数字电路设计知识范文

导语：如何才能写好一篇数字电路设计知识，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词:项目教学;数字电路;课程设置;教学实例

项目教学是将某门专业课程按类别分为若干知识和技能单元,每个知识和技能单元作为一个教学项目,每个教学项目都以应用该项知识和技能完成一个具体的项目任务作为目标,所以,项目教学是将理论与实践融于一体的教学模式。把理论知识和实践知识较好的融于到具体项目是搞好项目教学的关键,所以,数字电路课程结构必须按照项目教学模式来重新设置,本文结合作者项目教学实践经验和研究工作对基于项目教学模式的数字电路课程设置进行浅显探讨。

一、课程的性质与作用

《数字电路》是高等职业院校电子信息专业、通信专业等电类专业的一门核心职业技术基础课,是实践性较强的课程。

本课程主要针对企业生产第一线产品装配、调试、检验、维修、生产管理等岗位。通过基于工作任务的项目式教学,培养学生的逻辑电路分析能力、逻辑电路设计能力(即用中小规模集成电路设计具有一定功能的逻辑电路,而不是设计一个编码器、译码器、计数器等)、常用仪器仪表使用能力(如双踪示波器、稳压电源、信号源、计数器、频率计、万用表等仪器仪表使用能力)、逻辑电路制作能力、故障排除能力、仿真工具使用能力、自学能力、设计报告编写能力及职业素质养成,本课程培养的核心能力是逻辑电路分析能力、逻辑电路设计能力。

二、课程结构整体设计

课程教学设计的理念:以项目教学开展课程教学;实现理论实践一体化教学;以职业能力培养为主线,以应用为目的。依据此理念设计出的课程教学内容体系如图1所示。

项目实验包括单元实验、仿真实验、设计实验3个方面。“单元实验”训练常用电子仪器的使用方法和数字电路的基本测试方法,它所涉及的内容与课堂教学内容紧密相关,充分体现课程的实践性。“仿真实验”主要利用EWB平台进行实验,使学生掌握仿真工具的使用方法,并能利用仿真工具对一些设计实验、项目实训内容进行仿真。“设计实验”是通过常用的数字集成电路实现简单功能的逻辑电路。

项目实训采用EWB仿真设计+实物制作相结合的手段,项目实训内容主要利用中小规模集成电路实现具有一定功能的数字系统。在项目实训中鼓励学生将课外科技活动、数字电路制作大赛纳入教学活动中来,课内外学习相互结合,使学生视野开阔、能力增强。

理论教学与实践教学时间比例为1∶1;并安排2周课程设计进行综合实践训练。

(一)项目设计的思路

项目设计的思路:设计的项目应覆盖整个工作领域和承载这个工作领域所需要的知识和技能;项目结构划分应体现工作体系的特征;在以项目划分为线索进行工作分析的基础上,合理设计项目结构。

项目内容设计具体原则:项目应覆盖知识点和技能要求;知识点的内容应最大限度地融于项目教学之中;项目大小要根据学习内容进度和要求来确定;项目内容设计要考虑教学组织的可行性和合理性。

(二)课程教学实施思路

课程教学实施思路:理论教学主要结合在项目实验、项目实训中进行教学。

课程的教学以项目作为核心实例带动知识点讲授,以工作任务完成过程为主线选择和组织课程内容,以完成工作任务为主要学习方式,每一个项目分解为若干个工作任务,通过每一个工作任务使学生掌握必要的理论知识和技能。大部分内容教学实施在实验室中进行理论实践一体化教学,可先分析再实践,或先实践再分析理论知识,或随讲随练,讲练结合,工学交替,理论教学与实践教学同步进行。教学实施过程中突出“以职业能力培养为主线,以应用为目的”原则,重点加强对学生实践能力的培养,通过对项目设计制作训练,培养学生综合应用知识的能力。

(三)实践教学的4个层面

本课程教学模式是基于工作过程的项目式教学,借助这种教学模式和项目实验、项目实训、课程设计3个实践平台,构建了由基础训练、应用训练、创新训练和综合训练组成的“四个层面”的实践教学体系,为学生实践能力培养提供强有力保障,能使学习者在实践活动中主动学习和有效应用知识,极大提高教学效果和学生职业能力培养的效率。

三、教学内容的选取与规划

(一)教学内容选取依据

教学内容要集中体现课程教学目标,内容的选取应该以企业对岗位知识能力要求和学生适应岗位变化的可持续发展能力要求为依据。这就要求数字电路课程组的教师经常到企业进行知识和能力要求的调研,对企业所要求的知识点和能力进行分析,根据调研结果及时调整教学内容,使数字电路的内容符合行业企业发展的需要。另外,教学内容的选取还要考虑能较好地解决“基础知识、技能与学生适应岗位变化的可持续发展能力”的关系,“基础知识与应用能力”的关系,“理论与实践”的融合关系、比例关系等关系,使《数字电路》课程内容体系具有高等职业教育的针对性,适应电子信息职业岗位能力的培养。

(二)教学内容具体规划

1、理论教学内容。必修模块:数字电路基础,逻辑门电路,组合逻辑电路,触发器,时序逻辑电路,脉冲电路;选修模块:半导体存储器与可编程器件,数/模转换与模/数转换;拓展模块:MAX+PLUSII软件操作训练,用VHDL语言设计功能模块(拓展模块不纳入正常教学,利用课余时间结合数字电路设计制作竞赛开展教学,满足部分学生需求)。

2、项目实训内容。项目实训内容体系如图2所示,具体实训内容:加法计算器的设计与制作包括逻辑门电路功能的测试和加法计算器的设计两个项目。涉及相关知识:与、或、非逻辑运算,复合逻辑运算,TTL门电路,OC门,三态门,TTL门电路、CMOS门电路的分类及其比较,TTL与CMOS数字集成电路的使用规则,逻辑代数的基本定律及规则,组合逻辑电路的描述,组合逻辑电路的分析,最小项与最大项,常用数制与BCD码;逻辑函数的化简,组合电路设计方法,数字信号与模拟信号,组合逻辑电路中的竞争-冒险现象。抢答器的设计与制作包括译码器功能的测试、编码器功能的测试、锁存器功能的测试和抢答器电路设计等4个项目。涉及相关知识:LED显示器,显示译码器,译码器,使用变量译码器实现组合逻辑函数;编码器,二进制优先编码器功能扩展;D 锁存器;抢答器的组成框图(包括编码器、译码器、锁存器)。计数器的设计与制作包括触发器逻辑功能测试、简单计数器逻辑功能测试、集成计数器功能测试和计数器的设计与调试等4个项目。涉及相关知识:基本RS触发器,同步触发器,边沿D触发器,边沿JK触发器;时序逻辑电路的组成,计数器的类型,计数器的分频功能,同步时序电路分析;集成四位二进制加法计数器 74LS161,集成四位二进制同步加法计数器 74LS163,集成异步十进制计数器74LS290,可逆计数器74193;计数器模数的变化,振荡器。数字钟的设计与制作完成有一定功能数字钟(能显示小时分钟基本功能)设计制作,这一个项目是对前面所有相关知识的综合运用和检验。

四、教学组织与实施

教学组织与实施的思路:教学内容结构以项目和案例作为单元展开教学内容,教学组织形式采取实际操作与讲解相结合,单元学习时间为4课时;教学过程中正确处理知识学习与工作任务的关系,做到知识学习为完成任务服务,知识学习为技能形成服务;最后,学生通过学习获得报告、图纸、工艺文件、作品等学习成果。

项目的具体组织实施过程中,重点考虑如何通过设计恰当的工作任务引入相关理论知识。例如通过“三人表决电路设计”、“简单加法计算电路设计”两项工作任务,引入组合电路设计方法、逻辑函数化简方法等知识点;通过这两个任务,学生容易理解化简后结果尽可能用相同芯片去实现它,因此“与或式”结果不如“与非与非式”,“与或式”就意味着要用与门和或门,再简单的逻辑函数至少要两个芯片,“与非与非式”只用与非门,如果逻辑函数不复杂,一个芯片可解决问题。又如通过“用74160及简单门电路构成八进制计数器(0-7)”和“数字钟中分钟指示电路设计与调试”两个工作任务,引入N进制计数器的构成方法:串接法(即级联法)、复 位法、置数法。

五、教材编写与选择

项目式教学教材选用应该是以主、辅两本教材结合使用的选用原则。为了保证项目教学的顺利实施,应该以自编校本教材为主教材,选择理论知识顺序与校本教材基本一致的规划教材为辅助教材。校本教材在章节顺序上,以项目和工作任务为主线来编排内容顺序,兼顾学生的认知规律,并将知识和能力有机地融入到完成工作任务的具体过程中;在内容编排上,按先基本逻辑电路后逻辑部件、先单元电路后系统电路、先数字电路后脉冲电路的原则编排,实践与理论在内容上相互充实、相互补充,边学边做。

采用两本教材的目的是满足部分自学能力较强学生扩展知识的需要,对一些内部电路的分析、原理的分析,自学能力较强学生可通过自学获得知识,培养学生的自学能力。

六、项目教学实例

以“智力竞赛抢答器的设计”这一项目为例说明项目教学的具体实施过程。这个项目的实施过程包括4个阶段:

第一阶段:任务布置。第一步是教师布置工作任务,讲解必要的相关知识,如原理框图;第二步是分小组讨论,按强弱搭配原则分小组讨论,教师参与学生的讨论,提出要解决的关键问题,即如何实现数码管显示与按键数字相对应的数码,如何实现闭锁功能,学生展开对这两个问题的讨论,教师逐步启发学生,得到解决问题的基本方法。

第二阶段:仿真设计。第一步是利用仿真平台在仿真实验室中进行仿真设计,搭接电路并激活仿真软件,查看所设计的电路能否实现工作任务所要求的技术指标;第二步是教师对学生仿真设计结果进行考核。

第三阶段:电路制作。第一步是学生在面包板上搭接电路,自行排除故障;第二步是分小组进行答辩并考核。

第四阶段:教师总结。可挑选1-2个电路进行演示,并讲解工作原理。

通过本项目的学习,学生不仅掌握了锁存器、编码器、显示译码器的原理,动手能力得到了很大提高,电路制作的速度、排除故障能力明显提高。整个项目教学体现了课程整体设计的理念,应用了计算机仿真、实验室制作教学手段,采用了项目教学式、小组讨论式、启发式等教学方法。

随着数字技术的不断发展,数字电路的教学内容和模式应不断的改革,这就要求数字电路课程组老师在总结经验的基础上大胆创新,做到与时俱进,并在今后的教学过程中还要不断深入研究和探索。

参考文献:

1、李珈.数字电路课程教学改革的实践[J].职业教育研究,2008(6).

2、侯国相.项目教学法在数字电路课程教学中的实践[J].辽宁教育行政学院学报,2008(8).

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关键词：计算机；高速数字电路；设计技术

对于高速数字电路来说，其主要指的就是高速变化的信号在传播过程中产生的电熔、电感等具备着一定模拟特性的电路，实现计算机高速数字电路的建设，不单单需要对先进的电子技术进行应用，还需要结合现代化的计算机软件技术进行完善，进而实现对计算机高速数字电路每一部分的参数的优化和调整，进而保证计算机高速数字电路系统能够正常稳定的运行，达到一定的运行标准。在对计算机高速数字电路进行设计时，需要做的是在设计过程中对各部分的元器件进行合理的搭配，不然将会对电路元器件、电路信号等正常运行与传输产生不良的影响。

1计算机高速数字电路设计技术的影响因素

对于高速数字电路的设计来说，其是否能够成功主要“决定权”在于信号的质量,也就是高速数字电路信号完整程度的保持,假如对高速数字电路信号完整程度无法保持,在信号的传输过程当中，就会发生信号缺失，进而产生信号失真的现象，一旦这种现象发生，对于数据信息、地址等方面都会产生十分不良的影响，令整体的高速数字电路系统无法保持正常运行,甚至会造成整体系统的崩溃。而影响信号质量的因素并不单一,其是由多种因素所共同影响，然而,在对信号的完整性影响因素进行分析时，可以发现，其主要能分为以下几点:第一点，在整体的计算机高速数字电路系统中，在信号传输线位置的阻抗存在着差异，无法进行正常的匹配,进而能够出现“反射噪声”的现象,对于的信号完整性而言，能够对其产生一定的影响作用[1]。第二点，在整体的计算机高速数字电路系统中，信号线与信号线之间的距离受到电路密集度的影响，一旦电路密集度不断的进行增大，信号线之间的距离将会越来越狭小,这就致使信号与信号之间的电磁藕合参数呈现出上升的趋势,如果不进行及时的处理,就会导致信号间出现“串扰现象”，进而影响到信号的质量[2]。第三点，在整体的计算机高速数字电路系统中，在芯片内存在着大量的电路，这些电路在同时输出的过程中,会受到在电源平面间存在着的电阻以及电阻的作用,进而产生较大的“瞬态电流”,这种“瞬态电流”产生后，会对地线、电源线上的存在着的电压造成一定程度的不良影响,因此导致信号的发生一些波动和变化。总的来说,对计算机高速数字电路进行科学合理的设计,降低或者是排除以上三方面因素对信号质量的不良影响,进而达到促进计算机高速数字电路信号完整性的提高,在现代化的计算机高速数字电路的设计过程当中，是首先需要解决的问题,只有这样才能够保证计算机高速数字电路设计的成功性。

2计算机高速数字电路设计技术问题的解决对策

2.1阻抗问题的解决策略

为了避免信号传输线位置的阻抗存在着差异造成的信号受到影响的情况发生，首先需要对先进的计算机高速数字电路设计技术理念进行学习和研究，在正常情况下，计算机高速数字电路设计过程中，很难令电路中存在着的临街阻抗相互之间契合，因此，可以采用对计算机高速数字电路设计技术进行创新和完善的办法，令电路系统一直都保持过阻抗的状态，只有这样才能够在一定程度上保证计算机高速数字电路的信号传播过程中，信号的完整性不会受到阻抗差异的影响，进而获得更好的计算机高速数字电路信息传输效率[3]。

2.2串扰现象的解决策略

在对计算机高速数字电路进行设计时，对于“串扰现象”需要进行合理地解决。参照信号传播的基本理论,可以发现，在电路中，电流的流动趋势属于循环流动,对于这一现象而言，数字电路设计工作人员往往并不在意。在传播信号的路径和回路形成了电流环路,电感在这样中的回路随着路径的逐渐增大，电感也逐渐变大,同时，电流环路中存在着的电流也会根据电磁场的变化产生一定程度的改变。在对这样的电流环路展开“减小处理”,能够降低“串扰现象”带来的影响[4]。

2.3瞬态电流的解决策略

在对计算机高速数字电路进行设计的过程中,要对电源的电阻因素以及电感因素进行充分的考虑,实现对电阻因素以及电感因素的预先处理。在现阶段的电路系统中，通常情况下电路材料都是铜质材料,这种铜质材料远远对高速数字电路设计的要求和标准无法进行满足,所以，在高速数字电路进行设计的过程当中，还要对电路材料方面影响因素进行解决,使用更为合理的电路材料对去藕电容进行引导，将其引导进入整个高速数字电路中，能够在一定程度上降低“瞬态电流”的发生频率。

3结语

综上所述，在社会不断的发展的过当中，对于电子技术来说，也带来了一定的发展契机，令其发展速度也得以提升，计算机高速数字电路设计技术就是在这样的发展前提下得到了不断地完善及进步，是对先进的电子技术概念理论进行应用，进而达到的设计标准，为一些行业的整体发展能够起到一定的促进作用。通过对计算机高速数字电路设计技术进行研究和分析，结合相关的文献资料以及专业性知识，对计算机高速数字电路技术进行进一步研究，能够在一定程度上加快计算机高速数字电路技术的发展进程，进而在更多的行业当中得到更好的应用。

作者:黄一曦 单位:广西理工职业技术学校

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关键词：数字电路设计 常见问题 注意事项

中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（a）-00-02

随着科学技术的飞速发展，新的电子产品和器件层出不穷，21世纪显然已经成为了信息化和数字化的时代。数字地球、数字商场、数字化生存、数字服务等概念早就成为人们生活中屡见不鲜的名词，当前人们日常交往中的很多方面都与数字联系得越来越紧密，比如每一个人的QQ号、身份证号、手机号、IP地址等等都在广泛的数字化。数字已经不再是传统意义上的1、2、3、5…，它们已经成为了区分标示和进行社会管理的重要载体。现在和今后，我们的生活都在进一步进行数字符号化，我们需要的资料和存储的信息都会用这些简单的数字传递复杂的内容，这一系列看似简单的数字承载了我们学习、工作和生活中的很多方面。这些任务的承担都必须以数字电路为根本进行数据信息的采集、分析、区分和处理，从而转化成影响着我们现实社会的数字电路信息符号。现在，数字电路已经十分广泛的深入到社会中的各个领域。近年来，科学技术的突飞猛进引发了很多行业深刻的变革和翻天覆地的变化，数字信息行业在很多方面都处在科学技术发展的前端，其中显而易见的是数字电子科学技术，在科学大发展大繁荣的浪潮中，数字电子科学技术得到狂飙式的发展，当前毫无疑问已经成为了发展最快和影响力最大的学科之一。数字逻辑器件从20世纪60年代以小规模集成电路为主发展到当前的中、大规模集成电路，甚至是超大规模的集成电路。数字逻辑器件的不断发展和应用更新，势必会推动着整个数字电路的继续前进。

1 数字电路的噪讯干扰处理

在数字电路中我们会经常采用布尔代数的数学方法，用来描述事件之间相互的逻辑关系。和一般普通代数层面中的变量不一样，逻辑变量则是用来描述逻辑关系中的二值变量，即用1和0这两个值来表示对立的逻辑状态。数字电路依照0和1的稳定情况来作为运算基础，所以这其中就会存在噪讯界限。相对于模拟电路而言，数字电路有着非常强大的噪讯。数字电路中，数字信号因为与电流变化中磁数变化的诱导电压的影响，电流变化就会在某个地方形成了噪讯的产生地，这又与电路长度、回路的面积息息相关。数字信号转变时会带来过渡性的电路，进而带动导体产生噪讯电压，再加上噪讯电流的流动会容易造成数字电路的误动作。电路的阻抗越高受到外部噪讯干扰就越容易，对抗噪讯的干扰除了控制噪讯电压以外，还应该加大结合阻抗，同时减少输入阻抗。数字IC中如果空端子表现出open的状态就会使阻抗变高，这进而又会导致数字电路极容易受到噪讯的误动作干扰。所以，数字IC的空端子需要连接电阻与电源。多层板信号线的阻抗，因为导线系设在背景的表面上，所以也可以减低阻抗的效果。

2 数字技术与模拟技术的融合

因为LSI和IC本身的高速化，为了能够使机器能够同时达到正常运行的目标，所以这就难免会使得技术的竞争越来越激烈。尽管系统构成的电路不一定有clock的设计，但是毋庸置疑的是系统是否可靠必须要考量到选用电子组件、电路设计和成本、封装技术、防止噪讯产生、防止噪讯外漏等综合因素上。数字或模拟电路的极其小型化、多功能化、高速化会使得小功率信号与大功率信号、低输出阻抗与高输出阻抗、小电流与大电流等问题常常会在同一个密封密度的电路板中出现，设计人员置身于这样的环境就将面对如此高难度和富有设计思维的挑战。比如，十分稳定的电路和吵杂的电路相依时，一旦没有把噪讯侵入到十分稳定的电路对策看做成设计的重点，那么事后尽管进行很多次设计也将难免会陷入无解的局面。又如，假设将小型的模拟信号增幅后，利用10bitA/D的数字转换器转换成数字信号，但是就因为分割辐宽是4.9 mV，但是要把该电压的level正确的读取出来就不会是一件容易的事情，很多事情就会使得超过10bit的A/D转换器陷入了不能正常顺利运行的困境。

3 数字集成电路的选择

基本门电路是由简单的分离元件构成，虽然设计起来比较容易简单，但是运行和反映的速度很多时候相对较慢，负载承受的能力也较差，电气的性能也有待进一步提高。目前使用得最为广泛则是数字集成电路。其优点是：体积较分立元件设备小几百倍；抗干扰能力强；故障率和功耗率都很低，输出电阻低；输出特性好；稳定性强。数字集成电路中又以是CMOS和TTL系列电路这两种为主。CMOS系列器件的工作电压在3～18 V之间，TTL系列的工作电压是5 V，所以CMOS电路的工作范围相对较广，其噪声的容限也较大，所需要消耗的功率相对较低。尽管CMOS的电路输入端进行了保护电路的设置，但是因为限流电阻的尺寸有限和保护二极管，这就会难免使得其承受的脉冲功率和静电电压受到限制。CMOS电路在运输、组装和调试中因为不可避免的会接触到静电和高压的物件，所以要保护好输入的静电。此外，CMOS还会产生电路锁定效应，为了安全和方便的使用，人们一直在致力于从设计和制造上排除锁定效应的研究。因为，集成电路的要求都比较高，需要先进行芯片的设计和程序的编制，但是更多的时候在使用现成数字电路中进行了简单的分析，这是非常不够的。专用的集成电路是一种新型的逻辑器件，因为其具有灵活性和通用性的特点，所以成为了对数字系统进行设计和研制的首选器件。总的来说，数字电路在今后的发展中还有广阔的空间，但是其基础知识不会发生改变，如何进行进一步的改进，这就迫切需要新型的数字人才去发现并改进当中不大完善的地方，完善和弥补电路中的每一个缺点和不足，使得当中各个部分和环节都能发挥最大的作用。

4 数字电路系统设计

数字电路设计是从原理方案出发，把整个系统按照一定的标准和要求划分成若干个单元电路，将各个单元电路间的连接方式和时序关系确定下来，在这个前提下进行数字电路系统的实验，最终完成总体电路。数字系统结构由时基电路、控制电路、子系统、输出电路、输入电路五部分构成，当中数字系统的核心是控制系统。数字电路系统的设计有分析系统要求、设计子系统、系统组装和系统安装调试等步骤组成。数字电路系统的设计也不是一次两次就能完成，需要设计人员进行反复的调试和探究，通过自上而下的设计方法和自下而上的设计方法进行数字系统的设计，依托RTL传输语言等常用工具完成。数字电路系统设计包含了很多问题，比如，电路的简化可能会使得电路性能降低，但是电路性能指标提升难免会以牺牲电路简化为条件。所以，数字电路系统的设计过程有很多因素需要考虑和兼顾。

5 数字电路的抗干扰措施

在利用TTL或CMOS这两种逻辑门电路作为具体的对象进行设计时，还需要注意到下面几个问题。

5.1 多余端的处理

数字集成逻辑门电路在正常的使用时是不允许多余端悬空的，不然就极有可能十分容易的把干扰信号引入到数字电路中。所以，在数字电路的设计中，针对多余端的处理，我们则是按照不改变数字电路的正常工作状态以及确保其性能稳定和可靠为基本原则。

5.2 去耦合滤波器

数字电路一般都是由多数片逻辑门电路组成，他们供电则来自于公共的直流电源。所以，这种电源并不是很理想的，很多时候是依靠整流稳压的电路进行供电，所以也会存在一定程度的内阻抗。数字电路正在处于运行时，就会产生很大的尖峰电流或者是脉冲电流，这些电流流经到电路的公共内阻抗时，必然相互间会产生一定的影响，情况严重时会使得数字电路的逻辑功能发生混乱，甚至是陷入崩溃状态。所以数字电路在设计中针对这一情况的处理办法一般都会使用耦合滤波器去应对，常常会使用10～100 μF范围之内的大电容器和直流电源再联合去滤除多余的频率成分。值得注意的是，还需要将每一集成芯片的电源与地之间接一个0.1 μF的电容器，用来滤除掉开关带来的噪声干扰。

5.3 接地和安装防范

科学的接地和安装工艺是数字电路设计中比较有效的措施。在实际操作中，可以把信号地和电源地分开出来，将信号地集中到一点，再把这两者用最短的导线相互连接起来，用来避免大电流流向其他器件的输入端，进而导致系统的逻辑功能失效。如果电路设计中同时有数字和模拟这两种器件，也需要将它们分开，再选择一个符合条件的共同点接地，皆宜消除相互之间的影响。当然也可以设计出数字和模拟两块电路板，分别给他们配上直流电源，再把两者合适的连接起来。在电路板的设计和安装中，也必须要注意尽量将连线缩短，这就能很大程度的减少接线电容带来的寄生振荡。

6 结语

数字处理技术和集成电路技术正在飞速的发展，数字电路也得到了越来越广泛的运用，像当前的数字电视、数字照相机等产品已经走进了广大人们生活当中，数字化已经成为了当前科学技术和社会发展的不可逆转的潮流。数字电路设计组成了诸如数字测量系统、数字通讯系统、数字控制系统等等。随着科学技术的不断进步，数字电路的设计带来的成果和发挥的影响力将会越来越受到重视。

参考文献

[1] 王华奎.电子电路设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

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针对硬件课程实践环节在提高学生解决实际问题能力上效果不理想、课程之间衔接不好等问题，基于CDIO工程教育理念，结合“try”教学方法，基于数字电路设计课程的实践环节，提出一种新的教学模式。

关键词：

CDIO；教学模式；实践环节；课程衔接

由麻省理工学院等4所大学创立的CDIO工程教育理念，是继承和发展欧美工程教育改革的一种新的教育理念。该理念包括12条标准，涵盖了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评。它以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式来学习工程的理论、技术与经验[1-2]。数字电路设计是计算机组成原理、接口与通信以及嵌入式类课程的先修课程。如果在数字电路设计的教学中没有考虑好与后续课程在理论教学与实践教学内容上的衔接，则容易导致学生在后继课程的学习中遇到困难[3]。

1数字电路设计课程实践环节的教学条件和教学现状

（1）社会对软件人才的需求量远大于对硬件人才的需求量，学生出于就业考虑，容易形成重软件轻硬件的观念。（2）硬件课程入门较难，实践环节大都是验证性的，缺乏探索性，不利于培养学生解决实际问题的能力，从而打击了学生学习硬件课程的积极性，导致学生形成“好软怕硬”的思想。（3）传统教学模式是教师课堂讲授，适当结合验证性实验，不能激发学生的学习积极性。学生学完理论、做完实验后，仍然缺乏解决实际问题的综合能力、工程实践能力及创新能力[4]。传统教学模式的弊端导致在与计算机组成原理等后继课程的衔接中，学生不能从系统的高度认识数字逻辑[3-5]。（4）计算机学院开设的数字电路设计和计算机组成原理等课程，采用同一套实验设备，在一定程度上能让学生的学习具有连续性。（5）自创的“try”教学方法可适用于数字电路设计课程及实践环节的教学[6-8]，但由于算机组成原理和数字电路设计两门课程的内容和要求不同，“try”教学方法在应用于后者时，应有所调整。

2数字电路设计课程实践环节改革方案

2.1实践环节的层次设计为了获得更好的教学效果，教师探索了各种方法，其中有案例法、项目驱动法、任务驱动法等[9-12]。从实验室建设、实验手法、课程整合等不同角度来提高实践环节质量[13-14]也能够有效提高教学效果。比较上述方法后，考虑与后续课程的衔接等因素，根据CDIO标准3、5、7的要求，结合自创的“try”教学方法，我们将数字电路设计课程的实践环节分成两个层次，从最简单的门级电路编程开始，难度由低到高、循序渐进，最终让学生完成源于实际案例的综合实验，初步具备实际工程能力。表1从实验项目设计、教学方法等7方面对基本实验和综合实验进行了对比。在教学中，学生学习的主要障碍不是掌握理论方法，而是缺乏理论知识和实践问题认知的沟通[11]。因此，我们在理论教材中选择15个知识点，设计成相关的任务和实验内容，如全加器、表决器等，采用“try”教学方法并结合任务驱动法，鼓励学生多动手多尝试，通过任务、查资料、仿真、实物验证、教师验收、撰写实验报告和总结这7个步骤完成对15个理论知识点的学习。为了进一步提高学生的实际工程能力，基于科研项目，贴近实际生活，我们编写了自动售货机、出租车计费器、电梯控制器等6个综合实验。实验采用分组方式，每组学生自行选择一个题目，在规定时间内完成该综合实验。综合实验的教学过程一般包括：教师项目及要求、学生分组并认领项目、组内分工、查资料、设计方案、论证可行性、学生在宿舍仿真、学生在实验室的硬件开发板上实物验证、教师验收、提交实验报告、实验答辩、成绩评定等13个环节。教师在项目要求的时候，只给出最基本的要求，学生在设计的过程中可以自行扩充，也就是说，同一个综合实验题目，其设计可繁可简，不同学生设计的电路可能会不一样。

2.2实践环节评价体系的构建根据CDIO标准11，构建了实践环节的评价体系。

2.2.1基本实验评价方法基本实验评价指标是：①时限；②工作量；③完成质量；④验收程序；⑤实验报告。其中①、②、④、⑤考核了学生的个人能力和表达能力，指标③、④、⑤考核了学生的专业知识、建造产品和系统的能力。对这5项指标加权平均得到该基本实验项目分数，如式1所示，其中Sj表示某个基本实验的得分，Ki表示某个考查指标的系数，Mi表示在某个考查指标上的得分。由15个基本实验的得分累加后除以15，得到基本实验项目的总得分，如式2所示，其中BS表示基本实验的总得分，Sj表示某一个基本实验的得分。

2.2.2综合实验评价方法综合实验评价指标是：①时限；②查资料的能力；③实验方案；④创新性；⑤设计说明书；⑥完成质量；⑦团队合作能力；⑧工作量；⑨验收；⑩实验报告；实验答辩。其中①、②、⑤、⑦、⑧、⑨、⑩、项考核了学生的个人自身能力、探究能力、团队合作能力和表达能力，指标③、④、⑤、⑥、⑨、⑩、考核了学生的专业知识、建造产品和系统的能力。修改式1可对这11项指标的得分加权平均，从而得到综合实验的分数。

2.2.3实践环节最终成绩评定办法及选优措施实践环节总评成绩由基本实验成绩和综合实验成绩两部分加权平均得到,从工作量及投入时间方面考虑，一般建议两者各占50%。综合实验结束后，根据学生在实践环节的学习情况和成绩，特别是综合实验中的表现，向各相关学科实验室推荐优秀本科生，使他们有机会加入科研项目组，参与教师的科研工作。

3实施效果及分析

为检验课改成果，我们设计了一套课程评价系统，包括一套具有反向题的学生调查问卷、学评教的数据、学生的理论课成绩单、实践环节成绩单、一套后继课程教师评价学生掌握先修课程知识的调查问卷、一套学生所在学科实验室评价该生的调查问卷等。评价系统还包括对这些数据的统计和分析。统计数据显示，在CDIO模式基本实验和综合实验实验项目设计上，学生满意度达到81.6%，在教学内容、教学方法、实验环节考核方法等方面，学生满意度达到97.4%，比传统模式提高了20几个百分点。这些数据表明，新教学模式比传统模式更能激发学生的实验兴趣，促进他们较大幅度地提高项目设计能力、动手编程能力、团队合作能力。我们将2013级计算机科学与技术专业的学生分成两组，采用相同的教学资源和不同的教学方式分别授课，一组采用新模式教学，另一组采用传统模式教学。经过一个学期的学习，2015年1月数字电路设计课程理论考试中，在试卷相同的情况下，新模式组成绩优良率达到52.9%，比传统模式组高24个百分点；新模式组不及格率为15.7%，比传统模式组低15个百分点；新模式组平均卷面成绩为78分，比传统模式组高6.1分。由此可知，基于新标准并结合“try”方法的新教学模式能够提高实践环节的教学质量，切实促进学生深入理解理论课的相关知识点，有助于学生更好地完成课程衔接，为学生后继课程的学习打下坚实的基础。追踪这些学生后继课程的学习情况，统计2015年6月计算机组成原理课程设计期末考试成绩后发现：原新模式组优良率达到80.3%，比传统模式组高25个百分点；原新模式组不及格率为0，比传统模式组低21个百分点。计算机组成原理课程理论考试中，原新模式组平均卷面成绩为68分，比传统模式组高5分；原新模式组不及格率为17.4%，比传统模式组低5个百分点。此数据表明，数字电路设计课程实践环节采用新教学模式教学有助于学生对后继课程的学习，特别是实践环节成绩有了大幅提升，不及格率也明显下降。

4结语

新教学模式基于CDIO理论，结合“try”教学理念，将数字电路设计课程实践环节分为基础实验和综合实验两个层次,并包含了配套的成绩评定方法和课程评价系统。实践证明，新教学模式能够更好地促进课程衔接，有利于培养学生自主学习、主动探索的精神和能力，培养学生的工程实践能力、沟通交流能力及团队协作能力。改革的下一步，是根据每一门课的特点，把基于CDIO理念的教学模式推广到课程群其他课程的教学中去，以期从课程层次化、课程间网络化等多角度、多层面地把学生培养成为优秀的工程技术人才。

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[13]刘小艳,金平.“电子电路与系统基础实验”教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2014,33(6):197-199.

篇5

关键词：数字电路；教学方法；Multisim；仿真

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)28-7058-03

The Exploration of Digital Circuit Teaching and the Useage of Simulation Software

ZONG Xin-Xin

(Institute of Computer Science and Technology, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China)

Abstract: From the current situation of teaching Digital Circuit, exploring and improving the existing teaching method and means are presented in this paper. Using Multisim in Digital Circuit teaching has greatly stimulated students' interests and has enhanced the students' ability of practice.It has made a better teaching effect.

Key words: digital circuit; teaching methods; multisim; simulation

从事计算机硬件教学的老师都知道，对于计算机专业的学生而言，数字电路是计算机专业学生硬件的专业基础课，这门课程的学习不仅为后续的计算机组成原理，单片机等硬件类课程打下基础，而且更为重要的是通过这门课程的学习，使学生建立对硬件类课程的学习兴趣。如果学生从这门课程开始就对计算机硬件类课程产生了畏难情绪，以后课程的展开是相当困难的。所以这门课程的教学工作承担了双重责任：一是让学生掌握数字电路的基础知识以及分析设计方法，具备查阅和使用集成电路和读图的能力；二是使学生喜欢上硬件类课程，建立对硬件类课程的兴趣和探索精神。因此，这门课程如何展开教学，采用何种教学手段，如何提高学生兴趣，如何使理论和实践更好的结合是每一个教师思索的问题，也是本文所讨论的重点。

1 教学方法和手段

1.1 知识点结构框图化

在每一章每一节内容开始讲授和小结的时候，将知识点以结构图的形式展示给学生，使学生有一目了然的感觉，对自己要学的和学过的知识点有清晰的脉络。例如在讲述逻辑函数的描述方法时，给出下列的结构框图（如图1所示）。

在讲述这个框图时，学生对真值表，卡诺图还没有感性认识，可在黑板上画一个真值表和卡诺图，使学生初步认识它们的形式，也了解了逻辑函数的几种描述方法。

1.2 教学内容的加减法

数字电路发展很快，对数字电路的讲授应符合数字电路的发展趋势，使学生能学有所用，而不是满腹经纶无用之地，这也就是说，要让学生了解数字逻辑电路的最新发展。但俗话说万丈高楼平地起，我们并不能忽视数字电路的基础理论与基础知识。这就要求我们要在有限的时间之内，让学生具备扎实的数字电路基础知识，了解现代数字电路的设计方法和相关工具软件的使用。因此在教学内容安排上做了这样一些调整，重视逻辑代数和逻辑函数基础理论的教学，在组合逻辑电路教学中适当减少中小规模集成电路内部分析和设计，适当增加使用vhdl语言设计组合逻辑电路和时序逻辑电路，学会Multisim11仿真软件的使用方法，让学生有一个较高的起点和平台来应用所学的知识。[1]例如我们在讲到组合电路分析时，常常会将一位全加器给学生作为例题讲解，并且给学生建立全加器的概念：能实现三个一位二进制数相加（被加数、加数和低位进位），得到一位和及一位向高位进位的加法器。在接下来的组合设计内容中我们就适时的增加了用vhdl语言设计一位加法器的内容。

1.3 贴近生活的教学举例

数字电路由于其系统性强，逻辑性强，从始至终教学中穿插着卡诺图，逻辑公式，真值表，特性方程，状态图，状态转移表等内容，很容易让学生产生内容相似的疲劳感，因此在课堂教学中采用贴近生活的举例可以使学生觉得这门课有趣，实用，很容易产生亲切感，让枯燥的课堂学习变得轻松愉快，学习效率也随之提高。例如在组合电路分析教学中给出密码锁电路图，让学生分析开锁的密码是什么。组合电路设计中举例交通灯故障的判别电路，利用优先编码器74LS148和门电路设计医院优先照顾重症患者呼叫的逻辑电路等等。除了课堂老师的举例之外，还通过布置作业的方式让学生查阅数字逻辑电路在现实生活中的用处，并设置课堂讨论时间让学生交流自己所了解的知识。这样不仅激发了学生浓厚的学习兴趣，使其体会到学习的乐趣,变被动学习为主动，同时也活跃了课堂气氛。

2 仿真软件在数字电路教学中的应用

Multisim是一款主要用于数字电路，模拟电路和集成电路仿真分析的软件。它具有界面简单直观，操作方便，电路仿真能力强，虚拟仪器强大等诸多优点。数字电路是一门实践性很强的课程，而传统的教学模式在课堂上理论与实践联系的很少，将Multisim引入数字电路的教学，可有效解决传统教学的不足，在课堂教学演示，课下作业辅导，实验环节都有其独特的优势。其作用主要表现在三个方面。其一，在课堂上，教师和学生可在互动的环境中进行教和学，用事实说话，通过课堂演示可以让学生观察到电路的直观现象，对于学生感觉新鲜好奇，有说服力，对于教师也觉得教的轻松了。其二，将Multisim作为一个课后学习辅助工具，在课后作业的辅导方面发挥着很大作用，一方面学生可以通过软件来验证自己作业的正确性，另一方面可以使有兴趣学生在课外进行更深入的学习，从而达到培养学生学习兴趣及动手能力的目的。其三，在实验环节上，我们现在通常采用传统的硬件实验箱，传统的实验具有现象直观，易于接受的特点，但是实验多是验证性的，并且由于学生操作不当和实验箱老化，容易出现一定损耗；而以Multisim为平台展开的实验，设计，布线，仿真都很简单，也符合现在电路设计的发展方向，可以作为传统实验的有益补充。[2]

2.1 Multisim在课堂教学中的演示

Multisim具有直观的图形界面，它的整个操作界面就像一个电子实验工作台，教师在课堂上绘制电路图十分方便，将元器件和仿真测试仪器直接拖放到屏幕上，用鼠标拖拽导线就可将它们连接起来，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。Multisim包含的丰富测试仪器使得它在课堂上演示生动，直观，易于被学生接受。例如，在进行集成计数器74160这一小节的教学时，首先让学生了解74160是一个可预置数的十进制同步加法计数器，LOAD'是置数端，低电平有效，置数是同步的，当置数端为低电平时，在 CP 上升沿作用下，输出端 QAQBQCQD与数据输入端 ABCD 一致；CLR'是清零端，清零端是异步的，当清除端CLR'为低电平时，不管时钟端CP状态如何，即可完成清除功能；74160的计数是同步的，当 ENP、ENT 均为高电平时，在CP上升沿作用下计数器加法计数；74160具有超前进位的功能，计数溢出时，RCO端输出一个高电平。接着给出74160的功能表，如表1所示。

对于集成电路芯片，我们不要求学生了解芯片的内部结构，但是学生必须要会查阅使用芯片的数据手册。在了解了74160的芯片引脚和功能后，就可以应用multisim11来学习这个芯片。为了使学生能够一步一步地深入了解和学习这个芯片，我们采用搭积木的方式来展开内容，首先在multisim的工作电路区上放置电源，信号发生器，74160，七段数码管和逻辑分析仪[3]，然后以导线或总线使各个部件连在一起，再将信号发生器和逻辑分析仪的频率设置成相同的，建立如图2的电路图，启动仿真，就可以直观的看到，电路工作在计数状态，数码管从0～9不断变化，打开逻辑分析仪，可以看到，当计数到9时，RCO产生一个超前的高电平进位。

为了进一步讲解置数端和清零端的用法，我们要求用此芯片分别以置数法和清零法实现模6计数器。对于74160，一定要对学生强调它是异步清零和同步置数的。

使用置数法时，模6计数器，也就是要计6个状态，在这里采用0100、0101、0110、0111、1000和1001这6个状态，也就是说，当计数到1001时，要产生置数信号，使下个时种信号到来的时候， QDQCQBQA被置成0100，从而跳过0000到0011。

采用置数法电路图如图3所示，在这里将QDQA输出接个与非门，当QDQCQBQA=1001时，与非门输出为0，置数端得到有效电平，在CP上升沿到来时，QDQCQBQA=DBCA被置成0100。通过仿真，可以看到计数器在4到9之间的6个状态计数。

使用清零法时，采用的是0000、0001、0010、0011、0100、0101这6个状态，也就是说，当计数到0101时，要产生清零信号，在QCQA接与非门，理论上QDQCQBQA=0101时，产生清零信号，可将QDQCQBQA清零，仿真后看到的结果是，计数在0到4变化，没有计到0101这个状态。这究竟是为什么呢，打开逻辑分析仪查看波形，看到只要QDQCQBQA=0101，与非门输出立刻为0，清零是异步的，只要清零信号到来，不论CP如何，计数器立即清零，所以计数器根本没有计到0101这个状态，要想计数到0101的稳态，必须在0110时产生清零信号。修改电路图，在QCQB端接与非门，再次仿真，得到如图4所示的波形图，从图上可以清楚的看到计数到0101状态后，下个计数状态是0000。

接着我们又给学生布置了这样的课后思考题，如何应用74160实现百进制计数器和24进制计数器，并请仿真验证自己的想法。通过这个完整例子的透彻分析，学生不仅掌握了74160这个芯片，对于其他同步计数器芯片也能够做到轻松应用，起到举一反三的效果。

2.2 Multisim作为作业伴侣

Multisim因其方便的界面，丰富的原件库和逼真的虚拟仪器。在学生的课后作业中扮演着重要的角色，大大减轻了教师的负担。例如在学习逻辑代数基础和组合电路中，我们教会学生使用逻辑转换仪，这个仪器可以将电路图、真值表和逻辑表达式进行方便的转换，可以进行逻辑函数的化简。在学完函数化简后给学生布置这样的习题Y=(A'+B')C+BCD'+AD，不管学生是用卡诺图还是公式进行化简，最后结果是否正确，学生自己可以用逻辑转换仪来验证。学生在Multisim工作区放置逻辑转换仪后，双击打开它，在最下方的显示区输入逻辑表达式，点击表达式到真值表按钮，出现这个函数的真值表，再进一步点击真值表到最简与或式按钮，在显示区出现AD+C，也即函数化简的最简结果。从简单的逻辑代数基础知识，到复杂的组合、时序电路分析设计，学生都可以用Multisim验证自己的作业，并且给学生更大的学习和思考空间。

3 结束语

改进现有的教学方法和手段，将EDA技术应用于数字电路的教学，是对此课程的教学改革。通过近几年的教学探索，取得了较好的教学效果，学生对数字电路课程的兴趣大大提高，理论联系实际能力增强，动手能力增强。学生不仅掌握了数字电路的基础知识，而且掌握了现在数字电路的设计方法和新技术，为以后从事电子设计工作打下良好的基础。

参考文献：

[1] 白净，张雪英. 《数字电路逻辑设计》课程的教学实践研究[J]. 电气电子教学学报，2007(s1):72-74.

篇6

关键词：FPGA教学；FPGA教材；Verilog HDL；数字系统设计；电子设计自动化

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0113-02

FPGA（Field-Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，一种半定制的集成电路，主要用在航空航天等高端领域中。随着技术的进步和成本的降低，FPGA性价比越来越高、集成度越来越大，可编程性能方面呈现出快速构建系统（System-In-Weeks）的优势，逐步渗透至计算机、通信、控制、消费电子和汽车电子等民用领域中。尤其是在数据通信、无线通信、先进消费电子领域，FPGA更是已经取代了一些处理器，成为新一代的系统级的硬件开发平台，各高校也纷纷开设了FPGA课程。FPGA教学是电子信息类专业设置的必修课程之一，引导学生迅速掌握这门技术的方法和入门手段是高等学校需要研究的课题。FPGA的阵列式硬件特性和语言并行特性与传统的微机原理以及高级语言的思想是完全不同的，因此，需要科学的引导方式使学生进入FPGA的世界中。教材就是必备的手段之一，采用合适的教材是实现良好教学效果的基础。

一、现有教材的内容安排对比

从应用过程来看，市场上FPGA教材一般具有以下共性问题：

第一，冗余度高，有用知识点少。多数教材在讲述FPGA开发时，均从基本的Verilog HDL（或者是VHDL）语法讲起，当语法结束后再讲述相关的设计。实际上，语法内容在先修课程中已经完全（或者大部分）修读过，不用再学一遍类似或完全相同的内容。

第二，教材内容按照固定的顺序写，先语法，后基本组合电路设计，再基本时序设计等，不符合学生学习的规律，应该按照硬件描述语言所能表达的电路形式去讲解，而不局限于数字电路的知识点。

第三，部分教材动手实验的内容过于简单，且不具有实际应用价值。如一些自动售票器之类的实验。

第四，很多教材一开始给出了EDA领域中的很多新名词、新概念，让初学者陷入抽象的名词堆中，不能理解其内涵，不利于学习入门等。

由于这些原因限制了教师教学的主观能动性和学生学习的引导性，提出了一套新的教材教学内容的规划方法。

二、新教材的内容规划

教材内容应根据现有的培养方案结构和先修课程的关系有效地进行内容的选择，去冗留精，根据学生所能掌握知识的自然过程循序渐进并有机地结合工程应用等方面，才能达到学生学习上的“水到渠成”及学以致用的效果。

第一，合理规划培养方案中的教学内容大纲，去除已经学习过或者不需要讲述的内容。以教材中的HDL为例，现在很多高校电子信息类专业均以Verilog HDL为语言部分教学内容，Verilog HDL语言源自于C语言，C语言中的大部分语法和语句可以直接用于Verilog HDL中，这样语言部分就不需要单独花很多时间去讲授，只有部分语句和语法需要单独补充。例如块语句“begin end”、拼接符“{}”和缩位运算符等。条件语句和c语言中的语法也不尽相同，只需要指出不同点即可。在很多计算机类的专业中，HDL部分讲授的是VHDL语言。VHDL语言源自于PACAL，部分和PACAL语法相同，例如变量的赋值等可以省略。尤其是VHDL语言，语法内容较多，如果去除和PACAL语言相同的部分，可以省略很多课时用来讲解其他更为重要的知识点，有利于提高教学效果。

第二，遵循学习规律，教材内容应循序渐进给出新知识点。以学生为主体，强调“学习者取向”。[1]教学内容的安排应从最简单的数字电路设计和已经掌握的基本的语言语法开始，让初学者不知不觉中掌握了一种新技术，利用所学过的数字电路知识和C语言类似的基本Verilog语句就能实现。然后在此基础之上安排一些新的电路设计点和介入Verilog HDL语法。例如，在讲述半加器电路设计时可以采用数字电路中的设计方式，使用两个门（与门和或门）就可以实现半加器的设计。然后分析电路的行为，完全可以使用拼接符去实现，并重点从功能角度讲述。即：两个一位数相加，结果最多为两位，结果中高位即为进位位，低位则为和输出位。语法实现为assign {co，s}=a+b，一方面引入了新的语法（拼接符{}），另一方面从“行为”角度讲述了半加器的工作，避开了数字电路中的化简过程，且符合学生思考解决问题的思路，课堂教学效果很好。

第三，教学内容应尽可能结合应用或者结合应用的构成部分。FPGA是一项实用技术，在小的电路设计系统中经常作为外设的译码电路，可以结合多路译码器电路进行设计应用，在实验过程中尽可能采用此类内容作为实验；在较大型的设计中可能会涉及到DSP算法或者复杂的通信协议，结合学生已经掌握的知识点设计一些内容进行讲授。如：奇偶校验，在串行口的通信中校验是基本的功能之一，在Verilog HDL中使用一条简单的语句“assign P= ^D；”就可以实现。一方面实现了使用逻辑门电路很难实现的算法，另一方面也增加了新语法（“^”为缩位异或运算）的应用。再如：并串转换和串并转换，是现在串行通信中几乎不可缺少的组成部分，大多数教材讲述的方法不具有实用价值，应该结合应用时的通信握手，增加部分控制信号，使讲述的内容能够直接应用到系统中。

第四，入门知识点要尽可能简单，最好使用所学知识引导进入新的知识点，然后扩展至知识面，最后达到全面掌握本课程全部知识点的范畴。现有教学内容的入门教学方式不符合思维方式，它采用的方法为从抽象化到具体化的安排过程。现有的教材内容一般在第一章介绍EDA技术领域的一些新概念，发展过程和扩展至系统级中的一些内容，例如IP的概念、固核硬核软核等。这些内容在基础类教学中往往不会涉及，有些即使涉及了，学生也不明白和前面的概念之间的联系，不利于教学的开展。按照常规的思维方式，教学的入门可以从一个熟悉的知识点入手，进而辐射至其他的新知识点、新概念。在教学内容安排上，可以从与门电路设计开始，然后引入两个门电路同时实现，并给出HDL并行执行的概念，有利于重点突出HDL的特点，激发学生学习FPGA的积极性。

第五，简化逻辑产生过程，注重输入输出之间的行为关系。部分FPGA教学内容安排在数字电路设计之后。受数字电路设计思想的影响，很多学生认为HDL仅仅是用于描述门级电路的，而实际上HDL能够从更高的系统级角度描述电路行为。以N位全加器为例，不需要知道内部电路构成的细节，从行为级角度就可以直接描述出电路。再如：在教学内容的后期设计一个简单的CPU。CPU是复杂数字电路的代表，通过CPU的设计一方面可以使学生掌握CPU的基本原理和设计方法，另一方面可以让学生们了解，即使再复杂的电路都可以使用HDL描述，让学生们有系统级的概念，为今后进行更加复杂的系统设计打下思想基础。

6.语言方面要推陈出新，更新语言标准，注重实际综合效果

硬件描述语言是FPGA硬件电路设计的重要组成部分。以Verilog为例，市面上早期的教材均是以IEEE1364-1995为标准编写，而现在最新的Verilog标准为IEEE1364-2002。大多数教材仍然沿用IEEE1364-1995语法，这是不利于学习的。以存储器设计为例，旧标准中存储器空间的位初值无法直接给出，必须通过向量中间变量来实现，过程繁琐，不符合系统及描述的特点。而在新标准中，语法上可以直接实现对存储器空间的某个位进行操作，简化了设计过程和设计理念。再如：在向量的部分选择问题上，旧标准不能采用正向偏移或者反向偏移的方式实现部分向量的操作，不利于电路行为设计；而在新标准中，不仅能实现偏移，还可以动态更改索引表达式，使代码的编写更为灵活，更符合学习者的编写代码思维方式。

7.仿真要与物理综合结果相结合

从物理意义上讲解，注重设计综合细节的说明。EDA仿真工具一般有专用仿真工具和厂家软件自带的仿真工具两类。专业的仿真工具，如modelsim，严格遵守Verilog HDL仿真语法要求；而厂家的仿真一般会结合综合效果，不完全符合HDL语言本身的要求。例如，若有always@（a）c=a&b；在modelsim中进行仿真结果和QuartusII中的仿真结果不同。在modelsim中，若b信号发生了变化，仿真结果不会出现变化，而在QuartusII中若b变化了，c输出也会跟着变化的（规律是与门的规律）。从语法角度上讲，若b信号变化，但它不在敏感信号列表里，所以不会触发always块，因此modelsim仿真结果不变；而QuartuII认为，这个代码就是用来描述一组合电路-与门的，它会按照与门的输入输出关系变化仿真结果，实际教学中应注意两者仿真的不同，并对学生进行科学的解释。当然，教学过程中应尽可能引导学生把这类代码写成完整的形式：always@（a ，b）c=a&b，避免出现不必要的错误结果。

8.注意与其他相关课程的衔接

FPGA是硬件教学内容，与其他如单片机、ARM、微机原理与接口技术等课程会有一定的交叉和连接。

9.注重编程风格和编程思想

教材内容的附录部分增加了代码编写的常用习惯和可综合风格的书写，有利于培养学生良好的书写习惯，为语法检查和功能检查提供方便，为进一步编写大规模的代码奠定良好基础。

三、教学效果

通过优化教材内容、改革教学方法与教学手段，FPGA课程教学改革取得了较大的成效。具体表现为：第一，教材注重学生基础，以往基础差的学生也能入门，学生自主学习的兴趣浓厚。第二，教学内容的安排更加合理，结构更加完整，教师和学生使用更加方面，无需辅助参考书。第三，课程的教材注重实验环节，实验内容与理论知识结合紧密，学生的实验能力得到了进一步的提高，大部分学生能够独立完成基本实验，部分学生能自主完成部分创新实验项目。第四，教材从学生基础出发，符合学生实际，教学效果良好，学生的期末成绩取得了大幅度提高。第五，学生充分肯定了教师的教学水平，教学评估成绩优秀。

四、教材后续内容的完善和调整

本课程在大三上学期开设，侧重入门和基础教学。若学生在学习完本教材后需要继续在FPGA方向上深入学习，教师应结合学生所学和嵌入式方向的需要，讲授一些关于qsys和sopc的相关内容；若数字信号处理的内容已修，还可以结合dspbuilder等进行高层次的讲解教学；可以结合altium designer等对8051类的单片机软核进行完善修改，达到全面培养学生的FPGA系统设计和应用能力的目的。

篇7

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：

[1]廖超平,等著.EDA技术与VHDL实用教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007:1

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[3]范胜利.一种基于模块的EDA教学实验系统[J]. 读与写杂志, 2009,6(11):102

[4]韩伟忠著.EDA,DSP技术与通信实验装置的总体设计[J]. 金陵职业大学学报, 2002,17(1),52-54

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[6]史晓东,等著.数字系统EDA实验平台的应用及发展[J]. 实验室研究与探索, 2005, 24: 78-81

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关键词：数字电路;实验教学;实践能力

一、引言

《数字电路》课是计算机类专业的专业技术基础课，是所有硬件课程的基础课、入门课，是实践性较强的课程。内容涉及数字技术的基本理论、分析方法和设计方法，是一门工程实践性较强的课程，对于计算机专业的学生而言，在其所学知识体系中占有相当重要的地位。它能培养学生的综合应用能力、创新实践能力，可使学生建立工程的观念、科技进步的观念、创新意识，形成正确的认识论，为将来成为应用型人才打好基础。

二、实验教学现状分析

1.实验课学时数压缩。我院有网络工程及软件工程两个本科专业，相应的数字电路课程总学时数为64个学时（包括理论课、实验课以及课程设计）。由于学时数有限，真正安排在实验教学的时间不足12个学时，无法安排更多的设计性和综合性实验，大部分是芯片的验证性实验，学生无法真正得到电路设计的系统训练。2.实验课程内容相对固化。在实验内容的安排上，基础性实验涉及较多，设计类和综合性实验相对较少。因为总课时有限，理论课时仅能安排36个左右的课时。且计算机类专业受专业特点和学时限制，没有开设相应的电路课程和EDA设计课程，导致理论和实践环节出现严重脱节，上课内容偏重于组合逻辑电路的设计以及时序逻辑电路的部分设计，大部分侧重在基础性、验证性实验，留给后面的综合性设计实验的课时较少，影响了学生设计电路的主动性和创新性。一些学生被动完成实验内容，缺乏学习的兴趣和主动性，使“数字电路”课程的教学效果较低。3.实验报告内容老化，撰写流于形式。目前，一些高校的数字电路实验报告内容过于老化，实验手段过于单一。一些实验仅仅是将理论的教学内容进行简单验证或是进行一些基本实验技能的训练。这样的实验方式所培养的学生无法达到当代社会所提出的科学素质要求、实验技能要求和创新能力要求，学校必须对当前的数字电路实验教学模式进行优化和改革。同时，学生撰写实验报告流于形式。由于对实验报告重视不够，往往是抄实验指导书，或相互抄袭，严重影响实验教学的效果。

三、数字电路实验教学方法改革探究

面对“数字逻辑电路”实验课程的教学现状，只有充分调动学生的学习积极性，发挥学生的主观能动性，才能达到培养学生的数字逻辑电路的综合分析与设计能力，增强学生的创新意识。在教学过程中，尝试从重新安排实验教学内容的结构、合理分配实验资源、丰富考核方式等几个方面调动学生的学习兴趣和积极性，使学生深入了解本实验课程。数字电路的实验教学以培养学生创新精神和实践能力为主要目标，是我院进行教学改革的重要内容。如何更好地解决基础与发展、基础知识与实际应用、理论与实践等矛盾，处理好“宽”“新”“深”的关系，建立先进和科学的教学结构，以适应不断更新的课程内容体系始终是课程改革的重点。1.理论实验合一，优化学时配比。为了合理安排实验课与理论课时的比例，采用同一老师兼任理论课和实验课的方式，改变实验课一直处于一种辅助的地位，此改革在于很好地把理论课和实践课有机地统一起来，灵活调整两者的学时配比。2.打破传统实验课堂灌输方式，变传统验证型实验为设计型实验。经过一个学期的探索，我们改变了传统的实验教学流程，自主编纂实验报告书，把传统型验证型实验与设计型实验有机结合。每次课安排有相应的设计实验环节。例如，在做逻辑门电路实验时，除了按照要求完成芯片的74LS00的功能验证外，设计了用与非门芯片实现与门电路，用与非门芯片实现或门电路，用与非门芯片实现非门电路的实验；设计了用与非门电路实现三人表决电路的设计，让同学在完成验证性实验的前提下，用芯片进行具体功能电路的设计，以此充分调动学生的主观能动性，培养学生良好的学习习惯，让学生拥有更多的实验操作时间和思考空间，成为课堂主角，培养学生独立分析思考能力和解决问题的能力。3.优化课程设计教学体系，加入硬件作品制作环节，提高学生动手创新能力。在课程设计教学过程中，我们结合应用型人才培养需求，将实验设置为2个不同的阶梯式层次。第一，综合性设计实验：综合已学知识和原理，学生自主进行电路设计和测试（如优先排队电路、火灾报警电路、交通灯控制电路、多人表决电路等），要求采用两种或两种以上实验方法在实验箱上完成电路设计实验，并撰写设计报告。第二，硬件作品制作：为了培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，在综合设计实验完成后，教师提出一些具有很强现实意义的选题，例如数字密码锁、电子闹钟、交通灯控制系统电路、八路抢答器等，要求学生在课余时间，利用开放实验室，完成数字电路的设计、仿真、制作、功能测试以及改进等一系列工作，最后提交规范性的课程设计报告和电子实物产品，真正做到理论联系实际。4.与大学生电子设计大赛有机结合，培养科研能力和创新实践能力。以课程设计实验教学环节中的硬件作品设计为契机，调动学生参加竞赛的积极性和主动性。鼓励学生自发组成兴趣小组或团队，积极申报大学生创新性实验项目或者参加电子竞赛活动，充分地激发学生内在潜能和创造力。通过课程设计实验教学体系的构建，学生激发创造性，培养创新能力、动手能力和团体协作能力，提高学科技意识，培养项目管理能力。去年我院推荐3组同学参加了广西TI电子设计大赛，并获得三等奖的优异成绩，这在我们计算机类专业的大一新生中实属不易。5.改善考核制度。成绩的评定是教学过程中的重要环节，是判断学生能力和发展的重要依据。良好的考核方式能对学生的实验情况给予准确客观的评价，有利于提高学生的实验热情，充分调动学生的学习积极性。经过探讨，我们把考核分为两个部分，第一部分为一般实验与理论课相结合，各占50%的比重得到总评成绩；第二部分为课程设计，综合性设计实验与硬件作品制作相结合，各占50%的比重得到课程设计的总评成绩。教学改革项目小组根据目前“数字电路”实验课程所存在的问题，通过实验课时重新配比、实验项目多元化分配、提高动手创新能力、以赛促学，以及丰富考核方式等手段开展实验教学，充分调动了学生的积极性和主动性。实践表明，教学改革激发了学生的主动性和创新性，学生的知识结构、实验能力均显著提高。通过以上举措，我们构建了以教师指导为辅、学生自主探究为主的实验教学模式，形成课堂教学、实验教学和实践教学交叉融合的教学结构，各教学环节相辅相成，互相交融，实现了“加强基础，注重实践，因材施教，促进创新”的目标。

参考文献：

[1]鲍宁宁.关于优化数字电路实验教学体系对培养学生创新能力的探讨[J].实验室科学，2011

[2]胡伟.《数字电路》实验教学模式改革与实践[J].湖南第一师范学院学报，2013

[3]于建，刘博.《数字逻辑电路》实验课程教学改革研究[J].河北民族师范学院学报，2015

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关键词 数字电路 EDA技术 教学改革 电子设计

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2015.04.057

New Strategy of Digital Circuit Teaching Reform

Under the Condition of New Technology

LIAO Guicheng[1]， QIN Zetao[2]

（[1] College of Vocational and Technical Education，

Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou， Guangxi 545006;

[2] Engineering Training Center， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou， Guangxi 545006）

Abstract In the teaching of digital circuit course， it should be suitably deleted to the traditional manual design method， internal structure of door circuit， pulse waveform generating and shaping， and also the other traditional outdated technology and methods. At the same time EDA and other modern electronic new technology and new method should be integrated into the digital circuit course， so as to enhance the feeling of contemparaneity and practicality， to improve the students' innovation consciousness and application ability.

Key words digital Circuit; EDA Technology; teaching reform; electronic design

0 绪论

随着现代电子技术的高速发展，以大规模可编程技术、嵌入式系统等为核心的最新科技学科已经普遍出现在了高等教育的课程设置中，这些学科技术引领着未来电子技术的发展方向。电子技术专业的重要基础课――“数字电路”的地位和重要性也被推到了前所未有的高度，同时也对这一课程的教学内容提出了极大的挑战。然而，目前国内多数高校该课程的教学内容几乎仍停留在上个世纪八九十年代，并仍以那个年代的手工数字设计技术为核心教学内容与考核内容。这就导致了学生的设计能力较低，缺乏自主创新能力与意识，无法适应现代企业和社会的需要。当然也有好些教材也将VHDL等EDA内容加到课程内容中，但目前的数字电路教学体系还是呈现一种拼接的模式，整体内容缺少因果链接。①因此改革数字电路中过时的内容、将先进的电子设计自动化（EDA）技术系统地融入到数字电路课程中，是数字电子技术发展的必然选择。

1 传统旧技术与方法的取舍

数字电路中有一些传统的技术与方法，在现代企业的电子设计中已经没有用武之地。学生花大量时间学习这些落后和被淘汰的知识和方法，是得不偿失的，不仅耗费学生的精力和时间，妨碍新技术的学习，更是对国家和社会资源的浪费。对这些过时的内容，我们要对其进行适当的删减，使教学内容适应时代的发展需要。

1.1 传统手工设计方法

传统手工设计方法的内容包括以卡诺图为工具的逻辑函数化简、小规模门电路组成的组合逻辑电路分析与设计以及由触发器及门电路构成的时序逻辑电路的分析与设计等。这部分内容在数字电路课程中占据了主要的内容与篇幅，这在上个世纪八九十年代自动化设计还不流行的时候是合适的，因为那时候的电气产品及自动化控制电路很多都是采用中小规模的数字集成电路完成设计的，而现在的电子产品及控制电路，已经几乎见不到中小规模数字集成电路的影子，取而代之的是微处理器（含嵌入式处理器）以及大规模可编程器件、DSP等，只是在接口及驱动电路上还能偶尔见到中小规模数字电路。比如现代的家电产品洗衣机、空调、电视等都用到了微处理器控制，手机、导航仪等电子产品则用到了嵌入式处理器，语音、图像识别等产品则用到了DSP（数字信号处理器），而在机顶盒、调制解调器等产品中则用到了FPGA等大规模可编程器件。采用中小规模数字电路设计的电子产品，还没上市就已经是落后的。

1.2 逻辑门内部电路结构原理

门电路一章的教学应以集成门的外部特性教学为主，让学生看到门电路的真值表就能够应用该电路，而不管该电路的内部结构如何。传统教学内容通常是以反相器为例，分析电路的内部结构和工作原理，进而得到其逻辑功能，而对其外部特性及接口参数则认为是死记硬背、枯燥的东西就一笔带过。而实际上我们应用数字电路设计实际的数字系统考虑得最多的除了器件的逻辑功能就是外部特性和接口参数，而内部电路结构怎样、如何工作基本上无需考虑。而且内部电路的分析对于学生来说难度较大、理解困难，完全没有必要让学生把时间和精力浪费在这种没有实际意义的知识的学习上。因此在内容安排上，应着重介绍各种门电路的外部特性和接口参数，让学生学会在实践中正确选择和使用合适的集成电路，设计出能适应实际环境和应用的优秀电路。

1.3 脉冲波形的产生和整形

“脉冲波形的产生和整形”这部分内容其实和“数字逻辑”没有直接关系，实际上是属于模拟电路的内容。只不过在模拟电路中，波形的产生完全是用模拟的电路来实现，而在目前多本数字电路教材中，则是采用门电路加模拟的阻容元件来实现的，实质上是把门电路当集成放大器来应用。而这种应用是和“数字”的概念相背离的，不利于学生对“数字逻辑”的学习。这部分内容的另一个重点是对“555”时基电路的介绍。其实这个555时基电路是上个世纪70年代的产物，距今已有40多年的历史，在集成芯片技术飞速发展的今天，它已经完全没有了用武之地。对于学生来说，那么多新知识新技术要学，再花时间精力学习“555”时基电路，那就是舍本逐末了。

2 新技术与新方法的应用

2.1 新技术的优势

当前的电子新技术主要包括EDA技术、实时软件仿真技术、先进自动化绘图与制板技术等。EDA即电子设计自动化技术，是一种基于软硬件平台，通过软件的方法来高效地完成硬件设计的计算机技术。EDA技术已成为电子系统设计的重要手段，它采用“自顶向下”的设计方法，利用功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，以硬件描述语言（HDL）为主要设计手段，以大规模可编程器件（CPLD或FPGA）为载体，完成电子系统的功能设计。这种硬件电路的软件化设计，已经完全改变了数字设计的整个面貌。

2.2 融入EDA等新技术的教学内容安排

传统的数字电路内容主要包括逻辑代数、门电路、组合逻辑设计、触发器、时序逻辑设计、存储器与可编程器件等，实践过程中，我们削减了一些陈旧过时的内容，增加了VHDL硬件描述语言、QuartusII电子开发平台、FPGA/CPLD大规模可编程器件等EDA技术内容。我们强调VHDL硬件描述语言是设计数字电路的语言工具，与逻辑代数这一分析设计数字电路的数学工具同等重要，并放在同一章节进行讲解。而基于VHDL的相关电路描述与设计则结合相关的内容，穿插到各个章节中进行详细讲述。QuartusII则是将VHDL设计变成电路实现的中间平台与工具，将这部分内容放到实验环节中讲解。FPGA/CPLD大规模可编程器件是实现VHDL设计的载体，与存储器放在同一章中讲解。

我们立足于数字逻辑设计的基本原理，将EDA技术融入到数字电路课程中，将这些原理与现代的工具与实践技术相结合，提高了毕业学生的电子设计技术水准，也极大地丰富了数字电路课程的教学内容。

2.3 新技术与传统教学方法的融合

在数字电路课程的教学中，我们除了在教学内容上增加EDA等电子新技术内容外，在教学方法上，我们更注重新技术、新方法的与传统知识的融合与因果链接。以加法器的学习为例，我们把加法器划分为难易不同的功能模块：半加器、全加器、4位加法器、8位乘法器，然后把不同功能模块的描述方式（包括真值表、逻辑表达式、波形图、卡诺图等传统的描述方式以及现代先进的VHDL描述等）和实现方式（包括传统的集成门电路实现以及现代的大规模可编程器件、微处理器实现等）及各种方式的特点一一列举并对比讲解，也让学生的发挥和补充，期间充分运用各种仿真软件和开发工具进行仿真和实验演示，让学生对各模块的描述方法、实现方式及特点深刻理解。如对加法器的一种扩展――8位乘法器，学生很容易就明白，用传统描述方式无法去描述，而用VHDL描述却只用一句“y<=a*b”就能完成;在实现方式上，用传统集成门电路实现8位乘法器虽然理论上可以实现，但是却需用到几百个集成门，电路复杂，成本高，速度慢，可靠性低。而用大规模可编程器件实现时却只需用一块最简的CPLD芯片就能实现，成本低、速度快、可靠性也高。在数字电路教学中引入EDA技术，其强大的仿真功能很容易把实践带入课堂、带入教学的每一个环节，使得理论与实践能够紧密结合。

3 结束语

通过删减过时内容并引入EDA等现代数字电子新技术和新方法，提前至大二开设数字电路课程，保持学生从大一开始的一贯学习热情和积极性，保证专业课学习的效果。同时也使学生有能力提早进入大学生课外科技活动，并在数字电路的基础理论、实践能力和创新精神等方面都有进步，提高了学生现代数字电子技术应用水平和工程实践能力。通过对课程的改革，也完善和发展了数字电路课程的建设，使之适应现代电子技术高速发展的要求和社会的实际需要。

基金项目：新世纪广西高等教育教改工程项目“新技术条件下数字电子技术课程综合教学改革研究”（编号：2010JGB 061）

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关键词：计算机硬件；集成电路设计；教学改革

信息系统工程教育论坛我院计算机科学与技术本科专业始建于1987年，历经20年的发展，为油田及相关企事业单位培养了大量的计算机应用人才。“具有良好的科学素养，系统地、较好地掌握计算机科学与技术包括计算机硬件、软件与应用的基本理论、基本知识和基本技能与方法，能在科研部门、教育单位、企业、事业、技术和行政管理部门等单位从事计算机教学、科学研究和应用”是本专业的培养目标。基于这个培养目标，结合目前计算机硬件技术最新发展现状及趋势，提出本硬件系列课改方案。

一、硬件系列课改的目的及意义

当前，计算机在信息社会中充当了重要角色，也是发展最为迅速的一门学科。随着这门学科的不断发展，目前，计算机核心技术愈来愈集中在集成电路芯片设计和软件设计这两项技术中，其中CPU和OS设计技术是最核心的两项技术，特别是高性能计算机技术一直是衡量国家实力的一个重要标志。在硬件系列课程里，培养学生CPU及相关硬件的设计能力，培养学生自主创新并能够设计出拥有自主知识产权的计算机部件的能力，是当前计算机硬件课程重要的改革方向，也是目前社会迫切需要的计算机硬件人才[1]。因此，适应当前计算机硬件技术的发展及社会对计算机硬件人才的需求，及时调整硬件系列课程的培养方向，既有利于学生及时掌握最新的计算机硬件技术，又有利于学生及时把所学知识转化为社会生产力，对扩大我院学生就业，树立我院计算机科学与技术专业学生良好的社会形象意义深远。

二、硬件系列教学的国内外发展现状及趋势

由于我国的制造业比较落后，一直以来，计算机硬件的核心技术未能被国内掌握。相应地，在计算机硬件教学中，像计算机组成和计算机体系结构等重要硬件课程，传统上仅仅以讲授、分析原理为主，且内容不能适应现代计算机技术的发展[2]。国外一些知名大学非常重视计算机硬件的教学，美国的许多高校本科计算机专业中都无一不是安排了CPU设计方面的课程和实验内容。例如麻省理工学院计算机专业的一门相关课程是《计算机系统设计》，学生在实验课中，须自主完成ALU、单指令周期CPU、多指令周期CPU乃至实现流水线32位MIPS CPU和Cache等的设计。Stanford大学计算机系的本科生也有相似的课程和实验。随着计算机硬件技术的不断发展，国内开展硬件设计技术的条件已逐渐成熟，这主要得益于计算机硬件发展中的两个重要技术，一是大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA的成熟，可以在一个芯片中通过编写硬件描述语言设计CPU和全部的相关硬件电路，减轻了硬件芯片间连接的复杂性，同时消除了硬件制造的限制。二是硬件描述语言的成熟，以VHDL和Verilog VHDL语言为代表的硬件描述语言，可以通过编写程序的方式来描述极其复杂的硬件电路逻辑，大大降低了以前采用手工方式设计硬件电路的复杂性。国内的一些知名大学，在最近几年里，也相应地增加了硬件电路设计在教学中的比重，据我们了解，清华大学、电子科技大学、哈工大、哈理工等一些学校，已经修改了计算机组成原理及计算机体系结构等方面的课程教学内容，把利用CPLD/FPGA和硬件描述语言设计CPU及其相关硬件电路作为重要内容加入到课程体系里，取得了良好的教学效果，大大加强了学生对计算机工作原理的理解及计算机硬件的设计能力，逐步实现了与发达国家高校计算机本科教育的接轨。

三、目前我院硬件系列教学现状及不足

计算机科学与技术本科专业硬件系列主要课程设置始于20年前，期间虽经过部分调整，但基本教学内容依然延续20年前的知识体系。按授课先后次序排列，这些课程包括：《数字逻辑与数字电路》、《计算机组成原理》、《数字系统设计自动化》、《计算机体系结构》、《单片机原理及应用》、《嵌入式系统》、《硬件课程设计》等7门。基于当前硬件课程系列教学现状，我们认为存在以下的不足：1.从整体上看，硬件系列教学内容过于强调基本原理和基本方法，缺少能够验证原理、实际实现这些原理及方法的手段，导致学生缺少动手能力，对原理和方法认识模糊，会说不会做的现象比较严重，创新能力较弱。2.《数字逻辑与数字电路》和《数字系统设计自动化》，这两门课之间存在较大的联系，在内容上存在承上启下的关系，前者是讲述数字电路的基本概念、组合及时序电路的传统分析设计方法，后者则介绍组合及时序电路的现代分析设计方法，基于目前的教学实际情况，可以合并成一门课讲述。3.《计算机组成原理》和《计算机体系结构》是计算机科学与技术本科专业非常重要的两门课，通过这两门课的学习，应使学生能够设计简单的CPU及相关的硬件电路，从而加深对基本原理、基本方法的理解，增强实际动手能力。基于现在的教学内容及教学手段还无法达到上述目的。4.《单片机原理及应用》和《嵌入式系统》两门课存在较大的内容交叉。这两门课都是讲述特定计算机在控制及嵌入式产品中的应用，《单片机原理及应用》这门课介绍的是8位机MCS-51的原理，《嵌入式系统》这门课介绍的是32位机ARM的原理，鉴于目前嵌入式领域的发展现状及趋势，建议取消《单片机原理及应用》这门课，以避免课程内容重复。5.《硬件课程设计》作为硬件系列的最后一门硬件设计课，学生已掌握了较丰富的软硬件知识，因此应该具备设计较复杂的硬件电路的能力，目前的设计内容较简单并与《数字逻辑与数字电路》课程实验存在一定交叉，建议选择有一定复杂度并较实用的设计内容。从而培养学生综合运用硬件知识及硬件设计能力。

四、硬件系列教学新课改方案

针对我院计算机科学与技术专业的实际情况，在保证总的硬件教学学时不变的前提下，对硬件系列教学提出如下建议：1.课程合并：《数字系统设计自动化》是计算机组成原理等的先修课，为保证能及时开课，同时该课和《数字逻辑与数字电路》这门课有密切的联系，合并为一门课，仍称为《数字逻辑与数字电路》，并适当增加学时，建议在大二上学期开课，取消《数字系统设计自动化》这门课。2.《计算机组成原理》：这门课改为《计算机组成及设计》，增加CPU及相关硬件电路设计内容，在讲清楚组成原理的基础上，以设计为重点，建议在大二下学期开课。 3.《计算机体系结构》：适当增加设计内容，原学时保持不变，建议在大三上学期开课。4.《单片机原理及应用》：本课程取消，鉴于目前嵌入式系统涉及软硬件知识较多，难以在一门课程中全面系统学习，因此另开设一门《嵌入式软件开发》课程，重点讲述如何设计编写嵌入式软件程序，建议在大三下学期开课。5.《嵌入式系统》：这门课作为《嵌入式软件开发》的先修课，重点讲述嵌入式系统的基本概念及方法、ARM处理器的硬件工作原理、接口、汇编语言等，而相关操作系统及其程序设计等知识暂不涉及，建议在大三上学期开课。6.《硬件课程设计》：在设计题目中，引入嵌入式系统、FPGA及计算机组成等知识，适当增加设计的综合性和复杂性，建议在大四上学期开课。基于新的硬件系列课程体系，能够有效理顺课程之间的先后关系，并把硬件课程均匀分散到大学四年的学习中，同时对重要的课程及相关的知识进行了加强，例如数字电路设计贯穿在整个硬件系列课程中；舍弃了过时的技术，增加了新技术的份量，例如去掉了单片机，加强了嵌入式系统。因此，我们认为：调整后的硬件系列课程是较合理的，它吸收了当前先进的硬件设计技术，保证了知识的实用性，有一定的前瞻性。

五、结束语

高等教育是为学生提供专业技能和生存本领、服务社会的最后一站，教学内容及方法直接关系到学生的未来发展。通过不断教学改革，保持教学的先进性和实用性一直是高教课改的目标之一。通过这次课改，理顺了我院硬件系列课程的教学关系，增强学生未来服务社会的竞争力，因此很有实际意义。

作者:李军 崔旭 李建平 单位:1.东北石油大学 2.大庆市萨东第二小学

参考文献