维普资讯 http://www.cqvip.com 第２７卷第２期 ２００８年２月 实验室研究与探索 ＶｏＩ＿２７ ＮＯ．２ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ ＩＮ ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ Ｆｅｂ．２００８ 改进实验 加强ＥＤＡ教学 杨 敏 （上海师范大学机械与电子工程学院，上海２０１４１８） 摘 要：随着微电子技术的发展，ＩＳＰ技术已经成为了ＥＤＡ领域的一项重要内容，根据加强实践、提高动 手能力的需求，提出了改进实验教学的具体措施。 关键词：电子设计自动化；在系统可编程；实验教学 中图分类号：Ｇ６４２．４２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７１６７（２００８）０２—０１１０—０３ Ｓｔｒｏｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ＥＤＡ Ｔｅａｃｈｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ＹＡＮＧ Ｍ ｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖ，，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１４１ ８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩＳＰ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｉｎ ＥＤＡ ａｒｅａ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ，ｓｐｅｅｉｆｉｃ ｓｔｅｐｓ ｏｆ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｗｅｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＥＤＡ；ＩＳＰ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ＣＬＣ ｎｕｍｂｅｒ：Ｇ６４２．４２３ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ ｃｏｄｅ：Ａ Ａｒｔｉｃｌｅ ＩＤ：１００６—７１６７（２００８）０２一Ｏ１ １０—０３ 自２０世纪９０年代以来，微电子技术以惊人的速 度发展，其工艺水平达到深亚微米级，在一个芯片上 可集成数百万乃至上千万只晶体管，电子系统设计也 进入了ＥＤＡ（电子设计自动化Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｕｔｏ— ｍａｔｉｏｎ）阶段，它是以计算机和微电子技术为先导，汇 集了计算机图形学、拓扑学、逻辑学、微电子工艺与结 构学和计算数学等多种计算机应用学科最新成果的先 进技术。设计人员利用ＥＤＡ平台实现复杂电子系统 的原理图输入、模拟验证、逻辑综合、芯片布图、ＰＣＢ布 线，町以大大减轻电子设计的工作量和难度。 ＩＳＰ技术是指对于大规模可编程逻辑器件如 ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ，能够直接在用户目标板或系统板上编 程，而不需要专门的编程器。过去制作专用集成电路 时，必须经历书面设计、硬件搭试、制作样机３个阶段， 硬件搭试难度大，使用器件越多，越容易接线紊乱和接 触不良，且样机掩膜的制作成本高，动辄数万元，只有 当产品批量大时才有回报，一般的小规模设计不敢轻 易尝试 。而采用的ＩＳＰ技术，是把通过原理图或硬 件描述语言产生的ＪＥＤＥＣ文件下载到可编程器件中 去，在系统的特性使得系统板上的器件不用插拔就可 １ ＩＳＰ技术是ＥＤＡ的重要组成部分 从广义上的来说，ＥＤＡ包括计算机辅助分析技术 （如ＰＳＰＩＣＥ、ＥＷＢ、ＭＡＴＬＡＢ等），印刷电路板计算机 反复修改逻辑功能，避免了机械损伤。 同传统的电子产品设计方法相比较，ＩＳＰ具有很 多优点 ，如表１。 表１传统设计方法与ＩＳＰ设计方法比较 传统设计方法 手工设计 软硬件分离 ＩＳＰ设计方法 自动设计 硬件没计软件 辅助设计技术（如ｐｒｏｔｅｌ、ｏｒＣＡＤ等），但是它们不具备 逻辑综合和逻辑适配的功能，要说真正意义上的设计 自动化，要数以大规模可编程逻辑器件为设计载体的 ＩＳＰ（Ｉｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｇｒａｍ，在系统可编程）技术。 收稿日期：２００７—０４一１０ 原理图方式 系统功能固定 原理图、硬件描述语言 系统功能可变 不易仿真 难于测试修改 设计周期长 模块难移植 易仿真 易测试修改 设汁周期短 作者简介：杨敏（１９７９一），女，江西人，讲师，专长：ＥＤＡ设计和开 发。Ｔｅｌ：１ ３７６４０８３０８６；Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｍｉｎ＠ｓｈｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 没计标准化，可移植共享 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 杨敏：改进实验，加强ＥＤＡ教学 传统的设计方法更多的依赖于设计者的知识和经 验，把大量的分立元件集成到电路板上并使之协调工 作，这是“基于电路板”的方法。而现代设计是“基于 芯片”的方法，加上设计工具——硬件描述语言 ＶＨＤＬ、ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ已成为国际标准，设计过程与工艺 无关，设计者只要具有一定的电子电路基础和计算机 运用能力，即可运用软件设计出电路逻辑，这也是ＩＳＰ 成为２ｌ世纪电子设计的主要技术方向的原因之一。 ２ ＩＳＰ教学的现状 ＩＳＰ技术在整个现代电子设计领域中起到越来越 突出的作用，就业市场也开始有更多的公司专门招收 懂得可编程逻辑器件开发的人员。这种现象引起了高 校的重视，目前国内已有近百所大学电子类本科生和 研究生的教学计划里都引入该内容，有些还建立了专 门的ＩＳＰ或ＥＤＡ实验室 。 我系“ＩＳＰ技术及应用”从给２００１级首次开设以 来，已经教过多届学生，从教材到实验设备及教学内容 都做了很多调整，达到目前较为稳定的教学模式。ＩＳＰ 方面出版的书籍虽多，但可作为教材的少，经典的教材 则少之又少，且各个作者论述的重点不一，因此，经教 师的筛选和组织，在现用教材的基础上补充了很多内 容，基本上能够覆盖到可编程逻辑器件和在系统可编 程技术发展的理论知识。 授课内容分成３个模块。第１个模块是ＥＤＡ技 术导论，讲解ＥＤＡ技术的发展历程，从ＡＳＩＣ（专用集 成电路）到可编程器件的过渡，可编程器件（包括 ＰＡＬ、ＧＡＬ、ＣＰＬＤ、ＦＰＧＡ）的分类及技术特点，以及目前 可编程器件的３大公司Ｘｉｌｉｎｘ、Ａｌｔｅｒａ和Ｌａｔｔｉｃｅ公司生 产的主流产品结构分析。尽管ＩＳＰ的设计与器件无 关、与工艺无关，就算是不懂硬件也可以通过画原理图 及硬件描述语言编程设计出一些逻辑，但是学生熟悉 了器件结构之后，能够更加了解统计型和确定型器件 的区别，理解各类仿真时输出延迟的实际涵义，逻辑验 证之后的自动布局布线会显示出一些内部逻辑功能块 的使用情况，也需要器件的基础知识才能看懂。 第２个模块是ＶＨＤＬ硬件描述语言的学习。相对 于传统电路，可编程逻辑器件可以有多种输入方式：原 理图、硬件描述语言及其组合方式。采用编程语言虽 然不具备图形直观的特点，但能形式化地抽象表示电 路的结构和行为，支持逻辑设计中层次与领域的描述， 既能从门级来描述简单逻辑功能，也能完成系统级的 设计。通常一个ｌ０万门以上的电路系统，单纯依靠原 理图是很难完成的，大型设计采用原理图与硬件描述 语言相结合的方法，会收到事半功倍的效果。 硬件描述语言主要有ＶＨＤＬ和Ｖｅｒｉｌｏｇ，均已成为 了ＩＥＥＥ标准。这两种语言语法上各具特色，但只要 学会一种即可满足设计数字电路系统的要求，高校里 多选用ＶＨＤＬ。硬件描述语言的学习是应用的一个重 要部分，但不需要过分的耗时耗力，因为学生们都有了 Ｃ语言的基础，只需要讲清楚两种语言的区别，而要强 调硬件描述语言中描述硬件特色的语句 。 第３个模块是软件环境的熟悉和硬件的使用。经 过前面系统化的理论学习，开始进入到实践阶段，实现 电子系统设计输入、编译、前仿真、下载和后仿真的一 条龙。 教学软件主要使用的是Ａｌｔｅｒａ公司的Ｍａｘ＋ ｐｌｕｓｌＩ，其易学易用的特性对于刚接触ＩＳＰ的学生来说 比较合适，也是很多学校的首选。可编程芯片采用 ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４．１５，这是Ａｌｔｅｒａ公司早期的产品，可用 门数为２ ５００门，计数器的工作频率可达１７８．６ ＭＨｚ， 可编程擦除１００次，足够用于大部分的基础教学实验， 但用于毕业设计或一些复杂的系统设计时，可能会出 现资源不足的情况，因此另外配备了Ａｈｅｒａ公司的ｃｙ— ｃｌｏｎｅＩＩ芯片作为辅助设备。 ３ ＩＳＰ实践性教学改革的构想 “ＩＳＰ技术及应用”是一门实践性很强的技术课 程，在实验课程体系的总体规划上应遵循：既要培养学 生分析问题和解决问题的能力，又要重视培养其思维 能力和创新能力 。 在开设ＩＳＰ课程的时候，根据课时量以及所学内 容的要求，实验数目较少，主要包括用原理图方式设计 一个基本电路、用ＶＨＤＬ语言设计组合逻辑和时序逻 辑电路，通过ＪＴＡＧ接口下载电路板。从历届学生的 实验情况来看，基本上能够满足对软硬件系统的熟悉 要求。但是从“因材施教”的角度看，有的学生希望学 好这门技术出去找工作，有的学生只是了解基本知识， 针对不同程度的学生需求，有必要扩展实验内容，挖掘 实验深度，分层次地设置实验教学 。 经过一段时间的调研和摸索，也学习了其他高校 的经验，考虑将ＩＳＰ的教学实验分为３个层次：基础性 实验、提高性实验和综合性实验。其中的每个层次均 给出若干选题，基础性实验要求每位同学必须完成，提 高性实验要求完成至少３个选题，而综合性实验应根 据自己的兴趣选择一个完成。 基础性实验内容有编码器、译码器、移位寄存器、 分频器、触发器、计数器的设计。通过这些实验可以掌 握ＥＤＡ软件的使用方法，用图形或硬件描述语言方式 设计电路，并进行电路下载。 提高性实验的内容有计数器在７段数码管的上显 示、在点阵上显示构造的图形、简单的方波／三角波发 生电路、多个数码管的循环显示、双路彩灯花样显示、 使用模拟电压的数字转换等。这类实验需要在可编程 维普资讯 http://www.cqvip.com 实 验 室 研 究 与 探 索 第２７卷 逻辑器件上接上少量的外围电路，学生必须通过编写 两个或以上的ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ才能够完成电路要求，在实 验的过程当中可以初步体验到数字系统的设计感觉， 掌握一些基本外围电路的特点。 反映了中小规模数字集成电路向超大规模集成电路发 展的过程，所使用的软件Ｍａｘ＋ｐｌｕｓｌＩ也可在“数字电 子技术”教学中起到很好的辅助作用 。因此，ＩＳＰ技 术作为ＥＤＡ教学的一项重要内容已经在高校里越来 越普及，它可以为学生课程设计、创新实验和电子设计 竞赛提供有力的支持。作为一门实用技术，讲究的是 动手能力，只有多做才能领会更多的技巧，因此，在课 程建设的过程当中，实验教学应作为重头戏，而实验的 综合性实验的内容可以从综合设计手册或各种电 子竞赛试题中选，如数字电压表、交通灯控制器、汉字 的点阵显示、多功能数字时钟、抢答器或微波炉控制器 等，也可以根据学生的兴趣选择其他合适的题目。这 些实验必须用到不止一个外围电路，而且使用的电路 和控制逻辑都比较复杂，通常不可能由一个简单的程 序来完成，通过教师的引导，学生可以采用原理图和硬 层次化、内容的多样化是绝对有必要的。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］ 丁永军，兰才会，张晶晶．ＥＤＡ技术与开启ＥＤＡ教学［Ｊ］．甘肃高 师学报，２００６（２）：７１－７２ 件语言相结合的方式来完成整个设计，熟悉系统设计 的流程，体验“自顶向下”的现代电子设计方法 。这 类题目中的部分内容已在提高性实验中分解进行过， ［２］ 董秀芬．ＥＤＡ技术在高校实践性教学中的综合应用［Ｊ］扬州职 业大学学报，２００４（８）：５４—５６ ［３］ 方 １三，谢丽春ＥＤＡ设计性实验课教学研究——数字钟的设计 不会产生太大的跨度，设计过程有利于学生综合知识 的考评和综合能力的运用。 这３个层次实验是一个由浅入深、由简入繁的过 ［Ｊ］．曲靖师范学院学报，２００５（６）：９６—９９． ［４］ 张咏梅．基于ＥＤＡ技术的数字逻辑电路层次化实验教学的研究 程，一步步引导学生从简单电路到系统设计，从单纯的 ［Ｊ］．实验技术与管理，２００５，２２（７）：７４－７６． 编制程序到软硬件结合（软件设计硬件仿真）保证电 路系统功能的准确性。实验内容很多，实验课时却不 ［５］ 团雷鸣．开展ＩＳＰ教学与实践，改革数字电路实验方法［Ｊ］．电气 电子教学学报，１９９９（２）：７５—７９． ［６］ 颜涵．ＥＤＡ仿真与数字逻辑设计实验技术［Ｊ］．软件导刊，２００６ 能保证，需要学生在课余时间做好准备工作。尤其是 综合性实验，既要检索相关资料，也要在实验室多做编 程和下载，所需工作量与课程设计无异，如果没有一个 开放式实验室的条件则很难做到。 （８）：５１—５２． ［７］ 戴丽萍．ＥＤＡ在“数字电子技术”课程教学中的应用［Ｊ］．高教论 坛．２００６（６）：９２—９３． ［８］ 崔 刚，陈文楷，徐萍萍，等．ＥＤＡ技术课程教学经验淡［Ｊ］华东 航天工业学院学报，２００６（７）：７６．７７． ４ 结 语 ＩＳＰ技术是“数字电子技术”课程的延续，其内容 －［９］ 姜田华．基于ＥＤＡ软件ｉｓｐＬＥＶＥＲ的现代数字系统设计［Ｊ］．实验 室研究与探索，２００４，２３（６）：１７．１９ ｔ： ： 。， ０气 ≯二 ： ‘ ｔ： ： ｛：气 ｛：■； ， ｔ’ ０ ｉ℃气 （上接第１０３页） 品得到了充分利用，节省了实验成本，更主要地促使学 牛认认真真地做好每一个实验，同时培养了学生勤俭 ＿节约的良好实验品德。 环境，具有重要的实际意义。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］ 强根荣，金红卫，范 铮，等苯甲醇与苯甲酸制备实验的改进 ４ 结 论 通过对传统基础有机化学实验教学内容的改革， 深刻地休会到：①在保证基本操作技能训练的前提 ｌ Ｊ］．实验室研究与探索，２００３，２２（４）：ＩＯ０一１０１． ［２］ 强根荣，孙莉，乇海滨．改进有机化学传统实验的实践［Ｊ］．实 验室研究与探索，２００５，２４（Ｉ ２）：８７＿８８． ［３］ 吴赛苏Ｐｅｒｋｉｎ反应合成肉桂酸工艺的改进［Ｊ］．化学世界．２００２ 下，让学生根据自身的能力选择实验方案，并进行交流 研究，有利于学生实验兴趣的提高；②让低年级学生 根据实验的要求先查阅文献、设计实验方案，实验过程 中考察不同的实验条件对实验结果的影响，有利于学 （１１）：５９９－６００．５９４． ［４］ 张海军，施磊，陈建村Ｐｅｒｋｉｎ法合成肉桂酸的研究［Ｊ］精细 石油化工进展．２００６．７（４）：４２－４５． ［５］ 于丽颖，李占英，王 冰．合成实验肉桂酸的改进［Ｊ］．天津化 工，２００５，１９（６）：２７－２８ 生综合素质的提高和科学研究方法的初步形成；③由 于研究型实验方案和内容的不确定性，在实验中又会 ［６］ 张海军，施 磊，吴东辉．微波辐射下Ｐｅｒｋｉｎ反应合成肉桂酸 Ｊ］．天津化工，２００３，１７（６）：２９ ３０，４２． 出现许多新问题，这就要求实验指导教师不断拓展和 延伸本学科的知识，不断地掌握和了解新的实验手段， 提高自身的素质；④在注重环保、全面建设“节约型” ［７］ 杨新宇，陈大茴，王建光．在离子液体中利用Ｐｅｒｋｉｎ反应合成肉 桂酸［Ｊ］．化学研究与应用，２００６，１８（９）：１ １ ３５．１ １ ３６ ［８］ 周金梅，林敏，徐炳渠，等．推荐一个基础有机化学新实验一微 波辐射合成肉桂酸酯［Ｊ］．大学化学，２００５，２０（３）：４３４６． ［９］ 李德江，龙德清，付和清．肉桂酸苄酯的合成［Ｊ］．合成化学， ２００４，１２（４）：３７８．３８Ｏ． 社会的时代，使化学教学实验系列化，开设“节约型” 实验，减少实验废弃物，既节省了实验成本，又保护了
