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所谓EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统。它是以计算机为工作平台,以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式,以EDA工具软件为开发环境,以大规模可编程逻辑器件PLD(ProgrammableLogicDevice)为设计载体,以专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)、单片电子系统SOC(SystemOnaChip)芯片为目标器件,以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程[J]。在此过程中,设计者只需利用硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionlanguage),在EDA工具软件中完成对系统硬件功能的描述,EDA工具便会自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真,直至特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作,最终形成集成电子系统或专用集成芯片。尽管目标系统是硬件,但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。
现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述,具有系统级仿真和综合能力。EDA技术研究的对象是电子设计的全过程,有系统级、电路级和物理级各个层次的设计。EDA技术研究的范畴相当广泛,从ASIC开发与应用角度看,包含以下子模块:设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块和布局布线子模块等。EDA主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法,然后从系统设计入手,在顶层进行功能方框图的划分和结构设计,在方框图一级进行仿真、纠错,并用VHDL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述,在系统一级进行验证,最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表,其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。
二、EDA技术的发展
EDA技术的发展至今经历了三个阶段:电子线路的CAD是EDA发展的初级阶段,是高级EDA系统的重要组成部分。它利用计算机的图形编辑、分析和存储等能力,协助工程师设计电子系统的电路图、印制电路板和集成电路板图。它可以减少设计人员的繁琐重复劳动,但自动化程度低,需要人工干预整个设计过程。
EDA技术中级阶段已具备了设计自动化的功能。其主要特征是具备了自动布局布线和电路的计算机仿真、分析和验证功能。其作用已不仅仅是辅助设计,而且可以代替人进行某种思维。
高级EDA阶段,又称为ESDA(电子系统设计自动化)系统。过去传统的电子系统电子产品的设计方法是采用自底而上(Bottom-UP)的程式,设计者先对系统结构分块,直接进行电路级的设计。EDA技术高级阶段采用一种新的设计概念:自顶而下(TOP-Down)的设计程式和并行工程(ConcurrentEngineering)的设计方法,设计者的精力主要集中在所设计电子产品的准确定义上,EDA系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计。此阶段EDA技术的主要特征是支持高级语言对系统进行描述。可进行系统级的仿真和综合。
三、基于EDA技术的电子系统设计方法
1.电子系统电路级设计
首先确定设计方案,同时要选择能实现该方案的合适元器件,然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真,包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析和瞬态分析。系统在进行仿真时,必须要有元件模型库的支持,计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。仿真通过后,根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。在制作PCB板之前还可以进行后分析,包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析和可靠性分析等,并且可以将分析后的结果参数反标回电路图,进行第二次仿真,也称为后仿真,这一次仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。
可见,电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前,就可以全面了解系统的功能特性和物理特性,从而将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶段,不仅缩短了开发时间,也降低了开发成本。
2.系统级设计
系统级设计是一种“概念驱动式”设计,设计人员无须通过门级原理图描述电路,而是针对设计目标进行功能描述。由于摆脱了电路细节的束缚,设计人员可以把精力集中于创造性概念构思与方案上,一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后,EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。
系统级设计的步骤如下:
第一步:按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。
第二步:输入VHDL代码,这是系统级设计中最为普遍的输入方式。此外,还可以采用图形输入方式(框图、状态图等),这种输入方式具有直观、容易理解的优点。
第三步:将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。对于大型设计,还要进行代码级的功能仿真,主要是检验系统功能设计的正确性,因为对于大型设计,综合、适配要花费数小时,在综合前对源代码仿真,就可以大大减少设计重复的次数和时间,一般情况下,可略去这一仿真步骤。
第四步:利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理,生成门级描述的网表文件,这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的,所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。综合后,可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真,仿真过程不涉及具体器件的硬件特性,较为粗略。一般设计,这一仿真步骤也可略去。
第五步:利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作,包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。:
第六步:将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。如果是大批量产品开发,通过更换相应的厂家综合库,可以很容易转由ASIC形式实现。
四、前景展望
21世纪将是EDA技术的高速发展时期,EDA技术是现代电子设计技术的发展方向,并着眼于数字逻辑向模拟电路和数模混合电路的方向发展。EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域随着集成电路技术的高速发展,数字系统正朝着更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的系统级芯片(SoC,SystemonChip)方向发展,借助于硬件描述语言的国际标准VHDL和强大的EDA工具,可减少设计风险并缩短周期,随着VHDL语言使用范围的日益扩大,必将给硬件设计领域带来巨大的变革。
参考文献:
[1]谭会生,张昌凡.EDA技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.
论文关键词:EDA,实验系统,模块
1 引言
随着电子技术的发展及电子系统设计周期缩短的要求,EDA技术得到迅猛发展。
EDA是ElectronicDesign Automation(电子设计自动化)的缩写。EDA技术,就是以大规模可编程逻辑器件为设计载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式,以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计开发工具,通过使用有关的开发软件,自动完成电子系统设计的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作,最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术[1]。
目前,几乎所有高校的电类专业都开设了EDA课程,为加强教学效果,通常都使用专门的EDA实验箱来辅助教学,但是实验箱采用了一体化结构,所有的电路和器件都在一块电路板上,在功能上难以根据需要进行扩展,不利于学生的创新设计,复杂系统难以实现;实验箱体积较大,不便携带;EDA 实验箱、单片机实验箱、DSP实验箱、ARM实验箱中很多功能模块的硬件电路是相同的,但不同实验箱上相同模块不能共享,存在资源浪费。由于实验箱的上述缺点,很多高校都纷纷开始设计开发自己的实验系统模块,提高实验箱的利用率,提高学生的工程创新能力[2][3]。
2 EDA实验系统开发的特点
EDA实验系统的开发具有以下特点:
(1)实验内容由单一性向综合性发展
早期开发的EDA实验系统主要是学生用来学习EDA课程、下载程序、进行仿真的工具;使用实验系统是老师用来培养学生设计数字电路的能力、帮助学生学习和掌握开发语言的手段。因此EDA实验系统仅在电子类专业的EDA课程中使用,系统所提供的实验内容仅限于简单的数字电路设计,包括计数器、编码译码器的设计、数码管的显示等。随着EDA技术的发展,电信、通信等专业纷纷引入EDA实验系统,在“通信原理”等课程的实验教学中被广泛应用于实践[4],实验内容也从单一的基本数字电路的设计发展到集EDA技术实验、单片机实验、DSP实验等为一体的综合性的实验平台[5]。因此,EDA实验平台逐渐面向电子信息类相关专业的学生进行课程的学习,课外竞技活动,电子类设计比赛,并逐渐用于教师进行科研。
(2)系统结构从一体化向模块化发展
早起开发的EDA实验系统在结构上采用一体化的实验箱设计,所有的电路和器件都在一块电路板上[6]。这样,系统的使用虽然可以帮助学生掌握软件的应用,但也使学生对硬件电路不了解;另外,系统在功能上难以根据需要进行扩展,不利于学生进行创新设计,复杂的系统则难以实现。因此在后来的EDA实验系统的开发上,大都都采用了模块化的结构[7][8],即FPGA、单片机等做在一块核心板上,其IO口以插针形式引出,以方便和外围电路的连接;外围电路则以模块的形式单独做在不同的电路板上,比如数码管显示模块、按键模块、LED显示模块等;根据不同的实验摘要的模块搭建自己设计的电路,从而提高学习兴趣,增强实验教学的效果;此外,模块化的设计还方便老师对学生设计的重复实现,有利于教学水平的提高杂志铺。
(3)核心芯片由单一化向丰富化发展
早期开发的EDA实验系统由于仅用于EDA课程的学习,其核心芯片大都为Altera公司的FPGA等可编程逻辑器件,开发语言环境主要为界面友好、操作简便的Maxplus Ⅱ和Quartus Ⅱ。随着EDA技术向不同学科不同专业的渗透,核心芯片逐渐发展为FPGA、单片机和DSP器件的综合使用,开发语言也逐渐开始使用C语言或汇编语言等。这样,实验系统能提供的实验内容和规模均有所增加,除了基本的数字电路设计实验模块以外,还可以增设调制解调模块、帧同步模块、信号波形产生模块等,扩大了实验系统的使用率,使实验设备向大型化、先进化发展。
(4)使学生的学习由被动向主动发展
电子技术的发展日新月异,早期的实验平台由于其电路设计的封闭性,实验内容只停留在验证实验上,很难加入自己设计的外围电路。而模块化数字电路开放实验平台由于其接口电路的开放性,有能力的学生可以自行设计外围电路达到提高的目的,对于成功的设计还可以加到以后的实验教学中,成为具有自主知识产权的模块。
另外,由于整合了单片机、DSP等芯片的功能模块,实验内容得到很大扩展,学生在实验过程中可以拓宽知识面,主动去学习了解实验所需要的知识,学习的主动性得到很大的提高,并且,由于实验由简单的验证实验向综合的大型设计过渡,学生在实验过程中更容易理解数字电路设计中硬件的概念以及工程的概念。
学生在设计实验时,可能会用到一些实验系统没有开发出的模块,这时,学生需要自己设计该电路模块的电路图以及制作PCB板,直至实际制作出该功能模块。这样,学生除了掌握编程、还需要去学习怎样设计并制作电路板、学习该模块与核心板的接口电路设计等相关知识,因此,在实验过程中,学生的积极性和主动性得到提高。同时,由于实验的规模逐渐增加,同学之间需要团结合作才能共同完成一个实验,因此也锻炼了同学之间的团结合作精神。
3 结论
一个好的EDA实验平台,能培养学生开拓创新精神和团结协作精神、很强的实践操作能力、工程设计能力、综合应用能力、科学研究能力以及独立分析问题和解决问题的能力。我国高校现阶段所研制开发的EDA综合实验平台,能有效整合和优化多个电子类实验课程的功能,为单片机和 EDA技术等课程提供了综合实验平台,为高校培养创新性人才提供良好的实验条件和氛围。随着电子技术的发展以及EDA技术的不断深入发展,EDA实验平台的开发也将会日益完善:大规模可编程器件将被使用;实验系统将向体积小、功耗小的便携式嵌入式系统发展。
参考文献:
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随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展,在涉及通信、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中EDA技术的含量正以惊人的速度上升;电子类的高新技术项目的开发也逾益依赖于EDA技术的应用。即使是普通的电子产品的开发EDA技术常常使一些原来的技术瓶颈得以轻松突破从而使产品的开发周期大为收缩、性能价格比大幅提高。不言而喻EDA技术将迅速成为电子设计领域中的极其重要的组成部分。
100Hz频率计数器的主要功能是在一定时间内对频率的计算。在数字系统中,计数器可以统计输入脉冲的个数,实现计时、计数、分频、定时、产生节拍脉冲和序列脉冲。而本篇论文主要介绍了频率计数器的实现:系统以MAX+PULSLLII为开发环境,通过VHDL语言作为硬件描述语言实现对电路结构的描述。在VHDL语言中采用了一系列的语句,例如:if语句、case语句、loop语句等。这些语句对程序中的输入输出端口进行了解释,并给出实现代码和仿真波形。相关的一些关键词:100Hz;分频;计数;MAX+PULSLLII;VHDL;编译;仿真等。
前言
VHDL是超高速集成电路硬件描述语言(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage)的缩写在美国国防部的支持下于1985年正式推出是目前标准化程度最高的硬件描述语言。IEEE(TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers)于1987年将VHDL采纳为IEEE1076标准。它经过十几年的发展、应用和完善以其强大的系统描述能力、规范的程序设计结构、灵活的语言表达风格和多层次的仿真测试手段在电子设计领域受到了普遍的认同和广泛的接受成为现代EDA领域的首选硬件描述语言。目前流行的EDA工具软件全部支持VHDL它在EDA领域的学术交流、电子设计的存档、专用集成电路(ASIC)设计等方面担任着不可缺少的角色。
数字频率计是数字电路中的一个典型应用,实际的硬件设计用到的器件较多,连线比较复杂,而且会产生比较大的延时,造成测量误差、可靠性差。随着复杂可编程逻辑器件(CPLD)的广泛应用,以EDA工具作为开发手段,运用VHDL语言。将使整个系统大大简化。提高整体的性能和可靠性。
本文用VHDL在CPLD器件上实现一种2b数字频率计测频系统,能够用十进制数码显示被测信号的频率,不仅能够测量正弦波、方波和三角波等信号的频率,而且还能对其他多种物理量进行测量。具有体积小、可靠性高、功耗低的特点。
目录
摘要………………………………………………………………………1
前言……………………………………………………………………2
目录……………………………………………………………………3
第一章设计目的………………………………………………………5
1.1设计要求……………………………………………………5
1.2设计意义……………………………………………………5
第二章设计方案………………………………………………………6
第三章产生子模块……………………………………………………7
3.1分频模块……………………………………………………7
3.2分频模块源代码………………………………………………8
3.3仿真及波形图…………………………………………………9
第四章计数模块………………………………………………………9
4.1.计数模块分析…………………………………………………9
4.2.计数模块源代码………………………………………………10
4.3计数模块的仿真及波形图……………………………………12
第五章显示模块……………………………………………………12
5.1七段数码管的描述……………………………………………13
5.2八进制计数器count8的描述…………………………………14
5.3七段显示译码电路的描述……………………………………15
5.4计数位选择电路的描述………………………………………16
5.5总体功能描述……………………………………………18
5.6显示模块的仿真及波形图………………………………19
第六章顶层文件…………………………………………………20
6.1顶层文件设计源程序…………………………………………20
6.2顶层文件的仿真及波形图………………………………………21
结语…………………………………………………………22
参考文献……………………………………………………23
致谢…………………………………………………………24
附件…………………………………………………………25
第一章设计目的
1.1设计要求
a.获得稳定100Hz频率
b.用数码管的显示
c.用VHDL写出设计整个程序
1.2设计意义
a.进一步学习VHDL硬件描述语言的编程方法和步骤。
b.运用VHDL硬件描述语言实现对电子元器件的功能控制
c.熟悉并掌握元件例化语句的使用方法
d.熟悉数字式频率的基本工作原理。
【关键词】数字电路课程;实践平台;工程设计;实验
1概述
在教学过程中,具备数字系统设计实践工程能力,涉及相关数字系统课程体系教学与实践,在各高校的电气、电子信息类专业中,数字电路是一门专业基础课程,随着数字技术应用领域的不断扩大,在后续专业课程中,显而易见,随着电子产品数字化部分比重增大,它在数字系统设计中基础性地位越来越突出。
因此,培养适合现代电气、电子、信息技术发展的卓越人才,创新数字电路的课程几次理论与工程实践教学迫在眉睫。
根据我校近几年电气、电子课堂教学的实践情况,数字电路课程应该以面向应用的数字电路设计为核心,在熟练掌握基本电路教学内容的基础上引入先进的数字系统设计方法的课程教学和实践内容。
工程实践过程中,逐步从自底向上的设计方法逐步转变到自顶向下的设计方法中来,以教师科研应用来拓展,以全面培养优秀数字设计卓越技术人才[1]。
2探索构建数字电路教学中的多层次的创新实践平台
2.1多层次的数字电路创新实验平台构思。
面向卓越人才培养的数字电路课程创新实践教学,可以分层次进行在各个教学阶段逐步推进,包括:面向基础的数字设计的基本原理与工程创新实验教学模块、面向应用的数字电路课程设计教学和结合科研项目的创新实践平台[2][6]。
多层次的数字电路创新实验平台架构如图1所示。
2.2数字设计的基础原理与实验教学。
数字电路基础原理和实验教学是数字系统设计的课程体系的基础入门阶段,是培养数字逻辑代数与逻辑电路的重要过程,大类可分为时序逻辑电路和组合逻辑电路,其中时序逻辑电路主要包括:锁存器、触发器和计数器,组合逻辑电路包括,编译码器、多路复用器、比较器、加(减)法器、数值比较器和算术逻辑单元等。教学的目的是训练学生掌握组合和时序逻辑电路坚实理论基础,使学生掌握数字电路的基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能,不但要注重基本数字电路与系统设计理论的理解,同时让学生在学习中逐步了解面向应用和现代科技进步数字电路新的设计理念[2][3]。
2.3面向应用的数字电路课程设计实践教学。
随着电子设计自动化技术(EDA)和可编程器件(CPLD)的不断发展和应用,以EDA技术为主导的数字系统理念已经成为企业工程技术的核心。数字电路课程设计主要培养学生利用中小规模数字集成电路器件和大规模可编程器件进行数字电路设计和开发能力。在卓越工程师培养背景下,结合前阶段数字电路课程理论教学和实验教学的实际情况及EDA技术的发展状况,适时进行数字电路课程设计和EDA技术课程的综合衔接,以及课程深度融合[4]。主要内容包括:
2.3.1基于Multisim等相关软件的数字系统仿真实验。可以构建虚拟数字实验系统,不但较好地模拟实物外观外,还可以利用系统提供的实验平台开展实验的设计、仿真,进行实验内容的逻辑验证。
2.3.2基于通用和专用数字芯片的数字系统设计。其主要特点是有很好的直观性和具体性。
2.3.3基于硬件描述语言(HDL)的数学系统硬件描述。采用硬件描述语言实现数字逻辑设计,基于EDA环境仿真和验证。可以结合上述(1)和(2)的优点,采用硬件设计软件化技术应用于数字电路课程设计的实验教学中,通过综合性实验的自行设计和实验,对实验内容、实验规模、实验方法进行了综合创新设计[5]。
2.4结合科研项目的数字设计实验创新平台。
在高等院校,教师即承担教学任务,同时有各自的科学研究方向,同学们可以根据自己的研究兴趣,加入教师的科研团队,形成教学与科研互利的良性循环。面向卓越工程师培养的数字系统设计,可以借助横向或纵向科研项目形成综合教学体系。比如:搭建在线可编程门阵列(FPGA)创新实验平台,形成数字电路、电路线路课程设计、可编程逻辑器件以及集成芯片系统设计,形成面向数字系统设计的课程体系[3]。同时,应用高校与知名企业建立的校企合作平台,把企业界的研究信息和研发需求引入到教学平台,开拓了学生的研究思路和视野,提升了学生设计复杂数字系统的能力;目前,我校正在与国际知名的半导体公司Xilinx、Altera和Cypress陆续建立卓越人才大学培养计划,利用大学设置小学期,在FPGA和PSoC开发平台上进行了面向实际应用的数字系统设计,在实践平台上不仅有学校的任课教师,还有知名企业派来的一线工程师指导同学们的实践,相比改革前,取得很好的实践效果,同学们的数字系统设计水平得到了提高,同时在编程、接口、通信协议等方面也有了深刻的认识。
对于优秀的学生,借助全国各种形式的大学生电子(信息)设计竞赛这个创新平台,组织他们积极参与,激发他们的学习研究兴趣和创新意识,综合所应用的数字系统设计知识,发挥竞赛团队的协作精神。每年,我们都有部分优秀学生通过努力,创新设计的作品获得专业认可,并取得了良好的参赛成绩,也使得数字设计课程体系的建设上了一个新的台阶。
3基于创新平台的课程体系优化与实践
卓越工程师培养要求的数字电路系统设计课程体系协调好相关电气、电子类专业上下游相关理论课程、实验综合性设计同时得到协调发展。如何实践论文所提到的创新实验平台,应该引进现代数字设计理念,重点把EDA软件、设计工具、开发平台与传统的数字电路基础理论教学相衔接。我们在这几年对数字系统设计课程体系、创新实践教学内容等方面的进行了改革与探索,取得了一定的成效。经过这几年的实践,我们逐步构建了面向应用的数字系统设计课程优化体系[5],如图2所示。
4不断探索数字电路理论教学内容的改革与实践
4.1以数字电路设计为目的强化基本逻辑电路理论教学。
在进行复杂数字系统设计之前应该熟练掌握这些常用基本组合和时序逻辑电路,包括电路的功能、电路的描述以及电路的应用场合等。
树立电路设计思想首先需要熟练掌握一些基本的逻辑功能电路。其次,树立电路设计思想需要理论讲解与实践相结合,逐步熟悉硬件描述语言的描述方式。数字系统设计强调采用硬件描述语言来对电路与系统进行描述、建模、仿真等[2][3]。
4.2掌握面向应用的数字系统工程设计方法。
学生在掌握数字电路基本概念和一般电路的基础上,进一步掌握数字系统设计的方法、途径和手段。其主要内容包括:数字系统与EDA的相关概念、可编程逻辑器件、硬件描述语言、电路元件的描述、数字系统的设计方法、开发环境与实验开发平台以及应用实例的介绍等。这些课程内容涉及面较广,为了提高教与学的效果,探索总结了以下的教学重点内容,并作为教学实践中的教学切入点[1]。
随着电子技术不断发展与进步,现代数字系统设计在方法、对象、规模等方面已经完全不同于传统的基于固定功能的集成电路设计[1][2]。现代数字系统设计采用硬件描述语言(HDL)描述电路,用可编程逻辑器件(PLD)来实现高达千万门的目标系统。这一过程需要也应该有先进的设计方法。根据硬件描述语言的特性和可编程逻辑器件的结构特点以及应用的需要,在教学过程中阐述了先进设计方法。例如:采用基于状态机的设计方法设计复杂的控制器(时序电路),应用或设计锁相环或延时锁相环来处理时钟信号,应用自行设计(IPcore)软核来提高数据吞吐量[1][2][3]。
4.3深化数字电路实验教学改革。
实验实践教学过程中,注重基础训练与实践创新相结合的实验教学改革思路,加强学生工程思维训练、新平台工具的使用、遇到逻辑问题的综合分析能力,理论与实践相结合的分析能力。在实践过程中的提高创新性和综合性能力,面向应用的数字电路创新平台建设,需要不断提高课程试验、实验和实践过程在教学中的比例,在符合认知规律的同时,逐步加强来源与实际需要的综合性数字设计实验。
5结语
数字电路是电气、电子信息类专业的一门重要的专业基础课程,论文针对当今卓越工程师培养的要求,以及在教学过程中遇到的主要问题,探讨了面向应用的数字电路课程创新实践平台。提出了多层次的数字电路创新实验平台结构和面向应用的数字系统设计课程优化体系。目的在于,通过课程及相关课程体系改革与创新,使得学生更快、更好的适应现代数字技术发展的需求。
参考文献
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关键词:独立学院嵌入式课程设置课程改革优化
中图分类号:G423.04
引言
以我校(武汉长江工商学院)为例,电子信息工程专业主要培养能在信息通信、电子技术、智能控制、计算机与网络等领域和行政部门从事各类电子设备和信息系统的科学研究、产品设计、工艺制造、应用开发和技术管理的应用型工程技术人才,因此,我们以培养应用型人才为目标制定了培养方案。
课程设置现状
在我们的培养方案中,除了专业基础课程(C语言程序设计、电路分析、电工基础、数字电路、模拟电路)外,有两条主线:嵌入式方向与信号处理方向。其它方向如微电子、射频、无线电等方向,考虑到我们学生的基础以及培养方案总课时的要求,最终选择了嵌入式与信号处理两个方向,当然,随着社会的不断发展,以后的培养方案可能会考虑微电子等较新的方向。
之所以选择嵌入式硬件方向为我们的一条主线是因为嵌入式系统是当前很热门而且很有发展前景并且对于学生而言也是比较好就业的应用领域之一。嵌入式系统在智能化家居、家电,汽车电子、医疗、交通等各个方面都有应用,我们的生活已经离不开嵌入式系统。嵌入式系统是软硬结合的技术,我们以硬件设计为主设置了我们的课程如下:
表1:嵌入式方向的课程设置
围绕ARM嵌入式技术这门课,还有微机原理、单片机、EDA、DSP等课程及相关实验。
学习了微机原理和单片机这两门课后再学习嵌入式,学生更容易入门,因为嵌入式本身是从单片机发展而来,并且在微机原理与单片机这两门课程中,我们以汇编指令为主,主要是考虑到做嵌入式系统除了了解ARM处理器工作原理和接口技术还要了解ARM的汇编指令系统。
考虑到嵌入式开发的发展方向与相关领域,我们还设置了EDA技术与DSP技术两门课。数字图像压缩技术是嵌入式的应用领域之一,主要是掌握MPEG编解码算法和技术和DSP技术,另外,为追求更高速的信号处理速度,现在一些速度要求较高场合,有不少公司是将一些DSP算法用硬件来实现,这就涉及到HDL数字电路设计技术及其FPGA/IP核实现技术。这也是我们将EDA技术与DSP技术这两门课作为这个方向的专业课程的原因。
课程改革思路
首先是微机原理与单片机这两门课,目前我们开设《微机原理与接口技术》理论课54课时,实验课18课时,《单片机原理及其应用》理论课54课时,实验课18课时,课程设计36课时。微机原理课程主要是帮助学生理解一款微型计算机的工作原理、结构、汇编语言编程及其接口电路,为以后的进一步学习不同的CPU以及计算机应用打下基础。目前我们的教学还是以8086/8088作为微机原理主讲芯片,其难度较大,与实验教学和学生在课外的实际应用(如参加电子设计系列竞赛、制作小作品、毕业论文、课程设计等)脱节,教学效果不理想。
随着半导体技术的进步,处理器从单核时代进步到了多核时代,并且将来处理核的数目将会越来越多。随着多核技术的发展,可能不久的将来大多数的软件开发都将以多核芯片为基础硬件平台,随之而来的是编程语言、数据结构、算法理论、软件工程等都将随着多核的出现而进行修订,对我们专业而言,要考虑的主要是计算机硬件方向的课程设置要进行调整以适应多核时代的到来。经过调研与研讨,我们决定将上述两门课整合优化为《单片机原理与接口技术》54课时及《多核架构与编程技术》54课时。前瞻性的将多核架构及编程技术引入到独立学院电子信息工程本科培养方案中,将培养方案中的专业基础知识进行综合与升华,帮助学生,顺应市场格局变化,接受新技术新理念,建立系统、完整的专业基础理论体系,培养学生综合应用能力与创新型思维,提高动手实践能力,开拓学生的专业学术视野。使我们的学生能顺应时代的变化,在硬件、软件方面能够更好地了解多核思想及编程技术,以适应高新技术的飞速发展的需要。
其次是EDA技术与数字电路的整合。目前我们开设《EDA技术》理论课34课时,实验课18课时,课程设计18课时,《数字电路》理论课54课时,实验课18课时,课程设计36课时。这两门课在实验和课程设计的内容上有一定的重复。我们可以将这两门课整合成一门课《数字电路与VHDL》,理论课72,实验课18,课程设计36课时,改变原有的教学模式和教学内容,建立新的实验体系,让学生感受2种不同的设计方法,摆脱传统的人工设计方法与思维模式,提高学生的创新意识与竞争能力,适应市场的需要。
最后是ARM嵌入式技术,目前我们以ARM7进行理论教学,以LPC2000系列ARM7微控制器及ADS1.2集成开发环境进行实验,理论课36学时,实验课18学时,只能满足低端教学任务。在最初制定教学计划,大部分ARM系统都是基于ARM7处理器,但是随着更多应用在嵌入式系统中的实现,嵌入式系统设计向着更高级、更复杂的方向发展,现在基于ARM9处理器的产品越来越多,我们的教学要与时俱进,教学内容也要进行升级为以ARM9进行教学。从ARM体系结构的教学内容上看,ARM9的指令集完全兼ARM7,教学上没有任何区别。并且学生们面对的编程模型和架构基础也保持一致。
总结
本校电子信息工程专业实行3+1培养模式,所有课程安排在大一到大三完成,大四学生全部参加实习,现有培养方案中,专业基础课排在第三、四学期,专业课基本压缩在第五、六学期,比如上面提到的微机原理安排在第五学期,单片机、EDA技术、ARM嵌入式技术安排在第六学期。通常在第六学期,一部分学生忙于考研,一部分学生忙于找工作,精力没有全部用于学习专业知识上,但是,经过上面的整合后,我们可以将单片机以及ARM嵌入式技术提前一个学期,再将EDA技术提前两学期,让学生们在整个大学的学习过程中,尽早的接触到专业课程,提高学生们的学习兴趣,这不仅可以让一部分想参加电子设计系列竞赛的同学可以尽早的进行系统学习,也可以让准备考研和找工作的同学投入更多精力学习专业知识。
参考文献