“EDA技術”課程PLD器件原理的教學認識與實踐

梁義濤，李 嵐，李永剛，張 猛

（河南工業(yè)大學 信息科學與工程學院，鄭州 450000）

一、引言

EDA技術即電子設計自動化 （Electronic Design Automation）技術，是一門以計算機為設計平臺，以PLD（Programmable Logic Device）為設計載體，通過 EDA工具軟件及硬件描述語言實現(xiàn)電子系統(tǒng)設計的新技術。目前，這一技術正處在飛速發(fā)展之中，并已廣泛應用到信息處理、通信、智能分析、計算機系統(tǒng)、醫(yī)療、航天與軍工、控制與自動化等多個設計領域。掌握這一具有廣闊應用前景的新技術的應用，可以增強學生的綜合素質，提高競爭能力，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科學素質影響重大。

從課程整體結構上看，多數(shù)學校將硬件描述語言的講授和編程實踐作為該課程的重點內容。這一點是毋庸置疑的，相對于飛速發(fā)展的電路設計技術而言，我們在教學中應抓住該技術這一相對穩(wěn)定的設計知識內容進行講授。但在本人多年的教學實踐中，有一點深刻的體會就是如果忽略了器件基本結構的學習，不了解可編程邏輯器件的基本原理，而只是單純地認為EDA技術只要掌握了硬件描述語言的編程技術，就可以完成電路設計任務是較為片面的。這是相關院校的一種共識。有些專業(yè)的院系解決的辦法是加開一門相應的器件介紹課程。但對于一些非專業(yè)院校而言，由于整體培養(yǎng)方案的限制，另外單獨開設一門課程可行性不強。河南工業(yè)大學信息學院就屬于后一種情況。查閱相關的文獻，鮮有專門就此問題的教學研究工作。因此，本文重點討論有限課時約束下，“EDA技術”課程中對于器件結構教學的認識問題和一些個人的教學實踐總結，以期為相關的教學實踐和教學改革研究提供一些有益的參考。

二、課程性質分析

電子設計自動化是一個較為寬泛的概念，它涵蓋了電路設計、電路測試與驗證、版圖設計、PCB板開發(fā)等各個不同的應用范圍。而河南工業(yè)大學信息學院開設的“EDA技術”課程側重采用硬件描述語言設計數(shù)字電路，即主要講授大規(guī)模可編程邏輯器件原理與結構，以及由它所構成的數(shù)字系統(tǒng)的自動設計理論和設計方法。該課程在我校被設定為電子信息類專業(yè)所開設的專業(yè)技術基礎課程。

本課程包含的主要內容有EDA技術的基本知識；可編程器件的分類、結構、工作原理及應用；EDA設計流程與EDA工具軟件MAX+PLUSII的使用；VHDL語言程序結構、語言要素、順序語句和并行語句；VHDL程序設計；VHDL語言在電子系統(tǒng)設計中的應用。通過本課程的理論和實驗教學，著重使學生熟悉EDA技術的硬件知識、掌握EDA工具軟件和VHDL語言的使用，為今后從事EDA設計相關的研發(fā)工作奠定基礎。本課程結構及課時分配如圖1所示。

本課程設置54個學時，32個理論講授課時，20個實驗課時，2學時為總復習（未在圖中標出）。其中，在10學時“EDA概述及軟硬件平臺”部分有4個學時講授的是“可編程器件的分類、結構、工作原理及應用”相關知識。

三、PLD器件原理的教學認識

1.器件結構知識講授的必要性。

首先，EDA技術的應用就是面向硬件電路設計的，與通常意義上純軟件設計要求有很大的不同。EDA技術中，軟件編程只是為完成電路設計任務用到的一種輔助工具，其主要作用是實現(xiàn)設計者與EDA工具軟件的“交流”，告訴工具軟件設計者需要什么樣的電路。故硬件電路設計才是該技術應用的最終目的。因此，EDA技術中，對于程序代碼要求除了一般性的軟件編程要求外，更多的是強調可靠性及與相應器件適配性。而如果設計者想最大程度地提高這兩方面的設計性能的話，沒有基本的器件結構知識是不行的。

其次，硬件電路的特點是并行執(zhí)行。如果沒有硬件的支持，單憑軟件系統(tǒng)設計實現(xiàn)真正的并行執(zhí)行是不可能想象的。因此，VHDL語言與一般的軟件編程語言最大的區(qū)別就在于是有并行執(zhí)行語句的存在。如果沒有硬件平臺的基礎知識，對于并行語句的使用和執(zhí)行過程的理解是很困難的。

第三，在VHDL語言中，使用不同的語句編程可以實現(xiàn)相同的邏輯功能。但經(jīng)過EDA工具軟件的綜合器綜合、適配器適配后可能會得到不同的硬件結構。這不僅與綜合器、適配器的性能設計有關，而且也和所選的器件結構、產(chǎn)品等級、條件約束和資源等方面相關。而不同的設計結構則很大程度上會影響到最終的設計性能。因此，了解器件的基本結構，選擇合適的器件，對于最優(yōu)化硬件電路設計是非常必要的。

2.有選擇的器件結構知識講授。

首先，縱向地看，PLD器件出現(xiàn)是在上世紀70年代，已經(jīng)有40多年的歷史了。發(fā)展至今，其基本的結構變化很大，但又有歷史沿革上的邏輯聯(lián)系。教學上，如果直接從復雜PLD器件入手，由于其基本結構復雜，基本的工作原理知識很難清晰、完整地通過講解呈現(xiàn)，相對起點較高，不易掌握，學生只能生吞活剝地接受，很難消化。同時，由于器件結構知識本身的枯燥性，也是影響學生學習的重要因素。先簡單PLD再復雜PLD的講解，能生動地呈現(xiàn)PLD的發(fā)展歷史，提高學生學習興趣，也有利于學生從器件的整體結構上把握其工作和設計原理。但面面俱到的講解，不僅必要性值得商榷，且很容易沖淡教學重點，不利于學生的學習。而且，在課時有限的前提下，也是不可行的。因此，必然要有所選擇，有所側重，有所為有所不為。

其次，橫向地看，生產(chǎn)PLD的廠家主要有四家：ALTERA、XINLINX、LATTICE、ACTEL。它們的產(chǎn)品面向的主要應用領域不同，相應的器件技術也有差別。由于競爭的激烈性，結構設計技術創(chuàng)新變化很快。一味地要求教學跟著技術走，幾乎是不可實現(xiàn)的。面對新出現(xiàn)的繁雜的結構和設計理念，我們只能采取點到為止的教學法，讓學生了解當前的發(fā)展程度，便于學生今后的自學。

所以器件結構知識的教學還是應該抓住其核心的東西——數(shù)字邏輯的硬件化表達也即如何才能在硬件一定的條件下實現(xiàn)任意邏輯的設計。并以此為綱，提綱挈領、有簡有繁地講解。

綜上，對于我校開設的“EDA技術”課程而言，個人的認識是，第一，器件結構的學習是為后續(xù)VHDL語言的學習打基礎的，是必要的輔助性質內容。第二，由于器件知識的龐雜和有限課時的約束，教學中應有所選擇，抓住不變的原理性內容，專注于有利于VHDL語言理解的部分深入講授。第三，圍繞核心的靈活教法的運用。下面以查找表結構的教學為例介紹說明靈活教法。

四、器件原理教學實踐

器件原理教學中，我們總體的思想是由淺及深的知識講授。

當前，CPLD/FPGA是可編程邏輯器件應用的主流。依照目前發(fā)展，我們著重介紹的是FPGA（Field Programmable Gate Array）和 CPLD（Complex Programmable Logic Device）的基本結構及工作原理部分。但由于這兩種器件結構復雜，我們將相關知識分解為三個層次實施教學。

（1）從PLD器件基本結構的四個環(huán)節(jié)入手，使同學們首先從全局上把握PLD器件的基本工作原理。以設問的形式引導學生回顧數(shù)字電路的相關知識，以加深對這一類器件本身結構設計的理解，其中涉及三個數(shù)字電路的知識點：①邏輯代數(shù)的最基本的邏輯關系只有與、或、非三種；②最小項的概念；③就是數(shù)字電路中的一個理論：任何邏輯函數(shù)都可以表示成為最小項和的形式——標準與或式。

（2）緊扣上一個層次回顧的數(shù)字電路的相關知識點，以靈活的形式、簡單的實例、總結式的用語和生動豐富的內容實施對照式教學，講解簡單PLD器件原理的相關內容。其中，在實踐中始終把握兩個關鍵點：第一，以示例的形式，簡介該類PLD器件的工作原理。例如：概述PROM的發(fā)明、商業(yè)化及主要的應用，引起同學們的興趣，以4輸入、3輸出的PROM示意結構圖為例，給出器件燒寫前后的器件內部節(jié)點變化，再次重復數(shù)字邏輯的相關理論，引導學生對照理論分析PROM輸入輸出邏輯關系，以及做存儲器來用時，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取等。第二，著重突出和反復強調，PLD器件的發(fā)展變化的一個核心技術就是輸出結構由固定演變?yōu)榭山M態(tài)形式。

（3）形象教學法應用于CPLD/FPGA器件原理的講解。這種形式在教學實踐中反映良好。其中，較為突出的是FPGA核心結構——查找表的教學形式。我們首先強調FPGA中查找表結構的核心作用，以引起學生的足夠重視。接下來，提出一個任務：給出一個具體的邏輯函數(shù)，和同學們一起畫出相應的卡諾圖。這一環(huán)節(jié)會使學生們產(chǎn)生一個疑問：就是卡諾圖和查找表的關系問題。直到列出相應查找表的實現(xiàn)形式，疑問得到解答。這種形式可以激發(fā)學生的思考和研究興趣，實踐證明效果較好。學生們普遍對于查找表的記憶和理解較為深刻。

五、結束語

由于課程性質的原因，硬件設計類課程的講授往往容易陷入枯燥，遠離同學們的生活體驗，缺乏感同身受的共鳴。加上并非課程的重點內容，課時有限等原因，該部分內容往往容易為部分教師和同學們所忽略。但教學實踐反映出器件結構及原理知識點的不足，對于硬件描述語言的深入理解和掌握是非常不利的?；谌绱说恼J識，我們針對我校開設的“EDA技術”的具體設置，深入分析了器件原理知識點的層次結構以及在課程中的作用和地位。并在相關教學實踐中，結合設問式教學法、形象教學法和任務式教學法，實施教學。近年的教學實踐表明，本課程器件原理的教學法實現(xiàn)了教和學的統(tǒng)一，理論和實踐的結合，提高了學生的學習興趣，加深了學生對于相關知識點的理解，并為學生們后續(xù)的硬件編程語言的學習打下了較為堅實的基礎。

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