应用型本科专业FPGA相关课程教学模式的探讨

高一沅

(福州大学至诚学院　信息工程系，福建　福州　350002)



应用型本科专业FPGA相关课程教学模式的探讨

高一沅

(福州大学至诚学院信息工程系，福建福州350002)

摘要：FPGA设计是当今应用型信息电子类专业方向学生必须掌握的一门技能。分析现阶段FPGA相关课程教学现状，梳理出在理论教学和实验实训方面存在的问题，针对性地给出改进的方案：以实例带动HDL语法教学，详细分解FPGA的设计流程和系统搭建 ，设置多层次的创新实践体系。实践证明，所提出的措施针对性强，能将FPGA相关课程教学效果有效地提高。

关键词：FPGA；教学模式；实践；应用型

可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice,PLD)设计是一门发展迅速、工程性强、紧密结合技术发展前沿的现代电子设计技术。PLD目前主要以现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)为主，其应用领域涵盖了主要工业、科学研究和国防军事各个门类。

因此，FPGA设计是当今电子工程师基本功，也是作为应用型信息电子类专业方向学生必须掌握的一门技能。目前许多高等院校都开设了FPGA相关内容课程，由于是一门发展的新兴课程，还有诸多需要完善的环节。

一、现阶段逻辑设计与FPGA相关课程教学现状分析

1.基础理论知识不完善

PLD器件特别是FPGA，由于设计流程和传统的诸如单片机、嵌入式微处理器相比，对学生基础要求比较高，不仅前序课程诸如数字电子线路、微机原理等要求基础扎实，还要求在学习过程中掌握一门硬件描述语言(HardwareDescriptionLanguage，HDL)，诸如VerilogHDL。另外设计流程复杂并且不同于普通微处理器，无论是基本功还是工程实际都较以往微处理器要求高，因此学生普遍感觉偏难。

可编程逻辑器件是一门理论和实践要求较高的课程，学生适合在修完数字电子电路、微机原理等信息类专业基础课程后进行学习，具体主要有《逻辑设计与FPGA》课程，以及后续相关一些实用性更强的实践实训环节，如《可编程逻辑设计实践》、《综合电子设计》、毕业设计等。

2.FPGA相关实验教学存在的突出问题

目前在众多高校中相关课程普遍采用厂家提供的FPGA实验箱，优点在于教学规范，易于学生和教师上手，但其缺点也十分突出：

(1)这些FPGA实验箱功能固定，大部分实验为验证性。实验所设计内容与其他微处理器无异，诸如键盘、LED灯、数码管显示等，体现FPGA器件自身结构、功能上独有特性的实验内容不多；

(2)实验过程中，学生无需过多的了解其硬件组成和连接，无需动手设计、装配和调试硬件电路，学生大部分时间主要在电脑上操作，只需按照实验参考书的要求按部就班即可。

在这一系列过程中，学生并没有对整个FPGA系统深入了解和操作，因此通过传统的实验教学对学生各方面能力提升有限。

因此，目前FPGA教学各环节主要问题也就凸显出来：

重HDL语法轻系统设计，重软件操作轻流程管理，重实验结果忽视对实验过程中如何排错纠错，因此表现出学生修完课程后，仍无法掌握设计方法，面对实践的设计要求仍是无从下手，不知所措。

二、FPGA教学模式的改革与实践

针对传统教学模式存在的问题，结合本院相关教学资源，对FPGA相关体系课程进行系统革新，提出既符合相应人才培养方案又针对相关专业学生的教学实践改进方案。

1.不断做教学的“新人”

当今时代，高校老师如果仅是当书本的“复读机”远远不够，哪怕年轻教师，其教学效果也是“老气沉沉”。PLD尤其是FPGA相关领域技术在不断前进，如何不断地将这一领域的最新技术引入到课堂教学中，尤为重要。只有身处在该领域科研第一线，与工程实际联系紧密，承担相关的科研项目，不断更新自身知识内容才能使所教内容不断紧跟潮流，学生才能够在课堂上获得最接近前沿的资讯和技术。

2.以实例带动HDL语言教学

传统HDL教学方法采用是语法书常用的按部就班、逐点、逐条地讲解所有的VerilogHDL语法，这样扁平式语法教学优点在于教学严谨，讲解细致。但也造成语法点松散，内容结构性不强，作为初学者的学生来说，看懂语法却在应用时无所适从。因此在教学中以电子线路设计为基点，从实例介绍中引出HDL语句语法内容。

针对学生在HDL语言学习过程中出现的问题，突破传统的软件语言教学模式和流程，采用全新的教学理念和教学方式，通过HDL语言和电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation，EDA)二者有机融合，采用“以实例带动HDL语言教学”，在授课学时有效地减少前提下仍能保证良好的教学效果。

从最简单的2路选择器开始，程序例子规模由小到大，先对Verilog程序总体框架结构进行分析，再对每部分语法进行讲解。在讲解过程中，特别要让学生明白每一部分该使用哪些语句，有哪些语句可以选择使用。在典型示例的说明中，自然地给出完整的VerilogHDL语言描述，同时给出其综合后的寄存器传输级(RegisterTransferLevel，RTL)电路图及表现该电路系统功能的时序波形图。通过采用一些简单、经典的实例，将VerilogHDL中最核心和基本的内容讲明白。因此在很短的时间内，这种立体式语法实例教学可以帮助学生有效地掌握Verilog语法的主干内容，并能快速上手，付诸设计。

3.不断塑造逻辑电路系统框架的概念

VerilogHDL在语法上与C语言相似，因此初次接触很多学生采用相同学习方法，重掌握语法，忽视了硬件描述语言自身的硬件含义。所以让学生在学习硬件描述语言中，建立起HDL语句和硬件电路的紧密关系。

因此在教学过程中，在以实例作为引导前提下，不断利用数字电路基本单元作为实例讲授语法，特别强调哪些是可综合实例设计，强调设计可综合性的重要。不断向学生重复：虽然也和软件程序员一样一行行敲代码，但是大脑中一定要有逻辑电路和系统概念和框架。

4.详解FPGA的设计流程

FPGA的设计流程更体现相同于IC集成电路的设计方法和流程，这对于信息类非微电子专业学生来说，着实是一个不小的挑战。

当前无论是学生中还是在某些教师的观念中，把FPGA当作一种和单片机一样普通的MCU来看待。因此，对于FPGA的学习简单地理解为就是学习一门HDL语言和一个器件对应公司开发软件的基本操作，然后把代码放在实验箱上跑起来，就算是学会了、教完了，而没有认识到FPGA是一个不同于以往的开发实现工具。

PLD尤其是FPGA设计过程特别强调流程设计和流程管理，因此教学过程中始终贯穿系统设计各流程的阐述，同时注意各个部分流程的内在联系，使学生对所学内容建立起清晰、完整的设计流程。

在流程讲解中，一些比较生僻的概念也是学生比较难理解的。诸如，在集成电路设计中的“逻辑综合”(LogicSynthesis)。它是指所设计数字电路的行为级的描述，经过布尔函数化繁为简并且优化后，转换为逻辑门级别电子网表的过程。而其中“综合”这一名词是从外文synthesis直接翻译，如果仅字面来看，无法由其中文含义去解释这一过程。这一过程类似于软件编译，但是又有所不同。诸如此类概念，在讲解时需要教师特别强调。

5.实践教学的改进方案

根据国家普通高校尤其是独立学院主要培养应用技术型专业人才的定位，作为一门非常注重理论联系实践的学科，根据FPGA课程实践性强的特点，设计由浅入深、自主创新等多层次开放类实验项目。

学生在通过课堂语法、理论及软件工具教学后，经过几个实验的操作，他们根据实验指导书所罗列步骤说明引导下“StepbyStep”地操作，完成所要求的一些简单基础模块实验。当他们面对一个实际的电路设计时，却不知如何从何做起。因此在实验实训内容的组织上，验证性质适当收缩，为内容的多层次化腾出学时空间。为此，基于这一设计理念，精心设计不同层次、不同类型并且侧重点各有不同的多个实验，除了传统的验证和设计性质外，还增设综合型和自主型实验。

前2个层次的实验主要是根据现有购置的实验箱基础上完成。通过编写代码强化语言运用，熟悉开发软件的操作。

后2个实验实训层级属于自主设计或创新拓展性质的，融合一些竞赛课题和工程项目实例供有能力学习的学生进一步探究。在其中，只给基本原理、基本功能、详细的各方面技术指标要求和设计提示等。借鉴企业开发项目书的做法，对于每个实验，不再详细叙述步骤和设计过程，只提供整个系统设计要求；基于教学考虑，必要的设计思路和相关难点处仍给出适当的提示，学生根据要求自己查资料，从设计到实现的全过程均由学生独立完成。

同时结合实验室的灵活开放制度，调动学生充分的自由想象，促使学生积极主动思考、规划设计方案，在这一过程中能够有效启发和引导学生综合运用现有的知识。有时甚至需要学生跑图书馆找书籍，上网查资料，自学一些未教过的新知识和技术，自主设计、独立完成。对于培养学生的自主学习、自主设计能力和创新精神，这一过程都是一个很好的锻炼和促进。

实验实训内容涉及数字逻辑、系统控制以及仪器设备等不同方向的应用；内容安排上，循序渐进、由浅入深，追求多样性，并且应用性强。在完成规定的实验外，学生可以根据自身情况，有选择性地选做难度较大的实验。通过这些行之有效的措施才能够有效引导学生去主动学习、思考和探究，并通过实践真正掌握数字系统的设计、仿真及验证方法。

6.积极探索SPOC在实践教学中开展的可能性

在目前条件下，积极利用目前丰富的公共在线视频和慕课MOOC(AMassiveOpenOnlineCourse，MOOC)/SPOC(SmallPrivateOnlineCourse，小规模限制性在线课程)平台作为实践教学的补充，一些固定教学内容可以利用在线视频方式保存，采用在线与面授教学的结合(混合学习)，学生再将自学过程中产生的问题和思考带到面授课堂和实验具体操作中与老师交流。

三、结语

课内讲授与实验，独立实践实训设计加强相结合，通过这种FPGA教学方式，以往满堂枯燥的语法内容和生硬的器件结构不再占据全部课堂时间，进而强调实践动手开发的训练。在较短的课堂教学和实验实训过程中，学生能够快速的掌握相关基本知识和操作，并且能够提升学生的独立自主学习及设计开发能力，不断丰富他们的工程经验。

通过一段时间的实际运行表明，所提出的改进方案较好的教学效果，主要体现在: 第一，针对以往HDL语言普遍采用的程序语法教条式教学方法，给以实例驱动，强调硬件的可综合性表述和系统概念的教学方式。第二，改变实验教学只是简单的验证；综合型、自主型实验提升了学生自主学习和工程开发能力，使创新意识得以增强。第三，通过多层级的创新实验体系，学生主动学习、思考和探究的行为得以有效引导，并在实践中真正掌握数字系统的设计、仿真和验证方法。

参考文献：

[1]潘松, 黄继业, 潘明.EDA技术实用教程(VerilogHDL版) [M].北京：科学出版社，2013.

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[5] 胡靖,杜西亮. 基于FPGA技术的课程教学改革探索[J]. 黑龙江教育(高教研究与评估), 2015 ，(3): 35～36.

文章编号：2095-4654(2016)04-0084-03

收稿日期：2016-02-07

基金项目：福州大学至诚学院教学改革研究项目“可编程逻辑器件相关课程创新型教学及实训拓展研究”的资助(ZCJG201406)

中图分类号：TN702；G642.0

文献标识码：A