以驅(qū)動(dòng)編寫為導(dǎo)向的數(shù)字邏輯電路實(shí)踐教學(xué)研究

張玲　姚莉

摘要：針對(duì)數(shù)字邏輯電路實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，提出將集成數(shù)字芯片的驅(qū)動(dòng)編寫融入實(shí)踐教學(xué)，對(duì)數(shù)字電路課堂教學(xué)涉及到的集成芯片，利用C語言實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)對(duì)其進(jìn)行控制，并利用MCU芯片進(jìn)行仿真。不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和編程能力，而且有效改善了傳統(tǒng)單純驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，提高了學(xué)生對(duì)集成數(shù)字芯片的應(yīng)用能力，為后續(xù)硬件相關(guān)課程的學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ)和保障。學(xué)生的反饋和階段考核結(jié)果表明，該實(shí)踐方式能有效地提高數(shù)字邏輯電路的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字邏輯電路；芯片驅(qū)動(dòng)編寫；實(shí)踐教學(xué)

一、引言

數(shù)字邏輯電路是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，其教學(xué)目標(biāo)包括數(shù)字信號(hào)的概念，組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路，常用的數(shù)字集成芯片，數(shù)字電路設(shè)計(jì)流程及應(yīng)用。傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實(shí)踐教學(xué)一般采用傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[1-2]。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力，基于數(shù)字模塊的綜合設(shè)計(jì)[3]將抽象的數(shù)字邏輯模塊與具體應(yīng)用聯(lián)系起來，對(duì)學(xué)過的電路模塊通過仿真實(shí)現(xiàn)出來?；谟布枋稣Z言的數(shù)字集成電路前端設(shè)計(jì)法[4-5]將硬件描述語言引入進(jìn)來，用硬件語言行為描述法描述。這些實(shí)踐教學(xué)方法取得了一定的成效，一定程度上提高了教學(xué)效果。但針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的同學(xué)來說，更注重的是數(shù)字集成芯片將來的應(yīng)用，特別是數(shù)字集成電路驅(qū)動(dòng)的編寫和應(yīng)用，如何將數(shù)字邏輯電路驅(qū)動(dòng)的編寫嵌入到數(shù)字邏輯電路時(shí)間教學(xué)中，并通過時(shí)序控制使得數(shù)字集成芯片工作起來是數(shù)字邏輯電路教學(xué)的一個(gè)重要任務(wù)。

本文提出以驅(qū)動(dòng)編寫為導(dǎo)向的數(shù)字邏輯電路實(shí)踐教學(xué)，針對(duì)數(shù)字邏輯電路常用組合邏輯模塊，如編碼器和譯碼器模塊、數(shù)據(jù)選擇和分配器模塊、串并并串轉(zhuǎn)換等模塊進(jìn)行分析，通過微控制單元（MCU）對(duì)其時(shí)序進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)集成數(shù)字芯片的驅(qū)動(dòng)；針對(duì)常用時(shí)序邏輯模塊，如計(jì)數(shù)器模塊，寄存器模塊，通過MCU收發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)集成數(shù)字模塊的驅(qū)動(dòng)。這種實(shí)踐教學(xué)方式不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對(duì)數(shù)字邏輯模塊的理解，掌握相關(guān)硬件編程方法，而且對(duì)嵌入式開發(fā)過程有了一定的了解，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。教學(xué)結(jié)果表明以驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向的實(shí)踐教學(xué)較大程度的提高了數(shù)字邏輯電路的教學(xué)效果。

二、以驅(qū)動(dòng)編寫為導(dǎo)向的數(shù)字集成電路實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)數(shù)字邏輯電路涉及的基本教學(xué)模塊，根據(jù)數(shù)字邏輯電路教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)中設(shè)計(jì)了三個(gè)部分的實(shí)踐教學(xué)：針對(duì)組合邏輯電路部分的實(shí)踐，針對(duì)時(shí)序邏輯電路部分的實(shí)踐安排和綜合實(shí)踐教學(xué)安排。

針對(duì)組合邏輯電路涉及的數(shù)字集成電路芯片，設(shè)計(jì)了以下相關(guān)模塊：集成雙全加器74LS183/C661的連線及驅(qū)動(dòng)、4位集成數(shù)值比較器74LS85/C663的連線及驅(qū)動(dòng)、8線-3線優(yōu)先編碼器74LS148、集成3-8譯碼器74LS138、電平驅(qū)動(dòng)顯示譯碼器74LS48、集成4選1選擇器74LS151、1路4路數(shù)據(jù)分配器74LS139。

針對(duì)時(shí)序邏輯電路涉及的數(shù)字集成電路芯片，設(shè)計(jì)了以下相關(guān)模塊：集成4位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74161的連線方式及驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)、集成十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74160、8位單向集成移位寄存器74164、4位雙向移位寄存器74LS194的連線及驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)、串并轉(zhuǎn)換芯片74HC595和并串轉(zhuǎn)換芯片74HC165的驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

綜合實(shí)踐安排包括常用組合和時(shí)序邏輯模塊組成的綜合系統(tǒng)，本部分安排了兩個(gè)小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)和六路搶答器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字時(shí)鐘利用基本數(shù)字電路制作小時(shí)電子鐘，顯示時(shí)分秒，其電路包括24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，譯碼電路和顯示電路模塊。

六路搶答器利用數(shù)字電路設(shè)計(jì)搶答器，它允許8路參加，用LED小燈顯示搶答結(jié)果，利用清除鍵對(duì)LED小燈滅燈。此電路包括門控電路、開關(guān)控制電路、數(shù)據(jù)鎖存電路、8-3優(yōu)先編碼模塊，案件輸入模塊、顯示模塊。

本實(shí)踐教學(xué)穿插在理論課上和課后進(jìn)行，在學(xué)習(xí)每部分?jǐn)?shù)字模塊基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)模塊的應(yīng)用環(huán)境和作用作以介紹，給出相應(yīng)的原理圖及時(shí)序控制原理介紹。這部分的教學(xué)要求學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，在時(shí)間教學(xué)課堂前，以報(bào)告形式完成硬件電路設(shè)計(jì)及相關(guān)關(guān)鍵代碼設(shè)計(jì)，循序漸進(jìn)，在實(shí)踐教學(xué)時(shí)進(jìn)行調(diào)試，并利用互動(dòng)教學(xué)來驗(yàn)證、鞏固教學(xué)內(nèi)容。

三、數(shù)字集成電路芯片驅(qū)動(dòng)編寫--以串并轉(zhuǎn)換集成芯片74HC595為例

數(shù)字集成電路芯片驅(qū)動(dòng)編寫的實(shí)質(zhì)即對(duì)該芯片工作時(shí)序的控制。本小節(jié)為串并74HC595并串集成芯片為例，說明集成電路芯片驅(qū)動(dòng)的編寫方法。

74HC595是將串行信號(hào)轉(zhuǎn)成并行數(shù)據(jù)信號(hào)的數(shù)字集成芯片，為了實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，它具有一個(gè)串行輸入口，通過內(nèi)部8位移位寄存器經(jīng)過8個(gè)時(shí)鐘周期將8個(gè)1位的串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)8位的并行信號(hào)，通過其內(nèi)部8位緩沖寄存器及一個(gè)具有三態(tài)輸出的移位寄存器將并行數(shù)據(jù)送出。為了讓74HC595實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，必須根據(jù)其工作時(shí)序給出正確的控制信號(hào)。其工作時(shí)序圖在圖1中給出，該結(jié)構(gòu)串行數(shù)據(jù)的輸入和并行數(shù)據(jù)的輸出分別用不同的時(shí)鐘控制，分別為SCK和LCK，[Q0→Q7]并行輸出端，[Q7']串行數(shù)據(jù)輸出。

如時(shí)序圖所示，其基本時(shí)序運(yùn)行如下：在輸入時(shí)鐘SCK的上升沿控制下，8位串行數(shù)據(jù)從SDI送入，8個(gè)周期后，該8位數(shù)據(jù)被送入到74HC595的緩沖區(qū)；接著在輸出時(shí)鐘LCK的控制下，將8位并行數(shù)據(jù)從輸出端Q0-Q7送出。并行數(shù)據(jù)輸出在時(shí)鐘信號(hào)LCK控制下，一個(gè)時(shí)鐘上升沿便可完成輸出。8位串行數(shù)據(jù)num1轉(zhuǎn)成并行數(shù)據(jù)的關(guān)鍵時(shí)序代碼為：for （j=0；j<8；j++） {CY=num1&0x01；num1=num1>>1；ds=CY；SCK=1； SCK=0； }

四、小結(jié)

本文提出以驅(qū)動(dòng)編寫為導(dǎo)向的數(shù)字電路的實(shí)踐教學(xué)方法，并應(yīng)用到數(shù)字電路實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生反映較好。以驅(qū)動(dòng)編寫為導(dǎo)向進(jìn)行數(shù)字電路的實(shí)踐教學(xué)將抽象概念具體化，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到數(shù)字模塊的作用和其應(yīng)用場(chǎng)合，并利用proteus仿真軟件進(jìn)行仿真，增加了學(xué)生的學(xué)生興趣。通過綜合系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，并提高了學(xué)生利用C語言進(jìn)行硬件編程的編程能力，為后續(xù)相關(guān)硬件課程的學(xué)習(xí)及從事數(shù)字集成電路的工作打下基礎(chǔ)。

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湖北理工學(xué)院教研項(xiàng)目：2014c25。

作者簡(jiǎn)介：張玲，女，（1980-），講師，湖北理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院。endprint