识，我们针对我校开设的“EDA技术”的具体设置，深入分析了器件原理知识点的层次结构以及在课程中的作用和地位。并在相关教学实践中，结合设问式教学法、形象教学法和任务式教学法，实施教学。近年的教学实践表明，本课程器件原理的教学法实现了教和学的统一，理论和实践的结合，提高了学生的学习兴趣，加深了学生对于相关知识点的理解，并为学生们后续的硬件编程语言的学习打下了较为坚实的基础。

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