數(shù)字芯片設(shè)計(jì)在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：本文分析了傳統(tǒng)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中客觀存在的弊端，利用Quartus Ⅱ可編程邏輯器件設(shè)計(jì)軟件和FPGA開發(fā)板，提出了基于FPGA的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案，激發(fā)學(xué)生的積極性，提高綜合分析數(shù)字電路圖的能力和操作能力。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；教學(xué)方法；教學(xué)資源；實(shí)踐創(chuàng)新

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）49-0050-02

為了適應(yīng)當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)、科技、文化發(fā)展趨勢，滿足社會各界對當(dāng)代大學(xué)生的復(fù)合型、應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才要求，2012年10月教育部高等教育司編輯出版了《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》[1]。新版專業(yè)目錄中重新規(guī)定了專業(yè)劃分、名稱及所屬門類，并提出了各專業(yè)的主要核心課程、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)等課程的示例。數(shù)字電路課程是電氣、電子信息、自動化和計(jì)算機(jī)類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程。它的主要任務(wù)是通過學(xué)習(xí)數(shù)字電路的基本概念、基本原理和基本技能，使學(xué)生在數(shù)字電路及數(shù)字系統(tǒng)方面具有一定的理論水平和實(shí)踐技能，該課程對于微型計(jì)算機(jī)原理、數(shù)字信號處理和數(shù)字圖像處理等學(xué)好后繼主要專業(yè)課程必不可少的基礎(chǔ)知識，并提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力都有著極其重要的作用[2-4]。本研究通過立體式實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，把理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)課、課程設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)課程結(jié)合起來，大學(xué)一年級開始初步接觸專業(yè)課程，可以增強(qiáng)教學(xué)的互動性、趣味性，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的積極性、創(chuàng)造性，并進(jìn)一步降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，具有一定的實(shí)際意義。本文的第一部分分析了數(shù)字電路課程的教學(xué)安排、學(xué)時分配和考核體系，第二部分主要分析了傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的問題，第三部分提出了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入數(shù)字芯片設(shè)計(jì)的必要性，并提出了基于Quartus Ⅱ軟件和FPGA開發(fā)板的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和具體教學(xué)安排。

一、數(shù)字電路課程分析

在教學(xué)安排方面，數(shù)字電路課程是一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，基本上不需要高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)等前期理論基礎(chǔ)。因此，可以安排在大一的第二學(xué)期（四年制本科）；大一的短學(xué)期中可以安排“數(shù)字電路實(shí)訓(xùn)課程”，通過數(shù)字電路實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)一步提高學(xué)生的操作能力和創(chuàng)新能力；大二的第一學(xué)期中可以安排“數(shù)字芯片設(shè)計(jì)課程”或“集成芯片設(shè)計(jì)課程”，在此課程中首先學(xué)習(xí)VHDL語言，然后再學(xué)習(xí)Quartus Ⅱ可編程邏輯器件設(shè)計(jì)軟件的使用方法和上機(jī)實(shí)驗(yàn)，并通過FPGA開發(fā)板來學(xué)習(xí)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用；基于以上基礎(chǔ)，大二的第二學(xué)期學(xué)生可以開始在教師的指導(dǎo)下參加校內(nèi)外各種設(shè)計(jì)競賽，并在大二開始為即將學(xué)習(xí)的微型計(jì)算機(jī)原理、數(shù)字信號處理和數(shù)字圖像處理等專業(yè)必修和選修課程奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。學(xué)時安排方面，數(shù)字電路理論課程可以安排3學(xué)分/48學(xué)時，實(shí)驗(yàn)課程1學(xué)分/16學(xué)時，共4學(xué)分/64學(xué)時。課程改革積極探索教學(xué)活動和考核方式的多樣化，考核形式可以包括筆試、實(shí)驗(yàn)課程、綜合性創(chuàng)新設(shè)計(jì)等。該課程的考核可以包括：①期末的筆試，考核基本知識，理論課程成績占60%；②實(shí)驗(yàn)課程成績占15%；③平時成績占5%；④綜合性創(chuàng)新設(shè)計(jì)成績占10%。

二、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中存在的問題分析

數(shù)字集成芯片是在半導(dǎo)體表面上以CMOS門電路設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化電子產(chǎn)品，由于CMOS門電路直接設(shè)計(jì)數(shù)字芯片時會出現(xiàn)時滯性、占用芯片面積、耗電量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等一系列問題。而CMOS門電路的各子系統(tǒng)是利用與、或、非、同或、異或等邏輯門電路模擬化，同時實(shí)際設(shè)計(jì)的數(shù)字集成芯片內(nèi)部電路圖結(jié)構(gòu)是無法看到的。因此，數(shù)字電路課程歷來是學(xué)生感到“抽象”的課程。在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程方面，長期以來普遍利用74LS系列芯片實(shí)現(xiàn)理論課程上學(xué)到的觸發(fā)器、譯碼器、選擇器等組合邏輯電路，通過該實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生的基本邏輯電路的功能及測試技能。但是，傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在以下弊端：①形式單一、方法呆板，雖然利用74LS系列芯片實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)上學(xué)到的邏輯電路，但是不能完全解決學(xué)生對數(shù)字電路課程感到“抽象”的問題；②理論與實(shí)踐脫節(jié)，在理論教學(xué)上，教師一般采用理論波形圖來描述輸入/輸出信號之間的邏輯運(yùn)算結(jié)果，一般不采用總線（Bus）波形圖描述多位數(shù)的信號。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，一般采用模擬開關(guān)描述二進(jìn)制數(shù)的輸入信號，并LED燈描述一位數(shù)的輸出信號，因此，在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)上學(xué)生沒有機(jī)會接觸實(shí)際數(shù)字集成芯片的設(shè)計(jì)和信息處理環(huán)境；③缺少互動性和創(chuàng)新性，學(xué)生自己提出某系統(tǒng)的邏輯控制及流程之后，利用基本的74LS系列芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級別的數(shù)字系統(tǒng)時芯片的使用數(shù)量、輸入信號的控制、輸出信號的分析等會面臨較大的困難，難以提高學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性。

三、數(shù)字芯片設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程中，為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步系統(tǒng)化、程序化、可視化的實(shí)驗(yàn)，可以利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程和現(xiàn)代化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備來完成。Quartus II是Altera公司的綜合性PLD/FPGA開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、Verilog HDL以及AHDL等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計(jì)流程。利用Quartus II軟件的原理圖模塊（Block Diagram/Schematic File），可以補(bǔ)充完成數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程。數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置方面，如果整個實(shí)驗(yàn)課程以16學(xué)時來計(jì)劃，前8學(xué)時可以做傳統(tǒng)的基于74LS系列芯片完的成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試實(shí)驗(yàn)，后8學(xué)時可以完成基于模塊化方式的上機(jī)操作實(shí)驗(yàn)。其中，Quartus II軟件安裝與波形圖分析占2學(xué)時，組合邏輯電路與全加期占2學(xué)時，選擇器和譯碼器/編碼器占2學(xué)時，綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)占2學(xué)時。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，首先讓學(xué)生利用Quartus II軟件的原理圖模塊（Block Diagram/Schematic File）設(shè)計(jì)相關(guān)邏輯電路圖，利用Quartus II軟件中的“功能仿真”功能驗(yàn)證所設(shè)計(jì)邏輯電路圖結(jié)構(gòu)是否正確，通過進(jìn)一步修改和功能仿真過程驗(yàn)證邏輯電路圖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其次，建立時序圖框架，設(shè)置時脈信號、清零信號和輸入信號，通過Quartus II軟件中的“時序仿真”功能驗(yàn)證輸入/輸出信號之間的連續(xù)性和正確性。同時可以利用FPGA開發(fā)板實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，并利用邏輯分析儀驗(yàn)證FPGA輸出信號的正確性。在上機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生應(yīng)理解的內(nèi)容主要包括五個方面。①針對某一個邏輯電路，在教材上說明的理論波形圖、Quartus II軟件仿真出來的波形圖、邏輯分析儀實(shí)際仿真的波形圖等3個圖形之間為什么存在輸出信號的延遲？②設(shè)計(jì)某系統(tǒng)時，基于C語言等軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和基于FPGA等硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么？③占用芯片的面積和耗電量大約多少？④原始的組合邏輯電路設(shè)計(jì)結(jié)果和卡諾圖、布爾運(yùn)算等方式簡化之后，對集成芯片的運(yùn)算速度、占用面積和耗電量差異多少？⑤理論課上沒有提到的多位數(shù)的總線（Bus）信號怎么理解？

隨著社會的跨越式發(fā)展，社會各行業(yè)對當(dāng)代大學(xué)生的獨(dú)創(chuàng)性、復(fù)合型要求越來越提高。相反，目前普遍存在培養(yǎng)出來的學(xué)生動手能力較弱，分析問題和解決問題的能力差，缺乏創(chuàng)新能力。本文基于2012年教育部高等教育司編輯出版的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》，提出了傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中存在的問題，并建立了一種軟/硬件系統(tǒng)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)方法。本文提出的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃及安排可以營造有利于學(xué)生的激發(fā)創(chuàng)新激情，挖掘?qū)W生創(chuàng)新潛能，充分發(fā)揮學(xué)生的獨(dú)創(chuàng)性，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力提供強(qiáng)有力的支撐。

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