EDA技术在硬件课程体系教学改革中的应用

朱正伟,周炯如

(常州大学信息科学与工程学院,江苏常州 213164)

在高校电气信息类专业的教学中,硬件类课程是整个教学的核心主干课程。随着大规模集成电路技术的飞速发展,新器件、新组件、新概念及新的分析方法不断涌现,电气信息类专业的硬件类课程的教学面临着新的挑战。本文论述了EDA技术在电气信息类专业硬件课程体系教学改革中的应用,探索EDA技术在课程体系设置、实践性教学和学生创新能力培养等方面所起的作用。

1 硬件类课程融合EDA技术必要性

1.1 融合EDA技术是课程发展的需要

长期以来,我国大多数高校电气信息类专业有关硬件课程仍沿用传统教学模式,教学内容上仍比较注重各门课程本身的理论性和系统性,较少考虑硬件课程之间彼此存在的内在联系。设计方法上仍停留在传统设计方法上,使用电路图来描述系统的连接关系[1],不适合复杂的数字系统的实现。

可编程逻辑器件和EDA技术的出现,使数字系统功能实现及系统的设计方法发生了革命性的变化。因此改革和整合传统的教学内容,将EDA技术引入到硬件类课程的教学中,建立硬件课程之间的内在联系,确定阶段性的模块化教学内容,形成新的硬件课程教学体系,这对于培养学生的硬件系统设计能力是十分必要的。

1.2 融合EDA技术必要性

随着可编程逻辑器件性价比的不断提高和开发软件功能的不断完善,在涉及通信、国防、航天、医学、工业自动化、仪器仪表和计算机应用等领域的电子系统设计工作中,EDA技术的含量正急剧上升,因而非常有必要把EDA技术引入到电气信息类专业的硬件类课程中,以开阔学生的视野,培养学生的创新意识和创新能力。

2 EDA融合到硬件类课程的方法

2.1 重构课程体系

我们以专用集成电路芯片应用为最终目标,以能力培养为宗旨,重新构建了电气信息类专业硬件系列课程体系。在该系列课程体系中,以“硬件技术基础”和“EDA技术”为基础主干课程,以其它几门课程为应用和提高部分,形成了一套系列化的硬件课程教学体系。课程结构上划分为三个层次:基础层、系统层和应用层。其结构如图1所示。

图1 硬件课程体教学系结构

在该三层体系结构中,基础层为“电路”、“模拟电子技术”和“数字电子技术”课程,它们是硬件系列课程的技术基础;在系统层中,以“硬件技术基础”和“EDA技术”课程为主,辅之以配套的实践性课程,是硬件课程体系中最重要的课程;应用层中,主要以EDA技术和嵌入式技术为核心,设置了“数字系统设计”、“单片微机测控系统”、“DSP实用技术”课程,且每门课程都配有相应的实践性环节。

2.2 改革教学内容和教学体系

传统的课程体系由电路原理、器件介绍、硬件搭试和制作样机所组成。引入EDA技术后的新的体系应改为电路原理、仿真技术和实验制作。对分立器件的要求降低,部分教学内容在课程之间进行重新划分或缩减,如数字电路中脉冲电路可划归到“模拟电子技术”中。对于电气信息类专业的整个EDA教学过程来说,还应分层次确定目标。专业基础课作为第一层次,通过EDA教学达到的目标是分析为主,设计为辅。相关课程设计和部分专业要上升到第二层次,即以设计为主。毕业设计作为第三层次,要求全面地掌握EDA工具,最终要达到“制板(PCB板)”或“流片(专用集成电路芯片)”的水平。

EDA技术使每门硬件类课程的教学内容和教学重点都要作一定的改变。如“电路原理”课程,电路分析中技巧性的解题方法可不作要求,复杂性难题可由仿真软件去解决,教学的重点完全放到电路的一般原理、定律和基本分析方法上。教学内容变化最大的是“数字电子技术”课程,PLD技术的引入使得该课程的重点由分析转为设计,不仅涉及硬件,还涉及软件编程,使软硬件设计紧密结合。

“硬件技术基础”课程不以某一种计算机为背景,而是集中阐述各类计算机共同的基本原理,特别注重系统的概念和接口的设计。“单片微机测控系统”课程在原来介绍的单片机的原理及其应用的基础上,增加了嵌入式系统的内容。“DSP实用技术”课程面向嵌入式系统领域,构建基于DSP的高性能嵌入式测控系统,课程内容包括DSP原理、应用系统设计方法等。“数字系统设计”课程内容主要包括数字系统设计的基本方法和数字系统设计的工程应用实例。在这些课程中,都涉及到硬件系统的设计,在设计中充分应用EDA设计方法,把EDA技术融合到相应的硬件系统设计中去。

2.3 加强EDA教学实验环境建设

硬件类课程的重要特点是工程性、实践性很强,因此实验教学是课程教学的一个很重要的环节[2]。

EDA技术好比纽带,可以将那些分散的硬件类课程有机地连接起来,构建涵盖硬件课程的层次化实验体系[3]。该体系的第一层次为基础层实验,涉及常用电路的分析和设计,包括功能验证型实验和常规的设计性实验等。第二层次为系统层次实验,能够实现硬件系统的各种组成部件或整机系统,追求硬件系统结构的优化和性能的提高。第三层次为应用层次实验,主要完成嵌入式系统的软硬件的设计、软硬件综合设计、多机容错系统设计和多机并行算法设计等,最终设计出一个完整的嵌入式系统。

3 EDA技术与创新人才的培养

目前我国各高校普遍开设了EDA教学课程,建立了EDA实验室,利用EDA实验室进行学生创新能力的培训。这不仅解决了学校实验室设备有限、品种缺乏的问题,也大大节省了元器件的消耗。学生可以在软件天地尽情发挥创造性思维,设计各种各样的硬件电路,学生可以从最初的方案论证到最后的设计实施,从计算机电路仿真设计到实际电路制作,从虚拟器件到真实器件的应用得到了全面训练,“虚”、“实”结合使学生对现代电子设计理念有了一个全面的认识,这对于电气信息类专业创新人才的培养将会有非常大的推动作用。

在不同的学习阶段,学生学习了相应的硬件类课程后,就可以在EDA实验室里采用EDA技术,自行设计与本课程相关的电路或复杂系统,通过此过程,学生的自主设计能力和创新意识将得到极大提高。

将EDA技术的应用贯穿于硬件课程的教学中,主要有以下作用。

(1)EDA技术的应用是电气信息类专业硬件体系实验教学的一个重要补充。通过设计的描述、软件仿真和时序分析,学生可以深化所学的硬件知识,更透彻地了解这些硬件的功能和结构,并能根据仿真波形观察到在传统实验中根本观察不到的诸如竞争冒险和延迟等实验现象,起到硬件体系实验教学的一个重要补充作用。

(2)解决了硬件设备有限与学生人数多之间的矛盾。学生最初可以在课下先借助EDA工具完成设计输入、编译、仿真和综合,然后再到实验台上进行编程下载和验证。这种模式无须与学生规模相配套的实验设备,实现了硬件资源的集约化利用。

(3)借助于EDA技术,教师可以跟踪先进技术的发展,能多开设一些自主性、综合性和创新性实验。例如,面向DSP和无线通信等实际应用的实验,嵌入式系统设计实验等。学生能够应用 EDA技术完成大型硬件的原型设计,也可进行设计工具方面创新课题的研究,这无疑对培养创新性人才有着重要的作用。

4 结语

EDA技术引入教学,可为开放性实验室建设提供了强有力的辅助手段。EDA技术强化了学生在教学活动中的主体地位,有利于学生创新思维和创新能力的培养。通过EDA技术和硬件系列课程体系融合的实践,在我校电气信息类专业的学生培养中已初建成效。

[1] 夏益民.电子设计自动化技术发展对电子类专业教学的影响[J].广州:广东工业大学学报(社会科学版),2005(9):242-246

[2] 谢云等.现代电子技术实践课程指导.北京:机械工业出版社,2003.193-220

[3] 曹晓莉,江朝元.电子信息类专业实践教学改革初探[J].重庆:重庆工商大学学报(自然科学版),2007(4)208-209