基于FPGA的“数字电路”教学改革探索.pdf

在传统的“数字电路”教学中，由于课程内容往往侧重于中小规模电路的讲授，学生们学习的知识与当前工业界的技术应用趋势产生了脱节。这种情况导致了学生在面对大型集成电路和复杂数字系统设计时，缺乏必要的设计能力和实践经验。为了解决这一问题，本文提出了一种基于FPGA设计技术和硬件描述语言的教学改革方案。 FPGA（现场可编程门阵列）是一种可以通过编程来实现各种数字逻辑功能的芯片。FPGA由于其灵活性和高性能，在硬件设计领域得到了广泛的应用。在教学改革中，首先应重新设计教学内容，由浅入深，从基础的数字电路到复杂的数字系统，逐渐培养学生利用FPGA设计数字电路和数字系统的能力。 硬件描述语言（HDL）是用文本形式来描述电子系统的硬件结构和行为的语言。在数字电路教学中引入硬件描述语言（如Verilog HDL），可以让学生在抽象层次上理解电路设计，提高设计效率。通过使用硬件描述语言，可以编写可综合的代码，这些代码能够在FPGA上实现复杂的数字逻辑。 在教学改革的过程中，理论教学和实验教学必须同步进行，确保学生能在实践中巩固理论知识。实验课程可以通过FPGA平台来进行，让学生在动手实践中学习FPGA的使用、调试和验证过程。随着实验内容的改革，传统的实验箱逐渐被口袋式FPGA开发平台所取代，这使得学生能够更加便捷地进行电路设计和测试。 本文还指出了传统教学内容的一些不足之处，并提出了精简传统教学内容的建议。比如，可以将中小规模集成芯片作为实验的主要器件，并且实验手段应当更加多样，比如使用现代数字系统设计、测试和调试工具，而非仅限于器件连线和传统示波器等传统手段。 在新增的教学内容方面，应该包含FPGA的基础知识、硬件描述语言基础、计数器和状态机架构、IP核设计方法、串口通信控制器设计以及内部存储器控制器设计等。这些内容有助于学生系统地掌握使用FPGA进行数字系统设计的技能。 在实验课程中，学生可以学习到如何利用FPGA进行更高级的电路设计，例如利用FPGA丰富的内部资源，进行复杂电路的设计、模拟、测试和验证。这种教学方式不仅提升了学生的实践能力，还能够培养他们对数字系统设计的理解和兴趣。 经过改革后的新课程“数字电路与FPGA设计”，已经在应用型本科院校中得到了实施。这门课程不仅满足了院校对于人才培养的需求，还跟上了工业界对现代电子工程师能力的要求，帮助学生们更好地适应未来职场的挑战。通过这样的教学改革，学生将能够更加贴近实际的工作需求，为他们未来的发展奠定坚实的基础。