电子信息类本科专业EDA教学与实验

【摘 要】分析了电类本科专业EDA教学内容的内涵,阐述了在EDA教学中开展VHDL教学的必然性.从VHDL语言与其它高级语言相比的角度,分析了VHDL语言教学的难点.对电子信息类本科专业开展EDA教学内容的安排、教学难点,教学和实验方法进行了探讨.从实践的效果来看,本文提出方法,对于EDA教学内容,EDA教学方法、EDA实验的安排具有一定的指导意义.

【关 键 词】电子设计自动化；电子信息专业；实验教学；本科教学

1.引言

电子设计自动化（EDA）软件工具的出现为电子设计工作者提供了一种全新的设计方法.开展EDA教学可使学生开阔眼界,从中小规模的分离器件上升到可编程逻辑器件,从传统的低效、低可靠、费时费力、且成本高昂的自底向上的设计方法,上升到适应现代电子设计需要的自顶向下的设计方法.这种思想上的改革不仅仅是知识的更新,更是培养未来高水平的国际化高科技人才的需要.

计算机与微电子技术的发展,电子设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomation）和可编程逻辑器件PLD（ProgrammableLogicDevice）的发展都非常迅速,熟练地利用EDA软件进行PLD器件开发已成为电子工程师必须掌握的基本技能.

2.电类本科专业EDA教学内容

EDA技术作为电子信息类本科专业一门重要的专业基础课,在大多数高校的相关学科中已成为共识,但就其教学内容和实验安排上,当今尚有诸多不同看法,这里列出几点,以供探讨：

a）课程应分三个层次来教学,即将诸如EWB、PSPICE和Protel的学习作为EDA的最初级内容；VHDL和FPGA开发等作为中级；ASIC设计为最高级；

b）认为EDA技术学习中,VHDL的学习需要花费半年乃至一年的时间才能完成；

c）EDA技术只是数字电路课的延续和补充,因此,实验内容应该具有一致性,即只需以EDA的手段完成与数字电路实验相近的实验项目即可.

以上的看法值得商榷,关键的问题在于怎样紧紧把握课程教学中最实质的东西,即必须突出要点.EDA技术的教学必须围绕这样一个核心内容来展开,即学习一种通过软件的方法来高效地完成硬件设计的计算机技术,尽量略去其他没有直接联系的内容,如EWB、PSPICE、Protel等,因为这些工具仅属CAD的范畴,它们没有现代自动化设计中关于行为与结构综合的概念,没有自顶向下设计理论的内容.此外,因为无论是ASIC还是FPGA,都只是EDA最后的实现目标.EDA的特性决定了其实现方式具有很大的自由度.而最实质,最能体现创造性的是利用EDA技术完成某一项目的设计方案.因为基于FPGA的实现几乎如同软件一样可以随心所欲,而ASIC的前端设计与FPGA十分相近,可以利用ASIC设计EDA软件来完成,其最终的实现通常类似于交付PCB制作文件一样,可将最终的网表文件交付专业厂家来负责.今天的EDA技术已经使得“从事IP开发的无芯片EDA公司”和“无生产线的IC企业”成为可能,而且将可能成为我国现代电子技术的重要产业.

对于教学内容如果要分层次的话,从实现的方法和内容上去分比从实现的工具和工艺上去分更为合理.例如可以将逻辑行为的实现作为最低层,即用EDA工具完成数字电路实验中的部分内容,如红绿灯控制、数码译码显示、逻辑表决等；将控制与通信的实现作为第二层次,如A/D高速采样、工业自动化控制、接口与通信模块的设计等；而将算法的实现作为最高层次,如FIR、FFT、CPU的设计等.因为这样能使教学效果更好地反映EDA技术最本质的内容.

近年来,随着集成电路技术和EDA技术的不断发展,集设计、模拟、综合和测试功能为一体的VHDL语言,已作为IEEE标准化的硬件描述语言.由于其在语法和风格上类似于现代高级汇编语言,具有良好的可读性,描述能力强,设计方法灵活,易于修改,又具有可移植性,可重复利用他人的IP模块（具有知识产权的功能模块）等诸多优势而成为EDA设计方法的首选.

3.EDA教学的难点

EDA教学语言选用VHDL（Veryhighspeedintegratedcircuithardwaredescriptionlanguage甚高速集成电路硬件描述语言）语言.学习VHDL语言的学生,大多已系统学习过C或PASCAL等高级语言,对于语法的理解一般不存在困难.但VHDL语言作为硬件描述语言,有其自身的特点,与其它高级语言有本质的区别.其教学难点具体表现为：

a）VHDL语言与其它高级语言的区别

VHDL语言的形成与一般高级语言十分类似,具有规范的程序设计结构和灵活的语句表达式.而其每一条或每一部分设计程序都对应着相应的硬件资源的支持,而最终的设计,其硬件资源是确定的,其逻辑功能也是确定的.由于硬件资源是确定,故而不能期待特定的硬件资源去实现不同的功能.

b）数据类型、运算、运算符和程序包之间的关系

VHDL语言是一种强类型语言,不同的数据类型其运算操作符不同,不同的操作要求的运算符不同.同一运算符在不同的环境下要求的运算对象不同,而不同的运算符要求不同的程序包的支持.这就决定了在在程序设计中应针对不同的数据类型、运算、运算符,在程序设计的USE区应引用不同的程序包.

c）多进程中信号的更新问题

用多个进程描述逻辑,每个进程只描述整体逻辑的一部分,进程之间通过信号相互联系,这种方法称为多进程描述.其中信号的更新问题是一个难点,也是VHDL语言与其它高级语言的区别之一.

4.电类本科专业EDA教学与实验方法

首先改善教学方法.考虑到目前的本科课程门类已大为增加,任何一门非公共课的学时都不会很多.显然,突出要点才能有效控制学时.建议这门课可安排42学时左右,包括实验课学时.这就要求主要以引导性教学为主.例如对VHDL的教学就不能像C或汇编语言那样逐条语句讲授,而是应结合具体实例讲解最基本的语句现象及其使用方法.其次是注重教学实效.数字电路与EDA技术课程的侧重点不同,前者侧重于逻辑行为的认知和验证；后者则侧重于实用电子系统的设计,因此该课程具有很强的实践性.针对性强的实验应该是教学的重要环节,EDA实验更应注重实验的质量,而决非仅仅使用了什么EDA软件.在初级阶段,用EDA工具重复一些数字电路课中的实验是必须的,但这远非EDA实验的全部.因为数字电路实验的重点是逻辑行为和功能的验证,因而可用手工插线方式来完成“设计”,而不涉及任何技术指标和规模.众所周知,电子系统技术指标是十分重要的,这包括速度、面积（芯片资源）、可靠性、容错性、电磁兼容性等.有时往往指标要求决定了所使用的技术,指标要动技术的发展.全国大学生电子设计竞赛题中从来不提使用何种工具或技术来完成赛题,但参赛者不得不根据给出的技术指标做出选择.因此,EDA课程的实验,除了必须完成的基础性项目外,引导学生完成一些传统电子设计技术（包括单片机）不能实现的内容,从而突出这一现代电子设计技术的优势.例如UART、PS/2或USB接口的设计突出自主知识产权的概念；VGA显示器的控制或状态机控制A/D采样突出了高速性能指标的实现；FIR设计表现了基于EDA技术特有的IP应用技术；纯硬件奏乐电路的设计体现了EDA工具面对复杂逻辑电路设计的突出优势等.在这些实践过程中,会使学生发现,诸如ISP下载方式、FPGA、ASIC乃至EDA软件等设计手段本身都成了配角,而唯有对更高质地完成实验项目而不懈追求的设计能动性和创造性成了主角,从而有效地提高这门以培养工程实践能力为主的课程的教学效果.

再次就是注重实践与实用.教学内容上,在讲清内容的同时,对每部分内容均需安排有针对性的教学实验.对设置的大部分的实验除给出详细的实验目的、实验原理、实验思考题和实验报告要求外,还应包含2至4个实验项目（层次）,即：第一实验项目（层次）是与该部分内容相关的验证性实验,对于该部分实验,学生只须将提供的设计程序输入到计算机,并按要求进行编译仿真,并在实验系统上实现即可；第二实验项目（层次）是在上一实验基础上进一步发挥性实验；第三、四实验项目（层次）属于自主设计或创新性质的实验.这样,学生就可以根据实验学时数和教学实验的要求进行不同层次的实验项目.

最后,注重速成.一般认为EDA技术难点和学习费时的根源在于VHDL语言.对此,根据电子类专业的特点,教师需放弃流行的计算机语言的教学模式,放弃常规的教学思路,以电子线路设计为基点,从实例的介绍中引出VHDL语句语法内容,通过少数几个简单、直观、典型的实例,将VHDL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把握VHDL的主干内容,而不必花费大量的时间去“系统地”学习语法书.要求教师从时间中抓效益,从效益中提高学生学习与研究能力的培养.

总之,高校教师需力争在不增加课时的情况下,保持EDA教学内容的系统性和完整性,使学生通过学习,VHDL语言的精髓.通过验证性实验,初步掌握EDA技术最基本的内容.同时通过向导性实验,通过几个典型实用示例的设计练习,使学生在只有数字电路基础知识的条件下即能迅速学会使用原理图或波形输入设计方法、文本输入法和学会利用大规模可编程逻辑器件完成较复杂的数字系统的设计实验,真正达到培养创新型人才培养的目的.