严立甫 王媛 陈亮
（西南科技大学城市学院，四川 绵阳 621000）
摘要：FPGA是实现现代数字系统设计的重要手段。为了更好的培养FPGA技术人才，结合我校学生实际情况，开展了FPGA案例教学法改革。在改革中采用案例教学法重新构建教学内容，让教学案例贯穿理论和实践教学，打破了以往先理论后实践的教学模式。教学实施中采用翻转课堂形式，讲完理论和方法后让学生在课堂上利用软硬件平台完成设计。每个案例留有余地，方便学生课后创新与实践，指导学生深入学习。案例教学法激发了学生的学习兴趣，每个案例完成后学生有获得感，达到了较好的教学效果。
关键词：FPGA 案例教学法 翻转课堂
中图分类号: G642.0 文献标识码：A
基金项目：西南科技大学城市学院2018年校级立项建设“1231质量提升工程”项目“FPGA案例教学法的课堂教学改革与研究”（CC-JG1812）
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，利用硬件描述语言（Verilog或VHDL等）完成电路设计，是现代数字系统设计的重要手段和方法。为了激发学生的学习兴趣，同时适应当前电子行业的技术发展，对FPGA技术课程进行教学改革。在教学改革中，优化整合教学内容，并且采取案例式教学方法贯彻理论与实践教学，采用翻转课堂形式并结合软硬件开发平台，强化学生实践应用能力。
1 FPGA技术课程简介
本课程是电子信息工程本科专业开设的必修课，同时也是为自动化等专业开设的选修课，是数字电子系统设计的主流技术。其目的在于使学生掌握可编程逻辑器件的工作原理、Verilog HDL硬件描述语言以及FPGA设计的基本方法，全面实现数字系统设计的自动化。为从事数字系统设计提供最新理论基础和应用技术。
先修课程有模拟电子技术基础，数字电子技术基础，单片机原理及应用等。对数字电路有较高的要求，特别是组合逻辑电路和时序逻辑电路设计。后续课程有数字信号处理（FPGA）实现、NIOS II嵌入式系统等。
2 FPGA技术课程教学中的问题
FPGA技术课程教学改革前共计3个学分，理论讲授为24学时，实验为24学时。在教学中存在以下问题：
1.教学内容的有待精简。FPGA设计所包含的内容极其丰富，有设计语言的学习，有设计思路、算法优化的学习，有开发软件与仿真软件的学习，也有高级应用，如：SOPC设计，DSP设计等。但课程教学不可能面面俱到，因此教学内容有待精简或优化，同时注重教学内容的连续性和实用性。
2.技术本身存在一定难度。Verilog HDL语言分为可综合和不可综合两个部分，并且其本身是一种硬件描述语言，就这两个特点让部分学生学起来比较吃力。这些学生习惯于软件的设计思想，不注重区分软件与硬件设计的不同，同时将可综合与不可综合混为一谈。
3.实践环节远远不足。改革前只有24学时的实验教学内容，安排12次实验，由于实验教学有限，往往安排较为简单的实验。学生课后基本上没有实践的机会，对于技术的掌握浮于表面，未能深入。
3 FPGA技术”案例教学法”的研究
FPGA技术课程教学改革后也为3个学分，共计48学时，不在区分理论教学与实验教学，采用“案例教学法”贯穿理论教学与实践教学，课堂形式采用“翻转课堂”进行，理论讲解后直接利用开发板完成实践。具体改革如下：
1.精选课程内容。侧重Verilog HDL语言以及层次化、模块化设计思想的培养，同时加强可综合、状态机设计方法的探讨，熟练掌握Quartus II 和ModelSim软件的使用。
2.强化课程重难点。在教学中应重点强调硬件设计与软件设计、硬件仿真与硬件实现的区别。重点强调电路建模，即：层次化的建模方法，模块化的建模形式，状态机的建模思路。
3.用案例组织教学内容。开发教学案例，将理论教学与实践教学有机融合，构建理论学习与实践应用于一体的教学内容。将课程内容、课程重难点融入案例中，在一体化教学中逐一突破。
4.翻转课堂的教学形式。采用翻转课堂形式，学生自带电脑并安装好相关软件，学校提供FPGA最小系统开发板，教师采用“带教带学”的模式，学生学完一个知识点立即实践。把开发板直接借给学生，学生还可利用业余时间深入研究，不断提高设计水平。
4 FPGA技术案例教学实例
4.1 案例设计要求
案例名称：设计一个秒表
设计要求：1. 实现000.0到999.9的计时功能，要求精度为0.1s。
2.具有复位和暂停功能。
3.利用四位数码管进行显示。
4.2 案例总体设计
系统主要完成0.1S信号的计数，因此是系统的核心模块，记为：time_counter。为了便于实现数码管的显示，该计数模块采用BCD码计数方案。数码管显示驱动电路完成4位十进制数据的显示，驱动模块记为：decoder_display。系统正常工作需要两路时钟信号，一路为0.1S，用于计数；另一路为1ms信号，用于数码管的动态扫描，因此需要分频模块，记为：clk_div。整个系统的3个模块需要顶层模块进行整合，完成系统的集成，顶层模块记为：miaobiao。秒表系统如图1所示。
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4.3 案例教学分析
1. 分频模块
在该模块中重点讲解寄存器变量位宽的计算方法，典型时序电路计数器的设计方法。模块设计中利用50 MHz 时钟源，通过计数器计数实现了1ms 和100 ms信号的输出。
2.计数模块
在该模块中重点讲解BCD码计数器的原理以及电路实现，同时考虑数据寄存器的复位和计数器暂停的实现方法。模块中利用4位二进制表示1位十进制数，当计数值到达1001时向高位进位。BCD码计数器为后续数据显示提供便利。
3.显示驱动模块
在该模块中重点讲解简单状态机的实现以及BCD码转化为七段显示码的方法。模块中利用4状态的状态机，在1ms信号的控制下依次将4组BCD码转化为七段共阳码放到4个数码管上。
4.顶层模块
在该模块中重点讲解模块的调用方法，包括顶层模块与底层模块的端口连接方法。模块中分别调用底层的三个电路模块，实现了整体个电路的搭建。
4.3 教学案例的课后创新
教学案例的设计给学生留有课后创新的余地。在该案例中，按键只有在按下的时候才能够实现暂停，因此留给学生课后思考：如何利用按键实现开关的功能。这就需要添加检查模块，学生课后思考完成设计，如图2所示。
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5 结束语
相比教学改革前，案例教学法让学生更容易理解Verilog HDL语言的可综合性和硬件设计的并行性，很容易与C语言进行区分，掌握了硬件设计的思维方法。在课堂和实践中充分体会到状态机的设计思想、数字系统的工作原理以及数字系统的设计原理，部分学生对FPGA技术产生了浓厚的兴趣，达到较好的教学效果。
参考文献
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