數(shù)字電子技術(shù)類(lèi)課程群建設(shè)探索與改革

摘要：以課程群模式對(duì)數(shù)字電子技術(shù)類(lèi)課程進(jìn)行梳理，分析了該系列課程理論教學(xué)內(nèi)容的關(guān)系和側(cè)重點(diǎn)；建立以Altera芯片為開(kāi)發(fā)板的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)和SOPC應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)體系，逐步提高學(xué)生設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的能力，同時(shí)也有助于提高此類(lèi)課程群的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：FPGA；數(shù)字電子技術(shù)；SOPC；課程群建設(shè)

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)類(lèi)課程作為高校電類(lèi)學(xué)科的一門(mén)重要技術(shù)基礎(chǔ)課程,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新工作能力等方面起著重要作用。主要面向的專(zhuān)業(yè)如:電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程、電子信息工程、生物醫(yī)學(xué)工程、測(cè)控技術(shù)與儀器、信息工程等。尤其隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)上，引入了《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》、《現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)》、《SOPC技術(shù)與應(yīng)用》等課程，這些課程的共同點(diǎn)：一、處理的對(duì)象相同――數(shù)字信號(hào)；二、實(shí)驗(yàn)工具和開(kāi)發(fā)板可以很好的統(tǒng)一，比如采用FPGA芯片，基于QuartuslI、Matlab和modelsim軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。如何理順各課程之間知識(shí)點(diǎn)的銜接關(guān)系，并形成不同專(zhuān)業(yè)合理的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)體系是一個(gè)新的問(wèn)題，也是必要解決的問(wèn)題。為此我們學(xué)院成立了數(shù)字電子技術(shù)類(lèi)課程群建設(shè)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，把講授上述課程相關(guān)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師組織起來(lái)，共同探討理論和實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置問(wèn)題，并通過(guò)課程群的建設(shè)，促進(jìn)教學(xué)研討和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流，逐步形成一支結(jié)構(gòu)合理、人員穩(wěn)定、教學(xué)水平高且教學(xué)效果好的教師梯隊(duì)。

一、              理論課程內(nèi)容建設(shè)

由單一課程建設(shè)向課程群建設(shè)發(fā)展的目的，是為了從廣度和深度上去規(guī)劃好一門(mén)課程和一類(lèi)課程的課程內(nèi)涵，并對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化和整合，壓縮重復(fù)內(nèi)容，減少課程學(xué)時(shí)[1]。我們從課程群建設(shè)的全局出發(fā)，分析各門(mén)課程的特點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)。

(1)群內(nèi)課程內(nèi)涵的梳理

《數(shù)字電子技術(shù)》課程是研究數(shù)字邏輯問(wèn)題和數(shù)字電路應(yīng)用的一門(mén)基礎(chǔ)技術(shù)。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠用真值表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、卡諾圖來(lái)完成簡(jiǎn)單的組合邏輯電路設(shè)計(jì)和時(shí)序電路的設(shè)計(jì)，并對(duì)各常規(guī)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系非常清晰，進(jìn)而能應(yīng)用常規(guī)芯片完成相應(yīng)組合邏輯電路和時(shí)序電路的設(shè)計(jì)，因此教學(xué)內(nèi)容偏向理論基礎(chǔ)，為學(xué)生打下扎實(shí)的數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)。壓縮內(nèi)容后，理論教學(xué)學(xué)時(shí)為48學(xué)時(shí)。

《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》主要面向的是計(jì)算機(jī)學(xué)院的學(xué)生，重點(diǎn)介紹各種芯片的功能、管腳定義及芯片應(yīng)用，而數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)占用的學(xué)時(shí)比較少，突出的是用芯片設(shè)計(jì)組合邏輯和時(shí)序邏輯電路。

《FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)》主要講授用硬件描述語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字電路，由傳統(tǒng)的通用集成電路的應(yīng)用轉(zhuǎn)向可編程邏輯器件的應(yīng)用。通過(guò)FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字邏輯等課程到集成電路、微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的橋梁，提高學(xué)生設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的能力[2]。課程的教學(xué)利于促進(jìn)IC人才對(duì)新器件的應(yīng)用，有利于增強(qiáng)新技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，更有利于提高設(shè)計(jì)規(guī)模、質(zhì)量和效益。

現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)將數(shù)字電路設(shè)計(jì)提升到一個(gè)比較大的系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)，并把整個(gè)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)流和控制流兩部分。分別采用流程圖和ASM圖進(jìn)行描述，最后采用數(shù)字電子技術(shù)課程中學(xué)到的小規(guī)模芯片來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或者采用硬件描述語(yǔ)言來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這門(mén)課程是《數(shù)字電子技術(shù)》課程、《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》課程及《FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)》中知識(shí)的提升和綜合運(yùn)用，重點(diǎn)是引入了工程設(shè)計(jì)的理念，讓學(xué)生開(kāi)始從學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)走向應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題階段。

目前新一代的FPGA集成了中央處理器（CPU）或數(shù)字處理器（DSP）內(nèi)核，在一片F(xiàn)PGA上進(jìn)行軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)（SOPC, System On Programmable Chip）提供了強(qiáng)大的硬件支持?；赟OPC技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)最突出的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)計(jì)的并行性、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)，以上三點(diǎn)是基于DSP和ARM等微處理器的系統(tǒng)所沒(méi)有的。從設(shè)計(jì)內(nèi)容看，該課程教學(xué)內(nèi)容主要包括：純軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)，純硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)。由于該課程是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，因此，SOPC技術(shù)的先進(jìn)性決定了課程的先進(jìn)性，課程的突出特點(diǎn)是綜合性，綜合了軟件和硬件知識(shí)，涵蓋了電子系統(tǒng)的眾多的硬件和眾多課程的內(nèi)容[3]。

(2)修改教學(xué)大綱

《數(shù)字電子技術(shù)》、《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》、《現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《FPGA應(yīng)用開(kāi)》、《SOPC技術(shù)與應(yīng)用》等課程所講授的內(nèi)容有相同的處理對(duì)象，側(cè)重點(diǎn)不同。《數(shù)字電子技術(shù)》、《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》是基礎(chǔ)，《現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《FPGA應(yīng)用開(kāi)》、《SOPC技術(shù)與應(yīng)用》是后續(xù)課程。通過(guò)對(duì)課程群中各課程的關(guān)系梳理，明確這類(lèi)課程在相關(guān)專(zhuān)業(yè)中的地位、課程的任務(wù)與課程的知識(shí)體系、主要內(nèi)容等。在有深刻的了解和認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上,修改教學(xué)大綱。由于團(tuán)隊(duì)中教師來(lái)自于不同專(zhuān)業(yè)，在教學(xué)中，引入不同專(zhuān)業(yè)的案例和項(xiàng)目，找到課程與專(zhuān)業(yè)的切入點(diǎn)，豐富學(xué)生的知識(shí)面，讓學(xué)生有著學(xué)有所用的理念。

二、              實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容建設(shè)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是我國(guó)高等教育教學(xué)體系中的一個(gè)重要組成部分，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著舉足輕重的作用，同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也從一個(gè)側(cè)面反映了學(xué)校辦學(xué)水平的高低和發(fā)展?fàn)顩r[4]。因此，隨著實(shí)驗(yàn)工具和實(shí)驗(yàn)手段的提高，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也應(yīng)該相應(yīng)地給出改進(jìn)。改革傳統(tǒng)的基于面包板的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建立以Altera芯片為基礎(chǔ)的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)、高級(jí)別的SOPC應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。以數(shù)字電路設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，quartus II、modsim為軟件平臺(tái)；以數(shù)字電路技術(shù)、FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)、SOPC應(yīng)用技術(shù)為理論課程指導(dǎo)，開(kāi)發(fā)出符合人類(lèi)認(rèn)識(shí)規(guī)律，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)體系。

(1) 構(gòu)建群內(nèi)課程的實(shí)驗(yàn)體系，逐步增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難度和綜合度。

在數(shù)字電子技術(shù)課程中，我們給出一兩次課（4學(xué)時(shí)），讓學(xué)生認(rèn)識(shí)和學(xué)會(huì)使用基本的集成與非門(mén)、集成譯碼器等SSI電路的測(cè)試方法和閑置輸入端的處理方法并用示波器觀(guān)察集成電路的電壓傳輸特性。此后的實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生使用QuartuslI的軟件平臺(tái)，選用合理的芯片模塊采用搭積木的方法完成數(shù)據(jù)選擇器、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等基本電路的應(yīng)用，最后給出1，2次實(shí)驗(yàn)完成設(shè)計(jì)型和綜合型的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)要求的學(xué)時(shí)較多，但學(xué)生可以在宿舍里，用QuartuslI平臺(tái)就能自行開(kāi)發(fā)了。在實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生只需要完成芯片跟外圍設(shè)備的引腳配置，并進(jìn)行硬件電路驗(yàn)證，同時(shí)教師以答辯的形式，考核學(xué)生完成的情況。此外，我們可以設(shè)置一些任務(wù)，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)題目，自己完成。這樣可以很好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生在低年級(jí)就能主動(dòng)參加大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。

（2）改革實(shí)驗(yàn)工具、綜合使用軟件平臺(tái)

在FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)課程的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生主要是采用編程的方式完成實(shí)驗(yàn)，這門(mén)課程通常在大三上學(xué)期開(kāi)設(shè)，學(xué)生已經(jīng)有了一定的專(zhuān)業(yè)背景，因此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不再局限于簡(jiǎn)單的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？梢栽黾右恍〧PGA在圖像處理，視頻，音頻及通訊領(lǐng)域的應(yīng)用。而仿真軟件QuartuslI由于其輸入輸出主要是基于波形方式的，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證。因此，對(duì)這類(lèi)實(shí)驗(yàn)如：基于FPGA圖像中值濾波設(shè)計(jì)，基于FPGA顏色空間轉(zhuǎn)換算法設(shè)計(jì)等，驗(yàn)證手段采用QuartuslI和Matlab相結(jié)合的仿真測(cè)試平臺(tái)，如圖1所示，為FPGA教學(xué)提供新的教學(xué)手段和教學(xué)方法[5]。

圖1測(cè)試平臺(tái)的組織架構(gòu)

SOPC技術(shù)與應(yīng)用課程通常開(kāi)設(shè)在高年級(jí)或者面向研究生。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通常需要對(duì)系統(tǒng)或者算法進(jìn)行分析，確定軟硬件的合理劃分，涉及到硬件和軟件兩部分設(shè)計(jì)，因此對(duì)設(shè)計(jì)者有較高的要求，具有較高的難度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：流水燈實(shí)驗(yàn)、JTAG UART通訊實(shí)驗(yàn)、液晶顯示模塊實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、中斷控制實(shí)驗(yàn)、帶Flash的NioslI系統(tǒng)及配置、萬(wàn)年歷和俄羅斯方塊實(shí)驗(yàn)。

（3）      實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的更新和改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在日常教學(xué)中需要不斷更新和改進(jìn)，內(nèi)容可以來(lái)自于教師的項(xiàng)目，也可以來(lái)自于通過(guò)個(gè)別輔導(dǎo)的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)課題中。針對(duì)項(xiàng)目研發(fā)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題和解決方案以案例教學(xué)的形式貫穿到課程的教學(xué)中。同時(shí)，教師可以結(jié)合一些綜合性的課題在FPGA/SOPC方面的科研以講座形式介紹給學(xué)生。并根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)，建立盡可能多的“積木”，讓學(xué)生能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)搭建和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)處，通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)逐步進(jìn)入具備創(chuàng)新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力的境界。而不是總停留在根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求、搭線(xiàn)、寫(xiě)報(bào)告這樣一個(gè)初級(jí)的能力水平線(xiàn)上[2]。并為今后從事FPAG/SOPC開(kāi)發(fā)工作的學(xué)生提供一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)不斷地補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的統(tǒng)一。

三、總結(jié)

數(shù)字電子技術(shù)課程群是大多數(shù)工科專(zhuān)業(yè)的主干課程，處于基礎(chǔ)課與專(zhuān)業(yè)課銜接的重要地位，學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的好壞將直接影響后續(xù)專(zhuān)業(yè)課（包括FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)、SOPC技術(shù)與應(yīng)用等）的學(xué)習(xí)。FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)、SOPC技術(shù)與應(yīng)用是構(gòu)建信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字邏輯電路等課程到集成電路、微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的橋梁。理順數(shù)字電子技術(shù)類(lèi)課程理論和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生學(xué)好該系列課程起著舉足輕重的作用，能很好的引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)知識(shí)到解決問(wèn)題到設(shè)計(jì)問(wèn)題，逐步培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐創(chuàng)新能力，也為各課程的學(xué)時(shí)安排和內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)分布起著很好的指導(dǎo)作用。高校中很多同一系列的課程，都可以采用課程群模式進(jìn)行建設(shè)，避免向?qū)W生傳遞重復(fù)的知識(shí)，也能讓學(xué)生在更少的學(xué)時(shí)中，學(xué)到更多的知識(shí)。

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