“FPGA设计”课程建设与教学实践研究

[摘要]近年来，可编程逻辑器件在制作工艺和实用技术上获得了惊人的发展。在电子技术、微电子技术等课程的教学中，让学生掌握FPGA器件的基本知识和开发应用技术，才能使教学跟上科学技术发展的形势，培养出符合科研和生产实际需求的人才。文章就FPGA教学的一些做法和体会与同行交流、探讨。

[关键词]数字电子技术　FPGA课程建设　FPGA教学

FPGA(Field—Programmable Gate Array)技术是2l世纪电子工程设计的重要手段，也是电子工程技术人员必须掌握的一门技术。学习和掌握FPGA技术及工具，有利于增强IC人才对新器件应用，有利于增加新技术竞争力，有利于提高设计规模、质量和效益。另外，随着科学技术的发展，学生需要学习的学科及内容不断增加，而学习时间没变，对效率要求提高。由于学生人数不断增加，给高校实验室建设提出了一个不能回避的问题，用FPGA软件工具辅助教学可以缓解上述矛盾。应用FPGA软件工具进行电路实验教学还可以加快与世界技术发展的接轨，因为所用的工具一样，生产技术相同，因而产品也是国际标准，价值也就必然相同，从而提高我国产品的竞争力。

一、进行FPGA教学的必要性

1　传统电子专业教学的历史和特点。在电子技术的早期发展过程中，电子产品大都是人工设计的，于是形成了一种宏观的、直截了当的教学方法。电路实验直接用元器件搭试、仪器设备观测，学生的实践能力得到加强。电子技术发展到今天，电路实验从简单到复杂，集成度越来越高，我们已经由单纯地接插件教学转变为设计芯片教学了。这又给传统的电子、微电子教学带来了问题——在做电路元件搭建或是版图设计时是否一定要用具体实物，是否可用软件直接模拟整个过程，从而加强可靠性?

2　新技术应用对传统教学的挑战。利用FPGA3~具的电子仿真功能，对传统的电路实验项目进行模拟时，元器件是由计算机软件产生的模型，故实验过程中没有仪器和元器件损坏、接触不良等问题。只要学生清楚概念，实验就非常顺利。此外，学生还可以学习FPGA的开发、应用，以及ASIC的设计方法等。这样一来，在相应的时间内，学生可以学习更多的理论知识，进而获得创新意识。

目前，在电子学系列课程改革的探讨中，专家已提出“数字电路课程的教学内容的核心应由中、小规模电路转向以设计专用集成电路为代表的数字系统设计，这种转向体现在：课程的要求应是培养学生用功能模块构成数字系统的能力和用PLD等半定制方法设计专用集成电路的能力”。由此可见，开发FPGA等PLD基本知识和应用技术的教学是电子、微电子教学改革的迫切需要。例如，FPGA技术要求设计者现场自行完成系统的逻辑设计、综合、仿真和器件功能的物理实现，设计者不仅要对器件的可编程原理、逻辑资源有完整的了解，更需要掌握新的设计方法，要熟悉FPGA设计软件包和设计实现系统。因，此，整个设计过程对学生将是一次很全面的综合能力锻炼。

3　FPGA教学的优势。FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的。因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失。因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

二、FPGA教学的具体实施

1　在课堂教学中加强FPGA的基本知识和应用技术的教学内容。

(1)自编讲义。由于FPGA技术是近十多年来才发展起来的新型教学内容，其生产技术和应用技术的发展更是日新月异，而教材的编写和出版很难赶上其发展速度。目前，有关内容的合适教材很难见到。为此，任课教师收集了国内外有关FPGA的开发公司的教程和应用技术的资料，根据培养目标和教学要求自编讲义。例如，在讲义中编入了FPGA的结构及特点、内部结构原理及其开发应用方法简介。由于讲义的使用周期短，可以根据使用情况及时修订，也可以把FPGA技术发展的新知识及时补充到讲义中去，对教学起到了促进作用。

(2)改进课堂教学方法。由于课时的限制，不可能在课堂上讲解所有的内容，任课教师讨论了教学方法，把教学内容分为重点讲解、一般介绍和自学三部分。根据以培养应用型技术人才为主的培养目标，在课堂上重点讲解FPGA的编程方法和应用举例，简介FPGA的结构及特点、FPGA的发展概况及产品性能；FPGA的内部结构原理及其开发应用方法则作为学生自学的内容。

整个理论授课学时为32学时，安排在第6学期讲授，各部分授课学时分配如表l所示。从表中可以看到，课程内容重点安排在对于FPGA的应用设计上，所需基础课程有模拟电子技术、数字电子技术和半导体材料基础，上述课程在微电子类专业中都已具备。针对培养电子人才的需要，在授课内容上尽可能多地选择最新、最前沿的应用实例。当然，由于课程性质和培养目标的需要，仅有合理的理论教学内容是不够的，还需要设置合理的实践环节，才能达到培养学生设计能力的目标。

2　在课程设计中进行FPGA应用技术的实践教学。首先，开发了多个规模和难易程度合适的应用FPGA进行设计的课程设计课题，例如，交通信号灯控制、抢答器、数字钟、密码锁等电路。对于PicoBlaze、MicroBlaze和PowerPC的设计，有针对性地编写了相应的指导书，指导对应的功能设计并配有代码。同时，对于常用的编程软件，在设计时都能给予具体指导。此外，设置了相应的实践教学环境。开发了数字电路课程设计系统装置，购置了微机和编程器以及有关器件，供学生进行对器件编程和安装调试电路的实践。

3　在毕业设计和师生共同进行科研活动中开发FPGA应用技术教学。由于FPGA适用于较大的数字系统。对设计实现系统要求高，设计过程复杂，短时间内难以完成。只有在毕业设计时，师生共同进行的科研活动中开发FPGA应用技术教学才是较实际的做法。有相当一部分教师利用FPGA进行算法计算、硬件加速、数据采集等科研项目，体现了其速度快、容量大的特点，师生共同参与科

研，使业务能力和水平都得到提高，也使学校的教学及时与先进技术接轨，为学生走向社会打下了良好的基础。从日本福尔卡斯特公司的反馈信息得知，通过FPGA培训的学生上手快、动手能力强，非常受企业的欢迎。

三、丰富教学方法。提升教学手段

1　采用现代教育技术与手段提高教学效率。制作本课程PowerPoint课件，采用多媒体教学；实现网上答疑、辅导；使用计算机辅助教学软件等，以便提高学生学习的兴趣，适时听取学生的反馈建议，不断提升教学手段。此外，还可让学生自己设计课题来参加竞赛的方式提升他们学习的乐趣和动力。目前，已有多个Xlinx、Ahera培训中心和实验中心，并积极投身由Xlinx和Altera公司举办的各项培训和竞赛。

2　采用互动的教学方法。本课程部分内容有些抽象，可以采用实际接口模板和测试工具结合的例子来给学生教学，让学生理解不同算法的速度优势，并直观地通过模板看到效果。模板不足，就动手自己制作，现在已经实现一个实验室30套FPGA3q：发设备和配套模板。结合部分版图的设计和仿真，让学生充分理解FPGA课程的重要性和必要性，加深他们学习的热情和理解度。

四、加强实验教学建设

FPGA工具所具具备的仿真功能使电路实验获益匪浅，可以让学生更加直观而形象地理解、吸收、消化在课堂上所学到的理论知识。另外，还可以掌握FPGA软件的使用方法，增强与企业实用性的挂钩，加深学生对国际化生产标准的认识，与国际接轨。

目前，已经利用FPGA实现了“电子电工实验”、“模拟电路实验”、“数字电路实验”、“数字系统设计”等课程的配套实验。由FPGA把几个在过去是没法统一起来的实验给结合起来了。通过FPGA的灵活应用，学生能够感知到当今学习的理论基础知识的必要性。

五、理解创新性教学的重要性

FPGA本身是一个新颖、前沿的课程，学生在学习的同时本身就带着浓厚的好奇心和兴趣。为满足他们对新知识的渴望，我们在教学上应不断创新，让他们在学到知识的同时，体会知识的实用性，增强学习的成就感，以便激发他们进一步对知识探索的渴望和追求。

参考文献：

[1]李良荣，采用EDA实验教学改善电路教学环境[J]，贵州大学学报(自然科学版),2002,19(3)。

[2]郭永贞，殷珍生，开发GAL、EPLD、FPGA即教学的探索[J]，南京机械高等专科学校学报。