基于硬件可編程思想的數字電路教學

劉彩虹　紀金水

摘要:可編程邏輯器件的出現,使得傳統的數字系統設計方法發生了根本的改變,所以數字電路課程的教學也需要進行改革。本文通過實例介紹了可編程的思想在數字電路理論教學、實驗教學以及課程設計中的具體應用,并具體分析了將可編程思想引入數字電路課程教學中的優點。

關鍵詞:可編程器件;譯碼器;數字電路;教學

中圖分類號: G642文獻標識碼:A

引言

數字電路是計算機專業電子技術方面入門性質的基礎課程,其任務是使學生獲得數字電子技術方面的基礎理論、

基本知識和基本技能。通常,數字電路課程的教學是由理論教學、課程實驗、課程設計等教學環節構成的。

可編程邏輯器件PLD(Programmable Logic Device)是一種數字電路,它可以由用戶來進行編程和配置,利用它可以解決不同的邏輯設計問題。隨著數字集成電路的不斷更新和換代,特別是可編程邏輯器件的出現,使得傳統的數字系統設計方法發生了根本的改變。可編程邏輯器件的靈活性使得硬件系統設計師在實驗室里用一臺計算機、一套相應的EDA軟件和可編程邏輯芯片就可以完成數字系統設計與生產。

MAX+plus Ⅱ是一種與結構無關的全集成化設計環境,使設計者能對Altera 的各種CPLD系列方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程。MAX+plusⅡ開發系統具有強大的處理能力和高度的靈活性. 其主要優點:與結構無關、多平臺、豐富的設計庫、開放的界面、全集成化、支持多種硬件描述語言(HDL)等。

1可編程思想在課堂理論教學中的應用

數字電路課程主要包括邏輯代數、基本門電路、組合和時序邏輯電路、可編程邏輯器件及其編程方法的介紹。傳統的教學方法是按順序講授,組合和時序邏輯部分都采用獨立元器件的思想介紹,可編程邏輯器件部分往往由于課時的緣故不講授或者只做簡要介紹。但是隨著電子技術的發展,這種教學思路已經不能很好地體現數字技術的發展方向。所以對數字電路理論教學提出了一些改革思路。

邏輯代數和基本門電路部分還是采用傳統的教學方法,在講授這一部分的同時把可編程邏輯器件及其編程方法這部分內容作為課外作業布置給學生,介紹一些相關的資料供學生課外閱讀,并隨時檢查輔導。在介紹電路設計的時候把可編程邏輯器件部分引入,并作簡要介紹,關鍵是讓學生理解可編程思想,知道整個設計的過程即可,不能花大量時間講述編程語法。如果花過多時間介紹語法,會讓學生轉移學習的重心,忽略數字電路的基礎知識,把數字電路當編程語言課程學習。

隨著計算機的廣泛應用和教學條件的改善,多媒體課件在一定程度上提高了教學效果,可以用Flash等軟件制作電路的應用和工作情況,但因為工作情況非常多,所以制作課件非常麻煩,而且因為不能隨時調整,學生感覺不夠真實。在課堂教學過程中利用多媒體教學環境,采用MAX + plus II軟件進行實際操作演示,MAX + plus II輸入修改方便,仿真結果直觀具體,能夠增強學生對學習內容的感性認識,激發學習興趣,提高課堂教學質量。

以2-4譯碼器部分為例來說明MAX+plus II在數字電路教學中的應用情況。對于譯碼器的定義及其譯碼的理解,其實剛好是硬件描述語言VHDL的行為描述方法,所以我們可以用VHDL語言把2-4譯碼器描述出來作為MAX+plusⅡ的輸入。描述的程序如下:

entity HCT139 is

port(A2, B2, G2BAR, A1, B1, G1BAR : in std_logic;

Y20, Y21, Y22, Y23, Y10, Y11, Y12, Y13 : out std_logic);

end HCT139;

architecture VER1 of HCT139 is

begin

Y10 <= '0' when (B1 = '0') and ((A1 = '0')and (G1BAR = '0')) else '1';

Y11 <= '0' when (B1 = '0') and ((A1 = '1')and (G1BAR = '0')) else '1';

Y12 <= '0' when (B1 = '1') and ((A1 = '0')and (G1BAR = '0')) else '1';

Y13 <= '0' when (B1 = '1') and ((A1 = '1')and (G1BAR = '0')) else '1';

Y20 <= '0' when (B2 = '0') and ((A2 = '0')and (G2BAR = '0')) else '1';

Y21 <= '0' when (B2 = '0') and ((A2 = '1')and (G2BAR = '0')) else '1';

Y22 <= '0' when (B2 = '1') and ((A2 = '0')and (G2BAR = '0')) else '1';

Y23 <= '0' when (B2 = '1') and ((A2 = '1')and (G2BAR = '0')) else '1';

end VER1

寫程序的過程其實就是對譯碼器的邏輯的理解過程,那這個程序到底能否完成我們需要的譯碼功能呢?可以用 MAX+plus II軟件的仿真功能,讓學生很清楚地觀察到在控制信號的作用下譯碼器的實際工作情況。仿真波形如圖1所示。

隨著數字電子技術的發展以及可編程邏輯器件的廣泛使用,中規模的集成電路的應用逐漸減少,但是對于中規模集成電路的思想以及功能還是要做介紹。對于中規模集成電路的講授可以結合MAX + plus II的原理圖輸入方法。MAX + plus II的元件庫里有常見的中規模集成電路,并且我們可以利用MAX + plus II軟件的仿真功能,觀察到各種中規模集成電路的工作情況。例如2-4譯碼器74139如圖2所示。

課堂教學中,很多內容都可以利用MAX + plus II軟件直觀地演示出來,比如中規模集成電路的功能和使用、異步二進制計數器的工作、移位寄存器的移位操作等等,這些演示可以使學生感性地理解電路的特性,對理解這些知識起到了很好的輔助作用。如果教師對EDA技術熟悉,演示這些實例并不需要花費太多時間。

2基于可編程邏輯器件的實驗教學

實驗作為學習該課程的一個重要環節,對鞏固課堂教學內容、提高學生的動手能力都具有重要的作用。

在傳統的數字電路實驗教學中,一般采用學生動手搭接各種電路的方法。這種方法對于鍛煉學生的動手能力比較好,實際搭接線路體會更深刻,但是這種方法也有很多不足之處:由于在實驗操作過程中的疏忽,很容易造成電路短路、損壞TTL芯片。教學實驗中,要經常更換芯片,增加了原件的損耗;當電路復雜時,檢查芯片好壞或搭接線錯誤是一項非常繁雜的工作,容易讓學生產生厭煩感。隨著計算機電路仿真及大規模集成電路的發展,傳統的實驗方法得到了改進,引入可編程邏輯器件及其對應的EDA技術,可以增強實驗過程的靈活性,提高學生學習積極性。

基于可編程邏輯器件的實驗平臺在參考文獻[3]做了介紹。繼續選用在理論教學中采用的演示軟件MAX + plus II作為實驗軟件,它使用簡單,不需要花費太多學時講授軟件的使用。因為原理圖的輸入方法更簡單直觀,建議采用原理圖的輸入方法進行實驗。在學生掌握原理圖輸入方法之前,老師可以先做好一些實驗模塊,讓學生直接下載這些模塊到實驗平臺進行測試,邊測試邊學習建立實驗模塊的方法。用MAX + plus II仿真數字電路實驗具有很大的靈活性,掌握得比較好的學生不僅可以按照教師設計的實驗模塊完成實驗,還可以在掌握了設計方法后,利用理論知識自行設計一些實驗模塊。這樣會激發學生的學習興趣,從而進一步提高了學生的綜合素質和創新能力。

3基于可編程邏輯器件的課程設計

數字電子技術課程設計是實踐性課程,同“數字電子技術”理論講授課程有密不可分的關系,起著相輔相成的作用,也是在“數字電子技術實驗”課的基礎上,進一步深化的實踐環節。其主要目的是通過本課程,培養和啟發學生的創造性思維,進一步理解數字系統的概念,掌握小型數字系統的設計方法,掌握查閱有關資料的技能。基本任務是設計一個小型數字電子系統。傳統的使用中小規模集成電路的方法,由于設計小型數字電子系統需要多種元件,每年的課程設計往往受元器件的限制,給的設計題目只有幾個,容易出現雷同,常見的一些設計在網絡上都可以找到現成的設計電路圖。

將可編程邏輯器件引入課程設計,就可以靈活給定各種類型的設計題目,不受元器件的限制。即使一樣的設計題目,實現的方法也可以多樣化,可以采用原理圖的輸入方法,也可以采用硬件描述語言的輸入方法來實現。同時將可編程邏輯器件引入課程設計,就可以直接在實驗平臺上實現,不需要專門的課程設計平臺,從而節省了課程設計的成本,又由于采用了數字電子技術發展的前沿技術,讓學生能了解數字電子技術的發展,真正培養學生對數字電子技術的學習興趣。課程設計的題目難度也容易控制,可以分開檔次。

例如“拔河游戲機”的設計,拔河游戲機需用9個發光二極管排列成一行,開機后只有中間一個發亮,以此作為拔河的中心線,游戲雙方各持一個按鍵,迅速地、不斷地按動產生脈沖,誰按得快,亮點就會向誰的方向移動,每按一次,亮點移動一次。移到任一方終端二極管發亮,這一方就得勝,此時雙方按鍵均無作用,輸出保持,只有經復位后才使亮點恢復到中心線;顯示器顯示勝者的盤數。對于這樣的一個設計題目安排三個人一組,來討論總體實現思路,但是具體的實現方式不能一樣,其中一個人要求用中小規模的集成電路來實現,兩個人用可編程邏輯器件實現,但是分別采用硬件描述語言和原理圖的輸入方法來實現。

開始安排題目的時候,選擇用中小規模集成電路實現的人自信比較足,因為學生對中規模集成器件相對熟悉些,其他兩人因為對可編程器件不是很熟悉,覺得有點難。但是等完成這個設計題目后,叫苦的反而變成采用中小規模集成電路實現的人。另外兩人對自己的設計思想是否正確早通過仿真知道了,連線也只有輸入和輸出,不用反復檢查線路是否接觸好。隨時可以修改,修改完了只需用重新下載程序即可。經過這樣的對比實踐,學生對數字電路的設計有了更深刻的認識,既掌握了數字電路的傳統設計方法,又初步理解了最新的數字電路設計方法。

4結語

CPLD和FPGA器件在集成度、功能和性能方面已經能夠滿足大多數場合的使用要求。用CPLD、FPGA等大規模可編程邏輯器件取代傳統的標準集成電路、接口電路和專用集成電路已成為技術發展的必然趨勢。把可編程思想引入到數字電路課程的教學當中,利用計算機和仿真軟件對數字電路進行模擬、仿真,會顯著地提升數字電路的教學效果,讓學生能夠緊跟市場和技術的前沿。

Teaching of Digital Circuit Based on Programmable Thinking of Hardware

LIU Cai-hong, JI Jin-shui

(Computer Science and Information Engineering College, Northwest Minorities University,Lanzhou 730030, China)

Abstract: The traditional design method of digital systems has fundamentally changed because of the emergence of programmable logic devices, it is necessary to reform the teaching method of digital circuit. Introduced applications of the idea of programmable in digital circuit theory of teaching, laboratory teaching and course design through the example, and specific analysis of the advantages of teaching based on the programmable thinking.

Key words: programmable logic devices; decoder; digital circuit; teaching