项目化教学在“FPGA开发与应用”课程中的应用研究

吴华

【摘 要】“FPGA开发与应用”这门课主要应用VHDL语言进行数字系统设计，本文提出采用项目化教学使学生提高VHDL语言的编程能力，理解自顶向下的系统设计方法，熟悉利用ISE平台进行数字系统设计流程，激发学生的学习兴趣。

【关键词】项目化教学；FPGA开发与应用；VHDL

1 基于FPGA的数字系统设计简介

FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它完全由用户通过软件进行编程和配置，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写的新型器件。传统的数字系统设计方法是自底向上的设计方法，它是以各种不同的中小规模集成电路芯片为基础，按照功能要求在印刷电路板上将不同的芯片连接起来，构成实现某种功能的电子系统。基于FPGA[1]的数字系统设计方法采用自顶向下的设计方法，把系统分成若干个基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元。它以FPGA芯片为核心，通过编程的方式完成系统功能的设计并将设计写入FPGA芯片内，使芯片具有设计的功能。设计过程中通过不同阶段的仿真可以及时检查设计的正确性，电路的修改只需要通过修改程序并重新下载到FPGA中即可。因此基于FPGA的数字系统设计易于测试和修改，设计周期短，便于移植。

2 项目化教学实施过程

“FPGA开发与应用”这门课是针对大三计算机网络工程专业学生开设的一门专业课，学生在前期已学过《电路》、《数字电路》、《模拟电路》、《C语言程序设计》等课程。通过该门课，使学生掌握VHDL语言（超高速集成电路硬件描述语言）的编程方法，能熟练应用ISE平台进行数字系统设计，理解自顶向下的系统设计方法，积累数字系统设计经验。

传统的教学方法重在介绍VHDL语言的语法规则和语句，知识点较零散，学起来较枯燥，而且不知如何应用这些语句。而项目化教学重在将知识点融在项目中理解，学生通过做一个小项目可以掌握相应的知识点，并通过3-4人一组协作完成，培养其团队合作能力、沟通能力和语言表达能力等。项目化教学真正实现了三个转变：以教师为中心转变为以学生为中心；以课本为中心转变为以项目为中心；以课堂为中心转变为以实际经验为中心[2]。

下面将通过“点亮两位数字”项目分析如何实施项目化教学[3][4]。“点亮两位数字”项目即利用Xilinx公司的ISE软件平台进行系统设计，通过VHDL语言编程实现显示两位数字的功能，并最终生成二进制文件，下载到Basys2开发板上验证。

2.1 项目立项阶段

教师先向学生展示最终要完成的效果，讲明项目任务，再对学生进行分组，尽量采取自愿原则，教师可对小组成员适当调整，保证每组中至少有一人学习情况较好，并任命一人为组长。

2.2 需求分析阶段

根据项目要求，分析最终要呈现的效果，确定程序的功能模块和性能需求。比如要用两个数码管显示、动态扫描问题、译码问题等。

2.3 系统设计阶段

首先每个小组要确定总体方案设计，例如分哪几个模块、每个模块要实现什么功能，再进行详细设计，包括用Visio软件绘制系统功能结构图（如图1所示）、每个模块如何用VHDL语言实现等。在详细设计中，涉及每个模块具体的功能，写出详细的系统设计报告，以此进行编码和测试，从而保证系统设计的可靠性。可以由组长分配任务，让每个组员完成一个模块的编写工作。

2.4 编码、测试阶段

教师检查每组的系统功能结构图，若无问题，则可以开始编程。在用VHDL语言编程阶段，学生可根据系统功能结构图分模块进行调试，先将底层三个模块（分频器、控制模块、译码器）都编好后，通过ISE软件编译检查语法错误、并进行仿真，若无问题，再进行顶层文件编写；若有问题，则需修改源代码，直至无错误为止。顶层文件主要是通过元件例化语句将底层三个模块进行连接，编好后，也需要经过ISE软件编译检查语法错误。

2.5 下载、验证阶段

最后将生成的二进制文件下载到basys2开发板上验证，若能正确显示两位数字，即成功。若不能正常显示，则需返回到ISE软件中，修改底层文件或顶层文件，直至验证成功为止。

2.6 验收阶段

在编写代码的过程中，教师可适当给予指导，给学生提供一些参考资料或相似的例子，帮助学生完成项目。教师要检查各组最终能否实现“显示两位数字”，协助并指导各组，完成编写“显示两位数字”项目文档，并对各组进行成绩评定。各组组长向全班汇报、展示本组的作品，并列举项目开发中遇到的各种问题，其他组的学生可以提问，最后教师对各组进行点评。各组组长根据小组成员的贡献对小组成员进行打分，教师根据小组成绩和组长对各成员的打分，确定每位学生的成绩。

3 总结

由于传统的教学方法重在介绍VHDL语言的语法和语句，学生学起来较枯燥，因此结合《FPGA开发与应用》课程的特点，通过“显示两位数字”项目，展示如何在《FPGA开发与应用》课程中实施项目化教学。通过项目化教学，不但能使学生掌握VHDL语言的编程方法和自顶向下的系统设计方法，熟悉真实项目的实施过程，而且通过分组协作完成一个项目，可以锻炼学生的团队协作能力、沟通能力、语言表达能力等，从而激发学生的学习兴趣，提高学生的自主学习能力。

【参考文献】

[1]陈学英，李颖.FPGA应用实验教程[M].国防工业出版社，2013，05.

[2]张学琳，陈齐超，段珊，胡波.项目教学法在“C语言课程设计”中的研究与应用[J].实验技术与管理，2011，28（02）：164-167.

[3]吴玲.《EDA技术与应用》项目化教学改革研究与探索[J].科技信息，2012（21）：244.

[4]张辉，王彦.项目教学法在《EDA技术及应用》课程中的应用[J].新课程研究：高等教育，2011（2）：73-76.

[责任编辑：杨玉洁]