數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計(jì)類自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

張洪杰 方愷晴 徐 成

摘 要：介紹自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的特點(diǎn)和低成本便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備，說明“模塊化、預(yù)期學(xué)習(xí)成果”為導(dǎo)向的課程設(shè)置和3類典型實(shí)驗(yàn)案例，分享考評(píng)體系建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。指出自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以利用有限資金和設(shè)備深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，具有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)；數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計(jì)；便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備

0 引言

目前，為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)與電子信息技術(shù)“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力和高素質(zhì)”復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，國內(nèi)各高校的教學(xué)改革高度重視開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)”。但是，實(shí)驗(yàn)改革必然性與持續(xù)性投資不足的矛盾給國內(nèi)高校帶來一些新問題，如教學(xué)內(nèi)容不系統(tǒng)，教學(xué)模式缺少改革，教學(xué)資源欠充實(shí)等，學(xué)科教學(xué)計(jì)劃設(shè)置不合理，導(dǎo)致出現(xiàn)實(shí)踐課程超前于理論課的現(xiàn)象；另外還缺乏對(duì)自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改革與教學(xué)模式及評(píng)價(jià)體系的創(chuàng)新。

1 自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是以案例開發(fā)為驅(qū)動(dòng)，以便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備為載體，以學(xué)生為主體，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上進(jìn)行自主創(chuàng)新，綜合教師引導(dǎo)、集中答疑，從知識(shí)、能力和素質(zhì)3個(gè)方面進(jìn)行全面考核評(píng)價(jià)。

1.1 優(yōu)勢(shì)

開設(shè)自主實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，更能培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)復(fù)雜實(shí)際問題的主動(dòng)探索精神，因而得到學(xué)生由衷的接納與歡迎。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室存在使用權(quán)限、電腦數(shù)量和操作系統(tǒng)限制的弊端。自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式符合計(jì)算機(jī)與電子信息類實(shí)驗(yàn)室零臺(tái)式電腦建設(shè)要求，學(xué)生利用自備手提電腦和便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)，減少了電腦設(shè)備更新單項(xiàng)資金的投入，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室空間和設(shè)備開放方面的短缺。

知識(shí)、能力和素質(zhì)3個(gè)方面綜合考評(píng)體系，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)報(bào)告和出勤為主的單一考核方式。

1.2 便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成

公司實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往針對(duì)研發(fā)人員設(shè)計(jì)，功能和操作較復(fù)雜，再加上技術(shù)相對(duì)落后、附加配件繁多、大包裝等盈利性因素，限制了學(xué)生實(shí)驗(yàn)自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備是本科教學(xué)工作優(yōu)秀學(xué)校評(píng)價(jià)的重要組成部分。為了促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)因地制宜地自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

在數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計(jì)類自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生課上課下相結(jié)合，積極開展自主實(shí)驗(yàn)，主要采用3種便攜式設(shè)計(jì)驗(yàn)證設(shè)備：①免費(fèi)Quartus集成的波形編輯與仿真器；②自主設(shè)計(jì)的開源8位CPU模擬器；③自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的便捷式EDA系列實(shí)驗(yàn)板。

2 教學(xué)辦法

2.1 課程設(shè)置

老師是主導(dǎo)，學(xué)生是主體。課堂上面對(duì)面答疑，老師引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)收、測(cè)試3部分內(nèi)容。課下，學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目或依興趣自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案解答問題。從學(xué)生認(rèn)知過程和教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展兩方面人手，設(shè)置了數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容、課時(shí)、便攜設(shè)備、預(yù)期學(xué)習(xí)成果，如表1所示。設(shè)備序號(hào)分別對(duì)應(yīng)1.2節(jié)中3種便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備。O代表各門課程適用模塊?！虨楦髂K訓(xùn)練的預(yù)期學(xué)習(xí)效果。

老師開發(fā)自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，精編涵蓋認(rèn)知型、設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)教材和完善的網(wǎng)絡(luò)課程資源。

明確專業(yè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，依據(jù)各項(xiàng)預(yù)期學(xué)習(xí)成果指導(dǎo)數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計(jì)類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程、課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)和創(chuàng)新訓(xùn)練。

全程采用便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及可自由搭配的模塊化教學(xué)內(nèi)容，完全滿足不同專業(yè)學(xué)生多層次自主學(xué)習(xí)要求，充分激發(fā)學(xué)生潛能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

2.2 仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)訓(xùn)練旨在培養(yǎng)學(xué)生分析和解釋數(shù)據(jù)的能力，識(shí)別、制定和解決工程問題的能力，進(jìn)一步提高應(yīng)用本專業(yè)數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程知識(shí)的應(yīng)用能力，應(yīng)用本專業(yè)的技術(shù)、技能、現(xiàn)代工程所需工具的能力。實(shí)驗(yàn)要求如下。

（l）理解仿真波形圖“完整、簡(jiǎn)明”的基本原則和仿真常規(guī)步驟。

（2）掌握新建波形文件后的波形圖時(shí)間開銷基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置，理解Grid size與時(shí)鐘周期關(guān)系，End time與時(shí)間軸長度關(guān)系。

（3）熟悉信號(hào)節(jié)點(diǎn)添加后的位置調(diào)配。重新凋配信號(hào)位置應(yīng)注意：激勵(lì)輸入與輸出信號(hào)上下放置；輸入信號(hào)可按“時(shí)鐘信號(hào)→異步控制→同步控制→數(shù)據(jù)輸入”順序向下放置；同一元器件或同一功能的控制信號(hào)就近放置。

（4）熟悉信號(hào)整合為總線Group形式。原本符合Group、同一器件和同一屬性的控制信號(hào)優(yōu)先整合；脈沖信號(hào)不整合；整合前信號(hào)應(yīng)按“高位_低位”順序向下放置；整合后信號(hào)名要能直觀反映該信號(hào)功能。

（5）理解并熟悉電路初始狀態(tài)激勵(lì)輸入和分段仿真方法。分段仿真方法是先完成初始電路，再將時(shí)間軸看成連續(xù)的時(shí)間段，一個(gè)時(shí)間段完成一步實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.3 CPU模擬器實(shí)驗(yàn)

CPU模擬器實(shí)驗(yàn)主要訓(xùn)練學(xué)生系統(tǒng)開發(fā)的能力，即在現(xiàn)實(shí)約束下設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)、組件或流程滿足期望的需求。

實(shí)驗(yàn)依據(jù)微程序流程圖及CPU模擬器，編寫用戶調(diào)試程序進(jìn)行功能驗(yàn)證，必要時(shí)重寫CPU模擬器開源代碼以實(shí)現(xiàn)拓展指令。

（1）學(xué)習(xí)指令、微指令和微程序知識(shí)。

（2）理解微程序運(yùn)行時(shí)微地址轉(zhuǎn)移邏輯涉及的異步清零、RAM寫、RAM讀、順序執(zhí)行和判別測(cè)試字段P重新映射，設(shè)計(jì)微程序流程圖。

（3）分析用戶測(cè)試程序?qū)嵗?，認(rèn)識(shí)指令碼和數(shù)據(jù)字節(jié)、復(fù)合運(yùn)算編程方法、RAM程序存儲(chǔ)方式。

（4）掌握用戶測(cè)試程序時(shí)應(yīng)用Hex文本編輯器編寫匯編代碼方法。

（5）掌握計(jì)數(shù)器PC、地址寄存器AR、存儲(chǔ)器MEM、指令碼OP、微地址M_ADDR與MNXT_ ADDR、寄存器R5、累加器DRI與DR2、單步執(zhí)行模擬器使用方法，觀察地址及數(shù)據(jù)流進(jìn)行微指令調(diào)試完成功能驗(yàn)證。

2.4 綜合實(shí)驗(yàn)

綜合實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用某一課程或多門課程的知識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合性、開發(fā)性實(shí)驗(yàn)。綜合實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力、道德責(zé)任能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力以及溝通能力。

（l）綜合實(shí)驗(yàn)l為圖文解說數(shù)碼管顯示電路實(shí)驗(yàn)過程，了解FPGA工作原理與特性；熟悉并掌握軟硬件平臺(tái)的安裝及使用；掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及圖形法、硬件語言描述法、層次設(shè)計(jì)法等設(shè)計(jì)方法；掌握?qǐng)D形法的注意事項(xiàng)與畫圖技巧。

（2）綜合實(shí)驗(yàn)2為各小組自主選題，掌握綜合運(yùn)用前面所學(xué)狀態(tài)機(jī)、移位寄存器、計(jì)數(shù)器、按鍵消抖電路和數(shù)碼管顯示電路等模塊功能，要求學(xué)生分工協(xié)作，搜集資料確定選題，分析可行性形成開題報(bào)告，有效溝通進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)與調(diào)試，最后完成答辯互評(píng)。

（3）綜合實(shí)驗(yàn)3為通過圖形法或VHDL設(shè)計(jì)完成時(shí)序發(fā)生模塊、微程序控制器和顯示予模塊的集成與頂層例化模型機(jī)調(diào)試，從而形成芯片到系統(tǒng)的整體概念和軟硬聯(lián)合處理問題思維方式，實(shí)現(xiàn)初步的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新過程思維和自我學(xué)習(xí)能力。

3 考評(píng)體系

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核主要指標(biāo)有實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)紀(jì)律和實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、期末考試成績(jī)等，即以平時(shí)成績(jī)?yōu)橹鞯膶?shí)踐性考核。

（l）實(shí)驗(yàn)日志體現(xiàn)學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況，是學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)重要證明。實(shí)驗(yàn)報(bào)告分項(xiàng)計(jì)分要求：實(shí)驗(yàn)原理說明10分；波形圖參數(shù)設(shè)置合理10分；波形圖信號(hào)設(shè)置合理10分；波形圖中操作標(biāo)注說明10分；仿真驗(yàn)證結(jié)論10分；操作步驟數(shù)據(jù)記錄完整10分；管腳分配及硬件驗(yàn)證結(jié)論10分；實(shí)驗(yàn)日志30分。實(shí)驗(yàn)日志由淺人深逐條記錄實(shí)驗(yàn)過程中的問題及解決方法、習(xí)題解答、難點(diǎn)引申與信息檢索、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

（2）綜合實(shí)驗(yàn)小組投票互評(píng)。老師組織各項(xiàng)目小組參加成果展示，學(xué)生自行按流程主持、唱票和計(jì)票。小組每位成員均需匯報(bào)個(gè)人工作和項(xiàng)目可借鑒意見。每組不記名投票、不重復(fù)投票，最后以票數(shù)及意見評(píng)等級(jí)。

（3）數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本技能測(cè)試細(xì)分為多次，要求人人過關(guān)。該測(cè)試對(duì)實(shí)驗(yàn)過程需截圖并說明，考查范圍為：原理部分20分，如Symbolfile端口功能描述、RTL viewer子模塊功能描述和Hierarchy分層說明；輸入部分20分，含工程創(chuàng)建（工程名、路徑名和目標(biāo)器件）、新建文件類型（BDF、VHD及VWF）、MIF文件（字、數(shù)制和內(nèi)容）和State Machine File（reset控制信號(hào)與Action輸出）；編譯部分10分，為正確結(jié)果報(bào)告或錯(cuò)誤警告說明；仿真部分50分，包括功能仿真網(wǎng)表、Simulator設(shè)置波形文件、初始化波形文件（參數(shù)、信號(hào)與時(shí)鐘）、仿真結(jié)果分析與結(jié)論。

4 結(jié)語

長期以來，我校教研室通過開展低成本便捷式實(shí)驗(yàn)設(shè)備為主的自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計(jì)類課程教學(xué)奠定了堅(jiān)定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。便攜式EDA系列實(shí)驗(yàn)板在全學(xué)院得到廣泛應(yīng)用，成為學(xué)院課程教學(xué)實(shí)踐、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中基本使用設(shè)備。這種自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可進(jìn)一步推廣至單片機(jī)類、嵌入式系統(tǒng)類、物聯(lián)網(wǎng)類、智能控制類方向。