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摘 要：本文首先分析目前高校计算机硬件实验教学普遍存在的问题，提出将EDA应用技术贯穿于计算机硬件实验教学的解决办法和优势，然后从实验课程设置、实验教学内容、教学方法、考核方法和实验室建设等方面讨论基于EDA技术的计算机硬件实验教学体系的构建。本文对于高校有效提高计算机硬件实验教学质量、培养高素质的应用型人才具有重要意义。
关键词：EDA技术 计算机硬件 实验教学 教学体系
计算机硬件实验教学是计算机专业重要的实践教学环节，是培养学生实际动手能力和创新思维的重要途径。但是，当前计算机硬件实验教学仍非常薄弱，普遍存在以下问题：
1.实验课程安排彼此脱节
计算机硬件课程之间存在密切的内在联系，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[1]。但是，在具体的实验课程安排之间缺乏充分的衔接，有些知识点重复，有些知识点遗漏，这些都导致了学生的知识体系结构不健全。
2.实验设备陈旧
计算机硬件技术发展迅猛，处理器技术、存储器技术每天都有新的进展和变化，但这些变化很难及时地反映到硬件的实验设备上，极大地削弱了学生对硬件实验的兴趣，其结果必然是学生不能学以致用。
3.综合性、设计性实验难以开展
传统的实验都采用面包板的方式，学生只需根据指导书提供的实验电路连线做实验。这种方法极大地限制了学生的创新性思维，束缚了学生的手脚，使学生总沿着老师的思路去完成，学生发挥创新能力受到很大的限制，因而很难开展创新能力的培养。
4.“重软轻硬”现象十分明显
由于软件教学实施起来相对容易，且实用性强，因此软件可做到急用现学、立竿见影的效果，而硬件知识从客观上来说存在不直观、讲述起来抽象、枯燥等问题，学生学起来也比较困难。因此，目前计算机专业教育普遍存在重视软件轻视硬件的急功近利的倾向。
以上问题抑制了学生的学习主动性和创新意识，很不适应当前高等教育的培养目标。因此，如何通过建立科学、合理、与时俱进的硬件实验教学体系，以改变当前“重理论、轻实践，重软件、轻硬件”的现象，激发学生学习的主观能动性和积极性，最终达到提高硬件实验教学质量和培养创新意识的目的是一个十分重要的研究课题。
一、基于EDA技术的计算机硬件实验教学优势
近年来，随着微电子学的迅速发展，EDA[2]（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术为解决上述问题提供了一种途径。EDA工程是以计算机为工作平台、以EDA软件工具为开发环境、以硬件描述语言HDL (Hardware Description Language)为设计语言、以可编程器件FPGA/CPLD（Field Programmable Gate Array/Complex Programmable Logic Device）为实验载体、以集成电路ASIC/SoC（Application Specific Integrated Circuit/System on Chip）为目标器件进行必要的元件建模和系统仿真的电子产品自动化设计过程[1,3]。EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，其基本特征是设计人员以计算机为工具，按照自顶向下的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，由硬件描述语言完成系统行为级设计，利用先进的开发工具自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布线、仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载。
基于EDA技术的计算机硬件实验教学的总体思路是将EDA技术应用贯穿于计算机硬件的实验教学中，在不同的学习阶段，学生学习了相应的硬件课程后，利用EDA软件开发工具，自行设计与本课程相关的电路或复杂系统。与传统的实验方式相比，该方式有如下的优点：
1.打破实验课程间的壁垒
在统一的开发环境下做所有的硬件实验，使实验目的、实验内容等方面都可以统一协调，方便解决硬件实验课程间的脱节问题。
2.缓解硬件设备陈旧的问题
由于可编程逻辑芯片的特点，学生最初完全可以在计算机上借助EDA工具完成设计输入、编译、仿真和综合，最后再到实验台上进行编程下载和验证。采用这种模式，可缓解对硬件设备的依赖。
3.有利于开展综合性、设计性和创新的实验
一方面EDA工具提供的是虚拟器件和仪器，学生在实验中就不存在损坏实验器件和仪器的可能，使学生可以放开手脚大胆地进行实验。另一方面，由于EDA技术的引入，学生在课堂上完不成的实验，可以存盘后利用课余时间继续在自己的计算机上完成。因此，利用EDA技术，学生可很方便地开展综合性、设计性、自主性的实验，进而可完成大型硬件的原型设计，或进行创新性课题的研究，这将大大激发学生的学习兴趣和热情，提高学生硬件设计能力，从而改变目前学生硬件动手能力差的弱势。
二、新的实验教学体系构建
由于引入了EDA技术，现有的硬件实验教学体系已经不能适应这种新型的实验方式的要求，因而必须重新构建与之适应的实验教学新体系。为此，我们对国内外著名大学的课程设置及实验教学大纲进行深入研究，提出从以下几个方面入手构建新体系的设想。
1.优化实验课程体系
优化后的课程体系如图1所示，其中实线内的课程表示优化前的课程，虚线内的课程表示新增的课程，即在保证原有主要课程的基础上，新增EDA技术、计算机系统综合设计等课程。为了使优化前后的课程能系统地衔接，需要调整各课程的开设顺序，理顺每门课与先修课和后续课之间的关系，并注意各课程的互补。例如，EDA技术课程需要一定的电路知识和电路设计技能，数字电子技术课程则需要利用EDA工具来设计电路，因此这两门课程是相辅相成，需要在同一学期开设，并统筹安排实验。又如，计算机系统综合设计课程涵盖了计算机组成原理、微机原理及接口技术、单片机技术、嵌入式原理等多门课程的知识，是一门实践性、综合性很强的课程，是对计算机硬件课程知识的综合应用，理应安排在最后开设。
2.构建层次化实验内容
为了让EDA技术贯彻于所有计算机硬件实验课程中，必须注意实验内容的阶段性、层次性等内在联系。为此，本文将图1所示的硬件实验课程体系划分为基础层、应用层和提高层，然后根据课程层次来制定每层的实验内容和培养目标。
基础层包括EDA技术、数字电子技术和计算机组成原理等课内的随堂实验以及单列的数字电子课程设计和计算机组成原理课程设计。这一阶段主要开展硬件描述语言、EDA开发工具、设计常用组合逻辑、时序逻辑电路、存储器、运算器、CPU等实验，使学生能使用逻辑器件搭建具有一定实用功能的逻辑系统以及使用计算机功能部件构建模型机，目的是锻炼学生的计算机系统工程基础实践能力。
应用层包括微机原理及接口技术、单片机技术和嵌入式原理等课内的随堂实验以及单列的微机接口综合实验和嵌入式系统课程设计。这个阶段主要开展计算机定时器/计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口、串行接口、A/D转换等常见I/O接口部件的实验，使学生能熟练进行嵌入式系统和单片机应用程序的开发以及运用嵌入式操作系统进行任务调度和管理，最终设计出GPRS、GPS等完整的嵌入式系统。
提高层包括计算机系统结构和计算机系统综合设计，要求学生能将CPU、中断控制器、定时器/计数器、键盘控制器、LED数码管控制器、UART串行通信控制器和DMA控制器等部件设计整合成一个完整的SoC芯片，并结合软件编程调试、优化结构和测试系统的性能，培养学生进行性能分析和测试的能力。
以上每层都需要设置基础验证型、综合设计型和创新型的实验。每门课程的课内随堂实验一般为基础验证型，安排8学时为宜；综合实验和课程设计为综合设计型和创新型实验，安排单列20学时为宜，可要求学生根据个人情况适当增加一些课外学时完成[4,5]。这三种类型的实验内容由浅入深，由易到难，对学生的要求由低到高，其中基础验证型和综合设计型实验针对全部学生设置的，创新型实验主要针对少数有余力的学生和毕业生设置的。
3.采用案例启发式的教学方法
案例启发式的实验教学方法不仅重视实践知识的传授，而且关注实践在工程中的应用。EDA技术的引入，方便了案例启发式实验教学的开展。教师可以通过EDA软件环境，先演示所进行的硬件实验在计算机工程领域中的作用，让学生知道能学以致用，从而激发他们的求知欲，活跃他们的创新思维。
4.实行多元化的考核方式
实验课程成绩主观性比较强，考核是否合理、严格，对学生做实验起到积极促进作用。为了提高实验效果，需要改变传统的以实验报告为主的考核方式。随堂实验在原来考核方式的基础上增加平时考核，平时考核需要对学生实验过程动态跟踪，对实验过程中的主要环节进行记录、评价，作为最终成绩考核的主要依据；综合实验和课程设计除增加平时考核外，还需增加答辩考核。答辩就是需要通过学生讲解、演示，回答教师的提问，让实验教师充分了解每个学生的设计、创新能力，作为考核的重要部分。
5.建设EDA实验室
为了将EDA技术引入到计算机硬件的实验教学中，必须通过整合、改造、新建等途径建设一个综合计算机、SOPC（System on a Programmable Chip，可编程片上系统）和ASIC/SoC的EDA实验室，其中计算机上应安装各种成熟的EDA工具。
三、结束语
本文引入EDA应用技术，从课程设置、实验内容、教学方法、考核方法和EDA实验室建设等方面探讨如何构建一个新型的计算机硬件实验教学体系。作者期望，通过较短时间的努力，能解决当前普遍存在的计算机硬件实验教学存在的问题。同时，我们也应看到，随着计算机新技术的不断发展，构建计算机硬件课程实验教学体系是一项需长期坚持不懈的工作。
参考文献
[1]艾明晶.EDA课程在计算机专业硬件体系实验教学中的作用[J].实验技术与管理,2005,(10):88-91.
[2]潘松.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2006.
[3]刘文英.基于EDA 技术的计算机硬件体系实践教学探索[J].计算机教育,2008,(14):160-163
[4]陈妍.高等学校计算机硬件实验教学体系改革研究与探讨[J].计算机教育,2008,(8):125-127
[5]罗家奇.计算机硬件系统实验教学改革的研究[J].实验室研究与探索,2007,26(8):98-99.
关键词：EDA技术 计算机硬件 实验教学 教学体系
计算机硬件实验教学是计算机专业重要的实践教学环节，是培养学生实际动手能力和创新思维的重要途径。但是，当前计算机硬件实验教学仍非常薄弱，普遍存在以下问题：
1.实验课程安排彼此脱节
计算机硬件课程之间存在密切的内在联系，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[1]。但是，在具体的实验课程安排之间缺乏充分的衔接，有些知识点重复，有些知识点遗漏，这些都导致了学生的知识体系结构不健全。
2.实验设备陈旧
计算机硬件技术发展迅猛，处理器技术、存储器技术每天都有新的进展和变化，但这些变化很难及时地反映到硬件的实验设备上，极大地削弱了学生对硬件实验的兴趣，其结果必然是学生不能学以致用。
3.综合性、设计性实验难以开展
传统的实验都采用面包板的方式，学生只需根据指导书提供的实验电路连线做实验。这种方法极大地限制了学生的创新性思维，束缚了学生的手脚，使学生总沿着老师的思路去完成，学生发挥创新能力受到很大的限制，因而很难开展创新能力的培养。
4.“重软轻硬”现象十分明显
由于软件教学实施起来相对容易，且实用性强，因此软件可做到急用现学、立竿见影的效果，而硬件知识从客观上来说存在不直观、讲述起来抽象、枯燥等问题，学生学起来也比较困难。因此，目前计算机专业教育普遍存在重视软件轻视硬件的急功近利的倾向。
以上问题抑制了学生的学习主动性和创新意识，很不适应当前高等教育的培养目标。因此，如何通过建立科学、合理、与时俱进的硬件实验教学体系，以改变当前“重理论、轻实践，重软件、轻硬件”的现象，激发学生学习的主观能动性和积极性，最终达到提高硬件实验教学质量和培养创新意识的目的是一个十分重要的研究课题。
一、基于EDA技术的计算机硬件实验教学优势
近年来，随着微电子学的迅速发展，EDA[2]（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术为解决上述问题提供了一种途径。EDA工程是以计算机为工作平台、以EDA软件工具为开发环境、以硬件描述语言HDL (Hardware Description Language)为设计语言、以可编程器件FPGA/CPLD（Field Programmable Gate Array/Complex Programmable Logic Device）为实验载体、以集成电路ASIC/SoC（Application Specific Integrated Circuit/System on Chip）为目标器件进行必要的元件建模和系统仿真的电子产品自动化设计过程[1,3]。EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，其基本特征是设计人员以计算机为工具，按照自顶向下的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，由硬件描述语言完成系统行为级设计，利用先进的开发工具自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布线、仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载。
基于EDA技术的计算机硬件实验教学的总体思路是将EDA技术应用贯穿于计算机硬件的实验教学中，在不同的学习阶段，学生学习了相应的硬件课程后，利用EDA软件开发工具，自行设计与本课程相关的电路或复杂系统。与传统的实验方式相比，该方式有如下的优点：
1.打破实验课程间的壁垒
在统一的开发环境下做所有的硬件实验，使实验目的、实验内容等方面都可以统一协调，方便解决硬件实验课程间的脱节问题。
2.缓解硬件设备陈旧的问题
由于可编程逻辑芯片的特点，学生最初完全可以在计算机上借助EDA工具完成设计输入、编译、仿真和综合，最后再到实验台上进行编程下载和验证。采用这种模式，可缓解对硬件设备的依赖。
3.有利于开展综合性、设计性和创新的实验
一方面EDA工具提供的是虚拟器件和仪器，学生在实验中就不存在损坏实验器件和仪器的可能，使学生可以放开手脚大胆地进行实验。另一方面，由于EDA技术的引入，学生在课堂上完不成的实验，可以存盘后利用课余时间继续在自己的计算机上完成。因此，利用EDA技术，学生可很方便地开展综合性、设计性、自主性的实验，进而可完成大型硬件的原型设计，或进行创新性课题的研究，这将大大激发学生的学习兴趣和热情，提高学生硬件设计能力，从而改变目前学生硬件动手能力差的弱势。
二、新的实验教学体系构建
由于引入了EDA技术，现有的硬件实验教学体系已经不能适应这种新型的实验方式的要求，因而必须重新构建与之适应的实验教学新体系。为此，我们对国内外著名大学的课程设置及实验教学大纲进行深入研究，提出从以下几个方面入手构建新体系的设想。
1.优化实验课程体系
优化后的课程体系如图1所示，其中实线内的课程表示优化前的课程，虚线内的课程表示新增的课程，即在保证原有主要课程的基础上，新增EDA技术、计算机系统综合设计等课程。为了使优化前后的课程能系统地衔接，需要调整各课程的开设顺序，理顺每门课与先修课和后续课之间的关系，并注意各课程的互补。例如，EDA技术课程需要一定的电路知识和电路设计技能，数字电子技术课程则需要利用EDA工具来设计电路，因此这两门课程是相辅相成，需要在同一学期开设，并统筹安排实验。又如，计算机系统综合设计课程涵盖了计算机组成原理、微机原理及接口技术、单片机技术、嵌入式原理等多门课程的知识，是一门实践性、综合性很强的课程，是对计算机硬件课程知识的综合应用，理应安排在最后开设。
2.构建层次化实验内容
为了让EDA技术贯彻于所有计算机硬件实验课程中，必须注意实验内容的阶段性、层次性等内在联系。为此，本文将图1所示的硬件实验课程体系划分为基础层、应用层和提高层，然后根据课程层次来制定每层的实验内容和培养目标。
基础层包括EDA技术、数字电子技术和计算机组成原理等课内的随堂实验以及单列的数字电子课程设计和计算机组成原理课程设计。这一阶段主要开展硬件描述语言、EDA开发工具、设计常用组合逻辑、时序逻辑电路、存储器、运算器、CPU等实验，使学生能使用逻辑器件搭建具有一定实用功能的逻辑系统以及使用计算机功能部件构建模型机，目的是锻炼学生的计算机系统工程基础实践能力。
应用层包括微机原理及接口技术、单片机技术和嵌入式原理等课内的随堂实验以及单列的微机接口综合实验和嵌入式系统课程设计。这个阶段主要开展计算机定时器/计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口、串行接口、A/D转换等常见I/O接口部件的实验，使学生能熟练进行嵌入式系统和单片机应用程序的开发以及运用嵌入式操作系统进行任务调度和管理，最终设计出GPRS、GPS等完整的嵌入式系统。
提高层包括计算机系统结构和计算机系统综合设计，要求学生能将CPU、中断控制器、定时器/计数器、键盘控制器、LED数码管控制器、UART串行通信控制器和DMA控制器等部件设计整合成一个完整的SoC芯片，并结合软件编程调试、优化结构和测试系统的性能，培养学生进行性能分析和测试的能力。
以上每层都需要设置基础验证型、综合设计型和创新型的实验。每门课程的课内随堂实验一般为基础验证型，安排8学时为宜；综合实验和课程设计为综合设计型和创新型实验，安排单列20学时为宜，可要求学生根据个人情况适当增加一些课外学时完成[4,5]。这三种类型的实验内容由浅入深，由易到难，对学生的要求由低到高，其中基础验证型和综合设计型实验针对全部学生设置的，创新型实验主要针对少数有余力的学生和毕业生设置的。
3.采用案例启发式的教学方法
案例启发式的实验教学方法不仅重视实践知识的传授，而且关注实践在工程中的应用。EDA技术的引入，方便了案例启发式实验教学的开展。教师可以通过EDA软件环境，先演示所进行的硬件实验在计算机工程领域中的作用，让学生知道能学以致用，从而激发他们的求知欲，活跃他们的创新思维。
4.实行多元化的考核方式
实验课程成绩主观性比较强，考核是否合理、严格，对学生做实验起到积极促进作用。为了提高实验效果，需要改变传统的以实验报告为主的考核方式。随堂实验在原来考核方式的基础上增加平时考核，平时考核需要对学生实验过程动态跟踪，对实验过程中的主要环节进行记录、评价，作为最终成绩考核的主要依据；综合实验和课程设计除增加平时考核外，还需增加答辩考核。答辩就是需要通过学生讲解、演示，回答教师的提问，让实验教师充分了解每个学生的设计、创新能力，作为考核的重要部分。
5.建设EDA实验室
为了将EDA技术引入到计算机硬件的实验教学中，必须通过整合、改造、新建等途径建设一个综合计算机、SOPC（System on a Programmable Chip，可编程片上系统）和ASIC/SoC的EDA实验室，其中计算机上应安装各种成熟的EDA工具。
三、结束语
本文引入EDA应用技术，从课程设置、实验内容、教学方法、考核方法和EDA实验室建设等方面探讨如何构建一个新型的计算机硬件实验教学体系。作者期望，通过较短时间的努力，能解决当前普遍存在的计算机硬件实验教学存在的问题。同时，我们也应看到，随着计算机新技术的不断发展，构建计算机硬件课程实验教学体系是一项需长期坚持不懈的工作。
参考文献
[1]艾明晶.EDA课程在计算机专业硬件体系实验教学中的作用[J].实验技术与管理,2005,(10):88-91.
[2]潘松.EDA技术实用教程[M].北京:科学出版社,2006.
[3]刘文英.基于EDA 技术的计算机硬件体系实践教学探索[J].计算机教育,2008,(14):160-163
[4]陈妍.高等学校计算机硬件实验教学体系改革研究与探讨[J].计算机教育,2008,(8):125-127
[5]罗家奇.计算机硬件系统实验教学改革的研究[J].实验室研究与探索,2007,26(8):98-99.