數(shù)字電路和EDA課程融合實(shí)踐與探討

王紅航，劉 凱，鄧春健，楊健君，陳李勝，路月月

(電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402)

數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用是高等院校電氣信息類學(xué)科中一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程，是研究數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的入門課程，在整個(gè)人才培養(yǎng)中起承上啟下的作用。EDA(electronic design automatic)是以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計(jì)載體，以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)?？删幊唐骷拈_(kāi)發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工具，從而實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)軟件化的新技術(shù)。

目前，很多學(xué)校把EDA的設(shè)計(jì)思路引入到數(shù)字電路的教學(xué)中[1－7]，使得數(shù)字電路設(shè)計(jì)風(fēng)格更靈活、設(shè)計(jì)效率更高。也有一部分學(xué)校將數(shù)字電路和EDA技術(shù)兩門課程融合，建立傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計(jì)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相結(jié)合的新教學(xué)模式[8－12]，借此提高學(xué)生的理論水平和實(shí)踐動(dòng)手能力。中山學(xué)院在長(zhǎng)期的數(shù)字電路教學(xué)實(shí)踐中，體會(huì)到使用“數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學(xué)科研平臺(tái)”能夠提高學(xué)生的理解能力和動(dòng)手能力，能夠更好地推進(jìn)數(shù)字電路的教學(xué)改革，并能更好地完成數(shù)字電路和EDA技術(shù)的融合。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

在全國(guó)壓縮課時(shí)的大背景下，數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程融合EDA技術(shù)相關(guān)內(nèi)容之后，學(xué)時(shí)量仍然保持為64學(xué)時(shí)。由于課時(shí)限制，教師雖然清楚使用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字電路有諸多優(yōu)點(diǎn)，但為了講清楚數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識(shí)，只能對(duì)EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)思路和方法做最簡(jiǎn)單的介紹和演示，致使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)技術(shù)淺嘗輒止，難以化為能力。為了知識(shí)體系的延伸和連貫，更為了提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，本文自制了一系列基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，作為數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)和EDA綜合實(shí)驗(yàn)共同的設(shè)計(jì)平臺(tái)。使用共同的平臺(tái)，學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程，就能習(xí)得QuartusII軟件和試驗(yàn)箱平臺(tái)的使用方法。這一方面可以利用EDA技術(shù)全面改進(jìn)數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程教學(xué)，另一方面為EDA綜合實(shí)驗(yàn)課程打下基礎(chǔ)，促進(jìn)EDA綜合實(shí)驗(yàn)更好地進(jìn)行教學(xué)改革。

2013年，學(xué)校組織研發(fā)了“數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學(xué)科研平臺(tái)”，如圖1所示。該平臺(tái)以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)為核心，以綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為導(dǎo)向，具有豐富的外設(shè)接口和豐富的設(shè)計(jì)資源，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備的大部分實(shí)驗(yàn)，卻具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)的大部分功能[1]。試驗(yàn)箱研發(fā)初衷是為了將學(xué)生從繁重的插線工作中解脫出來(lái)，使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)風(fēng)格更靈活，設(shè)計(jì)效率更高效。根據(jù)幾年的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)這個(gè)平臺(tái)雖能對(duì)數(shù)字電路和EDA課程的融合起重要作用，但學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字電路的理解不夠真實(shí)、具體。

圖1 數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學(xué)科研平臺(tái)

為了讓學(xué)生對(duì)固定功能芯片的使用有感性的認(rèn)識(shí)，2015年學(xué)校組織研發(fā)了 “數(shù)字邏輯及數(shù)字系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”，補(bǔ)充2013版實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足。該平臺(tái)不僅包含以FPGA為核心的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還包括傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的一部分功能，即為傳統(tǒng)數(shù)字實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)的融合。學(xué)生剛開(kāi)始學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程時(shí)，使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱部分，理解數(shù)字電路的邏輯關(guān)系和芯片使用方法；對(duì)數(shù)字電路有一定的認(rèn)識(shí)之后，學(xué)習(xí)固定功能芯片擴(kuò)展應(yīng)用，學(xué)習(xí)不同固定功能芯片之間如何通信，理解傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法并嘗試自己設(shè)計(jì)電路；固定功能芯片使用方法掌握之后，學(xué)習(xí)FPGA可編程芯片的使用，掌握現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)思想，學(xué)習(xí)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)數(shù)字電路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)會(huì)FPGA和固定功能芯片如何通信。學(xué)生在學(xué)習(xí)固定功能芯片和FPGA芯片的過(guò)程中，理解真實(shí)的電路和用QuartusII搭建的使用FPGA實(shí)現(xiàn)的電路其實(shí)是一回事，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計(jì)體系的融會(huì)貫通。

2 案例分析

數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程立足于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，即使把EDA的設(shè)計(jì)思路引入到數(shù)字電路的教學(xué)中，也只是基于FPGA的原理圖設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)，電路一旦復(fù)雜化，就需要借助HDL描述電路。EDA綜合實(shí)驗(yàn)課程基于HDL進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下采用行為描述方式描述數(shù)字電路，對(duì)于用原理圖描述的數(shù)字電路，學(xué)生對(duì)其相應(yīng)的HDL描述并不清晰。這些現(xiàn)象阻礙了學(xué)生對(duì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)的認(rèn)知，阻斷了學(xué)習(xí)的連貫性和一致性。據(jù)此，我們改革課程內(nèi)容，將數(shù)字電路設(shè)計(jì)的一部分內(nèi)容使用原理圖輸入法 (數(shù)字電路課程實(shí)現(xiàn))和HDL(EDA綜合實(shí)驗(yàn))兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 用3－8譯碼器實(shí)現(xiàn)跑馬燈的電路原理圖

如用3－8譯碼器實(shí)現(xiàn)跑馬燈，用電路原理圖的實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示，其中插圖為L(zhǎng)ED跑馬燈的亮燈圖。該實(shí)現(xiàn)電路是根據(jù) “數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學(xué)科研平臺(tái)”而設(shè)計(jì)的。

眾所周知，實(shí)現(xiàn)亮燈沿著一個(gè)方向移動(dòng)，并且能夠循環(huán)往復(fù)，就可稱之為跑馬燈。如圖2所示，將74138的輸出Y0N～Y7N鎖定試驗(yàn)箱上的LED0～LED7(低電平點(diǎn)亮LED)，如果74138的A、B、C輸入端口能夠循環(huán)輸入000～111，則LED0～LED7可以實(shí)現(xiàn)跑馬燈功能。如果計(jì)數(shù)器的輸出大于等于3位，則計(jì)數(shù)器能夠循環(huán)輸出000～111。電路選擇4個(gè)8位計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，一方面用計(jì)數(shù)器的輸出作為74138的輸入，另一方面將系統(tǒng)時(shí)鐘49.152 MHz分頻為大約1.5 Hz。選擇8count的使能信號(hào)GN(低電平有效)作為系統(tǒng)使能，當(dāng)GN＝0時(shí)，芯片能夠正常工作；當(dāng)GN＝1時(shí)，保持系統(tǒng)原來(lái)的狀態(tài)不變。原理圖中將disp＿cs置為0，目的是在LED燈和七段數(shù)碼管、LED矩陣復(fù)合使用時(shí)選擇使用LED燈，buzz置為1，目的是想讓系統(tǒng)中喇叭不發(fā)聲，具體原理請(qǐng)參考文獻(xiàn)[1]。

用VerilogHDL實(shí)現(xiàn)跑馬燈如例程1所示。例程1:

可以看出，在Verilog HDL中，74138的功能由一個(gè)case語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)，分頻器的功能是由兩個(gè)計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)計(jì)數(shù)器將系統(tǒng)時(shí)鐘49.152 MHz進(jìn)行10 M分頻，另一個(gè)計(jì)數(shù)器將時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行8分頻，這樣LED燈的流動(dòng)頻率大概為0.6 Hz。系統(tǒng)另設(shè)一個(gè)使能信號(hào)en，當(dāng)en＝0時(shí)，74138正常工作；當(dāng)en＝1時(shí)，保持原來(lái)的狀態(tài)不變。而原理圖中對(duì)disp＿cs＝0和buzz＝1的設(shè)定，在 Verilog HDL中用assign語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在這個(gè)例子中，如果在例程1“endcase”后加上一句 “elsey＜＝8’ b11111111”，則實(shí)現(xiàn)的功能變?yōu)?當(dāng)en＝0時(shí)，74138正常工作；當(dāng)en＝1時(shí)，所有LED燈均熄滅。這個(gè)功能的改變?nèi)绾卧谠韴D中表現(xiàn)出來(lái)呢？可以將74138芯片的G1端口設(shè)為輸入端口en，這樣就可以實(shí)現(xiàn)與例程1相同的功能。

通過(guò)用原理圖和HDL兩種不同電路描述方式的對(duì)照設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠?qū)τ肏DL描述的數(shù)字電路有更具體生動(dòng)的認(rèn)識(shí)；同時(shí)能夠理解對(duì)于一個(gè)數(shù)字電路，需要使用什么樣的語(yǔ)句描述，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的融會(huì)貫通，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

3 結(jié)束語(yǔ)

借助 “數(shù)字邏輯及數(shù)字系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”，使得使用傳統(tǒng)試驗(yàn)箱驗(yàn)證芯片功能的實(shí)驗(yàn)方法和基于FPGA的電路原理圖設(shè)計(jì)方法得以統(tǒng)一，基于FPGA的電路原理圖和HDL這兩種數(shù)字電路描述得以融合。至此，數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用和EDA綜合實(shí)驗(yàn)兩門課程真正實(shí)現(xiàn)了由基礎(chǔ)學(xué)習(xí)到深刻理解到實(shí)踐設(shè)計(jì)到創(chuàng)新的最終目標(biāo)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握才能融會(huì)貫通。這樣的學(xué)生是真正的應(yīng)用型人才，是社會(huì)歡迎的人才，也是學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)。

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