VHDL数字系统设计实验教学研究

廖 荣， 李 蓓， 张振杰， 李宇威

(华南理工大学 电子与信息学院， 广州 510640)

0 引 言

数字系统设计课程定位在培养电子信息类专业学生的EDA设计能力、创新能力及工程实践能力[1]。教学目标是引导学生建立自顶向下的现代数字系统设计理念，要求学生能基于可编程逻辑器件硬件平台，掌握运用硬件描述语言完成数字系统自顶向下的设计过程[2]，同时要求学生掌握测试基准的设计方法以及具备对设计进行优化的能力。数字系统设计是一门理论实践并重的专业基础课，安排在大学三年级上学期，理论课与实验课同步开设。近些年是EDA技术的高速发展时期，也是该课程建设取得重要进展的关键时期[3]。本文主要针对VHDL数字系统设计实验部分的教学进行探讨。

1 实验资源建设概况

在实验条件建设方面，依托本校“电气信息及控制”国家级实验教学示范中心，建设了EDA专业实验室，实践教学环境为高质量实验教学的开展提供了有力的保障。为了顺利开展日常教学工作与满足工程实践的需要，自主开发了EDA实验平台，该平台选用了Altera公司的Cyclone Ⅱ芯片，配套了丰富的硬件资源，主要包括电源稳压电路、8位七段数码管、1602液晶屏接口、音频接口、串行配置芯片EPCS16、温度传感器、VGA接口、Ps2接口、9针串口、EEPROM、红外接收与发送电路、下载接口、DM9000A驱动的网卡接口等。该实验平台配置灵活，各模块电路独立工作，可通过跳线设置是否与芯片连接，能够完成多种实验与课程设计。在实验的过程中，读者可以根据条件选择适合的硬件平台。本实验平台配套有相应的详细的实验指导视频。同时，有丰富的例子和其他资源，可以使学生以最优的方式进行VHDL的实践学习。

在教材建设方面，编写了“数字系统设计实验指导书”，以及设计了7个案例，每个案例包括设计文档与演示视频。

在课程电子资源建设方面，目前已建成含电子教案、课堂视频、实验指导视频、设计案例、专题讲座、试题库、网上信息发布、师生互动的课程网站[4]。

2 实验内容设计

实验课的指导思想是：本课程为一门实践性强的课程，在培养学生的创新能力和工程实践能力方面进行探索和实践[5]。实验课时数16学时。实验课通过内容设计，设计立体化的实验内容，详见图1，要求学生综合运用电子信息、EDA专业知识与工程技能，经过方案设计、电路实现、仿真分析、设计优化、下载演示等步骤自主完成几个较大规模的数字系统设计，掌握设计流程，培养基本的设计和实现能力[6]。同时通过复杂设计及开放式命题，培养学生的创新能力与工程实践能力。

图1 数字系统设计实验课具体内容

在教学中安排了由浅入深的基本模块电路设计、简单综合设计、接近工程实际的复杂设计三个层次实验[7]。知识模块顺序为：

(1) 知识储备阶段。介绍开发平台，使学生充分了解开发板提供的资源与开放接口，通过一个综合实例介绍基于可编程芯片的数字系统设计流程与软件使用方法；EDA实验开发板的介绍；基于CPLD/FPGA的数字系统设计流程；QuartusII软件使用；参考理论教材，设计基本模块电路。

(2) 设计性实验。老师引导，学生自主实践，进行电路设计、仿真分析与下载调试及演示结果。

(3) 简单综合设计。学生自行完成系统模块划分、方案论证(与老师讨论)、电路设计、仿真分析、下载调试。

(4) 复杂设计阶段。采用课外培训与学生自主选题的方式，鼓励学生根据自身兴趣，独立构思题目，进行接近工程实际的复杂设计(此部分为可选)。

实验分为必选实验、可选实验两部分，前两个层次的实验作为必修实验，采用的是自主开发的EDA实验教学板，能开设多个设计性、综合性实验，这些实验中考察了学生理论知识的运用与实际动手能力，使学生真正从理论走向实践，通过这些实验学生可以基本掌握时序电路、数字系统的设计方法[8]。

必选实验项目的题目有熟悉Quartus软件的使用及VHDL程序结构；基本电路模块设计(组合、时序)；基于状态机的交通灯控制；按键控制的状态机设计。每次实验课都要求学生根据实验指导书进行预习。第一次实验课，主要是熟悉实验环境，了解设计的一般过程，采用老师边讲授学生边实践的形式。接下来的第二次设计性实验课，老师首先会根据实验教学内容进行引导性讲授，接着由学生根据实验指导书的实验内容与实验提示开始自主设计，老师辅助解决学生们设计中出现的问题。最后两次综合性实验课，老师鼓励学生3人一组自由组合，形成团队，当设计中出现问题时，首先进行团队讨论自行查阅资料解决，实在存在困难的，再通过老师来解决[9]。

可选实验采用自编讲义《SOPC实验指导书》。实验板可以给学生带回宿舍进行下载调试，使学生的实验课不再停留在仿真阶段。此外任课老师还通过学校的“学生研究计划”等学生科技项目吸纳感兴趣的学生参与到相关课题中，同时每年挑选优秀的学生参加全国性的FPGA竞赛、全国电子设计竞赛等，通过竞争的方式促进学生自主学习，激发学生的创新思维[10]。

3 改革实验教学方法

为适应高水平创新人才培养的需要，以知识应用与主动学习为核心，围绕EDA技术最新发展，着重对教学方法改革。

3.1 引入多种现代化教学手段

有序、协调地运用多种教学手段，利用充沛的开放教学资源，有效激发学生的学习热情与创新思维，促进学生的工程意识，提高其实践能力。建立了精品课程网站,实施课程网络教学：目前该课程的电子教案、电子版实验指导书、开发平台资料、部分授课视频、专题讲座课件、实验指导视频、设计案例、仿真工具、自学资料、芯片数据手册等已全部上网，给学生提供了丰富的教学资源与信息获取渠道，方便学生的自学、课后复习及拓展视野，有助于学生提高自学能力[11]。在精品课程网站上，开通了教学在线与师生互动版面，打破传统教学在时间和空间上的限制，可在线发布教学公告，在线提交作业，在线提问，学生自学过程中通过网络释疑实现课外零距离辅导[12]。

3.2 提供全方位的实验教学指导

针对开设的必选实验，课组老师自编了《数字系统设计实验指导书》，并对EDA实验开发板的使用录制了指导视频。以大学生创新实验项目、学生研究计划SRP、EDA相关竞赛为契机，实现课内课外的有机结合，鼓励学生在学有余基础上，组队参加创新实践活动，拓展视野，实现课堂内容的课外延伸[13]。

3.3 突出设计性、综合性、前沿性，建设实验教学体系

实现了以培养学生综合实现能力、创新能力为主线的先进实验体系。对原有的实验和课程设计内容进行整合和优化，建立与实际工程开发接轨，设计性强、综合性强，紧跟学科前沿的“数字系统设计”课程实验教学体系[14]。理论课与实验课穿插进行。实验课的第一阶段穿插在理论课的引导、基础知识储备阶段，实验课的设计性实验穿插在时序电路设计部分，简单综合设计穿插在仿真分析与设计优化、设计方法与综合设计阶段，实验课的复杂设计安排在课外。实验课采用老师边讲授学生边实践、学生自主设计、老师现场指导、演示答辩等形式。

实验课还采用课内与课外结合的方式，通过编写的实验讲义与拍摄的指导视频，方便学生课外开展实验。在课上，通过现场教学帮助学生掌握设计工具与开发平台，并引导学生进行方案设计。综合性实验鼓励学生根据自身兴趣自主命题，培养学生的创新意识。通过实验条件与实验教学资源的建设，使本课程的实验水平和实验手段上升到一个新台阶[15]。

4 完善课程考核方法

根据课程设计性强、鼓励学生创新的特点，积极探索实验考核方式的改革，建立多元化的实验考核办法，考核的节点、时间、标准及考核方法。

4.1 预习检查

实验开始后首先检查学生预习情况，审查学生的电路结构框图和用VHDL语言设计的功能模块文件。

4.2 实验过程检查

在实验过程中根据学生实验情况进行指导，检查学生VHDL源代码和仿真结果，重点强调设计的模块化和源代码的规范性。

4.3 实验结果验收

按实验要求验收功能完成情况并记录学生的实验结果。开发了现场在线打分系统，当场将每位学生的预习、现场实验成绩输入电脑系统，每位同学可以上网看到自己的平时成绩，确保打分公正。

4.4 实验报告批改

报告要求学生在实验完成后3天之内提交，在下次实验时发还并讲评总结。实验报告内容包括：设计思路和过程，画出电路原理框图，明确指出功能模块的划分与组成；功能模块设计，各功能模块的VHDL源代码(打印)；系统调试，介绍系统调试的方法，在调试过程中遇到的问题以及排查过程；实验结论，对实验项目的结论做简单介绍，对设计系统进一步完善或改进提出意见；总电路图及下载演示成功的现场照片；实验总结，对完成实验的收获体会以及对包括实验方法、实验要求、验收等方面提出建议和要求。

5 结 语

通过实验课的学习，学生们对书本上所学的理论知识有了更深入的了解，清楚地知道了数字系统设计这门专业课的实际应用价值。实验教学不仅加强了学生的动手能力，而且在实验教学中给予了学生丰富的思考空间，培养了独立思考和科学地发现、分析、解决问题的能力，使学生们在当今激烈变革的社会中更具有竞争力[16]。学生上完实验课后普遍反映自己是从这门课真正开始走上数字系统设计的道路、受益匪浅。

[1] 王冠军，周 勇，江海峰，等．“数字系统设计”实验教学微课程设计与实践[J]．实验室研究与探索，2015，34(6)：189-192．

[2] 梁洪卫，高丙坤．“EDA技术与应用”实验与实践教学改革[J]．实验技术与管理，2011，28(1)：147-149．

[3] 黄卫华，贾历程．基于FPGA的EDA实验系统改革与实践[J]．实验室研究与探索，2012，31(4)：203-206．

[4] 李 欣．数字系统设计(VHDL)课程教学改革与实践[J]．科技创新，2013(10)：258．

[5] 谷善茂，杜 德，刘云龙，等．EDA课程创新实验教学方法探索[J]．实验技术与管理，2015，32(3)：40-43，46．

[6] 刘娅琴，林 霖．EDA课程教学探索和实践[J]．电气电子教学学报，2010，32(4)：34-35．

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[8] 王 平．EDA课程教学方法的实践[J]．机械制造与自动化，2010，39(2)：99-100．

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[12] 刘英哲．EDA课程教学中存在的若干问题思考[J]．教育现代化，2016(34)：152-154．

[13] 蒋 华，徐 晨，宋 超．“Verilog数字系统设计”课程教学改革[J]．电气电子教学学报，2013，35(1)：84-86．

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[15] 刘明志．数字逻辑与数字系统实验教改融合的探索与实践[J]．福建电脑，2013(8)：193-196．

[16] 张玉玺，王俊，尹晗．FPGA+MCU实验平台的开发与研究[J]．工业和信息化教育，2015(5)：77-81．