基于EDA技术的计算机硬件体系实践教学探索

基于ＥＤＡ技术的计算机硬件体系实践教学探索摘要：针对计算机硬件体系实验教学面临的主要问题，我院提出了将EDA 技术的应用贯穿于计算机专业硬件实验教学体系的观点。

本文论述了基于EDA 技术的实验教学体系的构建及实现这一体系的措施。

关键词：EDA技术；计算机专业；硬件体系；实验教学1计算机硬件类实验教学面临的问题计算机技术不断进步与发展，若计算机硬件类实验教学仍采用传统的实验教学模式和传统的实验平台，开设自主性、综合性、创新性实验就面临一些问题和困难。

1.1硬件设备投入高，硬件项目开发周期长硬件实验平台的建设需要大量的资金投入，而且硬件类实验消耗很大，需要持续的资金投入做保障。

此外，硬件课程建设周期也较长，硬件实验项目开发也非一蹴而就，实验教师需要完备的理论知识和扎实的电子学知识，而且需要反复的实验和长期的实践，才能自如的设计实现，这一过程比掌握一门计算机语言或一种计算机软件开发工具要难得多和慢得多。

实验设备的更新速度及实验项目长周期开发难以满足新技术、新方法的更新步伐。

1.2教学实验台的设计针对性强，硬件线路相对固定，实验内容受硬件设计的制约很多教学实验台的设计针对性强，是针对某门课程而开发设计的，硬件线路部分相对固定，其扩展性很有局限，更新实验内容受硬件设计的制约。

硬件实验设备的高投入和实验器件的大消耗，在没有足够资金投入的情况下，在现有硬件设备上进行实验内容的更新，开设自主性、综合性、创新性实验难以实现。

1.3硬件实验教学彼此脱节，缺乏系统化的实验体系计算机专业硬件类课程必修课程一般包括数字逻辑、计算机组成原理、计算机接口与通信技术、计算机体系结构、嵌入式系统设计，选修课程一般包括单片机原理及应用、数据采集、计算机控制技术等。

这些课程之间彼此存在内在的联系，学生通过这些课程的学习，应当能逐步建立起整个计算机系统设计的概念，掌握计算机系统的设计技术，掌握计算机的控制应用。

但在具体课程和实验安排中，却往往忽略并割裂了这种内在联系，实验内容没有从模块化、系统化的角度整体考虑计算机系统设计和控制应用的要求。

因此，分析这些课程之间的内在联系，设计阶段性、模块化、系统化的实验教学内容，建立计算机硬件实验教学体系，对于培养学生的计算机系统设计能力和应用设计能力十分重要和必要。

2构建基于EDA技术的计算机硬件实验教学体系EDA技术的迅猛发展，以及可编程逻辑器件PLD的出现及不断推旧出新，为解决上述矛盾提供了一个良好的契机。

EDA技术不仅是一种先进的硬件设计技术，而且将在计算机专业的硬件体系实验教学中发挥其重要作用。

采用EDA 技术可以实现硬件设计软件化，其实以软件实验替代硬件实验的方法也将是计算机硬件设计技术的发展方向，在美国一些著名大学的计算机硬件实验室，包括计算机组成原理实验早已不用那种传统接插式箱式实验台，采用EDA技术进行硬件实验，通过可编程逻辑器件进行修改和重构，实现系统编程和硬件逻辑设计的软件化，设计方法较灵活。

由于所有的实验都在计算机上利用软件来完成,不需连接导线，修改测试极为方便，可大大提高实验效率。

与通常的实验手段相比，“软件化”实验无器件损耗，可节省实验经费，并减轻实验管理人员的维护工作量。

采用EDA技术将为学生进行自主实验、综合实验和创新实验提供广阔的发展空间的同时，全面提高学生工程实践能力和学习硬件设计的兴趣。

因此，构建EDA 技术贯穿于计算机硬件实验教学体系十分必要。

2.1研究计算机专业硬件类课程之间的关系，设计递进层次的实验结构要合理设置计算机实验课的结构，在强调计算机实验课之间的逻辑顺序的同时，注意知识内容的相互衔接，上下呼应，以保证学生知识的增长、学生能力的发展和社会需求三者之间的统一。

建立基于EDA技术的基础设计、综合设计、应用研究设计三个递进层次的实验结构。

基础设计：主要掌握基本技能、基本方法的运用，加深对理论知识理解。

例如，数字逻辑实验课程中组合逻辑和时序逻辑电路的设计，计算机组成原理实验课程中功能部件的设计，计算机接口实验课程中I/O接口部件的设计，学生用EDA软件原理图和硬件描述语言的方法在设计或描述这些功能时，必须清楚部件的结构与性能，充分理解理论知识。

以基础设计实验替代验证性实验不仅让学生掌握基本技能和方法，更能透彻理解理论知识。

综合设计：综合所学的知识，应用现代化的设计思想，设计计算机的硬件系统。

如将计算机组成原理、计算机接口技术与计算机体系结构实验课程结合，学生用硬件描述语言完成中断控制器、总线控制器的设计，及RISC、CISC的CPU 优化设计。

综合设计实验可以在单科单个实验的基础上，进一步将计算机硬件课程的实验内容打通，建立统一的平台，完成多科目的综合应用。

实现更加复杂的计算机硬件系统的设计，达到对整个计算机硬件知识的融会贯通。

应用研究设计：进行软、硬件综合设计，能够根据需要设计出一定规模的计算机硬件应用系统实例，此时的计算机硬件实验就不仅仅是单个或综合的实验教学了，而是一个总的计算机硬件应用系统的设计项目或软、硬件综合设计。

学生以接近于实际应用环境，完成高质量综合设计为训练手段，使学生建立系统的概念与工程的概念。

如基于SOPC的嵌入式设计项目，以掌握计算机硬件结构与应用系统设计作为主要训练目的，使学生对计算机的整个硬件系统、软件环境有较全面、较系统的掌握，才能完成设计任务。

2.2以EDA技术为纽带构建阶段性、层次化的实验教学体系仔细研究计算机专业硬件类课程之间的关系，构建阶段性、层次化、系统化的实验体系。

EDA技术好比纽带，将那些分散的计算机专业硬件类课程有机地连接起来。

具体可构建如下几个层次的实验:(1) 数字逻辑层次实验完成常用组合逻辑和时序逻辑电路的设计，以及具有一定实用功能的逻辑系统的实验。

通过这些实验使学生熟悉EDA设计的的全过程。

(2) 计算机组成原理层次实验主要完成运算器、存储器、CPU等大规模器件的设计，通过计算机的功能部件或整个计算机系统的设计实现过程，锻炼学生的工程实践能力。

(3) 计算机接口与通信技术层次实验完成计算机I/O接口部件的设计，侧重于硬件逻辑实现，如定时/计数器、中断控制器、DMA 控制器、并行接口、串行接口和VGA显示器的控制电路等。

(4) 计算机体系结构层次实验完成诸如RISC、CISC和总线控制器等的设计，实现计算机的各种组成部件或整机系统，追求结构的优化和性能的提高，培养学生进行性能分析和测试的能力。

(5) 嵌入式计算机系统层次主要完成嵌入式系统的硬件、软件的设计和软硬件综合设计、多机容错系统设计、多机并行算法设计等，使学生能熟练进行嵌入式系统应用程序开发和运用嵌入式操作系统进行任务调度和管理，最终设计出一个完整的嵌入式系统。

3实现基于EDA技术的计算机硬件实验体系的措施3.1增设EDA技术课程是当务之急EDA技术课程以应用为主，主要介绍当前可编程逻辑器件PLD设计的主导思想和设计方法，以及PLD的体系结构、硬件描述语言HDL、EDA开发工具和数字系统的设计方法。

实验教学是EDA课程的一个重要实践环节，通过一系列由浅入深的、不同层次(如基础设计型、综合设计型、应用研究型)的实验，学生可在较短时间内掌握EDA技术的原理和方法，熟悉EDA设计的全过程。

EDA是以PLD及其开发板为硬件平台，以硬件描述语言HDL和EDA技术为开发工具，以软件设计的方法实现硬件的功能。

EDA课程的意义不仅仅在于教会学生掌握某种HDL语言和某种EDA工具的使用，更重要的是引导学生掌握现代数字系统设计的方法与思想，能够用形式化的方法来描述硬件电路，并能综合运用先进的EDA技术对设计进行仿真、综合和测试、验证，从而培养和提高学生的硬件设计能力。

国外加州大学伯克利分校、斯坦福大学、威斯康辛大学等高校早已经在计算机专业应用EDA技术进行数字系统的设计和CPU的设计。

国内著名高校近年也在计算机专业开设了EDA技术课程，开始应用EDA技术进行计算机系统的设计。

在计算机领域应用EDA技术是计算机硬件设计技术的发展方向，对于还没有开设EDA技术课程或在计算机硬件系统设计还不能自如应用EDA技术的计算机专业，应该尽早增设EDA技术课程。

3.2精选实验内容，优化实验设置精选一些基本的实验作为计算机实验的必修内容。

在内容选取上，可以打破传统的模式，如以基础设计替代验证性实验，实验内容以训练的性质、层次进行分类。

在实验类型的设计上，强调实验项目的设计，拟定方案、调试方法等由学生独立完成，使学生在基础知识、基本方法和基本技能上得到系统的训练，提高学生的主动性。

实验教学项目的设计，应开展多种类型、多种层次、多种目的实验，如基础设计型、综合设计型、创新设计型或应用研究型。

合理设置计算机实验课的结构，注意知识内容的相互衔接，前后呼应。

如在计算机组成原理层次实验，学生需掌握EDA技术的原理和方法，熟悉EDA设计的全过程；在嵌入式计算机系统层次实验，学生需掌握嵌入式处理器组织结构，如NiosII CPU软核或MicroBlaze CPU软核。

3.3抓好计算机硬件师资队伍建设要培养高质量的学生，就必须有高水平的教师。

教师是实践教学改革的关键，其知识结构、业务素质、实践能力、敬业精神将影响学生久远。

从事计算机硬件教学的教师需要具备丰富的计算机系统知识、扎实的理论功底、一定的工程实践经验。

值得思考的是，在当今实践教学内容更新迅速，实践教学指导难度加大，社会用人单位急需实践能力强的应用型人才的情况下，高等工科院校的实践教学教师仍然被定义为“教辅人员”，在岗位津贴、晋升职称、项目申报等方面仍然处于弱势地位。

这种现象与重视实践教学和提高人才培养质量并不合谐一致。

需要尽快转变传统的观念，抓好计算机硬件师资队伍建设，一方面积极引进计算机硬件人才；另一方面定期进行新技术培训、实践教学方法培训；此外，加强与企业单位横向合作，鼓励老师走向社会，多参加科研项目的研究，不断更新知识，提高业务水平，为实践教学改革与应用型人才培养打下坚实的基础。

3.4建立开放式EDA实验室可编程片上系统SOPC(System On a Programmable Chip)使得在一个芯片上实现一个完整的计算机系统成为可能。

SOPC集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑，采用基于SOPC的实验平台，使学生调试、验证自己的设计项目成为可能，为学生的自主实验提供广阔的发展空间。

比如软硬件协同设计实验，面向DSP等实际应用的实验，基于SOPC嵌入式系统设计实验等，使学生能够应用EDA技术完成大型硬件的原型设计，或进行创新性课题的研究。

由于PLD自身的特点，学生最初完全可以在计算机上借助于EDA工具完成设计输入、编译、仿真和综合，这样学生在普通的计算机上即可完成PLD设计的大部分工作，最后再到EDA实验室进行编程下载和验证。