計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA綜合實(shí)驗(yàn)儀的研制

楊威 韓亮 方小平 崔彬 李平舟

（西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 陜西省西安市 710071）

為了培養(yǎng)高水平、動(dòng)手能力強(qiáng)適應(yīng)社會(huì)需要的工程型大學(xué)畢業(yè)生，高等院校的實(shí)驗(yàn)室不應(yīng)該只是滿足基本理論的驗(yàn)證性需求，更應(yīng)該是創(chuàng)新人才的培養(yǎng)基地，是培養(yǎng)具有高水平實(shí)踐能力的場(chǎng)所。自主開(kāi)發(fā)和研制適應(yīng)本專(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)普通高等院校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有非常重要的價(jià)值。西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院在領(lǐng)導(dǎo)和專(zhuān)家的帶領(lǐng)下，在新工科理論的指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)多年的努力成功研制出一種計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA 綜合實(shí)驗(yàn)儀，該實(shí)驗(yàn)儀具有很強(qiáng)的實(shí)用性、通用性、廣泛性、穩(wěn)定性和先進(jìn)性。該實(shí)驗(yàn)儀不僅獲得了得了實(shí)用新型專(zhuān)利，而且在全國(guó)高等學(xué)校教師自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備大賽中獲獎(jiǎng)。

1 計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA綜合實(shí)驗(yàn)儀研制背景和意義

在新工科建設(shè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)理念引領(lǐng)下，研制一種“功能強(qiáng)、視野寬、通用性好”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)儀器，使學(xué)生能夠進(jìn)行高水平的訓(xùn)練和實(shí)踐，是實(shí)現(xiàn)新工科背景下人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。

目前，很多高等院校在電路實(shí)驗(yàn)課程、計(jì)算機(jī)組成原理課程、FPGA 技術(shù)課程及單片機(jī)技術(shù)課程的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上普遍存在以下問(wèn)題：教學(xué)方法陳舊單一，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)性差、實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性不理解、儀器設(shè)備極易損壞等。為了改變這種現(xiàn)狀，創(chuàng)新教學(xué)方法，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的難度和可操作度，西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院經(jīng)過(guò)多年的努力，針對(duì)不同層次的學(xué)生，研制了一種功能強(qiáng)大的、穩(wěn)定性強(qiáng)的計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA綜合實(shí)驗(yàn)儀。

2 計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA綜合實(shí)驗(yàn)儀研制內(nèi)容

首先，該實(shí)驗(yàn)儀可以為本科一、二、三年級(jí)學(xué)生提供計(jì)算機(jī)原理實(shí)驗(yàn)、FPGA 技術(shù)實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)原理實(shí)驗(yàn)；其次，該實(shí)驗(yàn)儀可以為本科四年級(jí)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)條件；更重要的是，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器還可以作為對(duì)硬件知識(shí)感興趣同學(xué)進(jìn)行科技創(chuàng)新活動(dòng)的必要工具。該實(shí)驗(yàn)儀應(yīng)用在學(xué)校的各種開(kāi)放式教學(xué)活動(dòng)中起到了重要意義，不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，而且培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣?；谠搶?shí)驗(yàn)儀，西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院的教師編寫(xiě)了與該實(shí)驗(yàn)儀配套的實(shí)驗(yàn)教材，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐，該實(shí)驗(yàn)儀在教學(xué)應(yīng)用中取得了很好的教學(xué)效果。圖1 給出實(shí)驗(yàn)儀和教材示意圖。

2.1 實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)

圖2 給出計(jì)算機(jī)原理、單片機(jī)及FPGA 綜合實(shí)驗(yàn)儀外觀示意圖，圖3 給出了該實(shí)驗(yàn)儀的分層結(jié)構(gòu)圖。該實(shí)驗(yàn)儀把計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)面版有機(jī)地結(jié)合在同一個(gè)箱體中，下層是計(jì)算機(jī)，以抽屜形式方便出入，上面是實(shí)驗(yàn)面板，實(shí)驗(yàn)面板的實(shí)驗(yàn)接口可以非常方便地進(jìn)行各種連線等操作，實(shí)驗(yàn)軟件可以實(shí)施監(jiān)控實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生根據(jù)軟件提示，可以完成不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.2 計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA綜合實(shí)驗(yàn)儀模塊

計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA 綜合實(shí)驗(yàn)儀可以開(kāi)展計(jì)算機(jī)組成原理，單片機(jī)技術(shù)，F(xiàn)PGA 數(shù)字邏輯系統(tǒng)與設(shè)計(jì)課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖1：實(shí)驗(yàn)儀和配套教材

圖2：計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA 綜合實(shí)驗(yàn)儀外觀

圖3：計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA 綜合實(shí)驗(yàn)儀分層結(jié)構(gòu)圖

（1）該實(shí)驗(yàn)儀可以開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)有：基本運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)；靜態(tài)隨機(jī)存取存貯器實(shí)驗(yàn)；時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；微程序控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總線和具有基本輸入輸出功能的總線接口實(shí)驗(yàn)；具有中斷控制功能的總線接口實(shí)驗(yàn)；具有 DMA 控制功能的總線接口實(shí)驗(yàn)；CPU 與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；帶DMA 控制功能的模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；基于 RISC 技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；完整指令集的RISC 模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；基于重疊技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；基于流水技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。

圖4：邏輯分析圖

圖5：實(shí)時(shí)跟蹤圖

（2）單片機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)RAM 讀寫(xiě)；雙字節(jié)BCD 碼(十進(jìn)制數(shù))四則運(yùn)算及進(jìn)制轉(zhuǎn)換；AD和DA 轉(zhuǎn)換；電子鐘和頻率計(jì)實(shí)驗(yàn)；紅外通信實(shí)驗(yàn)；圖形點(diǎn)陣顯示實(shí)驗(yàn)；繼電器控制，鍵盤(pán)LED 等實(shí)驗(yàn)。還可以實(shí)現(xiàn)非接觸式IC 卡、觸摸屏模塊、GPS、GPRS、F/V V/F、超聲波測(cè)距、測(cè)速、電流傳感器、雙通道虛擬示波器、虛擬儀器、讀寫(xiě)優(yōu)盤(pán)、CPLD、FPGA、27M 無(wú)線數(shù)據(jù)、800/900M 無(wú)線數(shù)據(jù)、2.4G 無(wú)線數(shù)據(jù)、濕度、有害氣體、熱釋紅外傳感器等實(shí)驗(yàn)?zāi)K。圖4 和圖5 分別給出單片機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的軟件邏輯分析圖和實(shí)時(shí)跟蹤圖。

（3）FPGA 實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括步進(jìn)電機(jī)，鍵盤(pán)LED 設(shè)計(jì)等綜合實(shí)驗(yàn)。另外，各自的實(shí)驗(yàn)?zāi)K配合計(jì)算機(jī)可以完成相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。圖6 給出FPGA 實(shí)驗(yàn)?zāi)K的開(kāi)發(fā)式管腳。

3 計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA綜合實(shí)驗(yàn)儀的主要特色

3.1 科學(xué)性

在計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA 綜合實(shí)驗(yàn)儀上開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容遵循科學(xué)原理，嚴(yán)格按照學(xué)科課程的要求開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)不僅僅是為了展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更是要幫助學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)鞏固學(xué)科知識(shí)，學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)原理，例如計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)，從基本的運(yùn)算器，寄存器等內(nèi)容開(kāi)始，由淺入深逐步擴(kuò)展到模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；學(xué)生不僅可以進(jìn)行硬件操作，而且還能利用配套軟件觀察實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通路圖，了解到每一步操作背后計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)如何改變和傳輸。因此，科學(xué)性強(qiáng)也是計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA 綜合實(shí)驗(yàn)儀的主要特點(diǎn)之一。

3.2 啟發(fā)性

啟發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣始終貫穿于實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)和基于實(shí)驗(yàn)儀的新實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)儀有配套軟件，可以觀察硬件實(shí)施的數(shù)據(jù)通路，因此，學(xué)生可以更加直觀觀看到，數(shù)據(jù)的變化和傳輸，加深對(duì)知識(shí)的理解。另外對(duì)于一些綜合性，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，例如實(shí)驗(yàn)儀提供的簡(jiǎn)易電子琴實(shí)驗(yàn)；步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)；直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)；GPS 定位實(shí)驗(yàn)；觸摸屏實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)題目需要學(xué)生根據(jù)要求，將一些單一的基本實(shí)驗(yàn)整合吸收，自主設(shè)計(jì)來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，雖然增加了實(shí)驗(yàn)難度，但是同時(shí)也啟發(fā)學(xué)生思考。在完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生往往需要互相討論，確定實(shí)驗(yàn)方案和編寫(xiě)程序，這不僅僅促進(jìn)了學(xué)生的交流，也使得學(xué)生在解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題中不知不覺(jué)地提高了學(xué)習(xí)興趣，在教學(xué)中頗受學(xué)生好評(píng)。

3.3 實(shí)用性

計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA 綜合實(shí)驗(yàn)儀具有很強(qiáng)的實(shí)用性。本實(shí)驗(yàn)儀可開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)部分示例如下：

（1）計(jì)算機(jī)組成原理相關(guān)實(shí)驗(yàn)：基本運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)；靜態(tài)隨機(jī)存取存貯器實(shí)驗(yàn)；時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；微程序控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總線和具有基本輸入輸出功能的總線接口實(shí)驗(yàn)；具有中斷控制功能的總線接口實(shí)驗(yàn)；具有 DMA 控制功能的總線接口實(shí)驗(yàn)；CPU 與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；

圖6：FPGA 實(shí)驗(yàn)?zāi)K的開(kāi)發(fā)式管腳示意圖

圖7：學(xué)生做實(shí)驗(yàn)情景

圖8：實(shí)驗(yàn)室全貌

（2）軟件實(shí)驗(yàn)：數(shù)據(jù)傳送(RAM–>XRAM)；雙字節(jié)BCD 碼(十進(jìn)制數(shù))加法雙字節(jié)BCD 碼(十進(jìn)制數(shù))減法四字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)十進(jìn)制數(shù)；雙字節(jié)BCD 碼(十進(jìn)制數(shù))乘法；雙字節(jié)BCD 碼除于單字節(jié)BCD 碼；冒泡排序；二分查找法；電子鐘(定時(shí)器、中斷綜合實(shí)驗(yàn))；頻率計(jì)(定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、中斷綜合實(shí)驗(yàn))。

（3）硬件實(shí)驗(yàn)：跑馬燈實(shí)驗(yàn)；74HC138 譯碼器實(shí)驗(yàn)；PWM電壓轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)；簡(jiǎn)單I/O 實(shí)驗(yàn)；鍵盤(pán)、數(shù)碼塊實(shí)驗(yàn)；帶時(shí)間顯示的紅綠燈實(shí)驗(yàn)。

4 計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA綜合實(shí)驗(yàn)儀的教學(xué)效果

西安電子科技大學(xué)物光院成功研制了92 臺(tái)計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA綜合實(shí)驗(yàn)儀，并開(kāi)設(shè)了基礎(chǔ)類(lèi)和綜合類(lèi)實(shí)驗(yàn)50余個(gè)，該實(shí)驗(yàn)面向全學(xué)院的兩千余名學(xué)生開(kāi)設(shè)了計(jì)算機(jī)原理實(shí)驗(yàn)、FPGA技術(shù)實(shí)驗(yàn)及單片機(jī)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。圖7 是同學(xué)做實(shí)驗(yàn)情景的示意圖，圖8 是算機(jī)原理實(shí)驗(yàn)室全貌。

該實(shí)驗(yàn)儀已經(jīng)在西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院的15和16 級(jí)1 千余名學(xué)生中開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在2年多的在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐過(guò)程中，得到了教師和學(xué)生一致的高度好評(píng)。該實(shí)驗(yàn)儀獲得了國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利“一種計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)裝置”（授權(quán)號(hào)：ZL 201621349465.9）。在該實(shí)驗(yàn)儀順利運(yùn)行下，物理與光電工程學(xué)院的教師攥寫(xiě)了《電路與計(jì)算機(jī)原理綜合實(shí)驗(yàn)》教材，該教材于2017年在西安電子科技大學(xué)出版社出版。

計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA 綜合實(shí)驗(yàn)儀獲得了西安電子科技大學(xué)第六屆新開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)及新研制實(shí)驗(yàn)設(shè)備成果一等獎(jiǎng)和第五屆全國(guó)高等學(xué)校教師自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備大賽三等獎(jiǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了由西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院自制的“計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)及FPGA 綜合實(shí)驗(yàn)儀”，該實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)巧妙，把計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)面板有機(jī)地相結(jié)合，大大提高學(xué)生接線鏈接等各種操作的實(shí)驗(yàn)效率；該實(shí)驗(yàn)儀功能強(qiáng)大，可以完成計(jì)算機(jī)原理、單片機(jī)技術(shù)及FPGA 技術(shù)等三門(mén)課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)；該實(shí)驗(yàn)儀拓展性廣泛，可以作為不同層次學(xué)生的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，不僅可以開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可以開(kāi)展畢業(yè)設(shè)計(jì)和科技競(jìng)賽等活動(dòng)；該實(shí)驗(yàn)儀運(yùn)行穩(wěn)定，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生不僅提高了實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，增加了實(shí)驗(yàn)興趣，還培養(yǎng)了其科學(xué)研究的創(chuàng)新精神。