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EDA技術(shù)的教學(xué)與實(shí)踐論文
摘要：EDA技術(shù)是電子類專業(yè)的一門(mén)重要課程，應(yīng)用非常廣泛。本文從初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)三個(gè)層次，開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐培訓(xùn)，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(xí)應(yīng)貫穿在電子類高職專業(yè)的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，貫穿于電子仿真實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)，筆者分別應(yīng)用EDA技術(shù)在初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)三個(gè)層次中的應(yīng)用作些探析。
一、EDA技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容
（一）初級(jí)教學(xué)內(nèi)容
初級(jí)教學(xué)內(nèi)容主要包括用EWB、PSpice、Protel等軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)、電路仿真。一句話，初級(jí)教學(xué)內(nèi)容就是學(xué)習(xí)使用工具軟件。下面簡(jiǎn)介三款軟件。
EWB（英文全稱為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(jì)算機(jī)仿真軟件，它被稱為電子設(shè)計(jì)工作平臺(tái)或虛擬電子實(shí)驗(yàn)室。相對(duì)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(shù)字電路的混合仿真，但它的仿真功能十分強(qiáng)大，可以近似完全地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果，而且它在桌面上提供了萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具，它的器件庫(kù)中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門(mén)電路芯片，器件庫(kù)中沒(méi)有的元器件，還可以由外部模塊導(dǎo)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，原理圖和各種工具都在同一個(gè)窗口內(nèi)，學(xué)生稍加學(xué)習(xí)就可以熟練地使用該軟件，對(duì)于電子設(shè)計(jì)，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(jié)果，而且若想更換元器件或改變?cè)骷䥇?shù)也十分方便。EWB可以作為電子類專業(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(xùn)練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實(shí)訓(xùn)室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，仿真電路的實(shí)際運(yùn)行情況，熟悉常用電子儀器測(cè)量方法。
PSpice是由SPICE（Simulation Program withIntergrated Circuit Emphasis）發(fā)展而來(lái)的用于微機(jī)系列的通用電路分析程序，PSPICE軟件具有強(qiáng)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(hào)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(jì)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(shè)計(jì)，還可用于電子線路、電路和信號(hào)與系統(tǒng)等課程的計(jì)算機(jī)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(jì)80年代末推出的EDA軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當(dāng)之無(wú)愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計(jì)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(tǒng)，是一款完整的板級(jí)設(shè)計(jì)軟件，它是將設(shè)計(jì)流程、集成化PCB設(shè)計(jì)、可編程器件（如FPGA）設(shè)計(jì)和基于處理器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)以及嵌入式設(shè)計(jì)的解決方案，具有將設(shè)計(jì)方案從概念轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)（包含信號(hào)完整性分析）、自動(dòng)布線器、原理圖混合信號(hào)仿真、PLD設(shè)計(jì)。
教學(xué)中，應(yīng)處理好初級(jí)教學(xué)內(nèi)容中的三款軟件關(guān)系，找準(zhǔn)各自側(cè)重點(diǎn)。EWB側(cè)重點(diǎn)為電子技術(shù)訓(xùn)練工具，虛擬電子實(shí)訓(xùn)室；Pspice側(cè)重點(diǎn)為電路仿真；Protel側(cè)重點(diǎn)為原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)。
(二）中級(jí)教學(xué)內(nèi)容
中級(jí)的教學(xué)內(nèi)容是利用VHDL完成對(duì)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(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言。因此它主要應(yīng)用在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中。在中國(guó)，目前主要用在FPGA/CPLD/EPLD的設(shè)計(jì)中。
VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，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)格與句法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分,及端口)和內(nèi)部（或稱不可視部分），涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開(kāi)發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。
CPLD(Complex Programmable Logic Device)即復(fù)雜可編程邏輯器件，是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。CPLD具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、適用范圍寬、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)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(shù)有限的缺點(diǎn)。
中級(jí)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)，應(yīng)達(dá)到學(xué)生會(huì)熟練地借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)QuartusⅡ，用VHDL硬件描述語(yǔ)言方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到CPLD/FPGA目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。
(三)高級(jí)教學(xué)內(nèi)容
高級(jí)教學(xué)內(nèi)容主要是專用集成電路（ASIC）的設(shè)計(jì)。ASIC（Application Specific IntegratedCircuit）是一種為專門(mén)目的而設(shè)計(jì)的集成電路，即專用集成電路。是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。ASIC的特點(diǎn)是面向特定用戶的需求，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(qiáng)、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。
ASIC的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)發(fā)展到現(xiàn)在先進(jìn)的可以全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。從設(shè)計(jì)手段演變的過(guò)程劃分，設(shè)計(jì)手段經(jīng)歷了手工設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ICCAD）、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化ESDA以及用戶現(xiàn)場(chǎng)可編程器階段。
就設(shè)計(jì)方法而言，設(shè)計(jì)集成電路的方法可以分為全定制、半定制和可編程IC設(shè)計(jì)三種方式。全定制設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)者完成所有電路的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)較為理想，全定制能夠比半定制的A-SIC芯片運(yùn)行速度更快。半定制使用庫(kù)里的標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元(Standard Cell)，設(shè)計(jì)時(shí)可以從標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元庫(kù)中選擇SSI(如門(mén)電路)、MSI(如加法器、比較器等)、數(shù)據(jù)通路(如ALU、存儲(chǔ)器、總線等)、存儲(chǔ)器甚至系統(tǒng)級(jí)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(shè)計(jì)得較為可靠，設(shè)計(jì)者可以較方便地完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
高級(jí)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)是在中級(jí)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，學(xué)生主要掌握設(shè)計(jì)方法，并以項(xiàng)目為載體進(jìn)行設(shè)計(jì)訓(xùn)練。
二、實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用
EDA技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用至少體現(xiàn)在四個(gè)方面。
�。ㄒ唬╇娮与娐氛n程模擬仿真實(shí)驗(yàn)利用EWB可以進(jìn)行《電路基礎(chǔ)》、《電工基礎(chǔ)》、《電子技術(shù)》、《電子電路》、《數(shù)字電路》等課程的模擬仿真實(shí)訓(xùn)。
�。ǘ╇娮蛹夹g(shù)課程設(shè)計(jì)
電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)可以用Protel設(shè)計(jì)電路，用Pspice進(jìn)行仿真。
�。ㄈ┊厴I(yè)設(shè)計(jì)從事簡(jiǎn)單電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電子類專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)很多涉及電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，Protel、Pspice、EWB、QuartusⅡ等軟件、VHDL等硬件描述語(yǔ)言、ASIC設(shè)計(jì)方法都可派上用場(chǎng)。
�。ㄋ模┐髮W(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)
各級(jí)各類的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，EDA技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)三層更是大有用武之地。
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