探討“數(shù)字邏輯”課程引入EDA技術(shù)的必要性

“數(shù)字邏輯”是網(wǎng)絡(luò)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，課程內(nèi)容包括組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大部分。它以高速發(fā)展的數(shù)字集成電路為紐帶，旨在使學(xué)生了解和掌握從對(duì)數(shù)字系統(tǒng)提出要求開(kāi)始，一直到用集成電路實(shí)現(xiàn)所需邏輯功能為止的整個(gè)過(guò)程所需的完整知識(shí)，要求學(xué)生能夠系統(tǒng)地掌握邏輯電路的分析、設(shè)計(jì)與應(yīng)用，并建立起系統(tǒng)的概念，為后續(xù)課程計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)接口與通信和其它數(shù)字系統(tǒng)的硬件分析和設(shè)計(jì)奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，新器件、新組件、新概念及新的分析方法不斷涌現(xiàn)，“數(shù)字邏輯”課程的教學(xué)面臨著新的挑戰(zhàn)。本文將EDA技術(shù)即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)引人“數(shù)字邏輯”課程的教學(xué)中，探討EDA技術(shù)在該門(mén)課程中的應(yīng)用問(wèn)題。

一、EDA技術(shù)概述

EDA（Electronic Design Automation電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)是20世紀(jì)90年代初由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD），計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的概念發(fā)展而來(lái)的，它以大規(guī)模可編程邏輯器件為設(shè)計(jì)載體，以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_(kāi)發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具，通過(guò)有關(guān)的開(kāi)發(fā)軟件，自動(dòng)完成用軟件的方式設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的一門(mén)新技術(shù)。可以實(shí)現(xiàn)邏輯編澤、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化，邏輯布局布線(xiàn)、邏輯仿真。完成對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒?。EDA技術(shù)的應(yīng)用可以大大減輕電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量和難度，降低成本，同時(shí)可編程邏輯器件的使用能夠大大減少系統(tǒng)芯片的數(shù)量，縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)的可靠性，EDA技術(shù)已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)手段。

二、“數(shù)字邏輯”課程引入EDA技術(shù)的必要性

1.“數(shù)字邏輯”課程引入EDA技術(shù)是課程本身發(fā)展的需要

“數(shù)字邏輯”課程設(shè)置的主要目的是使學(xué)生掌握數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本知識(shí)與理論，熟悉各種不同規(guī)模的邏輯器件，掌握各類(lèi)邏輯電路分析與設(shè)計(jì)的基本方法，為數(shù)字計(jì)算機(jī)和其它數(shù)字系統(tǒng)的硬件分析與設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。多年來(lái)，我們?nèi)耘f沿用傳統(tǒng)課程模式，“數(shù)字邏輯”課程教學(xué)內(nèi)容上仍比較注重教學(xué)內(nèi)容的理論性和系統(tǒng)性，盡管近幾年來(lái)注意強(qiáng)調(diào)數(shù)字集成電路及其在數(shù)字系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，但仍習(xí)慣使用電路圖來(lái)描述系統(tǒng)的連接關(guān)系，停留在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法上，不適合復(fù)雜的、規(guī)模大的數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

隨著可編程邏輯器件和EDA技術(shù)的出現(xiàn)，使數(shù)字系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法發(fā)生了革命性的變化，因此改革和整合傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容，將EDA技術(shù)引人到“數(shù)字邏輯”課程的教學(xué)中是十分必要的。

2.“數(shù)字邏輯”課程中引入EDA技術(shù)是培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力的需要

加快提高自主創(chuàng)新能力，是我國(guó)“十一五”時(shí)期的重要任務(wù)，也是長(zhǎng)期的任務(wù)，為此必須加快建設(shè)技術(shù)創(chuàng)新體系，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力是其中重要的一環(huán)。

目前隨著可編程邏輯器件性?xún)r(jià)比的不斷提高和開(kāi)發(fā)軟件功能的不斷完善，在涉及通信、國(guó)防、航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表和計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，EDA技術(shù)的含量正急劇上升，各行業(yè)對(duì)自己的專(zhuān)用集成電路的開(kāi)發(fā)研制需求日益迫切，基于這一技術(shù)，可以依靠自己的力量來(lái)研制開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，而工科學(xué)生則是未來(lái)科技創(chuàng)新的主體，因此非常有必要把EDA技術(shù)引入到“數(shù)字邏輯”課程中，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，開(kāi)闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，為其今后就業(yè)或創(chuàng)業(yè)奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

三、EDA技術(shù)應(yīng)用到“數(shù)字邏輯”課程的方法

把EDA技術(shù)應(yīng)用到“數(shù)字邏輯”課程的教學(xué)中，使EDA技術(shù)和“數(shù)字邏輯”課程有機(jī)地結(jié)合在一起，需要研究、探索一些有效的方法。

1.精心安排組織教學(xué)

EDA技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，要遵循理論講授為輔上機(jī)實(shí)踐為主的原則，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)圍繞可編程器件原理、硬件設(shè)計(jì)描述語(yǔ)言、EDA設(shè)計(jì)工具軟件、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法這條主線(xiàn)進(jìn)行，系統(tǒng)介紹EDA技術(shù)。具體做法有：

第一，增加10～15學(xué)時(shí)用于EDA教學(xué)和上機(jī)實(shí)踐，通過(guò)介紹可編程器件的結(jié)構(gòu)、原理及VHDL語(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)則，結(jié)合實(shí)例使學(xué)生逐步熟悉一種EDA工具（例如Max PlusⅡ軟件），使學(xué)生對(duì)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、方法有比較全面的了解。

第二，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)_匕增加4個(gè)學(xué)時(shí)的基于EDA技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，安排一些驗(yàn)證型和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)掌握EDA技術(shù)的原理和方法，進(jìn)一步熟悉基于EDA技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的全過(guò)程，具備初步設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)數(shù)字系統(tǒng)的能力。

第三，安排課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)中布置設(shè)計(jì)性、綜合性的題目，要求學(xué)生從分析題目要求提出方案開(kāi)始，通過(guò)討論確定方案，基于Max十plusⅡ軟件可采用原理圖設(shè)計(jì)輸人、文本編輯輸人、波形輸人方式及混合輸人等方式完成所有的編輯、編譯、邏輯分析、器件裝配以及功能時(shí)序仿真等工作。通過(guò)這一環(huán)節(jié)學(xué)生具備了較完備的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)數(shù)字系統(tǒng)的能力，為其今后繼續(xù)學(xué)習(xí)和從事相關(guān)工作奠定了基礎(chǔ)。

2.積極嘗試使用EDA進(jìn)行課堂教學(xué)

對(duì)學(xué)生而言，學(xué)習(xí)“數(shù)字邏輯”課程的困難集中在：一是部分內(nèi)容比較抽象，難以理解;二是對(duì)于數(shù)字電路中一些復(fù)雜的變化過(guò)程無(wú)所適從;三是電路設(shè)計(jì)問(wèn)題。因此在“數(shù)字邏輯”的課堂教學(xué)中可以嘗試應(yīng)用EDA進(jìn)行教學(xué)來(lái)解決這些難題。借助EDA軟件強(qiáng)大的模擬仿真、時(shí)序仿真功能，可以將課程中難以理解的現(xiàn)象和復(fù)雜的變化過(guò)程以圖形、表格及曲線(xiàn)的形式顯示出來(lái)，使學(xué)生直觀地看到電路每一步的變化過(guò)程，對(duì)數(shù)字電路的本質(zhì)有深刻的理解。借助EDA軟件強(qiáng)大的故障排除功能還可以很方便地進(jìn)行電路的修改，解決了“數(shù)字邏輯”課程中的這一難點(diǎn)問(wèn)題。這些方法在提高教學(xué)效率，擴(kuò)展課程內(nèi)容，提高課堂教學(xué)效果，激發(fā)和調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性等方面起著積極的作用。

3.加強(qiáng)EDA實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

加強(qiáng)EDA實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)當(dāng)從硬件與軟件兩方面著手。軟件方面，目前有很多EDA軟件，它們?cè)诜抡嫘阅芎蛢r(jià)格上有一定的差別，大致可分為電路仿真軟件、電路板級(jí)設(shè)計(jì)軟件、可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)軟件和芯片級(jí)設(shè)計(jì)軟件等幾類(lèi)，它們分別在數(shù)字系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)計(jì)階段發(fā)揮作用。學(xué)生版主要配備的軟件工具有：電路與系統(tǒng)模擬分析型工具例如Pspie;數(shù)字電路模擬工具例如EWB（Electronic Workbench），它是一套基于PC平臺(tái)的電子電路計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，其集成環(huán)境包含了原理設(shè)計(jì)、系統(tǒng)模擬和數(shù)/模混合模擬和虛擬儀器等，組成了計(jì)算機(jī)上的電子模擬工作平臺(tái)，模擬結(jié)果可顯示在虛擬測(cè)量?jī)x器上，可以邊修改電路設(shè)計(jì)，邊模擬，操作簡(jiǎn)單方便。數(shù)字可編程芯片設(shè)計(jì)工具采用美國(guó)Altera公司的Max plusⅡ，通用設(shè)計(jì)型EDA工具采用Protel99，它具有電路圖輸人、PCB自動(dòng)布局和無(wú)網(wǎng)格布線(xiàn)、混合電路仿真和列。設(shè)計(jì)等功能。硬件方面，構(gòu)建了EDA實(shí)驗(yàn)機(jī)房，購(gòu)買(mǎi)了實(shí)驗(yàn)仿真箱，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上完成軟件的編譯仿真后便可以將程序下載到硬件系統(tǒng)中，完成數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

四、結(jié)語(yǔ)

按照上述方法，我們已在我院網(wǎng)絡(luò)工程專(zhuān)業(yè)（網(wǎng)絡(luò)與信息化方向）的數(shù)字邏輯課程中進(jìn)行了實(shí)踐。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在聽(tīng)課和上機(jī)訓(xùn)練后借助Max plusⅡ軟件有能力進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真。EDA技術(shù)在“數(shù)字邏輯”課程中的應(yīng)用，有效推動(dòng)了“數(shù)字邏輯”課程的改革，使“數(shù)字邏輯”課程內(nèi)容得到了更新，并為學(xué)生提供了一個(gè)現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用的平臺(tái)，使學(xué)生能熟練使用EDA軟件，為其今后的發(fā)展提供了良好的保證。
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