FPGA技术在数字逻辑课程中的应用

栾岚

摘要：新时期的高等院校在人才培养目标上进行了革新，高技能、高素质的实践型应用人才是现在高校为中国特色社会主义主要输送的人才类型。数字逻辑课程是电子信息工程、通信工程、计算机科学技术等理工类专业的技术基础课程，是一门集理论知识和实验探究于一身的综合性课程。传统“灌输式”的教学模式在很大程度上抑制了学生的学习兴趣，基于高校现在的教育目标，传统教学模式已经不能满足企业对人才的需求，也不能满足学生学习需要，教学模式的变革已是必然，在新型教学方法的探索过程中，FPGA技术被运用于数字逻辑课程的教学过程中，该技术的应用可以将抽象的理论知识形象化，降低学生的学习难度，也可实现对学生实践能力和创新思维的培养，进而提升数字逻辑课程的教学质量。

关键词：FPGA技术;数字逻辑课程;有效应用

从计算机的层次结构上来说，数字逻辑课程是学生对计算机“内核”进行深层次了解和研究的基础课程，也是一门关键课程，数字逻辑课程具有较强的实践性，其教学目标主要是为了帮助学生领悟数字逻辑和系统的工作方法以及分析技巧，让学生可以做到自己分析设计一些重要的逻辑部件。熟练使用标准的集成电路，以及高密度可编程逻辑器件，对数字系统的基本设计方法有清晰的了解，以为深层次，大规模的集成电路学习奠定基础。FPGA技术在很多行业都有广泛的應用，功能全集成化，应用于高校数字逻辑教学中可以进行仿真验证，帮助学生对教学内容进行直观的感受，让学生在短暂的课堂学习时间中进行高效率，高质量的学习。

1 FPGA技术的内涵

FPGA是基于PLA、GLA等可编程器件上进行发展创新的产物，是集成电路中专用的一种半定制电路，FPGA技术的开发和应用不仅解决了定制电路的缺陷，还有效优化改善了原来可编程器件门电路数有限的不足。FPGA设计不只是对芯片的简单研究，更是一种产品设计模式。FPGA技术在通信行业有着广泛的应用，FPGA的基本结构多样，其中包含，可编程输入输出单元、可配置逻辑块、数字时钟管理模块、嵌入式块RAM、布线资源、内嵌专用硬核以及底层内嵌功能单元等，这也丰富了FPGA技术的功能。FPGA技术的重复编程度和集成度都很高，还拥有丰富的布线资源，而且不需要大数额的成本投资，这也使得该技术在通信行业、军事航天领域、汽车行业以及医疗行业等都有广泛的应用。FPGA技术有着非常好的发展前景，并可以在一定程度上促进我国科学技术水平再次提升[1]。

2 数字逻辑课程的教学现状分析

2.1 教学方法单一

传统的教学理念和教学模式使用的时间太长，在很多教师的脑海中已经根深蒂固，所以即便新课程改革在近些年进行大力的推进落实，但是教师和学生都需要时间去适应和转变。所以在部分高校中，还是有一些教师沿用着传统的“灌输式”教学方法，教师一言堂的现象还是很明显，理论知识本就相对枯燥一些，而实验知识更是需要动手实践才能融会贯通，这样的教学模式让学生在课堂学习的过程中提不起兴趣，积极性也大大受损，学生没有太多自我学习和自我探索的机会，也就使得数字逻辑课程的教学效率和质量不甚理想[2]。

2.2 理论与实践课程分离

理论是实践的基础，实践是理论的应用体现，二者之间是相辅相成的，尤其是在新时期的高校教育过程中，要培养应用型人才就必须要实现理论与实践的和谐统一，这样才能获得最佳教学效果，提升学生的实践能力和创新能力。但是在现阶段的数字逻辑课程教学过程中，理论知识课与实践课程的开展不成正比，很多理论知识课程都没有相应的实践课程进行辅助理解教学，而实践课程的开展也达不到对理论课程贯通的效果，所选择的实践教学也是以传统实验为主，没有针对行业的发展实际进行有效的拓展，学生在学习过程中不能与实际工程项目接触，这就使得很多学生参与工作后会出现很多“纸上谈兵”的状态和现象，缺乏解决实际问题的能力。

2.3 实验课程效果不佳

实验课程是数字逻辑课程中的一项重要教学内容，实验课程是学生梳理和发散思维最直接的一种方式，但是在现阶段的高校数字逻辑教学中，很多地方院校的实验课程开设效果并不理想。一方面，一些学校因为资金、场地等因素影响没有开设实验课程，整个数字逻辑课程的学习全部依靠理论讲解和学生的自我消化。另一方面，很多院校开设了实验课程，但是实验设备和实验方式并不先进，导致实验教学的效果达不到理想的教学要求。已经设置实验课程的院校一般在实验教学上使用两种教学方式，一是基于硬件的传统实验教学，这也是使用最多的方法，传统实验教学可以让学生身处真实的实验环境中，对学生理解掌握数字逻辑相关的理论知识有很大的促进作用，但是传统实验方式也有其自身的很多局限性和不稳定影响因素。二是基于软件的虚拟实验教学，虚拟实验教学是依托于虚拟技术平台和软件实现的，其在很大程度上优化了传统实验教学的不足，并提升了数字逻辑实验课程的教学质量，但是虚拟实验还是和真实实验操作存在一定的区别，在一些特定知识的学习中虚拟实验就没有传统实验的效果好。这就是现阶段高校数字逻辑课程的教学现状[3]。

3 FPGA技术在数字逻辑课程中的应用

3.1 利用FPRA技术丰富教学方法

新时代的社会发展需要创新型人才，学生的创新思维培养很重要，开展数字逻辑课程的过程中，教师要打破传统单一的教学模式，利用任务教学法、合作学习法、情境教学法等新型教学方式实现数字逻辑课程的多元化开展，让学生摆脱传统课程教学中被动接受教育的现状，利用FPGA技术，将数字逻辑课程中抽象的理论知识形象化，提升学生的学习兴趣和实践积极性。比如：在组合逻辑电路设计的过程中，开展理论知识学习后，教师可以给学生布置一个控制水泵的组合逻辑电路任务，教师可以结合任务教学模式让学生有效利用FPGA技术，结合Quartus Ⅱ和Verilog HDL等知识对组合逻辑电路进行设计。首先，对电路设计要求进行分析，然后根据分析数据明确输入和输出信号，并确定二者之间的因果关系。其次，以输入和输出信号之间的关系为依据，利用Verilog HDL语言来对组合逻辑电路进行描述。然后，通过Quartus Ⅱ开发环境对已经描述好的组合逻辑电路做出编辑、翻译、综合与仿真。最后。利用FPGA技术将Quartus Ⅱ开发环境整理后的网表文件进行实践仿真验证。这样的丰富的教学方法可以让高校数字逻辑课堂活跃起来，改变传统安静的课堂氛围，活跃学生的思维，实现学生的个性化发展，进而提升整体教学质量[4]。