应用型本科EDA课程教学改革探讨

【摘要】本文分析了EDA技术的特点和传统教学中存在的诸多问题，从教学内容选取、理论课堂设计和实验教学三个环节探讨了电子信息工程专业（嵌入式方向）EDA课程的教学改革实践。

【关键词】 EDA；数字电路；数字系统设计；课程教学改革

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2017）19-0020-02

EDA（Electronic Design Automation）是现代电子设计领域中的一门核心技术，具体来说，它是以计算机为工作平台，EDA工具软件为开发环境，可编程逻辑器件或专用集成电路为目标器件设计实现数字系统的一种技术。在多数高校教学体系中，EDA课程是继电路分析、模拟电子技术、数字逻辑与电路等电路课程之后的一门电子信息类专业必修课程，為数字信号处理、数字图像处理、通信原理等后续课程提供了一种设计实现工具。

EDA课程的教学内容十分广泛，若简单的按书本章节开展教学，不仅耗费大量课时，教学效果也不佳。以EDA设计语言VerilogHDL教学为例，如果照搬Java、C等软件程序设计语言的教学思路，按照传统方法按部就班地从讲解语言的结构、数据类型、变量常量定义、运算操作符及各类语句等语法入手，体现不出硬件描述语言的特色，教学效率也欠佳。

EDA技术本身是数字电路设计的一种先进实现方法，和基于自底向上设计理念的手工技术相比，它不仅能用来设计各种简单的分立元件，更适用于开发系统级的数字产品。因此，若在教学中简单地将先修课数字逻辑与电路课程中的各个单元电路拿来用Verilog重复设计一遍，并不能充分体现EDA的强大功能，也不能说明EDA技术之所以成为业界主流技术的原因。

在传统的电路实验教学中，各节课的实验内容往往是针对一个独立单元电路设计的。这样的实验教学安排使得理论课上讲解的各电路模块没有衔接起来，仅停留在电路功能验证的层面上，既无法使学生在动手实践过程中融会贯通理论课上学习的各个知识点，也没有给予学生综合运用以前所学各门课程知识的机会来提高自己电子设计的实际能力。

总之，传统的教学内容安排和课堂设计仅仅让学生熟悉了具体的EDA工具软件，而不是先进的设计理念，学生只是机械地理解和掌握EDA开发工具。

我校电子信息工程专业主要培养嵌入式方向软硬件兼通的电子设计人才，在学习本课程之前，学生从先修电路类课程掌握了基本的电路知识；通过微机原理与接口技术、单片机原理与应用等嵌入式类课程学习了处理器的工作原理。通过本课程的学习，学生应能用简单的电路和集成芯片搭建嵌入式硬件平台，完成软硬件的协同设计。

实际教学中，考虑到上述情况，我们在教学内容选取方面把握四个原则：首先必须围绕一个完整的项目，包含了EDA技术的各个知识点；第二，涵盖了数字电路的各个方面，既有同步时序电路，又有异步时序电路；第三，注意与先修电路类、嵌入式处理器类课程的衔接，实现各门课的融会贯通；最后，设计规模可控，功能易扩展，便于学生自主优化设计。因此，我们选择现场可编程门阵列FPGA作为硬件实现平台，以一个8位精简指令集MiniCPU的设计作为本课程教学内容实施的载体。

基于现代数字系统多采用的自顶向下设计理念，根据MiniCPU的电路特点，我们将整个项目划分成六个子模块，分别是算术逻辑运算（ALU）模块、时钟管理模块、指令存储与译码模块、数据寄存和输入输出接口模块、时序控制模块、系统整合和调试模块。每个子模块各自涵盖了部分Verilog语法和部分经典单元电路。通过ALU模块的学习，学生学习到了各类组合电路的设计方法；通过时钟管理模块的学习，学生可以掌握时钟频率、相位的处理和亚稳态的消除方法；指令存储与译码、数据寄存和输入输出接口模块介绍了各类存储器、缓冲器和总线的设计；在时序控制模块的学习中，学生可以学到有限状态机设计复杂时序电路的各种技巧；最后，在系统整合和调试模块中，学生学习到了层次化、系统化接口的设计和EDA软硬件整体仿真调试的方法。通过六个模块的学习，学生不仅可以学到EDA技术的所有知识点，还可以融会贯通电路类和嵌入式类先修课程的核心知识。

具体到每堂理论课的教学上，我们综合使用了典型案例教学法和任务驱动教学法。教师在课堂上讲解各模块中涉及的基本概念，剖析子模块中单元电路的经典设计方法，从典型案例的介绍中自然地引出VerilogHDL语句语法内容，将其中最核心、最基本的内容解释清楚，使学生在很短的时间内就能有效地掌握EDA技术的主要内容，并付诸设计实践；然后再进一步引导学生查阅资料，自己动手优化典型案例中的电路设计，此时教师的职责由教学转向导学，学生由被动接受转化为主动参与、分析和探究。

在实验课堂上，按照由浅入深的原则，将各实验分成三个层次。第一层次实验是对理论课堂上经典案例中典型电路的验证性实验，帮助学生快速入门；第二层次实验是在上一层次实验的基础上提出改进、优化、完善的要求，学生自主发挥；第三层次是MiniCPU功能扩展和接口应用方面的创新开放性实验。从第一个实验开始，学生完成经典单元电路验证并自主改进、优化设计，逐步建立起自己的元件库；对于较为复杂的电路，学生将合作完成，按照事先分工设计各自的电路模块，并撰写包括电路功能说明、接口说明和工作时序说明等图文并茂的详细说明文档，然后据此连接成一个完整系统并完成最终测试。

综上所述，我们在实际教学中打破了传统的课程内容安排方式，把EDA课程的内容分散融入到一个具体的MiniCPU设计中，又把这个大的设计项目分为六个子模块，这六个子模块一起涵盖了EDA技术的各个重要知识点，突出了能力培养，使学生能在具体的应用中学习课程的主要内容，取得了良好的教学效果。

参考文献

[1]夏宇闻.Verilog数字系统设计[M].北京航空航天大学出版社，2008.

[2]潘松，陈龙，黄继业.数字电子技术基础[M].科学出版社，2014.

[3]钟旭.基于FPGA的电子设计课程体系改革探讨[J].科技经济导刊，2016（32）：169.endprint