基于FPGA的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)改革研究

李宏杰 段德功

摘? ?要：針對(duì)傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)模式，文章探究了一種基于FPGA的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)改革。利用Quartus II軟件和DB4CE15開發(fā)板作為教學(xué)工具，使用Verilog-HDL語(yǔ)言分別對(duì)傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”中典型的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路進(jìn)行邏輯仿真和功能驗(yàn)證。課堂實(shí)踐表明，基于FPGA的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)改革能夠幫助學(xué)生了解現(xiàn)代中大規(guī)模數(shù)字集成電路的開發(fā)過(guò)程和方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力，滿足新時(shí)代應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)需要。

關(guān)鍵詞：FPGA開發(fā)環(huán)境;數(shù)字電子技術(shù);教學(xué)改革;創(chuàng)新實(shí)踐能力

“數(shù)字電子技術(shù)”是所有工科類電學(xué)相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路以及脈沖波形產(chǎn)生和整形等常用電路，同時(shí)，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)微機(jī)原理、單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等專業(yè)課程做好理論知識(shí)鋪墊[1]。然而，傳統(tǒng)的“數(shù)字電子技術(shù)”理論教學(xué)采用以布爾代數(shù)和邏輯卡諾圖作為理論推導(dǎo)工具，以組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)作為課程知識(shí)主干，以門電路和觸發(fā)器作為基本電路單元，這樣傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式具有概念空洞、分析方法復(fù)雜、缺乏工程實(shí)踐等缺點(diǎn)，很難適用于現(xiàn)代新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量與新體系的新工科建設(shè)發(fā)展需要[2]。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronics Design Automation，EDA）是一種以大規(guī)模可編程邏輯器件，如復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）作為驗(yàn)證載體，以硬件描述語(yǔ)言（超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言、Verilog-HDL）作為人機(jī)交互方式，以專業(yè)軟件（Quartus II）作為開發(fā)環(huán)境的新型數(shù)字電路設(shè)計(jì)方式[3]。具有可移植性強(qiáng)、貼合工程實(shí)踐、節(jié)約開發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的主流方式。

本文針對(duì)傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)模式，探究了一種基于FPGA的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)改革，利用Quartus II開發(fā)軟件和DB4CE15開發(fā)實(shí)驗(yàn)板分別對(duì)常用組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路進(jìn)行邏輯仿真和功能驗(yàn)證。課堂實(shí)踐表明，基于FPGA的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)模式提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力，符合新時(shí)代應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)方式。

1? ? 傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)模式

1.1? 傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”理論教學(xué)模式

傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”理論教學(xué)模式采用以門電路和觸發(fā)器作為電路基本組成單元，以布爾代數(shù)和卡諾圖作為理論推導(dǎo)工具，以組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、脈沖波形電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換/數(shù)模轉(zhuǎn)換（Analog to Digital/Digital to Analog，AD/DA）轉(zhuǎn)化電路作為課程主干知識(shí)體系。這樣的教學(xué)模式經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)是一種行之有效的教學(xué)模式，符合學(xué)生的客觀認(rèn)知規(guī)律。但是傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”理論教學(xué)具有概念多而且空洞、邏輯推導(dǎo)復(fù)雜、工程特點(diǎn)突出等缺點(diǎn)。例如對(duì)于常用組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法需要按照以下步驟：（1）分析輸入、輸出變量的邏輯功能。（2）畫邏輯卡諾圖。（3）寫出邏輯表達(dá)式。（4）畫邏輯電路圖。（5）功能和時(shí)序驗(yàn)證[4]。傳統(tǒng)組合邏輯和時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

以采用JK觸發(fā)器設(shè)計(jì)一個(gè)同步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器為例，具體如下。

第1步，根據(jù)題意確定輸入變量、輸出變量及狀態(tài)數(shù)。本例中由于設(shè)計(jì)對(duì)象為計(jì)數(shù)器，因此，除了時(shí)鐘信號(hào)以外不需要其他輸入變量，輸出變量為Y，狀態(tài)數(shù)為5個(gè)，現(xiàn)次態(tài)用Q2，Q1，Q0表示。

第2步，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖。該計(jì)數(shù)器共有5個(gè)狀態(tài)，分別為S0～S4，每計(jì)滿5個(gè)狀態(tài)輸出進(jìn)位信號(hào)1。

第3步，對(duì)5個(gè)狀態(tài)進(jìn)行編碼，從000到100。

第4步，利用狀態(tài)轉(zhuǎn)化卡諾圖分別求解Q2n+1，Q1n+1和Q0n+1的狀態(tài)方程，然后根據(jù)JK觸發(fā)器的特性方程和狀態(tài)方程求解各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程。

第5步，畫邏輯電路圖。

第6步，自啟動(dòng)檢查。采用傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)方法設(shè)計(jì)的同步5進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器電路，如圖2所示。

傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”理論教學(xué)在教學(xué)方式上一般采用“板書+PPT”相結(jié)合的形式[5]。即教師把課本中的重點(diǎn)和難點(diǎn)板書到黑板上，推導(dǎo)和講授課本中的公式和定理，同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)軟件PPT輔助課堂教學(xué)的有效開展。但是隨著新理論、新技術(shù)和新方法的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”理論教學(xué)方式不再適用于現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是中大規(guī)模的數(shù)字電路開發(fā)?；贔PGA或CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件的數(shù)字電路開發(fā)方式已經(jīng)成為當(dāng)下“數(shù)字電子技術(shù)”的主流方式[6]。

1.2? 傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容上圍繞課堂理論知識(shí)，以組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路為主線，按照門電路測(cè)試、組合邏輯電路設(shè)計(jì)、常用集成組合邏輯器件設(shè)計(jì)、計(jì)數(shù)器以及555觸發(fā)器的應(yīng)用先后順序進(jìn)行[6]，在學(xué)期中期停課兩周進(jìn)行“數(shù)字電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)方式上按照學(xué)生課前預(yù)習(xí)、教師課上講授、學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、教師檢查打分的順序進(jìn)行。實(shí)踐證明，傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥軌蚣由顚W(xué)生對(duì)于課本理論知識(shí)的理解，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。但是傳統(tǒng)的“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)一般采用“數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱”作為教具[7]，由于實(shí)驗(yàn)箱上的模塊資源限制，學(xué)生只能做一些固定的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，這樣就極大地限制了學(xué)生的發(fā)散思維，不利于學(xué)生的創(chuàng)新能力提高。另外，由于傳統(tǒng)數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱采用“插線孔”方式，這樣學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易造成芯片針腳折斷、接觸不良等問(wèn)題，隨著實(shí)驗(yàn)機(jī)箱老化和設(shè)備損壞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往受到影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也不太理想。

2? ? 基于FPGA的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)模式

2.1? 基于FPGA的“數(shù)字電子技術(shù)”理論教學(xué)模式

基于FPGA的“數(shù)字電子技術(shù)”理論教學(xué)模式在教學(xué)內(nèi)容上采用“傳統(tǒng)理論教學(xué)+FPGA平臺(tái)驗(yàn)證”的方法，即以傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”中的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路內(nèi)容為主線，向?qū)W生講解其工作原理和推導(dǎo)過(guò)程，然后通過(guò)學(xué)習(xí)硬件描述語(yǔ)言（Verilog-HDL）進(jìn)行模塊編程，最后，把寫好的程序下載到開發(fā)板上進(jìn)行功能驗(yàn)證。以學(xué)習(xí)常用組合邏輯集成器件中的數(shù)據(jù)選擇器為例，具體如下。

第1步，給學(xué)生講解數(shù)據(jù)選擇器的概念和應(yīng)用場(chǎng)合，使學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)選擇器有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。

第2步，通過(guò)簡(jiǎn)單的四選一數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行選擇器的原理推導(dǎo)和理論分析。

第3步，基于FPGA平臺(tái)進(jìn)行功能和時(shí)序驗(yàn)證。其中，使用FPGA平臺(tái)驗(yàn)證時(shí)按照以下步驟：（1）采用硬件描述語(yǔ)言對(duì)電路進(jìn)行結(jié)構(gòu)或功能描述。（2）邏輯綜合和編譯。（3）使用Modelsim等仿真工具進(jìn)行功能時(shí)序仿真。（4）下載驗(yàn)證，其流程如圖3所示。圖4為給學(xué)生布置的八選一數(shù)據(jù)選擇器的時(shí)序仿真，可以看出當(dāng)選擇地址S[2]，S[1]，S[0]不同時(shí)，選擇器輸出相應(yīng)頻率的信號(hào)。圖5為八選一數(shù)據(jù)選擇器的寄存器傳輸級(jí)描述圖（Register Transport Level，RTL）。

2.2? 基于FPGA的“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

基于FPGA的“數(shù)字電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用“QuartusII編程+開發(fā)板驗(yàn)證”的模式，即先通過(guò)硬件描述語(yǔ)言把實(shí)驗(yàn)芯片模塊描述出來(lái)，然后對(duì)程序進(jìn)行編譯仿真，最后，下載到FPGA開發(fā)板上進(jìn)行功能驗(yàn)證。這樣可以有效避免使用傳統(tǒng)數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)資源模塊有限，實(shí)驗(yàn)機(jī)箱老化、易壞等缺點(diǎn)。同時(shí)，由于FPGA平臺(tái)的核心是功能強(qiáng)大的可編程邏輯器件，因此，學(xué)生可以最大限度地發(fā)揮主觀能動(dòng)性去設(shè)計(jì)自己想要的電路，并且可以通過(guò)開發(fā)板來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的實(shí)物驗(yàn)證，這樣就實(shí)現(xiàn)了“所想即所得”的效果[8]。以設(shè)計(jì)4個(gè)LED組成的流水燈為例，具體如下。

第1步，向?qū)W生講解用Verilog-HDL語(yǔ)言點(diǎn)亮LED燈的原理和實(shí)現(xiàn)流水燈所需要的循環(huán)結(jié)構(gòu)等知識(shí)。

第2步，指導(dǎo)學(xué)生在QuartusII上編寫流水燈頂層模塊和各子模塊程序。

第3步，對(duì)程序進(jìn)行編譯綜合，指導(dǎo)學(xué)生修改程序中的錯(cuò)誤。

第4步，根據(jù)所選FPGA開發(fā)板型號(hào)進(jìn)行引腳分配。

第5步，下載程序到開發(fā)板上進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。圖6為使用DB4CE15型號(hào)的開發(fā)板實(shí)現(xiàn)的4個(gè)LED組成的流水燈實(shí)驗(yàn)。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于FPGA平臺(tái)的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)改革探究，分別對(duì)傳統(tǒng)“數(shù)字電子技術(shù)”理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革探究，利用Quartus II軟件和DB4CE15開發(fā)板作為設(shè)計(jì)工具，采用Verilog-HDL語(yǔ)言對(duì)“數(shù)字電子技術(shù)”中典型的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路進(jìn)行邏輯仿真和功能驗(yàn)證。實(shí)踐表明，基于FPGA平臺(tái)的“數(shù)字電子技術(shù)”教學(xué)改革符合當(dāng)前中大規(guī)模數(shù)字電路的開發(fā)模式，能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和拓展發(fā)散思維，滿足新時(shí)代、新工科的發(fā)展需要。

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Research on teaching reform of “Digital Electronic Technology” based on FPGA

Li Hongjie， Duan Degong

（College of Electronic Information and Electrical Engineering， Anyang Institute of Technology， Anyang 455000， China）

Abstract：Aiming at the traditional “Digital Electronic Technology” teaching model， this paper probes into a teaching reform of “Digital Electronic Technology” based on FPGA. Using Quartus II software and DB4CE15 development board as teaching tools， using Verilog-HDL language to simulate and verify the typical combinational logic circuit and sequential logic circuit in traditional “Digital Electronic Technology”. The practice shows that the teaching reform of “Digital Electronic Technology” based on FPGA can help students understand the development process and methods of modern large-scale digital integrated circuits. At the same time improving students learning interest and practical ability， meeting the talent training objectives of application-oriented universities in the new age.

Key words：FPGA development environment; Digital Electronics Technology; teaching reform; innovation and practice ability