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（無錫廣播電視大學(xué)，江蘇 無錫 214011）

基于VHDL的數(shù)字電路課程改革研究

張?zhí)扈?/p>

（無錫廣播電視大學(xué)，江蘇 無錫 214011）

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，在高職院校中需要對數(shù)字電路進(jìn)行課程改革。VHDL作為一種主流的硬件描述語言，能夠從多方面對數(shù)字電路進(jìn)行建模和描述，可以提高設(shè)計的效率和電路的可靠性。針對目前數(shù)字電路中的課程現(xiàn)狀和存在的問題，提出將VHDL融合于數(shù)字電路的課程改革中，這對高職院校的建設(shè)以及人才的培養(yǎng)都能起到積極的作用。

高職院校；VHDL；數(shù)字電路；課程改革

隨著電子材料學(xué)科和集成電路技術(shù)的發(fā)展，由分立元件構(gòu)成的電路逐漸被集成電路所取代。近年來隨著超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，集成電路的設(shè)計變得越來越復(fù)雜。中國的集成電路產(chǎn)業(yè)起步較晚，能夠從事集成電路設(shè)計的人員比較匱乏。目前，國家已經(jīng)將集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息產(chǎn)業(yè)的重中之重，同時國外集成電路產(chǎn)業(yè)向國內(nèi)轉(zhuǎn)移的趨勢也日漸明顯，面對這種形勢，集成電路設(shè)計人才的培養(yǎng)就顯得十分緊迫。另一方面，隨著EDA技術(shù)的發(fā)展與成熟，高職學(xué)生經(jīng)過適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)和培訓(xùn)完全可以進(jìn)入集成電路設(shè)計的行業(yè)。數(shù)字電路是高職院校電子信息專業(yè)中的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，它是集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)。近年來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模可編程邏輯電路的涌現(xiàn)，數(shù)字電路原有的課程體系與教學(xué)模式已經(jīng)不大適應(yīng)現(xiàn)在的高職教學(xué)。因此需要對數(shù)字電路進(jìn)行課程改革。

一、數(shù)字電路課程的概況

1.數(shù)字電路課程的現(xiàn)狀

數(shù)字電路建立在30多年前小規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)上，目前已經(jīng)成為高職院校電子信息專業(yè)中的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程在介紹數(shù)字電路基本知識的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講述了門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路，其中所涉及到的集成電路主要以編碼器、譯碼器、寄存器、計數(shù)器為主。設(shè)置這門課程的主要目的是讓學(xué)生了解各種基本的邏輯電路，不僅能夠熟練運(yùn)用所學(xué)的知識對數(shù)字電路進(jìn)行分析，而且能夠根據(jù)實(shí)際的要求來完成數(shù)字電路的設(shè)計。然而傳統(tǒng)的數(shù)字電路課程其側(cè)重點(diǎn)在于闡述電子元器件內(nèi)部的工作原理、公式的推導(dǎo)以及波形的分析[1-4]。由于目前高職院校的教師一般都是碩士畢業(yè)，而學(xué)生基本都是?？频膶哟?，所以往往教師講得滔滔不絕、頭頭是道，而學(xué)生卻聽得迷迷糊糊、昏昏欲睡。此外，傳統(tǒng)的數(shù)字電路課程還忽視了如何利用那些已經(jīng)學(xué)過的器件來構(gòu)建一個完整的數(shù)字電路系統(tǒng)，所謂的實(shí)驗(yàn)也主要是以驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)為主。在數(shù)字電路飛速發(fā)展的今天，伴隨著大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式就顯得知識陳舊，實(shí)用性差，不利于培養(yǎng)高職學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

2.數(shù)字電路課程的存在問題

目前雖然有部分高職院校已經(jīng)對數(shù)字電路進(jìn)行了課程改革，但是由于受到傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，主要體現(xiàn)在講授知識面面俱到，貪多求全，因而改革的效果不明顯。根據(jù)無錫市廣播電視大學(xué)的課程安排，數(shù)字電路僅有72個學(xué)時，其中還包括18個實(shí)驗(yàn)課時。這樣就會使得那些基礎(chǔ)知識較弱，學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)的高職學(xué)生感到數(shù)字電路這門課非常難學(xué)，出現(xiàn)了對課程的恐懼，產(chǎn)生了厭學(xué)情緒，從而影響了教學(xué)效果。此外，數(shù)字電路的教材在原有內(nèi)容未做較大幅度調(diào)整的情況下，又新增加了一些EDA技術(shù)的簡單介紹，但這部分知識通常位于教材的最后，只是作為傳統(tǒng)內(nèi)容的更新和補(bǔ)充，類似于一個“補(bǔ)丁”，而且一般都是作為選修的內(nèi)容，不列入考核的范圍，因此對教材的總體結(jié)構(gòu)影響不大[5-8]。在集成電路技術(shù)高速發(fā)展的21世紀(jì)，以往被業(yè)界作為標(biāo)準(zhǔn)的小規(guī)模集成電路（Small Scale Integrated Circuit，SSI）和中規(guī)模集成電路（Medium Scale Integrated Circuit，MSI）的設(shè)計方法在大多數(shù)領(lǐng)域已經(jīng)被逐步淘汰，取而代之的是全定制、半定制和可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）以及超高速集成電路硬件描述語言。所以為了適應(yīng)集成電路技術(shù)的發(fā)展，為了滿足企業(yè)對專業(yè)技術(shù)型人才的需要，數(shù)字電路的課程改革勢在必行。

二、數(shù)字電路課程改革的構(gòu)思

1.數(shù)字電路課程的內(nèi)容應(yīng)符合高職學(xué)生的特點(diǎn)

以“基本、夠用”為度，精選課程的重要內(nèi)容，通過理論學(xué)習(xí)、上機(jī)編程、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。例如，在邏輯代數(shù)運(yùn)算這一章節(jié)，教師在講解時應(yīng)該圍繞三種最基本的“與”、“或”、“非”邏輯運(yùn)算展開。在數(shù)制與編碼這一章節(jié)，教師應(yīng)該重點(diǎn)講述二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制的相關(guān)運(yùn)算。在邏輯代數(shù)化簡這一章節(jié)，教師在授課時應(yīng)該壓縮邏輯函數(shù)的化簡部分，重點(diǎn)講述卡諾圖化簡，一般涉及四個變量就可以了，因?yàn)樵谲浖幸呀?jīng)包含了邏輯代數(shù)的化簡程序。由于 VHDL能夠很容易地進(jìn)行各種邏輯代數(shù)運(yùn)算、不同進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換以及邏輯代數(shù)的化簡，因此在講述完一個知識要點(diǎn)后配合VHDL編程的仿真實(shí)驗(yàn)，這能夠讓學(xué)生感受到EDA技術(shù)帶來的方便，從而可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.數(shù)字電路課程要以項(xiàng)目教學(xué)為主線

在數(shù)字電路的課程中可以嘗試項(xiàng)目教學(xué)。最初教師可以安排一些較為簡單的課題，如智力競賽搶答電路、交通燈控制電路、看門狗電路等。這些課題所涉及到的電路規(guī)模較小，知識點(diǎn)覆蓋不多，設(shè)計容易，學(xué)生力所能及。根據(jù)課題的要求、利用已經(jīng)學(xué)過的理論知識，學(xué)生能夠自由地選擇設(shè)計方案，完成整個課題的設(shè)計過程。等有了一定的知識積累過后，教師可以進(jìn)一步地安排一些綜合性的系統(tǒng)項(xiàng)目，如具有語音報時功能的數(shù)字鐘、無線電編解碼的電燈控制系統(tǒng)、數(shù)字密碼鎖等。這些項(xiàng)目的電路規(guī)模相對較大，知識點(diǎn)覆蓋全面，設(shè)計比較復(fù)雜。通過教師的指導(dǎo)，師生之間的交流，從項(xiàng)目設(shè)計、原理圖繪圖、電路改進(jìn)、程序仿真、程序調(diào)試、電路裝配等多方面著手，這不僅可以培養(yǎng)高職學(xué)生的動手能力而且可以發(fā)開學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.在數(shù)字電路課程中引入討論法

目前在數(shù)字電路的課程中，大部分的課題都是由教材規(guī)定的，由于書上已經(jīng)有了現(xiàn)成的電路圖，因此即使學(xué)生對于電路的工作原理不是很清楚，只要按照電路圖進(jìn)行接線，也能做出最終的結(jié)果，這對培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力顯得非常不利。為了培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，在教學(xué)的過程中引入討論法，即在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以小組為單位，通常一個小組由5～6名同學(xué)組成，大家圍繞教學(xué)過程中的某一內(nèi)容提出自己的疑問，發(fā)表自己的看法。其優(yōu)點(diǎn)在于通過討論，學(xué)生能夠加深對所學(xué)內(nèi)容的理解，提高學(xué)習(xí)的興趣。這種互相學(xué)習(xí)、互相啟發(fā)、互相提高的教學(xué)模式對于培養(yǎng)學(xué)生之間的團(tuán)隊合作精神也能夠起到積極的作用。

4.VHDL與數(shù)字電路課程的融合

VHDL是美國國防部在20世紀(jì)80年代初推出的，其英語全稱是 Very High Speed Integrated Circuit Description Language，即超高速集成電路硬件描述語言。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式、描述風(fēng)格和語法結(jié)構(gòu)十分類似于計算機(jī)高級語言。VHDL遵循EDA解決方案中自頂向下的設(shè)計原則，具有良好的接口兼容性。利用Altera公司開發(fā)的軟件MAX＋plusⅡ 10.23版本，可以完成VHDL的設(shè)計。近年來，由于VHDL在超大規(guī)模集成電路中的迅速普及，因此在教學(xué)內(nèi)容的編排上，VHDL的介紹不應(yīng)該放到課程的最后，應(yīng)該穿插在平時的項(xiàng)目教學(xué)中，與每一章節(jié)的知識點(diǎn)同步進(jìn)行。對于項(xiàng)目教學(xué)中所涉及到的一些課題，可以要求學(xué)生先利用常見的中規(guī)模集成電路設(shè)計一次，然后再利用VHDL在GW48系統(tǒng)主板上再來實(shí)現(xiàn)一次，通過兩種方法的對比來感受 VHDL設(shè)計帶來的方便。由于VHDL的設(shè)計過程包含程序仿真，可以較早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，并且采用了大規(guī)模集成電路的設(shè)計，外部連線相對較少，故障概率較低，因此這對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣能夠起到積極的作用。

5.培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力

在數(shù)字電路課程中，新增加的VHDL內(nèi)容會帶來教學(xué)課時的緊張。為此，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，增加學(xué)生的自學(xué)時間就顯得尤為重要。就數(shù)字電路而言，不少高職院校也要求學(xué)生進(jìn)行自學(xué)，但在內(nèi)容的選擇上是次要的、簡單的；在數(shù)量上是少量的，零散的。通常自學(xué)部分不參加考核，這種自學(xué)方式不能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，當(dāng)然也就不能滿足課程改革后的教學(xué)需要。在數(shù)字電路課程改革后，需要學(xué)生對大量的知識進(jìn)行系統(tǒng)地自學(xué)。例如將MAX＋plus Ⅱ 10.23軟件的學(xué)習(xí)過程完全交給學(xué)生自己來完成，學(xué)完之后是否已經(jīng)掌握，能不能進(jìn)行編程和調(diào)試，還要進(jìn)行必要的考核。因此，這不僅要求學(xué)生具備較強(qiáng)的自學(xué)能力，而且還要求教師具備嚴(yán)格的考核措施。因?yàn)槿绻n程改革后不能充分調(diào)動學(xué)生的自學(xué)能力，將會導(dǎo)致整個課程改革的失敗。以開發(fā)具有語音報時功能的數(shù)字鐘為例，如果學(xué)生沒有按要求完成規(guī)定的自學(xué)內(nèi)容，那么該項(xiàng)目所涉及到的內(nèi)容試將無法正常進(jìn)行。因此，如何調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使自學(xué)成為一種習(xí)慣，也將成為課程改革中的一個重要環(huán)節(jié)。

三、結(jié)束語

針對目前數(shù)字電路中的課程現(xiàn)狀和存在的問題，提出將VHDL融合于數(shù)字電路的課程改革中，這可以更好地發(fā)揮數(shù)字電路這門課的作用，能夠讓學(xué)生緊跟集成電路技術(shù)的發(fā)展，并且對于完善高職院校的課程建設(shè)和人才培養(yǎng)模式都能起到積極的作用。面對集成電路技術(shù)日新月異的發(fā)展，數(shù)字電路的課程改革依然任重道遠(yuǎn)，它還需要在具體的教學(xué)過程中根據(jù)廣大師生的反映來進(jìn)行不斷地調(diào)整和完善。

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Research on Curriculum Reform of Digital Circuit Based on VHDL

ZHANG Tian-yu

With the rapid development of integrated circuit technology, digital circuit needs curriculum reform in the higher vocational college. VHDL is regarded as a mainstream hardware description language, which can model and describe digital circuit from many aspects and can improve design efficiency and circuit reliability.According to the curriculum current status and the existing problems in digital circuit at present, it is proposed that VHDL is fused to the curriculum reform of digital circuit, which can play an active role in the construction of the higher vocational college and the cultivation of talents.

higher vocational college; VHDL; digital circuit; curriculum reform

G71

A

1008-7427（2010）02-0025-02

2009-11-02

作者系無錫市廣播電視大學(xué)講師。