EDA技術(shù)的教學(xué)與實(shí)踐論文

　　摘要：EDA技術(shù)是電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要課程，應用非常廣泛。本文從初級、中級、高級三個(gè)層次，開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐培訓，旨在提高學(xué)生技能。

　　關(guān)鍵詞：EDA技術(shù) 教學(xué)途徑

　　EDA技術(shù)的學(xué)習應貫穿在電子類(lèi)高職專(zhuān)業(yè)的整個(gè)學(xué)習過(guò)程中，貫穿于電子仿真實(shí)驗、課程設計、競賽、畢業(yè)設計等各個(gè)環(huán)節，筆者分別應用EDA技術(shù)在初級、中級、高級三個(gè)層次中的應用作些探析。

　　一、EDA技術(shù)的教學(xué)內容

　�。ㄒ唬┏跫壗虒W(xué)內容

　　初級教學(xué)內容主要包括用EWB、PSpice、Protel等軟件進(jìn)行電路設計、PCB板設計、電路仿真。一句話(huà)，初級教學(xué)內容就是學(xué)習使用工具軟件。下面簡(jiǎn)介三款軟件。

　　EWB（英文全稱(chēng)為Electronics Workbench）是加拿大交互圖像技術(shù)有限公司于1988年開(kāi)發(fā)的電子電路計算機仿真軟件，它被稱(chēng)為電子設計工作平臺或虛擬電子實(shí)驗室。相對其它EDA軟件而言，它是個(gè)較小巧的軟件，功能也比較單一，主要進(jìn)行模擬電路和數字電路的混合仿真，但它的仿真功能十分強大，可以近似完全地仿真出真實(shí)電路的結果，而且它在桌面上提供了萬(wàn)用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數字信號發(fā)生器、邏輯轉換器等工具，它的器件庫中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數字門(mén)電路芯片，器件庫中沒(méi)有的元器件，還可以由外部模塊導入，在眾多的電路仿真軟件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直觀(guān)，原理圖和各種工具都在同一個(gè)窗口內，學(xué)生稍加學(xué)習就可以熟練地使用該軟件，對于電子設計，它是個(gè)很好的EDA工具，許多電路你無(wú)需動(dòng)用烙鐵就可得知它的結果，而且若想更換元器件或改變元器件參數也十分方便。EWB可以作為電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)輔助教學(xué)軟件使用，它是一個(gè)優(yōu)秀的電子技術(shù)訓練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實(shí)訓室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗實(shí)訓，仿真電路的實(shí)際運行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。

　　PSpice是由SPICE（Simulation Program withIntergrated Circuit Emphasis）發(fā)展而來(lái)的用于微機系列的通用電路分析程序，PSPICE軟件具有強大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號制作功能，以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計算電路。它的用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設計，還可用于電子線(xiàn)路、電路和信號與系統等課程的計算機輔助教學(xué)。PSPICE是最為流行的電子電路仿真軟件。

　　Protel是Protel公司在20世紀80年代末推出的EDA軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當之無(wú)愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設計者的首選軟件。目前Protel高端版本是完全一體化電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統，是一款完整的板級設計軟件，它是將設計流程、集成化PCB設計、可編程器件（如FPGA）設計和基于處理器設計的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品，一種同時(shí)進(jìn)行PCB和FPGA設計以及嵌入式設計的解決方案，具有將設計方案從概念轉變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能。在教學(xué)時(shí)可以選擇Protel99SE，它共分5個(gè)模塊，分別是原理圖設計、PCB設計（包含信號完整性分析）、自動(dòng)布線(xiàn)器、原理圖混合信號仿真、PLD設計。

　　教學(xué)中，應處理好初級教學(xué)內容中的三款軟件關(guān)系，找準各自側重點(diǎn)。EWB側重點(diǎn)為電子技術(shù)訓練工具，虛擬電子實(shí)訓室；Pspice側重點(diǎn)為電路仿真；Protel側重點(diǎn)為原理圖設計、PCB設計。

　　(二）中級教學(xué)內容

　　中級的教學(xué)內容是利用VHDL完成對CPLD/FPGA的開(kāi)發(fā)。常用的硬件描述語(yǔ)言有VHDL、Verilog、ABEL等，這里只介紹VHDL。VHDL（VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language）就是超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言，是一種用于電路設計的高級語(yǔ)言。因此它主要應用在數字電路的設計中。在中國，目前主要用在FPGA/CPLD/EPLD的設計中。

　　VHDL主要用于描述數字系統的結構，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語(yǔ)句外，VHDL的語(yǔ)言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類(lèi)似于一般的計算機高級語(yǔ)言。VHDL的程序結構特點(diǎn)是將一項工程設計，或稱(chēng)設計實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統）分成外部（或稱(chēng)可視部分,及端口)和內部（或稱(chēng)不可視部分），涉及實(shí)體的內部功能和算法完成部分。在對一個(gè)設計實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內部開(kāi)發(fā)完成后，其他的設計就可以直接調用這個(gè)實(shí)體。這種將設計實(shí)體分成內外部分的概念是VHDL系統設計的基本點(diǎn)。

　　CPLD(Complex Programmable Logic Device)即復雜可編程邏輯器件，是一種用戶(hù)根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。其基本設計方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應的目標文件，通過(guò)下載電纜（“在系統”編程）將代碼傳送到目標芯片中，實(shí)現設計的數字系統。CPLD具有編程靈活、集成度高、設計開(kāi)發(fā)周期短、適用范圍寬、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、設計制造成本低、對設計者的硬件經(jīng)驗要求低、標準產(chǎn)品無(wú)需測試、保密性強、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現較大規模的電路設計，因此被廣泛應用于產(chǎn)品的原型設計和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數有限的缺點(diǎn)。

　　中級教學(xué)內容的教學(xué)，應達到學(xué)生會(huì )熟練地借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺QuartusⅡ，用VHDL硬件描述語(yǔ)言方法，生成相應的目標文件，通過(guò)下載電纜（“在系統”編程）將代碼傳送到CPLD/FPGA目標芯片中，實(shí)現設計的數字系統。

　　(三)高級教學(xué)內容

　　高級教學(xué)內容主要是專(zhuān)用集成電路（ASIC）的設計。ASIC（Application Specific IntegratedCircuit）是一種為專(zhuān)門(mén)目的而設計的集成電路，即專(zhuān)用集成電路。是指應特定用戶(hù)要求和特定電子系統的需要而設計、制造的集成電路。ASIC的特點(diǎn)是面向特定用戶(hù)的需求，ASIC在批量生產(chǎn)時(shí)與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。

　　ASIC的設計方法和手段經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展演變，從最初的全手工設計發(fā)展到現在先進(jìn)的可以全自動(dòng)實(shí)現的過(guò)程。從設計手段演變的過(guò)程劃分，設計手段經(jīng)歷了手工設計、計算機輔助設計（ICCAD）、電子設計自動(dòng)化EDA、電子系統設計自動(dòng)化ESDA以及用戶(hù)現場(chǎng)可編程器階段。

　　就設計方法而言，設計集成電路的方法可以分為全定制、半定制和可編程IC設計三種方式。全定制設計需要設計者完成所有電路的設計，因此需要大量人力物力，靈活性好但開(kāi)發(fā)效率低下。

　　如果設計較為理想，全定制能夠比半定制的A-SIC芯片運行速度更快。半定制使用庫里的標準邏輯單元(Standard Cell)，設計時(shí)可以從標準邏輯單元庫中選擇SSI(如門(mén)電路)、MSI(如加法器、比較器等)、數據通路(如ALU、存儲器、總線(xiàn)等)、存儲器甚至系統級模塊(如乘法器、微控制器等)和IP核，這些邏輯單元已經(jīng)布局完畢，而且設計得較為可靠，設計者可以較方便地完成系統設計。

　　高級教學(xué)內容的教學(xué)是在中級教學(xué)內容的基礎上進(jìn)行的，學(xué)生主要掌握設計方法，并以項目為載體進(jìn)行設計訓練。

　　二、實(shí)踐教學(xué)中的應用

　　EDA技術(shù)在教學(xué)中的應用至少體現在四個(gè)方面。

　�。ㄒ唬╇娮与娐氛n程模擬仿真實(shí)驗利用EWB可以進(jìn)行《電路基礎》、《電工基礎》、《電子技術(shù)》、《電子電路》、《數字電路》等課程的模擬仿真實(shí)訓。

　�。ǘ�）電子技術(shù)課程設計

　　電子技術(shù)課程設計可以用Protel設計電路，用Pspice進(jìn)行仿真。

　�。ㄈ�）畢業(yè)設計從事簡(jiǎn)單電子系統的設計電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)設計很多涉及電子系統的設計，Protel、Pspice、EWB、QuartusⅡ等軟件、VHDL等硬件描述語(yǔ)言、ASIC設計方法都可派上用場(chǎng)。

　�。ㄋ模┐髮W(xué)生電子設計競賽活動(dòng)

　　各級各類(lèi)的大學(xué)生電子設計競賽，EDA技術(shù)教學(xué)內容的初級、中級、高級三層更是大有用武之地。

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