摘要：在分析傳統(tǒng)數(shù)字電路教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出將EDA技術(shù)融入數(shù)字電路教學(xué)改革中，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明EDA在數(shù)字電路教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明，教學(xué)改革改善了數(shù)字電路的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高了教學(xué)效果、滿足了現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；EDA技術(shù)；教學(xué)改革；應(yīng)用實(shí)例
　　
　　近年來(lái)，隨著大規(guī)模和超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷某霈F(xiàn)，現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，市場(chǎng)的需求前景廣闊。應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要密切聯(lián)系市場(chǎng)，使學(xué)生有能力盡快從事電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。數(shù)字電路是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，它直接影響后續(xù)課程，如微機(jī)原理與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)等課程的學(xué)習(xí)，因此，學(xué)好數(shù)字電路是繼續(xù)學(xué)習(xí)的前提。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路原有的教學(xué)模式已不適應(yīng)現(xiàn)在應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，教學(xué)要融入新技術(shù)、突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，因此，基于EDA技術(shù)的數(shù)字電路教學(xué)改革就成為一個(gè)重要的課題。
　　1引入EDA技術(shù)的必要性
　　1.1數(shù)字電路的教學(xué)現(xiàn)狀分析及存在的問(wèn)題
　　數(shù)字電路課程重點(diǎn)介紹門電路、組合邏輯電路、觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路，涉及到的集成電路主要有編碼器、譯碼器、加法器、寄存器、計(jì)數(shù)器等。本課程目的在于使學(xué)生掌握各種基本電路，能夠根據(jù)實(shí)際對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。目前，數(shù)字電路的教學(xué)大多采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，教師追求課程的理論性和系統(tǒng)性，過(guò)于強(qiáng)調(diào)基本原理、基本設(shè)計(jì)的推導(dǎo)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)則是一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，用以鞏固所學(xué)理論，數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)基本在實(shí)驗(yàn)箱上完成，對(duì)于復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，需要大量的芯片和連線。傳統(tǒng)的數(shù)字電路教學(xué)
　　一般遵循自低向上的設(shè)計(jì)方法，從電路的功能、真值表、輸出方程、邏輯電路圖到器件的選擇、連線、測(cè)試等，學(xué)生的認(rèn)知停留在局部小器件上，復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路受到限制。
　　此外，我校計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)字電路課程為4個(gè)學(xué)分，64個(gè)學(xué)時(shí)，其中48個(gè)學(xué)時(shí)理論+討論，16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，數(shù)字電路的實(shí)踐性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)僅限于集成電路芯片的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，數(shù)字電路的綜合性設(shè)計(jì)不足。因此，我們要增加學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路的機(jī)會(huì)，另外，現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)要滿足企業(yè)對(duì)技術(shù)人員的需要，所以，數(shù)字電路課程的教學(xué)改革非常必要。
　　1.2引入EDA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
　　1) 在數(shù)字電路教學(xué)中引入EDA技術(shù)，其強(qiáng)大的仿真功能很容易把實(shí)踐帶入課堂、帶入教學(xué)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。利用EDA平臺(tái)，我們可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電子系統(tǒng)的原理圖輸入、模擬驗(yàn)證、邏輯綜合、仿真設(shè)計(jì)、時(shí)序分析以及編程下載；同時(shí)，基于可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)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[1]。
　　2)EDA技術(shù)代表了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)技術(shù)的最新發(fā)展方向。它不僅提供了一種現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)，同時(shí)也為教學(xué)提供了一個(gè)極為便捷的、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。將EDA仿真軟件應(yīng)用到教學(xué)中是一種教學(xué)手段的創(chuàng)新，也是提高教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)選方法。
　　3) 引入EDA技術(shù)可以很方便地設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示包括組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路和數(shù)字系統(tǒng)等各種電路，還可以對(duì)被仿真電路設(shè)置各種故障，從而可以在教學(xué)中模擬各種故障，以提高學(xué)生對(duì)實(shí)際電路分析和排故能力，方便考察學(xué)生的掌握情況。
　　2EDA技術(shù)與數(shù)字電路課程的融合
　　在目前的數(shù)字電路教材中，VHDL大多被放在最后一章，很多學(xué)?；旧蠜](méi)有時(shí)間涉及這一部分。對(duì)此，我們應(yīng)在課程的安排上，將VHDL的學(xué)習(xí)穿插在平時(shí)的教學(xué)中，根據(jù)每章的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有效融合，使教學(xué)達(dá)到意想不到的效果。
　　2.1課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用
　　在數(shù)字電路的理論教學(xué)中，為了使教學(xué)更加直觀、形象、生動(dòng)，我們采用過(guò)不同的教學(xué)方法，比如實(shí)物、動(dòng)畫CAI，但這些方法都存在不足。EDA技術(shù)的引入，可以改善傳統(tǒng)電子教學(xué)的不足。在數(shù)字電路教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生感到僅用原理圖的設(shè)計(jì)方法很難實(shí)現(xiàn)，此時(shí)，我們可以引導(dǎo)他們接受一種硬件描述語(yǔ)言的設(shè)計(jì)方法，即引入EDA技術(shù)，讓學(xué)生帶著一定的懸念接受EDA技術(shù)，在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生新鮮感。
　　在教學(xué)中，師生借助EDA工具軟件Quartus II虛擬環(huán)境，進(jìn)行數(shù)字電路的仿真，觀察電路產(chǎn)生的波形，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。課堂上適當(dāng)應(yīng)用EDA技術(shù)，與傳統(tǒng)的教學(xué)互為補(bǔ)充，恰到好處地為師生搭建一個(gè)開(kāi)放的、良好的“所想即所得”的交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)無(wú)法展示的內(nèi)容[2]。在Quartus II工具中，提供各種各樣的電子元器件，學(xué)生可以采用原理圖的輸入法，根據(jù)具體的要求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，或采用VHDL語(yǔ)言對(duì)電路的功能進(jìn)行描述，并且對(duì)設(shè)計(jì)好的電路或程序進(jìn)行編譯，設(shè)置一定的波形，進(jìn)行虛擬仿真，分析邏輯關(guān)系，這些操作方便，界面直觀，不出教室即可實(shí)現(xiàn)。課堂上，師生能夠有效地通過(guò)虛擬平臺(tái)輕松完成電路設(shè)計(jì)，學(xué)生的疑問(wèn)、創(chuàng)新性的想法等都可以及時(shí)得以驗(yàn)證。
　　筆者認(rèn)為，計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)字電路課程，教學(xué)重點(diǎn)是讓學(xué)生能夠很好地理解常用數(shù)字邏輯電路的邏輯功能，至于電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方法不拘一格，可以采用傳統(tǒng)的中小規(guī)模集成電路，這是我們目前大多學(xué)校所要求的，這點(diǎn)固然重要，但對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來(lái)講，采用可編程的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，不失為一種更好的方法。
　　2.2合作性學(xué)習(xí)的體現(xiàn)
　　EDA技術(shù)的引入，更有利于數(shù)字電路教學(xué)的合作性學(xué)習(xí)。目前，在數(shù)字電路教學(xué)中，一個(gè)數(shù)字電路功能的實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)功能分析—真值表—邏輯表達(dá)式—化簡(jiǎn)—器件的選擇等，最終采用門電路或者中規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，電路圖比較固定，學(xué)生照此連線基本能夠得出結(jié)果，而對(duì)于其內(nèi)部的邏輯關(guān)系、工作原理未必掌握得透徹。為了使學(xué)生更加深入地掌握基本理論和實(shí)際的電路設(shè)計(jì)能力，我們?cè)诮虒W(xué)中采用合作性教學(xué)方式，引入討論，學(xué)生分組進(jìn)行。對(duì)一個(gè)特定的電路，我們要求學(xué)生采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和EDA的設(shè)計(jì)方法，然后思考、對(duì)比。即便是采用VHDL語(yǔ)言來(lái)描述，同一個(gè)電路也可以采用不同的編寫方式，比如可以分別采用行為描述方式、寄存器傳輸描述方式和結(jié)構(gòu)描述方式等，學(xué)生在功能編寫的過(guò)程中比較這些描述方式各自的特點(diǎn)，根據(jù)情況適當(dāng)選擇。合作性學(xué)習(xí)突出了學(xué)生的參與程度，變被動(dòng)為主動(dòng)，一改傳統(tǒng)的以教師為主的教學(xué)模式，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。
　　2.3應(yīng)用實(shí)例
　　根據(jù)筆者的教學(xué)實(shí)踐嘗試，在計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)字電路課程教學(xué)中，靈活采用EDA技術(shù)，用VHDL語(yǔ)言來(lái)描述，取得了較好的教學(xué)效果。
　　比如在教學(xué)“3-8譯碼器”時(shí)，根據(jù)譯碼器的功能和真值表，我們可以按照常規(guī)的模式設(shè)計(jì)出門電路組成的電路，結(jié)果是一個(gè)非常復(fù)雜的電路，也可以是一個(gè)中規(guī)模集成電路74LS138，熟悉每個(gè)引腳的功能等。但是如果根據(jù)真值表采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行描述，則顯得非常清晰，下面是VHDL語(yǔ)言描述的74LS138的程序[3]。
　　LIBRARY IEEE;
　　USE IEEE.std_logic_1164.ALL;
　　ENTITY decoder_74LS138 IS
　　PORT