基于硬件可編程思想的數(shù)字電路教學(xué)

劉彩虹　紀(jì)金水

摘要:可編程邏輯器件的出現(xiàn),使得傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法發(fā)生了根本的改變,所以數(shù)字電路課程的教學(xué)也需要進(jìn)行改革。本文通過實(shí)例介紹了可編程的思想在數(shù)字電路理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課程設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用,并具體分析了將可編程思想引入數(shù)字電路課程教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:可編程器件;譯碼器;數(shù)字電路;教學(xué)

中圖分類號(hào): G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

引言

數(shù)字電路是計(jì)算機(jī)專業(yè)電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的基礎(chǔ)課程,其任務(wù)是使學(xué)生獲得數(shù)字電子技術(shù)方面的基礎(chǔ)理論、

基本知識(shí)和基本技能。通常,數(shù)字電路課程的教學(xué)是由理論教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成的。

可編程邏輯器件PLD(Programmable Logic Device)是一種數(shù)字電路,它可以由用戶來進(jìn)行編程和配置,利用它可以解決不同的邏輯設(shè)計(jì)問題。隨著數(shù)字集成電路的不斷更新和換代,特別是可編程邏輯器件的出現(xiàn),使得傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法發(fā)生了根本的改變?？删幊踢壿嬈骷撵`活性使得硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在實(shí)驗(yàn)室里用一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一套相應(yīng)的EDA軟件和可編程邏輯芯片就可以完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。

MAX+plus Ⅱ是一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的全集成化設(shè)計(jì)環(huán)境,使設(shè)計(jì)者能對(duì)Altera 的各種CPLD系列方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程。MAX+plusⅡ開發(fā)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的處理能力和高度的靈活性. 其主要優(yōu)點(diǎn):與結(jié)構(gòu)無關(guān)、多平臺(tái)、豐富的設(shè)計(jì)庫、開放的界面、全集成化、支持多種硬件描述語言(HDL)等。

1可編程思想在課堂理論教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)字電路課程主要包括邏輯代數(shù)、基本門電路、組合和時(shí)序邏輯電路、可編程邏輯器件及其編程方法的介紹。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是按順序講授,組合和時(shí)序邏輯部分都采用獨(dú)立元器件的思想介紹,可編程邏輯器件部分往往由于課時(shí)的緣故不講授或者只做簡(jiǎn)要介紹。但是隨著電子技術(shù)的發(fā)展,這種教學(xué)思路已經(jīng)不能很好地體現(xiàn)數(shù)字技術(shù)的發(fā)展方向。所以對(duì)數(shù)字電路理論教學(xué)提出了一些改革思路。

邏輯代數(shù)和基本門電路部分還是采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法,在講授這一部分的同時(shí)把可編程邏輯器件及其編程方法這部分內(nèi)容作為課外作業(yè)布置給學(xué)生,介紹一些相關(guān)的資料供學(xué)生課外閱讀,并隨時(shí)檢查輔導(dǎo)。在介紹電路設(shè)計(jì)的時(shí)候把可編程邏輯器件部分引入,并作簡(jiǎn)要介紹,關(guān)鍵是讓學(xué)生理解可編程思想,知道整個(gè)設(shè)計(jì)的過程即可,不能花大量時(shí)間講述編程語法。如果花過多時(shí)間介紹語法,會(huì)讓學(xué)生轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)的重心,忽略數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識(shí),把數(shù)字電路當(dāng)編程語言課程學(xué)習(xí)。

隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和教學(xué)條件的改善,多媒體課件在一定程度上提高了教學(xué)效果,可以用Flash等軟件制作電路的應(yīng)用和工作情況,但因?yàn)楣ぷ髑闆r非常多,所以制作課件非常麻煩,而且因?yàn)椴荒茈S時(shí)調(diào)整,學(xué)生感覺不夠真實(shí)。在課堂教學(xué)過程中利用多媒體教學(xué)環(huán)境,采用MAX + plus II軟件進(jìn)行實(shí)際操作演示,MAX + plus II輸入修改方便,仿真結(jié)果直觀具體,能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí),激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

以2-4譯碼器部分為例來說明MAX+plus II在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用情況。對(duì)于譯碼器的定義及其譯碼的理解,其實(shí)剛好是硬件描述語言VHDL的行為描述方法,所以我們可以用VHDL語言把2-4譯碼器描述出來作為MAX+plusⅡ的輸入。描述的程序如下:

entity HCT139 is

port(A2, B2, G2BAR, A1, B1, G1BAR : in std_logic;

Y20, Y21, Y22, Y23, Y10, Y11, Y12, Y13 : out std_logic);

end HCT139;

architecture VER1 of HCT139 is

begin

Y10 <= '0' when (B1 = '0') and ((A1 = '0')and (G1BAR = '0')) else '1';

Y11 <= '0' when (B1 = '0') and ((A1 = '1')and (G1BAR = '0')) else '1';

Y12 <= '0' when (B1 = '1') and ((A1 = '0')and (G1BAR = '0')) else '1';

Y13 <= '0' when (B1 = '1') and ((A1 = '1')and (G1BAR = '0')) else '1';

Y20 <= '0' when (B2 = '0') and ((A2 = '0')and (G2BAR = '0')) else '1';

Y21 <= '0' when (B2 = '0') and ((A2 = '1')and (G2BAR = '0')) else '1';

Y22 <= '0' when (B2 = '1') and ((A2 = '0')and (G2BAR = '0')) else '1';

Y23 <= '0' when (B2 = '1') and ((A2 = '1')and (G2BAR = '0')) else '1';

end VER1

寫程序的過程其實(shí)就是對(duì)譯碼器的邏輯的理解過程,那這個(gè)程序到底能否完成我們需要的譯碼功能呢?可以用 MAX+plus II軟件的仿真功能,讓學(xué)生很清楚地觀察到在控制信號(hào)的作用下譯碼器的實(shí)際工作情況。仿真波形如圖1所示。

隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展以及可編程邏輯器件的廣泛使用,中規(guī)模的集成電路的應(yīng)用逐漸減少,但是對(duì)于中規(guī)模集成電路的思想以及功能還是要做介紹。對(duì)于中規(guī)模集成電路的講授可以結(jié)合MAX + plus II的原理圖輸入方法。MAX + plus II的元件庫里有常見的中規(guī)模集成電路,并且我們可以利用MAX + plus II軟件的仿真功能,觀察到各種中規(guī)模集成電路的工作情況。例如2-4譯碼器74139如圖2所示。

課堂教學(xué)中,很多內(nèi)容都可以利用MAX + plus II軟件直觀地演示出來,比如中規(guī)模集成電路的功能和使用、異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的工作、移位寄存器的移位操作等等,這些演示可以使學(xué)生感性地理解電路的特性,對(duì)理解這些知識(shí)起到了很好的輔助作用。如果教師對(duì)EDA技術(shù)熟悉,演示這些實(shí)例并不需要花費(fèi)太多時(shí)間。

2基于可編程邏輯器件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)作為學(xué)習(xí)該課程的一個(gè)重要環(huán)節(jié),對(duì)鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容、提高學(xué)生的動(dòng)手能力都具有重要的作用。

在傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,一般采用學(xué)生動(dòng)手搭接各種電路的方法。這種方法對(duì)于鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力比較好,實(shí)際搭接線路體會(huì)更深刻,但是這種方法也有很多不足之處:由于在實(shí)驗(yàn)操作過程中的疏忽,很容易造成電路短路、損壞TTL芯片。教學(xué)實(shí)驗(yàn)中,要經(jīng)常更換芯片,增加了原件的損耗;當(dāng)電路復(fù)雜時(shí),檢查芯片好壞或搭接線錯(cuò)誤是一項(xiàng)非常繁雜的工作,容易讓學(xué)生產(chǎn)生厭煩感。隨著計(jì)算機(jī)電路仿真及大規(guī)模集成電路的發(fā)展,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法得到了改進(jìn),引入可編程邏輯器件及其對(duì)應(yīng)的EDA技術(shù),可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程的靈活性,提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

基于可編程邏輯器件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在參考文獻(xiàn)[3]做了介紹。繼續(xù)選用在理論教學(xué)中采用的演示軟件MAX + plus II作為實(shí)驗(yàn)軟件,它使用簡(jiǎn)單,不需要花費(fèi)太多學(xué)時(shí)講授軟件的使用。因?yàn)樵韴D的輸入方法更簡(jiǎn)單直觀,建議采用原理圖的輸入方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生掌握原理圖輸入方法之前,老師可以先做好一些實(shí)驗(yàn)?zāi)K,讓學(xué)生直接下載這些模塊到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試,邊測(cè)試邊學(xué)習(xí)建立實(shí)驗(yàn)?zāi)K的方法。用MAX + plus II仿真數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)具有很大的靈活性,掌握得比較好的學(xué)生不僅可以按照教師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K完成實(shí)驗(yàn),還可以在掌握了設(shè)計(jì)方法后,利用理論知識(shí)自行設(shè)計(jì)一些實(shí)驗(yàn)?zāi)K。這樣會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,從而進(jìn)一步提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

3基于可編程邏輯器件的課程設(shè)計(jì)

數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是實(shí)踐性課程,同“數(shù)字電子技術(shù)”理論講授課程有密不可分的關(guān)系,起著相輔相成的作用,也是在“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步深化的實(shí)踐環(huán)節(jié)。其主要目的是通過本課程,培養(yǎng)和啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,進(jìn)一步理解數(shù)字系統(tǒng)的概念,掌握小型數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,掌握查閱有關(guān)資料的技能。基本任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)小型數(shù)字電子系統(tǒng)。傳統(tǒng)的使用中小規(guī)模集成電路的方法,由于設(shè)計(jì)小型數(shù)字電子系統(tǒng)需要多種元件,每年的課程設(shè)計(jì)往往受元器件的限制,給的設(shè)計(jì)題目只有幾個(gè),容易出現(xiàn)雷同,常見的一些設(shè)計(jì)在網(wǎng)絡(luò)上都可以找到現(xiàn)成的設(shè)計(jì)電路圖。

將可編程邏輯器件引入課程設(shè)計(jì),就可以靈活給定各種類型的設(shè)計(jì)題目,不受元器件的限制。即使一樣的設(shè)計(jì)題目,實(shí)現(xiàn)的方法也可以多樣化,可以采用原理圖的輸入方法,也可以采用硬件描述語言的輸入方法來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)將可編程邏輯器件引入課程設(shè)計(jì),就可以直接在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),不需要專門的課程設(shè)計(jì)平臺(tái),從而節(jié)省了課程設(shè)計(jì)的成本,又由于采用了數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù),讓學(xué)生能了解數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展,真正培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。課程設(shè)計(jì)的題目難度也容易控制,可以分開檔次。

例如“拔河游戲機(jī)”的設(shè)計(jì),拔河游戲機(jī)需用9個(gè)發(fā)光二極管排列成一行,開機(jī)后只有中間一個(gè)發(fā)亮,以此作為拔河的中心線,游戲雙方各持一個(gè)按鍵,迅速地、不斷地按動(dòng)產(chǎn)生脈沖,誰按得快,亮點(diǎn)就會(huì)向誰的方向移動(dòng),每按一次,亮點(diǎn)移動(dòng)一次。移到任一方終端二極管發(fā)亮,這一方就得勝,此時(shí)雙方按鍵均無作用,輸出保持,只有經(jīng)復(fù)位后才使亮點(diǎn)恢復(fù)到中心線;顯示器顯示勝者的盤數(shù)。對(duì)于這樣的一個(gè)設(shè)計(jì)題目安排三個(gè)人一組,來討論總體實(shí)現(xiàn)思路,但是具體的實(shí)現(xiàn)方式不能一樣,其中一個(gè)人要求用中小規(guī)模的集成電路來實(shí)現(xiàn),兩個(gè)人用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn),但是分別采用硬件描述語言和原理圖的輸入方法來實(shí)現(xiàn)。

開始安排題目的時(shí)候,選擇用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的人自信比較足,因?yàn)閷W(xué)生對(duì)中規(guī)模集成器件相對(duì)熟悉些,其他兩人因?yàn)閷?duì)可編程器件不是很熟悉,覺得有點(diǎn)難。但是等完成這個(gè)設(shè)計(jì)題目后,叫苦的反而變成采用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的人。另外兩人對(duì)自己的設(shè)計(jì)思想是否正確早通過仿真知道了,連線也只有輸入和輸出,不用反復(fù)檢查線路是否接觸好。隨時(shí)可以修改,修改完了只需用重新下載程序即可。經(jīng)過這樣的對(duì)比實(shí)踐,學(xué)生對(duì)數(shù)字電路的設(shè)計(jì)有了更深刻的認(rèn)識(shí),既掌握了數(shù)字電路的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,又初步理解了最新的數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法。

4結(jié)語

CPLD和FPGA器件在集成度、功能和性能方面已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)場(chǎng)合的使用要求。用CPLD、FPGA等大規(guī)模可編程邏輯器件取代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)集成電路、接口電路和專用集成電路已成為技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。把可編程思想引入到數(shù)字電路課程的教學(xué)當(dāng)中,利用計(jì)算機(jī)和仿真軟件對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行模擬、仿真,會(huì)顯著地提升數(shù)字電路的教學(xué)效果,讓學(xué)生能夠緊跟市場(chǎng)和技術(shù)的前沿。

Teaching of Digital Circuit Based on Programmable Thinking of Hardware

LIU Cai-hong, JI Jin-shui

(Computer Science and Information Engineering College, Northwest Minorities University,Lanzhou 730030, China)

Abstract: The traditional design method of digital systems has fundamentally changed because of the emergence of programmable logic devices, it is necessary to reform the teaching method of digital circuit. Introduced applications of the idea of programmable in digital circuit theory of teaching, laboratory teaching and course design through the example, and specific analysis of the advantages of teaching based on the programmable thinking.

Key words: programmable logic devices; decoder; digital circuit; teaching