基于EDA技术的计算机硬件课程实验融合设计

发布时间：2021-06-05

　　摘要:提出一种基于EDA技术的大学计算机硬件系列课程的实验融合思想并给出实验项目规划与实施方案。基于该方案，前导课程的实验成果可以延伸应用到后续课程的实验项目中，避免了各门课程实验项目分散、不成体系的缺点，设计成果的重利用及功能扩展与改进可有效促进学生对专业知识的系统性认知与掌握。分别以福建师范大学数学与信息学院开设的“数字电路”，“计算机组成原理”和“通信原理”三门课程的实验项目为例，用融合的思想统一规划相关实验项目并给出融合设计实施实例。融合设计提升了实验项目的广度与深度，促进了知识的融会贯通，同时学生的工程实践动手能力和创新设计能力也得到进一步加强。

　　关键词:EDA技术;IP软核;实验融合;创新设计

　　综合性大学人才培养方案中，与计算机有关的专业占据了重要地位。从人才培养目标的角度，这些专业的学生需要掌握本专业的基本理论、基本知识和基本方法，具备应用开发的基本能力，具有创新精神及自我提升能力，适应IT行业的人才需求[1-3]。为了培养符合社会需求的掌握软、硬件技术的合格人才，计算机类专业课程设置中，除了软件类课程外，硬件类课程同样占据重要地位。而实验是硬件课程的重要教学环节，实验项目的合理规划对提升硬件课程教学质量及培养学生的动手实践及创新设计能力具有积极意义。传统的硬件实验教学中，各门课程的实验项目规划往往独立、分散，不同课程之间实验项目的融合度不高或者只是建立在虚拟仿真平台上的融合[4]，前导课程的设计成果一般未能在后续课程中得到充分利用，实验教学的广度与深度未能得到充分拓展。为了提升硬件课程教学质量，本文提出基于EDA(ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化)技术的计算机硬件系列课程设计层面的实验融合方案，用融合的思想统一规划相关课程的实验项目并在实验教学中予以实施，融合设计提升了实验项目的广度与深度，促进了各门课程知识的融会贯通并进而激发创新思维，同时学生的工程实践动手能力和创新设计能力也得到了进一步加强。

　　1EDA技术及硬件实验课程教学现状

　　当今信息社会，以数字化和网络化为主要特征的信息技术极大地改变了人们的生产和生活方式，在电子设计领域现代信息技术表现为伴随着微电子技术的进步，EDA技术在现代电子产品设计中获得广泛应用，成为现代电子设计技术的核心。EDA技术指在EDA工具软件平台上，用硬件描述语言(VHDL或Verilog)作为系统逻辑描述的主要手段，可编程芯片作为设计载体，由计算机自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真等，直至实现既定电子线路功能的现代电子设计技术[5-6]。与传统电子设计方法相比，EDA技术在设计效率、灵活性、可靠性等方面表现出巨大优势。

　　相关期刊推荐：《实验室科学》(双月刊)设有：综论、新纪元实验室、实验科学、实验研究、实验室建设与管理、实验仪器设备、实验室评估、重点实验室等栏目。读者对象为全国高校、高职、高专实验教师、实验工作者以及企业实验室的工作人员和上述各类学校的学生等。

　　创新指在人类物质及精神文明等各个领域、各个层面，不断推陈出新的拓展过程[7]。创新是一个国家不断进步和社会更好发展的重要源泉。在大学教育阶段，通过系列专业课程有计划、有步骤地培养学生的创新能力，是高校培养社会合格人才的一项重要任务，也是当前我们国家从“中国制造”走向“中国设计”技术转型期的重要竞争力所在。而EDA技术中“所写即所得”的电路设计特点，可以更好地将各种创新想法予以实现，是培养学生创新能力的一个良好实践平台。

　　传统的硬件课程实验项目规划一般存在如下问题:(1)实验一般只根据当前课程独立设置，实验项目设置上未考虑后续课程中的衔接应用;(2)验证性实验项目比例较大，并且一些基于中小规模集成电路的实验项目调试、设计过程繁杂，设计效率低下，创新性设计的空间较小;(3)中小规模集成电路设计的局限性，导致前导课程中的实验成果无法在后续课程中得到充分应用。以“计算机组成原理”课程为例，该课程是数学与信息学院(以下简称:我院)计算机/物联网专业的重要基础课之一，在整个专业课程体系结构中占据核心地位，但目前基于TEC-8实验箱的组成原理实验项目只是停留在计算机模型的认知和工作原理验证的基础上，创新性实验项目不易实施，不利于创新人才的培养。EDA技术类似于用软件的方式来设计硬件，硬件电路作品可以表示为数字形式的设计文档，即设计成果可以表现为IP核的形式。IP核形式的电路可以被编辑、调用、打包，IP(IntellectualProperty)核形式的设计成果可以很容易地在不同课程得到重新利用，并可以作进一步组合、扩展设计，从而打破不同课程实验内容的孤立分散性，避免了重复性的设计工作，提升实验设计水平。广泛深入应用EDA技术完成实验项目设计，将有助于学生对抽象理论知识的深刻理解，而且更能发挥主观能动性，体会到创新设计的乐趣，极大地提升了动手实践能力。

　　2基于EDA技术的硬件系列课程的实验项目规划

　　为了能够站在更高层次更好地完成基于EDA的实验设计项目，以我院计算机/物联网专业的偏硬件课程群(“数字电路”/“计算机组成原理”/“通信原理”)为研究对象，结合教材中的重要知识点统筹规划基于EDA技术的系列芯片级设计项目，按由浅入深、由单元模块到复杂系统的循序渐进的方式安排实验项目，使学生可以站在设计的高度真正理解课程中的抽象知识点，并通过从理论到实验的转换过程锻炼思维能力，达到思维方法的新突破，产生新见解。各门独立课程实验项目规划中充分考虑前后课程之间知识内容与实验项目之间的衔接关系，前导课程的实验项目将为后续课程的实验项目提供基本电路模块，应用于后续课程的实验项目设计中。相关课程实验项目规划如下:

　　(1)基于EDA技术的“数字电路”课程实验项目主要涉及:

　　①硬件开发平台与硬件描述语言;

　　②芯片级设计基本开发流程;

　　③基本组合逻辑电路设计;

　　④基本时序逻辑电路设计;

　　⑤综合电路设计。

　　(2)基于EDA技术的“计算机组成原理”课程实验项目主要涉及:

　　①运算器设计;

　　②存储器设计;

　　③控制器设计;

　　④模型机整机系统设计。

　　(3)基于EDA技术的“通信原理”课程实验项目主要涉及:

　　①数字滤波器设计;

　　②数字调制与解调器设计;

　　③信道编码器设计。

　　建立在EDA平台上实验项目的统筹规划使得不同课程的实验成果可以方便地调用、共享，并可以在此基础上完成更高层次、更高复杂程度的设计。

　　3实验项目融合设计实例

　　3.1“数字电路”设计成果在“计算机组成原理”课程中的融合应用

　　以模型机设计为例，模型机设计是计算机组成原理课程一项重要的实验内容[8-9]，是理解冯.诺依曼体系结构计算机工作原理的重要实践环节。模型机设计涉及构成模型机功能模块的设计及功能模块之间信息传输通路的设计。由于EDA工具平台上，电路单元可以表现为用硬件描述语言或用原理图方式描述的IP软核形式，并且IP软核可以复制、粘贴、修改、或者打包成新的元件，因此“数字电路”课程中所实现的基本组合及时序电路模块如算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicUnit)、寄存器等可以以IP核形式直接应用于模型机实验项目，避免了重复设计，学生可以将更多精力投入到数据通路的理解与设计中，从而可以站在设计的高度深刻理解信息在计算机各功能部件之间的流动过程。一种融合“数字电路”课程基本单元IP软核构建的单总线结构模型机如图1所示。图1单总线结构模型机数据通路

　　基于前导课程的单元电路IP核，学生可以方便快速地改变模型机的数据通路结构，如由单总线连接设计方式改进为双总线[10]连接设计方式，并在改进后的数据通路基础上绘制指令系统中各条指令的指令周期流程图，分析微操作控制信号，将微操作控制信号编码为微指令并写入微程序控制器中的控制存储器，从而实现新总线架构的模型机。

　　所实现的模型机可以作为一个IP核使用，需要解决的问题可以通过建模后编写算法程序，将程序和数据装入内存，通过执行程序的方式实现问题的求解。

　　3.2“计算机组成原理”设计成果在“通信原理”课程实验项目中的融合应用

　　在“计算机组成原理”中所设计的模型机IP核，可进一步应用于“通信原理”课程的实验项目中。以FIR(FiniteImpulseResponse)数字滤波器设计为例，滤波器是“通信原理”课程中的一个重要知识点，滤波器的数字实现是理解滤波器工作原理的重要实验环节。输入数据通过滤波电路达到滤除不需要的信号留下有用信号的目的。

　　数字滤波器实验项目中引入模型机IP核，一方面提升了所设计滤波器的性能，另一方面学生在解决不同电路模块IP核融合设计出现问题的过程中，综合能力得到有效充分的锻炼。

　　4结语

　　EDA技术的引入改变了以验证为主的实验教学模式，通过芯片级电路设计，学生可以站在设计的高度理解从理论到芯片电路实现的映射过程，在动手实践中体会到创造性学习的乐趣。基于EDA技术的前导课程实验项目的重利用与融合设计，分散的专业课程贯穿为一个整体，深化了学生对专业知识的认知，并在设计过程中创新能力和动手实践能力得到充分发挥，真正实现人才培养目标的要求。——论文作者：陈家祯1，2，吴为民3，郑子华1，2，叶锋1，2，连桂仁1，2