集成电路设计论文范文
时间：2023-03-20 17:02:09
导语：如何才能写好一篇集成电路设计论文，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。
篇1
建设集成电路设计相关课程的视频教学资源，包括集成电路设计基础理论课程讲授视频、典型案例设计讲解视频、集成电路制造工艺视频等；构建集教师、博士研究生、硕士研究生和本科生于一体的设计数据共享平台。集成电路设计是一项知识密集的复杂工作，随着该行业技术的不断进步，传统教学模式在内容上没法完全展示集成电路的设计过程和设计方法，尤其不能展示基于EDA软件进行的设计仿真分析，这势必会严重影响教学效果。另外，由于课时量有限，学生在课堂上只能形成对集成电路的初步了解，若在其业余时间能够通过视频教程系统地学习集成电路设计的相关知识，在进行设计时能够借鉴共享平台中的相关方案，将能很好地激发学生学习的积极性，显著提高教学效果。
二、优化课程教学方式方法
以多媒体教学为主，辅以必要的板书，力求给学生创造生动的课堂氛围；以充分调动学生学习积极性和提升学生设计能力的目标为导向[3]，重点探索启发式、探究式、讨论式、参与式、翻转课堂等教学模式，激励学生自主学习；在教学讲义的各章节中添加最新知识，期末开展前沿专题讨论，帮助学生掌握学科前沿动态。传统教学模式以板书为主，不能满足集成电路设计课程信息量大的需求，借助多媒体手段可将大量前沿资讯和设计实例等信息展现给学生。由于集成电路设计理论基础课程较为枯燥乏味，传统的“老师讲、学生听”的教学模式容易激起学生的厌学情绪，课堂教学中应注意结合生产和生活实际进行讲解，多列举一些生动的实例，充分调动学生的积极性。另外，关于集成电路设计的书籍虽然很多，但是在深度和广度方面都较适合作为本科生教材的却很少，即便有也是出版时间较为久远，跟不上集成电路行业的快速发展节奏，选择一些较新的设计作为案例讲解、鼓励学生浏览一些行业资讯网站和论坛、开展前沿专题讲座等可弥补教材和行业情况的脱节。
三、改革课程考核方式
改革课程考核、评价模式，一方面通过习题考核学生对基础知识和基本理论的掌握情况；另一方面，通过项目实践考核学生的基本技能，加大对学生的学习过程考核，突出对学生分析问题和解决问题能力、动手能力的考察；再者，在项目实践中鼓励学生勇于打破常规，充分发挥自己的主观能动性，培养学生的创新意识。传统“一张试卷”的考核方式太过死板、内容局限，不能充分体现学生的学习水平。集成电路设计牵涉到物理、数学、计算机、工程技术等多个学科的知识，要求学生既要有扎实的基础知识和理论基础，又要有很好的灵活性。因此，集成电路设计课程的考核应该是理论考试和项目实践考核相结合，另外，考核是评价学生学习情况的一种手段，也应该是帮助学生总结和完善课程学习内容的一个途径，课程考核不仅要看学生的学习成果，也要看学生应用所学知识的发散思维和创新能力。
四、加强实践教学
在理论课程讲解到集成电路的最小单元电路时就要求学生首先进行模拟仿真实验，然后随着课程的推进进行设计性实验，倡导自选性、协作性实验。理论课程讲授完后，在暑期学期集中进行综合性、更深层次的设计性实验。集成电路设计是一门实践性很强的课程，必须通过大量的项目实践夯实学生的基础知识水平、锻炼学生分析和解决问题的能力。另外，“设计”要求具备自主创新意识和团队协作能力，应在实践教学中鼓励学生打破常规、灵活运用基础知识、充分发挥自身特点并和团队成员形成优势互补，锻炼和提升创新能力和团队协作能力。
五、总结
篇2
110kV输电线路杆塔基于受力的特征分成耐张型及直线型2种。选择合理的杆塔，直接决定了110kV输电线路经济性及建设速度，同时也在一定程度上影响了供电的可靠性和线路维修的便捷性。110kV输电线路杆塔设计施工的一个重要环节就是进行杆塔型式、结构的选择。对于交通运输方便的区域，适宜使用预应力混凝土杆及钢筋混凝土杆。结合运输与施工的实际，对于大跨越、出线走廊受到限制的区域，以及垂直档距比较大的情况，使用铁塔。110kV输电线路以及以上的高压输电线路，当穿过农田耕作区域时，出于降低对农田影响的目的，要尽可能少地使用带拉线的直线型铁塔。杆塔的呼称高度指的是杆塔高度，杆塔下横担下弦边到地面垂直的距离。杆塔的呼称高度与等线件垂直距离以及避雷线在架高度的和等于杆塔的总高度。对于电杆而言，还要包括埋入地下的深度。110kV输电线路施工的重要环节之一就是杆塔组立。当前，整体组立和分解组立是110kV输电线路杆塔组立的主要方式。钢筋混凝土杆具有单件重量比较大，杆身使用焊接方式，通常采用平面结构，沿着线路的方向稳定性不够等特点，基于此，钢筋混凝土杆的组立通常是大部分在地面进行组立，通过抱杆整体拉起的方式，也就是整体组立的方式。人字抱杆、门型固定抱杆、带拉线单抱杆等是整体组立经常使用的拉杆，而牵引绳、制动绳和磨绳等是整体组立混凝土杆通常采用的牵引机械。因此，需要对整体组立中各部分受力情况进行充分分析，选择安全系数足够并且轻便的工具。因为钢筋混凝土杆不可以存在过大的挠度，混凝土杆在组立时，杆端伸出的部分、杆身两支点之间都存在极限，当超过极限时，就会使得杆身出现裂纹，严重的会造成损坏。基于此，需要设计施工吊点，从而确保在整体组立过程中，钢筋混凝土杆的任何部分都比超裂纹的弯矩值低。杆塔的材料，杆塔结构形式以及杆塔受力形式决定了杆塔的强度。在长期的运行过程中，110kV输电线路的杆塔是避雷线以及导线的支撑物，因此，需要承担相应荷载，同时，杆塔变形需要在一定范围中，也就是杆塔需要满足刚度及强度的需要。和其他构件相比，环形截面构件各个方向承受能力都相等，同时节省了材料，能够使用离心机制造，通过离心方法浇制的混凝土的强度和振捣方法浇制的混凝土强度相比，其强度提高了将近1／3，所以110kV输电线路中环形截面的构件使用非常普遍。
2.110kV输电线路架设工程设计施工
110kV输电线路的架线设计施工包括架线前的准备、连接放线导地线、观测弛度、安装附件等。基于展放的方法，架线施工包括拖地展放及张力展放2种形式。拖地展放不要制动线盘，这种方法操作简单，不需要专门的设备，然而劳动效率比较低，需要大量放线工人，同时对导线磨损比较严重。而通过牵张机械使得导地线一直保持张力，对交叉物保持安全距离的展放方法就是张力放线，这种方法的效率高，导地线展放的质量有保障，同时可以有效预防导地线的磨损，使得施工的质量提高，但是费用比较高，同时机械比较笨重。110kV输电线路放线的过程中，要对导线进行认真检查，不可以存在磨损、断股以及金钩等问题。当单股的损伤不大于1／2直径时，对于其他导线以及钢芯导线低于导电部分的5％，通过棱角、毛刺修光的方法进行处理。对于补修金具有效长度内如果钢芯断股或者铝部分的损伤大于25％，单金属绞线的损伤大于25％时，或者内层线股发生没有办法修复的永久变形时，需要进行截断重接。在连接前，对导线的两端线头扭绞的方向、规格进行检查，严格按照操作规范进行连接，严禁连接不同规格，不同扭绞的线。110kV输电线路施工基础混凝土的强度100％达到设计值时，进行输电线路的紧线工作。进行紧线时，要求杆塔结构完整，螺栓紧固。同时，耐张塔受到张力方向相反的反侧，需要实施临时的拉线，预防杆塔因为受力过大发生塔身变形，从而使得驰度的观测受到影响。通常情况下，临时拉线和地面的夹角不超过45°。
3.结语
篇3
一、完善课程设置
合理设置课程体系和课程内容，是提高人才培养水平的关键。2009年，黑龙江大学集成电路设计与集成系统专业制定了该专业的课程体系，经过这几年教学工作的开展与施行，发现仍存在一些不足之处，于是在2014年黑龙江大学开展的教学计划及人才培养方案的修订工作中进行了再次的改进和完善。首先，在课程设置与课时安排上进行适当的调整。对于部分课程调整其所开设的学期及课时安排，不同课程中内容重叠的章节或相关性较大的部分可进行适当删减或融合。如：在原来的课程设置中，“数字集成电路设计”课程与“CMOS模拟集成电路设计”课程分别设置在教学第六学期和第七学期。由于“数字集成电路设计”课程中是以门级电路设计为基础，所以学生在未进行模拟集成电路课程的讲授前，对于各种元器件的基本结构、特性、工作原理、基本参数、工艺和版图等这些基础知识都是一知半解，因此对门级电路的整体设计分析难以理解和掌握，会影响学生的学习热情及教学效果；而若在“数字集成电路设计”课程中添加入相关知识，与“CMOS模拟集成电路设计”课程中本应有的器件、工艺和版图的相关内容又会出现重叠。在调整后的课程设置中，先开设了“CMOS模拟集成电路设计”课程，将器件、工艺和版图的基础知识首先进行讲授，令学生对于各器件在电路中所起的作用及特性能够熟悉了解；在随后“数字集成电路设计”课程的学习中，对于应用各器件进行电路构建时会更加得心应手，达到较好的教学效果，同时也避免了内容重复讲授的问题。此外，这样的课程设置安排，将有利于本科生在“大学生集成电路设计大赛”的参与和竞争，避免因学期课程的设置问题，导致学生还未深入地接触学习相关的理论课程及实验课程，从而出现理论知识储备不足、实践操作不熟练等种种情况，致使影响到参赛过程的发挥。调整课程安排后，本科生通过秋季学期中基础理论知识的学习以及实践操作能力的锻炼，在参与春季大赛时能够确保拥有足够的理论知识和实践经验，具有较充足的参赛准备，通过团队合作较好地完成大赛的各项环节，赢取良好赛果，为学校、学院及个人争得荣誉，收获宝贵的参赛经验。其次，适当降低理论课难度，将教学重点放在掌握集成电路设计及分析方法上，而不是让复杂烦琐的公式推导削弱了学生的学习兴趣，让学生能够较好地理解和掌握集成电路设计的方法和流程。第三，在选择优秀国内外教材进行教学的同时，从科研前沿、新兴产品及技术、行业需求等方面提取教学内容，激发学生的学习兴趣，实时了解前沿动态，使学生能够积极主动地学习。
二、变革教学理念与模式
CDIO（构思、设计、实施、运行）理念，是目前国内外各高校开始提出的新型教育理念，将工程创新教育结合课程教学模式，旨在缓解高校人才培养模式与企业人才需求的冲突。在实际教学过程中，结合黑龙江大学集成电路设计与集成系统专业的“数模混合集成电路设计”课程，基于“逐次逼近型模数转换器（SARADC）”的课题项目开展教学内容，将各个独立分散的模拟或数字电路模块的设计进行有机串联，使之成为具有连贯性的课题实践内容。在教学周期内，以学生为主体、教师为引导的教学模式，令学生“做中学”，让学生有目的地将理论切实应用于实践中，完成“构思、设计、实践和验证”的整体流程，使学生系统地掌握集成电路全定制方案的具体实施方法及设计操作流程。同时，通过以小组为单位，进行团队合作，在组内或组间的相互交流与学习中，相互促进提高，培养学生善于思考、发现问题及解决问题的能力，锻炼学生团队工作的能力及创新能力，并可以通过对新结构、新想法进行不同程度奖励加分的形式以激发学生的积极性和创新力。此外，该门课程的考核形式也不同，不是通过以往的试卷笔试形式来确定学生得分，而是以毕业论文的撰写要求，令每一组提供一份完整翔实的数据报告，锻炼学生撰写论文、数据整理的能力，为接下来学期中的毕业设计打下一定的基础。而对于教师的要求，不仅要有扎实的理论基础还应具备丰富的实践经验，因此青年教师要不断提高专业能力和素质。可通过参加研讨会、专业讲座、企业实习、项目合作等途径分享和学习实践经验，同时还应定期邀请校外专家或专业工程师进行集成电路方面的专业座谈、学术交流、技术培训等，进行教学及实践的指导。
三、加强EDA实践教学
首先，根据企业的技术需求，引进目前使用的主流EDA工具软件，让学生在就业前就可以熟练掌握应用，将工程实际和实验教学紧密联系，积累经验的同时增加学生就业及继续深造的机会，为今后竞争打下良好的基础。2009—2015年，黑龙江大学先后引进数字集成电路设计平台Xilinx和FPGA实验箱、华大九天开发的全定制集成电路EDA设计工具Aether以及Synopsys公司的EDA设计工具等，最大可能地满足在校本科生和研究生的学习和科研。而面对目前学生人数众多但实验教学资源相对不足的情况，如果可以借助黑龙江大学的校园网进行网络集成电路设计平台的搭建，实现远程登录，则在一定程度上可以满足学生在课后进行自主学习的需要。其次，根据企业岗位的需求可合理安排EDA实践教学内容，适当增加实践课程的学时。如通过运算放大器、差分放大器、采样电路、比较器电路、DAC、逻辑门电路、有限状态机、分频器、数显键盘控制等各种类型电路模块的设计和仿真分析，令学生掌握数字、模拟、数模混合集成电路的设计方法及流程，在了解企业对于数字、模拟、数模混合集成电路设计以及版图设计等岗位要求的基础上，有针对性地进行模块课程的学习与实践操作的锻炼，使学生对于相关的EDA实践内容真正融会贯通，为今后就业做好充足的准备。第三，根据集成电路设计本科理论课程的教学内容，以各应用软件为基础，结合多媒体的教学方法，选取结合于理论课程内容的实例，制定和编写相应内容的实验课件及操作流程手册，如黑龙江大学的“CMOS模拟集成电路设计”和“数字集成电路设计”课程，都已制定了比较详尽的实践手册及实验内容课件；通过网络平台，使学生能够更加方便地分享教学资源并充分利用资源随时随地地学习。
四、搭建校企合作平台
篇4
关键词：电子科学与技术；本科培养方案；课程设置；办学特色
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）30-0070-02
21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与技术产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用，也对人才的培养提出了更高的要求。因此，本文从人才的社会需求出发，结合我校实际情况，进行了本科专业培养方案的改革探索，并详细介绍了培养方案的制定情况。
一、人才的社会需求情况
目前，我校电子科学与技术专业的本科毕业生主要面向长三角地区庞大的微电子、光电子、光伏和新能源行业，市场对专业人才的需求基本上是供不应求的。但是也应该注意到电子科学与技术产业的分布不均，分类较细，且发展变化较快。另外，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。因此，社会需求与本专业毕业生的供需矛盾还会继续存在。
二、专业的培养目标和定位
本专业培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识，熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。并且结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养适应微电子和新兴光电行业乃至区域社会经济建设需求的工程技术型人才。
三、本科培养方案制定的思路
电子科学与技术专业培养方案参照工程教育认证的要求，以及专业下设微电子、光电子材料与器件两个本科培养方向的思路制定。注重培养学生的专业基础知识和实践工程能力，使毕业生能满足长三角地区微电子、光电子和新能源行业发展的需求。微电子方向的课程设置专注于电子材料与电子器件、集成电路与系统设计方面，光电子材料与器件方向则偏向于光电信息、光电材料与光电器件方面。
四、本科培养方案的改革探索
要实现电子科学与技术专业的培养目标，适应电子信息产业的不断发展，并结合我校学科发展方向和特色，对电子科学与技术专业本科人才培养方案进行了研究，并对省内外几所高校电子科学与技术专业的培养方案进行调研，最终形成了富有特色的电子科学与技术专业人才培养方案，主要内容如下：
1.培养方案的模块化设计。在设计电子科学与技术专业本科培养方案的整体框架时，根据“加强基础、拓宽专业、培养能力”和培养工程技术型人才的办学理念下，专业培养方案分人文与社会科学、专业基础和专业课三个模块，下设微电子和光电子材料与器件两个专业方向。学生在前两年学习相同的课程，到大三时根据自己的兴趣选择专业方向，选修各自方向的专业课。由于两个方向的不同培养要求，因此在专业基础选修课、专业必修课和专业选修课方面设置限选模块，每个专业方向必须修满相应的学分才能毕业。
2.改革专业基础课程。专业基础课程是为专业课程奠定基础，因此，在保留了原有电子信息类专业通常所开设的电子类课程外，增加了与专业相关的课程，如EDA技术、通信原理、数字信号处理、物理光学、应用光学、激光原理与技术等课程，删减了原先与物理类相关的一些课程，如物理学史、原子物理、热力学与统计物理学等，并删减了一些计算机软件类课程，如C++程序设计、计算机在材料科学中的应用等。专业基础选修课程分方向限选模块，两个专业方向对应有不同的专业基础选修课程。
3.优化专业课程。专业课程是整个专业教育中的主干部分，微电子方向的课程设置紧紧围绕半导体和集成电路设计方向，开设有集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析、半导体测试技术、现代电子材料及元器件、集成电路工艺与器件模拟等课程。光电子材料与器件方向围绕光电材料和光纤通信方向，开设光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤传感原理与技术、光纤通信技术等课程。另外专业课程里面还设置有专业实验，通过加强实验环节，训练学生的动手操作能力，增强学生的理论知识。
五、与省内外专业人才培养的区别
具有电子科学与技术专业的各大高校分布在不同的地区，服务于不同的区域经济，这就要求专业学生的培养具有区域化、差异化。我们分析了杭州电子科技大学、浙江工业大学、苏州大学、南京理工大学和徐州工程学院这五所不同地区、不同层次高校的电子科学与技术专业的培养方案。不仅使我们能学习到其他高校的先进办学理念、合理的课程设置体系，也可以发现与其他高校之间的差异。具体表现为以下几个方面：
1.专业定位。各个学校的电子科学与技术专业依据自身的师资力量、办学条件、区域经济要求确定专业的发展定位。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业依托1个教育部重点实验室、2个国家级实验教学示范中心、3个省部级重点实验室，人才培养定位于能从事电子元器件、电子电路乃至电子集成系统的设计和开发等方面工作的工程技术人才。浙江工业大学的电子科学与技术专业主要培养光通信、电子电路系统、集成电路设计等方面的人才。苏州大学的电子科学与技术专业定位在培养能够在电路与系统、集成电路与系统等领域从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的高级工程技术人才。南京理工大学的电子科学与技术专业主要是突出光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的电子科学与技术专业主要定位在培养能从事光电子材料与器件开发的工程技术人才。而我校的电子科学与技术专业定位于服务长三角地区半导体和新能源行业，培养能从事集成电路设计与开发、光电子材料与器件的研发等工作的工程技术人才。
2.课程体系。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子元器件、电子电路系统、电子集成系统的能力，在课程设置上开设了通信电子电路、EDA技术、薄膜物理与技术、电子材料与电子器件、电子系统设计与实践、集成电路设计、嵌入式系统原理和应用、现代DSP技术及应用等专业课程。浙江工业大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子电路系统、集成电路系统的能力，开设了电路原理、模电数电、通信电子线路、集成电路设计、光纤通信原理、光网络技术、数字信号处理等专业课程，以及电子线路CAD实验、单片机综合实验、通信原理实验、通信电子线路大型实验、微电子基础实验、半导体器件仿真大型实验、集成电路设计大型实验等实验类课程。苏州大学的电子科学与技术专业培养学生设计与开发电路与系统、集成电路与系统，从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的能力，开设了信号与系统、电磁场与电磁波、高频电路设计与制作、电子线路CAD、CMOS模拟集成电路设计、VLSI设计基础等专业课程，以及电子技术基础实验、信号与电路基础实验、电子线路实验、电子系统综合设计实验等实验类课程。南京理工大学培养学生从事光电子器件、光电系统和集成电路的设计、开发、应用的能力，开设了信号与系统、光学、光电信号处理、光辐射测量、光电子器件、光电成像技术、超大规模集成电路设计、光电子技术、显示技术、光电检测技术、数字图像处理、半导体集成电路、集成电路测试技术、微电子技术、光电子线路、电视原理等专业课程。徐州工程学院的电子科学与技术专业培养学生设计与开发光电子材料与器件的能力，开设有信号与系统、光电子学、光电子技术、激光原理与技术、光伏材料等专业课程，以及模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机原理课程设计等实践性课程。我校的电子科学与技术专业主要培养学生集成电路设计、光电子材料与器件的设计与制备能力，开设有半导体物理学、半导体器件原理、MEMS技术、微电子工艺原理与技术、薄膜材料及制备技术、工艺与器件可靠性分析、集成电路工艺与器件模拟、EDA技术、通信原理、数字信号处理、光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤通信技术等专业课程，以及近代物理实验、专业实验等实验类课程。
3.人才培养特色。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业的人才培养特色是注重集成电路设计、系统集成方面能力的培养。浙江工业大学的人才培养注重光纤通信、集成电路设计方面能力的培养。苏州大学的人才培养注重电路与系统设计、集成电路与系统设计方面能力的培养。南京理工大学的人才培养注重光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的人才培养注重光电材料与器件方面能力的培养。我校的人才培养注重电子材料与电子器件的设计与开发、集成电路设计方面能力的培养。
参考文献：
[1]陈鹤鸣，范红，施伟华，徐宁.电子科学与技术本科人才培养方案的改革与探索[A]//电子高等教育年会2005年学术年会论文集[C].17-20.
篇5
[关键词]教研统一 人才培养 方法与机制
[中图分类号] C961 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）07-0114-03
一、引言
关于大学高水平本科人才的培养，其影响因素很多，而围绕教学与科研相互关系的讨论或说争论长期以来一直是高等教育研究领域备受关注的重要课题。[1]大学最核心的任务是确保本科教育质量，如果科研除了有利于人才培养之外，不能很好地服务本科教育，将丧失可持续发展的潜力;而将知识创新与教授有机结合起来，有效发挥科研的人才培养功能，对高校教学水平提高、教师教研水平提升、学生学习效果改善具有积极甚至无可替代的作用。
综观世界一流大学，无不要求其教师教学科研水平。我校从顶层设计角度制订了“教研统一”的办学理念。[2]笔者长期从事集成电路设计领域的科研与教学工作，结合专业特点，将多年来在教学与科研相互促进融合方面的探索进行梳理，并对其中面临的困难与挑战进行了思考。
二、教研统一的探索
目前国内不少大学存在不同程度的“科研先行”发展理念，造成了教学的“短板”。为促进集成电路设计与集成系统专业工程应用型人才的培养，本专业一线教师长期积极探索科研促进和服务教学的方式方法，将先后承担的国家自然科学基金重点项目、国家“863”重大专项、国家自然科学基金项目、国家科技攻关项目，以及省部级、厅局级、横向项目等数十项科研项目及成果以多种方式融入本科教学，努力使科研引领教学水平的提升，整个教学科研团队先后于2010年和2012年被评为“陕西省省级教学团队”――通信专用集成电路设计核心课程教学团队和“陕西省首批重点科技创新团队”――西安邮电大学通信专用集成电路与集成系统重点科技创新团队，探索形成了“科研嵌入”理论教学内容、“科研反哺”实践教学环境、“科研提高”师资队伍建设和“科研启发”应用型人才培养的教研统一方案，努力提高科研对教学的贡献率。
（一）“科研嵌入”理论教学内容
为了践行“教研统一”，在理论教学方面，贯彻科研项目分模块进课堂、进实验、进毕业设计，落实前沿技术进讲义、进习题、进考试环节，同时根据科研项目开发实际，总结工程经验，凝练科研案例，编写系列教材。通过将科研子模块“嵌入”教学、“嵌入”教材，丰富了教学内容，拓宽了学生视野，提高了学生实践能力，实现了科研成果进课堂、教学水平上台阶的目标。近年来承担并以多种形式融入教学的主要科研项目有：
项目1：国家自然科学基金面上项目“三维视频处理系统芯片动态可重构可编程体系结构研究”，经费160万元;
项目2：陕西省科技统筹项目“北斗二号 / GPS双模接收机芯片组”，经费150万元;
项目3：陕西省重大创新专项“双网数字传真机开发”，经费75万元;
项目4：陕西省重大创新专项“SDH片上系统设计与实现”，经费50万元;
项目5：国家自然科学基金重点项目“新一代图形处理系统芯片体系结构及关键技术研究”，经费440万元;
项目6：某国防项目“图形处理器IP研发”，经费99万元;
项目7：陕西省“13115”创新专项“高速数据网络包交换芯片研制与开发”，经费135万元;
项目8：国家“863”重大专项“基于NOC的多处理器系统片上高性能互连技术研发”，经费200万元;
项目9：国家“863”项目“宽带交换高速交换芯片的研究开发”，经费360万元;
项目10：国家自然科学基金“无线通信自重构容错NOC研究”，经费60万元。
上述项目与理论教学、实践教学以及集中实践环节相结合的具体操作如下：
1.集成电路专业导论：将项目1“APU体系结构、计算模式统一等”作为内容;将项目2“北斗、GPS以及伽利略等”的对比研究作为内容;将项目8“片上网络NOC的项目”引入教学;将项目9“电路交换、分组交换的发展及研发现状”引入课堂。
2.数字集成电路设计：将项目1、5中“涉及的长线、功耗、缺陷问题引入教学”作为内容;将项目6、7中的模块作为案例用于新编教材;将项目9“PLL、CDR单元、全定制振荡器”作为教学案例。
3.集成电路工艺原理：将项目1、5中“红墙问题、三维工艺”引入教学;项目7、9、10成果引起企业关注，与航天某所建立工艺联合实验室;将项目9开发过程中针对工艺的比较引入教学。
4.EDA技术实验：以项目1“4×4可重构阵列”，项目3“将图像CIS扫描、热敏打印头以及步进电机控制电路”，项目4“字符重排、帧定位等单元设计”，项目5和6“命令处理器”作为教学案例;将项目7、8、9、10前端设计中积累的代码编写经验、综合脚本撰写方法引入教学，将设计后端的STA用于新编教材中。
5.SoC设计方法学：以项目7、8、9的研发流程作为典型的SoC设计流程进行对比讲解。
6.计算机组成与设计：将项目1、5“ILP、OLP、DLP的统一”作为课程的主题研讨内容。
7.Verilog HDL数字系统设计：将项目1、5“反馈环、命令处理器、存储管理器等”作为大型实验案例;将项目4、7、9“PRBS序列产生、字符重排、帧定位单元”作为实验内容;将项目8、9、10“将分配管理单元、虚通道路由器”作为案例，并将验证平台的搭建作为大型案例引入教学。
8.通信原理：依据项目3建议授课教师将传统传真协议T.30、网络传真协议等引入课程;依据项目4建议授课教师将SDH内容讲解与项目开发结合起来;依据项目4、9建议授课教师将世界上第一套符合ITU-T标准STM-256帧结构的40G SDH设备等引入课程。
9.基于FPGA的嵌入式系统设计：将项目1、5“如何在Micro Blazer上移植操作系统、如何与底层电路交互”作为案例;将项目3双网传真机作为典型的嵌入式系统引入教学。
10.FPGA课程设计：将项目1和5“反馈环、Cache开发、命令处理器”，项目9、10“队列管理、VC分配、交换分配”等简化后作为题目。
11.集成电路设计课程设计：将项目1和5“几何变换、三维剪裁、图元装配”，项目9、10“队列管理、VC分配、交换分配”等作为题目。
12.SoPC课程设计：将项目3、5、6、7电路验证转化为SoPC方式进行以作为课程设计题目，项目7、8“PRBS序列产生、字符重排、帧定位等单元的开发”作为题目。
13.毕业设计：将项目1、5、6“基于可重构阵列的DCT变换、2D加速器、命令处理器、像素染色器等”，项目3“传真机方案设计、模块电路设计、软件方案、通信协议等”，项目4、7、9“PRBS序列产生、字符重排、帧定位等单元增加基于C的验证”，项目9、10“队列管理、VC分配、交换分配、torus结构等”，项目8“验证涉及的基于SV的验证平台、PLI平台等”作为毕业设计题目。
（二）“科研反哺”实践教学环境
集成电路设计是一个工程实践性很强的领域，所需的仪器设备、工具软件、工作条件成本高昂，建立完善的设计实践环境常令学科建设经费捉襟见肘。而在承担各级各类科研项目的过程中，逐步建立起了较高水平的科研平台，如部级重点实验室、省级工程中心、校企联合实验室等，在这些科研平台上积累了丰富的硬件资源、空间资源和人才资源。通过探索“科研反哺”，对实践教学环境的建设和提升起到了积极的促进作用。具体措施包括：
1.共享科研平台的硬件资源，提升学生实践环节的物质基础：在高水平科研带动下，先后投入数千万元建立了集成电路设计环境、工艺生产线，并与Altera、Xilinx、Intel、TI、广州周立功、772所等建立了联合实验室，相关的仪器、设备、开发工具等通过合理共享逐步向本科生开放，向实践教学资源转化，提升了实践环境的物质基础。
2.利用科研平台的空间资源，为学生提供校外实习实训的机遇与环境：通过科研合作，先后与烽火、中兴、华为、兖矿、煤炭科学院、深亚等相关设计企业、终端用户等建立了校外实习基地，丰富了学生的实习实训环境。
3.发挥科研平台的人才优势，转化为第一、第二课堂的教学优势：主持和参与科研项目的高水平教授、中青年教师、硕士研究生等是科研平台的人才优势，强调实施教授年授课学时数不低于120学时、项目负责人至少承担一门本科生专业课、青年教师指导学生参加兴趣小组和学科竞赛、硕士研究生承担助教等一系列措施，对学生创新能力的培养起到了积极作用。
通过上述举措，先后建设了陕西省实验教学示范中心――“计算机与微电子学实验教学中心”和“电工电子实验教学中心”、陕西省人才培养模式创新实验区――“电子信息工程应用型人才培养模式创新实验区”和“集成电路设计与集成系统工程应用型人才培养模式创新实验区”。
（三）“科研提高”师资队伍水平
集成电路设计的工程性要求教师必须具备丰富的实践经验，而科研正是弥补经验“短板”的有效途径。在具体实践中采取的“科研提高”师资水平的措施主要有：
1.划拨科研经费资助青年教师攻读硕士、博士：为了培养青年教师，形成人才梯队，一线青年教师先后有6人都是在科研项目专门审批划拨的经费资助下攻读博士、硕士，毕业后先后承担了陕西省自然科学基金项目、教育部重点项目、陕西省教育厅专项项目等10余项;多名青年教师指导本科生、研究生参加学科竞赛，先后获得大学生电子设计竞赛陕西省一等奖第一名和全国二等奖多次、研究生电子设计竞赛西北赛区特等奖两次、全国二等奖和三等奖各一次以及全国优秀指导教师奖。
2.人才引进注重科研方向、优势互补：在师资队伍建设中，注重科研经历、工程能力、国际背景，如引进的美籍全职教授有Nvidia、贝尔实验室、犹他大学等国际知名企业、科研院所长达29年的开发经历，并被聘为陕西省“百人计划”特聘专家。
（四）“科研启发”应用型人才培养
通过科研融入教学，对启发学生潜力、培养学生工程应用能力起到了积极作用;同时选拔兴趣浓厚者作为科研助手参与项目研发，由高水平教授直接指导，这些学生有多名进入Intel、MTK、华为、中兴等知名企业，担任开发经理、技术骨干等关键岗位，或考取知名高校的研究生，并迅速成长为导师科研团队中的骨干成员。
总之，科研成果分模块进课堂，丰富了教学内容;前沿技术进教案，拓宽了学生视野;科研设备向教学资源转化，改善了教学条件;坚持高水平教授为本科生授课，保障了教学中心地位;总结科研和工程经验，更新了教学内容，出版了系列教材，提高了学生工程实践能力，形成了科研促进教学的良好局面。
三、教研统一的思考
尽管在多年的教学科研实践中摸索了一些“教研统一”的方式方法，但终究不是机制，无法形成长效。而“教师的薪水、晋升，最终是依据其科研成果，而不是其教学绩效，大学制订的教师学术奖励体系中几乎看不到教学的影子”[3]，“教学和科研的统一正在随着科研的兴盛及二者之间激励机制的不平衡而受到破坏，科研正在越来越远离教学，甚至是毫不相干”。[4]那么，如何让教师发挥主观能动性，积极投身教研统一的探索？又如何让学生积极投身运用专业知识解决实际问题的实践，为学生实践能力培养与提高形成合力呢？
（一）倡导研究性教学
大学师资管理模式、绩效考核方式决定着大学教师的工作方式、工作效率和工作效果[5]，毕竟对多数人而言，指挥棒在哪里，工作的方向就在哪里。因此对工程实践性强的专业，可从教学的要求上倡导研究性教学，从绩效考核上拉近、拉平教学与科研奖励，不仅让只灌输书本知识的现象得到改观，也让学术水平高的教师有意愿对学生倾囊相授。
同时，一个高效的科研团队必然也是一个优势互补的水平梯队，而一个专业的教学也是理论与实践、抽象与具体、构想与实现的结合。因此，可从校级层面上制订科研团队对专业教学的工作目标，再由科研团队细分任务与计划，并分解科研项目，组织教学活动，做到教师人尽其才，学生人尽其用，这样既可以调动教师积极性，又可以发挥学生能动性。
（二）强调教学中心地位
从教师角度看，教学过程中应着重关注学生的学习过程，以教学为中心，以学生为主体，以教师为主导，以学习为主线。在基础课、专业基础课的支持下，专业课教学可以按“问题驱动、案例驱动、项目驱动、前沿驱动”的节奏循序渐进，逐步提升。教学方式方法的改革将在一定程度上促进“教研统一”的践行。
（三）发挥学生科研潜力
从学生角度看，专业知识的掌握程度，除了卷面成绩外，还可以有多种表现形式，如：1.参加教师科研项目，独立运用专业知识或在教师指导下多方查阅、调研，完成相关模块的设计，并撰写小论文或申请国家发明专利，或录用或发表，或实审或授权;2.参加学科竞赛，竞赛题目可以从日常应用角度激发学生的灵感，也可是教师科研项目转化，通过自由组队，在省级及以上政府机构组织的装试性竞赛、国家级行业协会组织的装试性竞赛上获奖等。对诸如此类情形，从学校学院角度给以奖励、鼓励，也将在一定程度上促进“教研统一”的践行。
四、总结
本文结合集成电路设计专业工程实践性强的特点，在长期的教学科研实践中，探索出了一套“科研嵌入”理论教学内容、“科研反哺”实践教学环境、“科研提高”师资队伍建设和“科研启发”应用型人才培养的教研统一方案;同时为了实现科研促进教学、提高人才培养的效果，从学校角度、教师角度和学生角度思考了倡导研究性教学、强调教学中心地位、发挥学生科研潜力的“教研统一”长效机制。
[ 注 释 ]
[1] 梁林梅.国外关于本科教学与科研关系的探析[J].江苏高教，2010（3）：67-60.
[2] 卢建军.深化高教改革要抓好顶层设计[N].光明日报，2014-06-17.
[3] Serow R C.Research and teaching at a research university[J].Higher Education，2000（4）：449-463.
篇6
【摘要】从知识更新、跨院系选课和授课以及校企合作三方面分析美国高等工程教育的特点，为“卓越工程师教育培养计划”提供借鉴，这将十分有利于改革和完善现今我国高校的培养教育体制，有利于为我国培养出更多高质量的工程师人才，以满足时代与社会发展对工程师在“质”与“量”上的需求。
【关键词】高等工程教育；美国教育；卓越工程师
自从教育部2009年推出“卓越工程师教育培养计划”，国内有61所高校被批准为首批“卓越工程师教育培养计划”的实施高校，这是一项重大的教育改革试点项目，旨在为培养工科专业本科层次、硕士层次和博士层次学生提出其应达到的知识、能力与素质的专业要求。借鉴世界发达国家高等工程教育的成功经验，创建和完善具有中国特色的高等工程教育模式，培养造就一大批基础扎实、创新能力强、符合企业发展需要的多种类型的优秀工程师，是“卓越工程师教育培养计划”的要求，也是完成“卓越工程师教育培养计划”的一条捷径。
毋庸置疑，美国在经历半个世纪的工程教育发展过程中，以其独具特色的培养理念和培养模式，在世界高等工程教育领域树立了成功的范例，倍受世界推崇。美国工程师培养模式具有鲜明的特色，为本国经济、科技实力的发展培养了大批优秀的工程师，也为其综合国力和国际地位的提升奠定了坚实的基础。时至今日，美国对工程教育领域内的改革仍然十分热衷，二十世纪末麻省理工学院的前院长莫尔提出了“大工程观”引领了世界工程教育的发展方向。
所以，对美国高等工程师教育进行深入研究，取长补短，这将十分有利于改革和完善现今高校的培养教育体制，有利于为我国培养出更多高质量的工程师人才，以满足时代与社会发展对工程师在“质”与“量”上的需求，同时对促进我国科技发展，提高国际竞争力具有巨大作用。中美两国高等工程教育有共性，也有差异，通过分析美国高等工程教育三个方面的特点，找到我国高等工程教育的不足，使其对“卓越工程师培养计划”有所借鉴。
第一，美国大学教育非常注重知识的与时俱进，由于任课老师大都从事一线科研，他们对当前科技研究及发展方向有深刻理解，而前沿的知识和技术本身在整个国家人才类型需求与人才培养之间扮演着纽带角色，前沿技术课程不仅有教书育人的功能，还培养了学生的科研能力，前瞻意识，从而使美国大学始终保持科技先锋作用。如斯坦福大学电子工程系开设的Iphone设计课程紧密联系当今发展迅速，深入人们生活的智能手机设计领域，课程内容包括软硬件设计方法，嵌入式操作系统等，不仅高校学生对这类课程倍加喜爱，就连业内很多资深工程师也对经常旁听课程。而我国的大学教育，一味依照课本，知识严重陈旧，从事一线科研的教师，由于课本的束缚无法施展手脚来讲解最前沿技术，更有一些老师由于学校考核要求宽松，对本专业的前沿不去关注，所以此类教师的专业课程与当今的技术发展步调不一，学生越学离实际越远，学生学习没有兴趣，教师授课缺乏更新，严重影响了知识的与时俱进性，造成了理论和实际的脱节，不利于学生的就业，更不利于学生的科研，这也是我国高校专业课程教授中的通病。而且“卓越工程师教育培养计划”的宗旨中，强调面向未来的卓越工程师，即要有战略眼光和前瞻意识，培养能够满足未来发展需要、能够适应和引领未来工程技术发展方向的工程师。所以，我国高等工程教育应该改进现有授课内容，加强课程的与时俱进性，来切合“卓越工程师教育培养计划”的宗旨。
第二，美国是一个多元化的民族，不同的种族、宗教及文化在这片国土上相互碰撞和融合，多元、灵活的工程师培养理念也就是在这样的环境中逐渐形成。所以，美国的工程师培养重视跨院系、跨专业和跨学科的人才培养，学院甚至整个学校范围内拆除壁垒，进行广泛的合作，开设交叉专业，安排综合课程，不同专业教师合作从事教学，跨学科的教育机制已经建立。如哈佛大学，课程体系分为：核心课、专业课及选修课三个部分。核心课属于专业课之外的通识教育范畴，内容包括：文化，历史，文学艺术，伦理道德，自然科学等几大学术领域。攻读工程专业学士学位的学生必须保证在六大领域内各有一门核心课，否则不准毕业，可见学科交融对高素质创新型人才培养的重要性。所以美国高等工程教育是学科交叉的“通才”工程师教育。而我国高校的专业课程和教育教学过程按照统一计划运行，大多数高校的教学是以课堂教学、教师和课本为中心，课程、教材、教学大纲、考试严格统一。学校教学灵活性不足，学生个性发展不充分。而我们的学生将来所要面对的是以知识为中心的经济社会，而知识经济的发展必将引起人才需求结构的巨大变化。社会所需要的不再是缺少个性的统一培养的人才，而是具有个性的知识面宽、综合素质强的“通才”。打破学科限制，是“卓越工程师培养计划”的要求，也是社会经济发展的需要。
第三，在美国，高等工程院校与企业在工程师培养过程中展开广泛合作，双方通过建立密切的合作关系，不仅有利于学生实践能力的提升，同时也有利于加快技术转化的速度，可谓互惠互利。如斯坦福大学通过开设继续教育课程、聘用企业专家作为教师、校企共同研发项目等丰富多样的形式促进双方共同获利，促成了斯坦福大学和硅谷在世界上的良好声誉。总之，在美国，通过这种校企合作的方式，不仅促进了美国高等工程教育的发展，也推动了其国内经济的快速发展。我国的高等工程院校也在不断的发展与改革，校企合作的实际成效却不大，究其原因，主要是目前我国高等工程院校与企业的合作尚处于起步阶段，合作机制还不够健全，虽然我国高校也效仿了美国的部分做法，但是大都照搬照抄，如美国大学微电子专业的学生在集成电路设计课程的实验中，大都采用Cadence公司提供的免费EDA软件，进行正向的定制或是半定制设计。我国大部分高校，尤其是知名高校也加入了Cadence公司的大学计划，进行校企合作，免费应用其EDA软件，这一合作使学校和企业互惠互利，无可厚非。但是，我们也应当清醒的看到，我国大部分的集成电路设计公司，尤其是模拟集成电路设计公司大都是刚刚起步的中小公司，这些公司采用的绝大部分是逆向设计方法，那么我们的高校在应用Cadence公司的EDA工具开设正向设计实验的同时，是否考虑我国的实情，考虑我国与美国等发达国家集成电路设计产业的不同特点。“卓越工程师教育培养计划”的宗旨中，也提出了面向工业界的要求，表述为“主动适应工业界的需求，为中国特色新型工业化发展服务，为国家经济社会可持续发展服务。”所以，我们的校企合作要有特色，要有中国特色。
“卓越工程师教育培养计划”的宗旨为：培养卓越工程师后备人才，要坚持面向工业界、面向世界、面向未来，在这一宗旨的指导下，借鉴美国高等工程教育经验，根据自身条件、制度环境和历史沿革的特点，政府主导、高校落实、社会支持三位一体的探索出具有中国特色的高等工程培养教育之路，具有重要的理论价值和实际指导意义。
参考文献
[1]龚克.转变观念大胆试验-建立卓越工程师教育培养的中国模式[J].中国高等教育,2010(18):10-12.
[2]韦保林.面向IC设计人才培养的微电子学专业课程体系探索[J].中国电力教育,2010(18):120-121.
[3]王莉,梁齐,张广斌.微电子专业课程建设与教学改革的探索[J].中国现代教育装备,2008(10),92-93.
[4]于淼.美国与德国工程师培养比较研究[D].大连理工大学硕士学位论文.
[5]胡燕.中美研究型大学创新型人才培养模式的比较研究[D].中国地质大学硕士学位论文.
[6]赵韩强,赵树凯.中美研究型大学本科教育人才培养模式的比较研究[J].高等理科教育,2006(4):25-29.
[7]张安富,刘兴凤.实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J].高等工程教育研究,2010(4):65-69.
[8]吴燕等.培养下一代卓越的国际化工程师[J].高等工程教育研究,2010(4):65-69.
[9]王世斌,郄海霞等.高等工程教育改革的理念与实践[J].高等工程教育研究,2011(1):18-23.
[10]吴文光,肖丙刚,董艳艳,叶有祥.微电子专业集成电路设计实践课程的建设与研究[J].科技信息,2009(26):10-12.
[11]赵韩强等.国外大学产学合作教育对我国实施卓越工程师教育培养计划的启示[J].高等理科教育.
致谢：感谢北京工业大学教育教学研究立项“中美‘卓越微电子产业工程师’培养教育比较研究”（ER2011-B06）对本课题的资助。
篇7
关键词：数字电子技术；教材；探索
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0098-02
随着数字电子技术、集成电路设计、制造技术的高速发展和广泛应用，大量学科纷纷出现在高等教育的课程设置中，如DSP、嵌入式系统、SOPC、PLD、EDA、硬件描述语言等。这些课程引领电子技术的发展方向，把作为这一领域专业基础课的《数字电子技术》的地位和重要性也推到了前所未有的高度，同时也对数字电子技术课程的教学内容提出了极大的挑战！然而，难以乐观的是目前国内多数著名高校该课程的教材多少年来随着版本的更新，内容变化并不大。可喜的是，近年来有个别教师对《数字电子技术》教材做了非常大胆的改革，比如，有教材大篇幅地增加了可编程逻辑器件及应用，使学生在课堂上的大部分时间用于学习掌握现代电子技术设计方法；也有教材将微型计算机原理和数字电子技术合二为一，将微处理器结构作为数字电子技术的一个应用实例，这样不仅消除了传统数字电子技术内容零散的缺陷，同时也将微型计算机原理课程和数字电子技术课程有机地结合在一起，并可以减少学时数，方便课程安排。作者早在参考文献[1]中也提出这种改革方案，但由于教学内容的大量改动往往牵扯到教学计划和几门课程的改革等问题，影响面比较大。因此，多年来各著名高校依然按兵不动。本文在尽量不影响教学计划的前提下，针对目前的多数教材内容提出几点建议。
一、数字电子技术的发展和课程重要性介绍
国内外多数教材的开篇都是直入主题，对《数字电子技术》课程的重要性、电子技术的发展、课程特点及学习方法等问题很少介绍。这样使得学生在刚开课时就接受大量新概念，毕竟数字电子技术是走进数字时代的第一入门课程，由模拟世界到数字世界有些转弯太急。另外，开篇不介绍电子技术发展和一个典型应用，往往使学生学到最后都会感觉内容零散，慢慢失去了学习兴趣。这种大转折性课程有必要介绍电子技术的发展和广泛应用，介绍电子技术的发展，不仅使学生可以了解该学科前沿技术及目前应用状态，启发学生创新能力，也可以让学生体会EDA软件在现代电子技术设计中的作用，在课程学习过程中自发学习和利用EDA软件进行仿真实验，激发学生学习兴趣，引起学生对课程的足够重视，同时也给学生一个适应过程。教材中介绍课程的重要性是非常必要的，数字电子技术已逐渐渗透到各个行业及领域，推动着世界步入数字化时代，进入21世纪，数字电子技术将继续促进人类在各个领域的全面进步。作为走向数字化时代的第一门课程，重要性不言而喻。另外，应该强调学生应该学习一些什么？课程各章节的重要性和相互关系等。《数字电子技术》作为一个转折性和走向数字化时代的基础课程，也能鼓励之前学习较差的学生，将《数字电子技术》课程作为一个新的学习起点，走向美好未来。另外，电子技术课程也是很多高校某些专业的考研课程，对于以后想考研的学生提前告知也可以引起学生对该课程的高度重视。《数字电子技术》课程实践性很强，要在教材中强调高度重视实验环节，介绍使用EDA软件进行电路的设计和分析方法。鼓励学生在实验中遇到问题时要有积极主动分析问题和解决问题的心态，在不断解决问题的中提高自信和科研动手能力。
二、理论教学和实验内容的配合
目前多数教材不包含实验内容，而且EDA内容介绍很少甚至没有，实验与教学配合不是很紧密。如果教材中实验内容像每章后的作业一样安排，在教材中每章之后直接给出验证性实验和设计性实验内容，并增加EDA仿真实验，使学生一开始就学习和利用现代电子设计不可或缺的一些EDA工具，使数字电子技术的教学环节采取“黑板+PPT+EDA仿真”的模式，这样不仅使课程与实验衔接紧密，加深学生对所学理论知识的理解，利用课外学时也解决了实验时间有限的问题。同时，EDA仿真环境的开放性为设计性和探索性实验提供了实验环境，克服了实物实验中硬件损耗带来的资金压力和实验平台数量和开放时间的限制，对提高学生的综合素质、培养学生的自主学习和创新能力、激发学生主动探索未知事物的学习热情具有特殊的作用。当然，走进实验室熟悉硬件、搭接电路、调试电路等实验过程对于培养学生实际动手能力、分析问题和解决问题的能力具有重要意义。
三、增强实际应用例子
参考微处理器硬件电路，更新教材内容，使理论与实际相结合。《数字电子技术》的重点是分析和设计电路，也是微处理器课程的重要基础。如果能将部分内容和后续微处理器课程结合将会极大提高学生学习兴趣。目前教材中的很多应用实例陈旧且不结合实际，参考文献[1]中详细说明了存在的问题，在此举例说明并提出建议，例如：组合逻辑电路中的中规模集成器件（MSI）及应用，几乎所有的教材都是介绍概念、具体某器件符号图、功能表及应用等，介绍的多数器件型号比较陈旧且应用介绍与实际都有很大距离。比如，编码器从学生熟悉的键盘引出编码的概念和编码器的作用后，多数教材给出的集成编码器型号在实际中很少用到，应该增加实际键盘扫描原理电路介绍和实用的键盘编码器，比如16键盘编码电路74C922（CMOS工艺技术制造，工作电压3-15V，“二键锁定”功能，编码输出为三态输出，可直接与微处理器数据总线相连，内部能完成4x4矩阵键盘扫描）。译码器应用几乎所有教材都是介绍用74LS138译码器实现逻辑函数、多路分配器等，而没有介绍其最为重要的地址译码作用，如果介绍三态门时增加或增强总线结构，在译码器应用中就很容易引入地址译码器的地址译码作用。其实，在介绍数字电子技术相关内容时，将其应用延伸到微型计算机的结构，比如，中断控制逻辑需要的优先编码器、地址译码器、总线结构、键盘编码、存储器、时钟和复位电路等，在《数字电子技术》课程最后将很容易搭建起一个计算机简化结构模型。这不仅将《数字电子技术》零散的内容融为一体，而且在学习各个部分时，学生也会更有兴趣，也有助于后续课程相应内容的理解和学时压缩。
四、思考经典应用
很多教材或多或少都引用了之前教材的一些经典应用实例，导致再版或新出版教材都没有慎重考虑也照搬前人的实例，结果造成大多数的《数字电子技术》教材中都存在有问题的设计实例。比如，串行序列检测电路设计，在参考文献[2]中作者已提出该问题并引起了一些老师的重视，但多数教材问题依然存在；还有同步JK触发器，个别教材认为在CP=J=K=1时，JK触发器状态翻转一次，有教师就针对该问题发表了论文，认为根据JK触发器状态变化关系：00不变、11翻转、其它随J变。因此，CP=J=K=1时，JK触发器状态应该按照Qn+1=■n=1的规律并以各级门电路延迟时间之和为时间间隔，不断地翻转，直到CP有效高电平结束为止。其实这些说法都不正确，通过理论分析和仿真实验可以证明，CP=J=K=1时，JK触发器输出为：，Qn=■n=1，0n和■n不再互补，而且当CP变为低电平时，输出不确定。这是因为触发器中构成反馈的两个门的输入，在CP=J=K=1时，都为Qn，■n=0。这些问题说明即使是多数教材中都引用的内容也需要编写教材的老师仔细推敲和思考。
五、增强可编程逻辑器件原理以及应用介绍
许多大规模、超大规模及专用集成电路产品的问世，特别是高密度可编程逻辑器件的快速发展，使得现代数字控制系统几乎成为两片系统――微处理器+可编程逻辑器件。作为工科院校专业基础课程之一的《数字电子技术》，其大部分内容和实际应用显然存在较大差别，不适应现代电子技术发展和应用需要，改革教材内容迫在眉睫。教材中的经典内容比如，数字逻辑基础、集成逻辑门、存储器等需要保留，对小规模集成逻辑门的解剖有利于理解集成器件的外特性和性能指标，正确使用器件合理设计电路，也利于掌握同一数字逻辑系列大规模集成器件的使用方法；触发器、基于门或触发器的组合或时序电路的分析和设计、中规模器件电路、脉冲产生与整形等要进一步精简；扩充可编程逻辑器件应用，增强现代电子设计方法的介绍和实验训练非常必要，很多教材虽然增强了PLD内容，但教学并没跟上。本文在尽量不影响教学计划的前提下，对目前的教材内容提出几点建议，旨在逐步更新课程内容，适应现代电子技术飞速发展和应用的需要。期望和同行们共同探索出更好的教材和教学改革方案。
参考文献：
[1]宁改娣，杨拴科，王建校.数字电子技术课程教学改革探讨[C].中国电子教育学会会刊.2000.
[2]宁改娣，杨栓科.串行序列检测同步时序电路设计探讨[C].西安交通大学2003.8.全国高校电子经验交流会论文集。
篇8
【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
[1]孔德明.《数字系统设计》课程教学重点的探讨，科技创新导报，2012.1，173-174.
[2]任爱锋，孙万蓉，石光明.EDA实验与数字电路相结合的教学模式的实践，实验技术与管理，2009.4，200-202.
[3]叶波，赵谦，林丽萍.FPGA课程教学改革探索，中国电力教育，2010，24，130-131.
[4]秦进平，刘海成，张凌志等.电类专业数字系统综合实验平台研制，实验技术与管理，2012.6，75-78.
篇9
【关键词】课程整体设计；单元设计；项目教学法
对于《数字电子技术》这门课程，我将从以下两方面来进行介绍：一是课程整体设计，二是教学单元设计。
一、课程整体设计
主要包括六方面的内容：课程的定位与目标，课程设计理念与思路，学生基础和智能特点分析，课程内容的选取和教学组织安排，教学模式及教学方法手段，课程对教学条件的要求。
1.课程定位与目标
秉承我院“优秀员工的摇篮，职业经理的基地”的办学理念，确定了电子信息工程技术专业的人才培养目标：培养电子信息工程领域具有组装、调试、检测、维护和管理能力的“社会需要、行业认可、企业能用”的高端技能型专门人才。《数字电子技术》这门课是电子信息工程技术专业的一门专业基础课，是为培养电子信息工程技术专业学生的行业通用能力而开设的一门课。
课程作用：为了更好的服务于区域经济，培养符合电子行业需要的高端技能型专门人才，本课程的任务是培养具有较高素养的电子产品装接和辅助设计人员，让学生熟悉常用数字电路的应用，使学生具备数字电子技术方面解决实际问题的能力。
课程目标：包括知识目标、能力目标及素质目标。知识目标：掌握组合逻辑电路的分析方法和设计方法；掌握常用触发器的逻辑功能转换；掌握时序逻辑电路分析和设计。能力目标：学会使用和测试常用集成芯片；初步具有看懂简单数字逻辑图的能力及查阅集成电路产品手册的能力；学会制作与调试小型数字电路。素质目标：树立学生团队协作意识；提高学生之间语言交流能力；提高自我创新及解决实际问题的能力。
2.课程设计理念
以企业真实项目为依托，从企业的真实项目中提炼出与本课程相关的一些项目，如八路抢答器，直流数字电压表等项目，以培养学生职业能力和职业素养为目标，以企业实际生产工作过程为主线，企业参与的多方评价机制。
3.学生基础和智能特点分析
本课程的授课对象为电子信息工程技术专业的大一学生，该学生来源复杂，有理科生、文科生及对口生，该学生的特点是基础和动手能力参差不齐，但有很高的学习热情。基于以上学生基本特点，我们采取的措施主要是：在教学过程中，将学生分成若干个学习小组，每个小组兼有理科生、文科生及对口生，充分发挥理科生逻辑思维较强，文科生语言表达清晰，对口生计算机应用能力较好的优势。以取长补短，实现优势互补。
4.课程内容的选取和教学组织安排
本课程安排了5个综合性的实训项目，声光控制灯电路的制作、八路抢答器电路的制作、电子生日蜡烛电路的制作、流水彩灯电路的制作及直流数字电压表的制作。以上5个实训项目在知识目标和能力目标上都是逐级递深的，这一点也符合我们的认知规律。
教学组织安排：对于每个实训项目，都包含知识目标、能力目标以及子任务，在这里，我就不再一一赘述了。
5.教学模式及教学方法手段
在教学实施过程中，综合采用了多种教学方法：项目教学法、演示法、小组讨论法、角色扮演法、实践教学法及汇报展示法。
下面我以项目教学法为例，具体介绍一下该教学法在教学实施过程中的应用。本课程安排了5个综合性的实训项目，每个项目都以企业真实项目为依托，通过项目教学法，可以使学生对知识的理解实现从量的变化到质的飞跃，还可以培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。在教学过程中，我们根据内容的不同，灵活采用不同的教学方法，以满足教学。
教学手段包括：多媒体教学与传统板书教学有机结合，可以提高师生之间的互动；利用实训室进行实践教学，提高学生的动手能力；利用仿真软件进行教学，提高教学的直观性。
6.课程对教学条件的要求
师资方面：本课程专任教师共5名，均有丰富的信息类行业企业生产一线的工作阅历，且都具有高级无线电调试师职业资格和电子产品生产调试能力；兼职教师共3名，均有三年以上电子信息类的行业企业生产一线的工作阅历和熟练的电子产品生产调试能力，具有教师基本素质。
实训条件方面：我们有数字电子技术实训室，可供学生进行电路搭建，还有EDA实训室，学生可以进行电路仿真，电子工艺实训室可以给学生提供电路焊接及调试的场所；校外实训基地有河北先控电源设备有限公司、河北鼎尚电子设备有限公司、河北方圆测控有限公司以及京华电子实业有限公司，为学生提供了岗位认知及顶刚实习的校外场所。
学习资源方面：我们选用的教材为高职高专教材，是由本课程专任教师与企业合作开发的校企合作课程，另外还提供了三本参考教材，给教师教学和学生学习提供了很好的辅助作用，网络资源方面，首先包括《数字电子产品设计与制作》精品课建设，已经通过了学院的遴选，现在正在建设期，目前可提供的资料有课程标准、授课计划、项目评分标准、教学课件、习题及参考答案及数字集成电路资料等。
二、教学单元设计
下面我以项目二“八路抢答器电路的制作”这一项目为例，介绍一下教学单元设计。
知识目标：
1.能了解数制与数码的种类及运算；
2.能对较复杂的组合逻辑电路进行分析；
3.会用门电路进行电路设计，实现相应的逻辑功能；
4.了解常用的组合逻辑电路的功能；
5.能分析8路抢答器电路的工作原理。
能力目标：
1.按要求用常用的集成门电路实现较复杂的逻辑功能；
2.能对常用组合逻辑集成电路进行测试；
3.用组合逻辑集成电路设计制作8路抢答器。
子任务：
1.用门电路制作简单逻辑电路；
2.编码器的逻辑功能测试；
3.译码器的逻辑功能的测试；
4.八路抢答器的制作与调试。
教学组织实施过程包括五个环节：资讯、计划、准备、实施及评价环节。
在资讯环节，首先明确学习目标要求，教师对项目所能实现的功能进行演示，学生通过观摩学习，阅读并分析参考资料、工艺文件等相关资料，讨论其功能，激发兴趣，明确项目任务，用时1课时。在资讯环节主要采用了演示教学法。
在计划环节，班组长先组织小组讨论，然后交流对工作任务的认识及相关知识的分析，将工作任务进行分解，初步制订工作计划，用时1课时。在计划环节主要采用了小组讨论教学法。
在准备环节，主要是知识的准备：采用讲授法、演示法、分组讨论等教学方法，使得学生获得相关知识，用时4课时。
在实施环节，首先对电路进行设计，利用仿真软件对电路进行仿真调试，观察和测量电路的性能指标，并调整部分元器件参数，从而达到各项指标的要求，用时4课时。
然后是材料、工具准备：工具人手一套，芯片等元器件利用课余时间分组去市场购买。接着进行搭建电路、焊接、调试、检查，用时10课时。
在评价环节，主要包括四方面的评价：
1.项目积分50%
芯片的使用和检测；电路制作；汇报演讲。
2.课堂表现10%
课堂纪律；学习态度10%。
3.能力表现10%
动手实践；电路分析及调试。
4.企业评价30%
岗位认知；职业道德；工作态度。
通过本课程的学习，学生可以制作出声光控制灯电路、八路抢答器电路、电子生日蜡烛电路、流水彩灯电路及直流数字电压表和观赏台灯等。
课程教学以技术应用能力为培养主线，学生在项目训练和任务的实现来经历电路设计的整个工作过程，掌握必备知识，训练技能。
参考文献
[1]刘亚明.浅谈实验在数字电子技术基础教学中的运用[J].职业技术，2010（01）.
[2]李芝.谈新课改下的教学观的转变[J].中国农村教育，2010（01）.
[3]黄文强，张海玲.“教师服务意识下构建学生自主学习课堂教学模式”的实验研究报告[R].
[4]季晶晶.新教师教学观念的发展变化研究[D].华东师范大学，2010.
篇10
【关键词】基带；SPI；接口模块；IP
1.引言
随着以IP核复用为基础的SoC设计技术的发展以及对SoC设计越来越高的功能要求，SoC的规模不断扩大，集成的IP模块不断增多，使得片上各个模块之间的通信问题越来越突出，许多通信协议出现了[1]。然而，随着处理器需要的外设越来越多，这时串行总线相比于并行总线用的接口线数较少的优点就逐渐显现出来了。当我们需要在集成模块，比如微控制器和一些低速外设之间通信时，是没有必要用过于复杂的协议的[2]；此时，SPI（Serial Peripheral Interface，串行设备）将是很好的选择。它具有电路结构简单（只有四根接口线），通信可靠等优点，比较适合在集成模块和片上外设以中低速传输数据的。实现SPI协议的IP核已经成为业界的设计热点之一[3-7]。本文中，我们将介绍一种可灵活配置为主从机模式，并在配置主机时可以支持对基带控制器的操作的SPI接口的设计。
2.SPI协议分析（SPI工作原理）
SPI有两种工作模式[8]：主模式和从模式；工作在主模式的为Master，工作在从模式的为Slave。SPI接口信号在两种工作模式下的作用是不一样的。
只有Master可以发起数据传输。可以通过对Master的数据寄存器执行写操作启动数据传输。数据传输过程中，串行时钟SCLK同步MOSI和MISO数据线的发送和采样。为了和外设进行数据交换，根据外设要求，其输出串行时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）可以进行配置；当然，相连的Master和Slave的时钟极性和相位必须保持一致。其中，时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。其传输时序分别如图1和图2所示（以传输8bit数据为例）。
在具体应用中，要想完成一次操作，比如读基带控制器，一次需要传输多个比特的数据，包括读写命令、地址、数据等，具体内容与从设备有关。在读写基带寄存器时，在开始每次操作之前将来自APB总线的信号进行组帧。采用加一个头字节的方式，其中，bit[7]代表读写操作，bit[0]～bit[3]为读写地址，依次从MOSI串行输出。若为写操作，则后面紧接着将要写的数据。如写基带控制器的时序如下图3所示，此时CPOL=1’b0，CPHA=1’b0。
相应的Slave将采样Master的MOSI结果分别写入读写指示、地址线、输入数据对应的寄存器；并将寄存器中的数据置入发送移位寄存器通过其MISO输出。
3.SPI接口模块的设计
像很多IP模块的设计一样，我们采用先定义了关键特性和规范，明确设计目标；将目标分解为各个子模块分别实现并集成的自顶而下的方法，之后进行了全面地功能仿真。
3.1 接口模块顶层设计
由我们设计的SPI Controller是一个基于AMBA的APB总线的外设类接口模块，Master Host通过APB总线对模块进行操作；同时另一端通过SPI总线与外部设备相连。根据功能定义和SPI工作原理，可以得出SPI接口模块结构框图如图4所示。
SPI接口模块上除了四个中断信号外，还需要14个I/O端口，主要由APB总线信号和SPI总线信号组成。其中，APB信号是主从模式通用的，对于APB总线信号定义，详见参考文献[9]。对于SPI信号而言，为了满足SPI可配置不同工作模式的需要，在模块内部，需要设计比SPI协议要求更多的接口信号。其中，txd在主模式时，相当于MOSI，从模式时相当于MISO；rxd在主模式时相当于MOSI，从模式时相当于MISO。
3.2 主模式设计实现
本接口模块支持可编程的数据帧格式（数据宽度为4/8/16/32 bit），还支持可编程四种传输模式：读写基带寄存器，发送又接收，只发送，只接收。现将各个组成模块介绍如下：
APB Slave主要负责地址译码，实现接口模块与ARM的APB总线相连接。通过该模块，ARM可以对相应控制寄存器以及Data FIFO严格按照APB总线协议进行读写，从而实现对本模块和外设的控制。
寄存器模块（Registers）则包含各控制寄存器，状态寄存器。在模块使能（spe=1）后，模块才可以开始正常工作。分频逻辑用于在主机模式时通过一个逻辑分频变量实现对pclk信号的分频控制。该分频变量在内部减法计数器为零且SPI处于工作状态时有效（置1），且包含在状态机（FSM）控制逻辑和端口控制逻辑（Port Control Logic）中。
中断逻辑则用于实现中断控制，使ARM可以对SPI进行适当操作，比如读写Data FIFO。如图4所示，本模块可产生spi_txe_intr，spi_txo_intr，spi_rxf_intr，spi_rxo_intr四个独立可屏蔽中断。
Data FIFO用于缓存数据，有RxFIFO和TxFIFO两个FIFO，并且在每一个工作模式下，都相应有两个移位寄存器（Shift Registers）进行串并转换。除此之外，还设置了一个中间变量tx_loaddata。在每次数据传输之前，将tx_loaddata加载到移位寄存器中。tx_loaddata的值与数据传输模式有关。如表1所示。
FSM则控制了SPI模块的数据传输过程，从而完成对SPI传输时序的实现控制。该FSM只用于主模式。其状态转移图如图5所示。
我们采用了两个计数变量：da-
ta_num和phase_cnt来控制数据的传输。其中，data_num大致产生逻辑为：当为只接收模式时，data_num初始值由控制寄存器读入，否则每对Tx FIFO写一次，数目就加1；每传输一个数据后该数目减1。而phase_cnt则由FSM的状态和配置的数据帧宽度格式决定，只有phase_cnt为零时，FSM状态才转移。当处于Data和Head时，其关系如表2所示。其中，dfs为控制寄存器SPCR0中的数据位宽控制位。
当一整个数据传输结束时则按照传输模式决定是否将接收移位寄存器的数据写入RxFIFO或寄存器中。起始状态为Idle，当数据传输请求产生时，根据传输模式分别转入Head和Data（仅读写基带寄存器时进入Head）。Head在将数据帧头传输结束后进入Data。在处于Head或Data时，通过一个对pclk分频后的时钟的计数值phase_cnt进行发送和接收状态的转换：当为偶数时为发送状态，SCLK等于CPOL^CPHA；为奇数时为接收状态，SCLK等于!CPOL^CPHA；SS亦由FSM状态和phase_cnt值进行确定，以保证传输时序。必须考虑到scpha=1时，可连续进行数据传输而SS无须拉高，而scpha=0时，连续传输之间SS需要拉高的情况对两者在开始传输以及连续传输之间进行不同的处理。End和Start可以用于确定在初始传输之前的SS值。
3.3 从模式设计实现
当配置为从机时，FSM和分频部分不工作；它相应的传输控制逻辑包含在Port Control Logic中。它根据接收的SPI信号进行控制以完成数据的接收和发送。其余组成部分的功能与主机相似。
我们将SCLK_in转化成SCLK_s，以使得从SPI模块总是在SCLK_s的上升沿传送数据，下降沿采样数据。其换算逻辑为：
assign SCLK_s=(scpol^scpha)? SCLK_in:~SCLK_in；
在开始传输之前，若传输模式为只发送或即发送又接收，则应保证TxFIFO中不为空。我们设置了一个计数器counter对Sclk_in的上升沿进行计数。当计数到阈值cnt_threshold时则表明一个完整数据传输完成，根据需要决定是否写Rx和加载新的数据到Txshift_reg，之后计数器再归零；cnt_threshold的值由配置的数据帧宽度格式决定。
这样，从机在输入的SPI信号控制下，完成相应数据的传输工作。
4.SPI接口模块的仿真验证
为了保证设计的正确性，我们进行了详细的功能仿真。首先进行VCS进行RTL级仿真。RTL级仿真是将代码文件调入硬件描述语言的仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能是否正确。根据模块的功能，我们先分解出了详细的测试点，并通过搭建不同的测试平台输入不同的激励依次进行仿真。覆盖了包括SPI的主模式下读写基带寄存器模式，主从模式下其他各种传输模式下各种长度的数据帧的数据情形。其中，主模式SPI写基带控制器仿真波形如图6。
首先将SPI模块的SPCR0和SPBRR分别配置为32’h0x603c和16’h0x02，同时各进行一次读操作；之后写SPCR1，同时将启动一次数据传输操作。类似的，图7为主模式SPI发送又接收时的波形。
首先将两SPI模块相应的SPI接口信号连接起来，并进行一次复位，之后分别配置为主从模式。其中Master的SPCR0和SPBRR分别配置为32’h0602d和16’h0x02，Slave的SPCR0为32’h0402d。之后同时各进行一次读操作确认寄存器的值；再先后分别往从机和主机的SPDR1（TxFIFO）中写入数据32’h12345678和32’h55551432。同时将启动一次数据传输。传输完成后分别读主、从机的SPDR1（RxFIFO），得到从机传来的数据32’h12345678以及主机传来的32’h55551432。
由图6、7可知，SPI能正确完成对应的操作。
此外，通过将SPI接在基于APB总线的SoC系统中，该系统包含ARM内核，ROM，AHB，APB以及相连的Bridge，将系统代码修改并移植到FPGA中，完成了FPGA原型验证平台的搭建。通过在该验证平台运行C验证代码验证了其功能的正确性。
5.总结语
本文先比较了现有的接口协议，指出了SPI串行总线接口的优点，以及应用场合。在讨论了SPI接口协议的特点后，基于SPI的多方面应用，完成了一个SPI接口模块的设计，并通过了验证。其设计过程采用了典型的自顶向下方法。本设计可以灵活用于基于AMBA APB的典型SoC系统中。在IP核复用为基础的SoC快速发展的今天，对IP设计的研究具有普遍的实际意义。
参考文献
[1]田泽,张怡浩,于敦山,等.SoC片上总线综述[J].趋势与展望,2003.
[2]A.K,Oudjida,M.L,Berrandjia,A,Liacha,etc,Design and Test of General-Purpose SPI Master/Slave IPs on OPB Bus,International Muti-Conference on Systems,Signals and Devices,2010.
[3]赵杰.基于AMBA总线的SPI协议IP核的实现与验证[D].中国科技大学硕士学位论文,2009.
[4]李跃峰.基于Verilog HDL的SPI可复用IP核的设计与实现[D].西南交通大学硕士学位论文,2008．
[5]赵彧,张楚.多媒体处理器中SPI接口的设计[J].电子测量技术,2007,30(6):126-129.
[6]曹傧,王祥,程野,等.SPI控制器的ASIC设计与实现[J].数字通信,2010,2:94-96.
[7]喻小虎,咸德勇,陈华明.专用SPI从设备接口电路设计[J].微处理机,2009,5:28-30.
[8]Motorola,Inc,SPI Block Guide V04.01,2004.
[9]ARM.AMBATMSpecification(Rev 2.0),1999.
作者简介：
符宏利（1985—），男，湖南泸溪人，硕士研究生，主要研究方向：数字集成电路设计与验证。
