微型計算機系統(tǒng)接口技術(shù)課程實驗探索

摘要：針對面向全校研究生開設(shè)的微型計算機系統(tǒng)接口技術(shù)課程，研究如何根據(jù)研究生與本科生的不同學習特點以及如何面向不同專業(yè)和不同起點的學生開設(shè)實驗課程，以便課程的實驗設(shè)置能夠滿足學生的學習需求并達到更好的教學效果。

關(guān)鍵詞：微型計算機系統(tǒng)接口技術(shù)；實驗課程；研究生選修課；接口設(shè)計；FPGA

文章編號：1672-5913（2013）18-0103-03

中圖分類號：G642

微機接口技術(shù)在本科生的教學中一般叫做微機原理與接口技術(shù)，是一門計算機專業(yè)技術(shù)課程。計算機專業(yè)一般在計算機組成原理及匯編語言課程之后開設(shè)這門課，課程內(nèi)容偏重CPU、總線、存儲器以及各種輸入輸出設(shè)備之間的接口關(guān)系。通常電類專業(yè)將其設(shè)置為必修課程，非電類專業(yè)的工科系從計算機應(yīng)用的角度出發(fā)，一般也要學習這類課程，只是學習的深度不等。面向研究生的微機接口技術(shù)課程是作為全校性選修課程開設(shè)的，那么如何開設(shè)這門課程，怎樣從計算機應(yīng)用的角度滿足學生的求知需求，使教學能夠適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展就需要認真研究了。

1 課程定位

計算機的應(yīng)用涉及各個行業(yè)，特別是工科行業(yè)，其應(yīng)用都會涉及計算機接口及其控制等。即使有很多學生在本科時學習過微機原理與接口技術(shù)這類課程，但對于從事計算機硬件及接口技術(shù)相關(guān)研究的學生來說，這方面的知識往往需要進一步加強；因此各高校在為研究生開設(shè)這門課程時，定位要更高一些，教學內(nèi)容要比本科生學習的內(nèi)容更加深入，應(yīng)用面更廣，并最終將這門課程的名稱定為微型計算機系統(tǒng)接口技術(shù)。

針對全校選修計算機系統(tǒng)接口技術(shù)課程的學生，該門課教學主要立足于計算機CPU與外部設(shè)備之間的軟硬件接口設(shè)計，面向各個專業(yè)和領(lǐng)域的應(yīng)用而展開，將實驗的內(nèi)容同時向縱深和廣度擴展。

（1）縱向角度：讓學生將設(shè)計的內(nèi)容與計算機系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，以便深入學習與接口有關(guān)聯(lián)的計算機系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)方面的知識以及現(xiàn)代計算機各種接口的相關(guān)協(xié)議等。

（2）橫向角度：讓學生將學習的內(nèi)容與自己所從事的科研結(jié)合起來，以使實驗變得更加生動和有意義，提高學生學習的積極性，同時令學生在教學過程中感受到教學內(nèi)容的實用性。

2 實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容的確定有兩個方面因素，一是必須能夠?qū)⑽⑿陀嬎銠C系統(tǒng)接口技術(shù)的基本原理體現(xiàn)在實驗中，讓學生通過實驗體驗到計算機系統(tǒng)內(nèi)部各部件包括CPU、存儲器、各種總線以及輸入輸出之間的接口關(guān)系、軟件與硬件接口的關(guān)系，掌握計算機系統(tǒng)接口底層軟硬件設(shè)計并學會編寫簡單應(yīng)用層程序；二是要根據(jù)學生的來源情況設(shè)計出不同難度及實用性強的實驗。依據(jù)課程的推進及學習層面，我們將實驗分成3個階段：簡單接口設(shè)計及工具使用學習階段、提高階段、創(chuàng)新階段。第1個階段要求教師指導(dǎo)學生統(tǒng)一完成；第2個階段是實驗的主要階段，需要提供不同的實驗供學生選擇；第3個階段是讓學生在第2個階段的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新。

1）簡單接口設(shè)計及工具使用學習階段。

教師在教學實驗中，一般是在講解實驗軟硬平臺的使用時將幾個基礎(chǔ)實驗同時結(jié)合在一起。實驗工具的學習包括在ISE Design Tools開發(fā)平臺下，用HDL語言設(shè)計簡單的接口以及進行簡單的SOPC設(shè)計。通過這一階段的學習，學生能夠掌握各種工具的使用，設(shè)計基本的輸入輸出接口，了解一般總線的工作時序、寄存器及存儲器的讀寫控制等。

教學內(nèi)容可以選擇以下幾個方面：用彩燈及七段代碼顯示計數(shù)、RS232串口通信、SRAM存儲器讀寫、LCD顯示等。這幾個實驗內(nèi)容既可以用HDL設(shè)計，又可以用SOPC的方法設(shè)計。

2）提高階段。

這個階段是實驗的主體部分，需要將理論課的知識與實驗緊密結(jié)合起來，使學生進一步了解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)及接口技術(shù)的知識，內(nèi)容涉及現(xiàn)代計算機系統(tǒng)接口的基本原理以及針對一些接口的深入學習，其中包括USB接口的原理及基本協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)、音視頻接口的基本原理及基本協(xié)議等。實驗內(nèi)容需要跟上當前計算機系統(tǒng)及接口技術(shù)，包括音視頻接口、嵌入式主/從USB接口（2.0）、網(wǎng)絡(luò)接口、PCIe接口的設(shè)計等。學生可以2～3個人為一組，根據(jù)自己的情況和需求選擇1～2個合適的實驗，實驗指導(dǎo)書則為學生提供接口電路連接圖和參考設(shè)計方案，學生需要實現(xiàn)完整的接口應(yīng)用。

3）創(chuàng)新階段。

第3個階段可以在第2個階段設(shè)計的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，如在完成了音視頻接口的設(shè)計后，教師可以根據(jù)學生的學科背景加上圖像處理的內(nèi)容，而核能系的學生就可以將接收到的圖片按他們的方式進行處理等。另外，學生也可以將兩種以上的接口綜合起來，如將網(wǎng)絡(luò)和USB、USB和圖像顯示結(jié)合起來設(shè)計，還可以在嵌入式主USB接口設(shè)計完成后，再對FPGA片外的嵌入式USB接口器件進行功能擴展，使USB傳輸方式隨之變化。

此外，該階段也可以跳過第2階段直接進行創(chuàng)新性設(shè)計，主要面向一些新的接口技術(shù)。硬件實驗平臺上有預(yù)留的擴展接口，可以為學生提供實驗平臺上所沒有的接口實驗，學生可以通過外接其他子模塊實現(xiàn)接口設(shè)計。學生也可以自己設(shè)計一個硬件模塊加在實驗平臺上，以此增加實驗的多樣性，如增加藍牙無線接口方面的設(shè)計；還有一些學生利用所在課題的經(jīng)費購買設(shè)備并進行與課題相關(guān)的接口設(shè)計等。教師將在實驗教學中給予學生更多技術(shù)支持。

3 實驗平臺和實驗方法

1）實驗平臺。

目前的實驗硬件平臺是以Xilinx公司生產(chǎn)的超大規(guī)模FPGA可編程器件XC6SLX45T為主芯片，結(jié)合各種接口的外圍芯片自行設(shè)計的多功能計算機接口實驗平臺EDK-SP6ADSP-TSMF100。硬件實驗平臺的功能框圖如圖1所示。

主芯片F(xiàn)PGA系統(tǒng)時鐘可達1GHz，有43661個邏輯Cells，片內(nèi)存儲器BRAM最高為2.088kb，內(nèi)含一個PCI Express硬核以及足夠的硬DSP處理片，集成有DDR，DDR2，DDR3，andLPDDR存儲器控制模塊。每一種接口的設(shè)計主要在FPGA片內(nèi)進行，并配合外部接口器件完成一個完整的接口功能。

2）實驗方法。

FPGA片內(nèi)設(shè)計軟件采用Xilinx公司提供的Xilinx ISE Design Suite 12，它支持3種設(shè)計方式：第一種是用HDL硬件描述語言設(shè)計硬件；第二種是支持片上系統(tǒng)設(shè)計；第三種是支持DSP開發(fā)，采用System Generator工具與Matlab工具綁定。另外，設(shè)計軟件還集成了仿真工具ModelSim、在線邏輯分析儀ChipsCope、FPGA片內(nèi)CPU固件代碼調(diào)試工具SDK等。

采用什么實驗方法主要由接口的特點決定，如果接口適合用邏輯控制，則用HDL語言實現(xiàn)；如果接口適合用CPU控制，就采用SOPC的方式，采用這種方式還需要編寫CPU的執(zhí)行代碼；如果有數(shù)據(jù)信號處理的要求，則可以用DSP開發(fā)子平臺。

驅(qū)動程序和軟件應(yīng)用程序通常在Windows下編寫。另外，嵌入式主/從USB接口采用的FPGA外部器件是嵌入式USB芯片Cy7c67300，這個接口的設(shè)計還需要在Cy7c67300內(nèi)部編寫嵌入式應(yīng)用程序，采用Cypress公司提供的開發(fā)編譯工具完成。

4 教學實驗的改進

實驗課程教學必須緊隨計算機技術(shù)的發(fā)展進程，實驗的內(nèi)容和方法必須隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷更新和改進。教學實驗的改進包括實驗內(nèi)容、實驗測試方法、實驗軟硬件平臺的更新和改進等。

1）實驗內(nèi)容的改進。

實驗內(nèi)容的改進分為小的調(diào)整和大的改進。

教師在每一期的實驗課程結(jié)束后都需要聽取學生的反饋意見并進行認真總結(jié)，分析實驗教學是否達到預(yù)期效果，有哪些不足和有待改進的地方。根據(jù)總結(jié)和分析，實驗內(nèi)容基本上每年都會調(diào)整，每一期實驗都需要根據(jù)實驗準備條件和當屆學生的情況安排合適的實驗內(nèi)容。實驗教學經(jīng)驗的不斷積累使得教師在制訂后一年的實驗?zāi)繕藭r，會比前一年要求更高一些。

大的調(diào)整是淘汰一些比較過時或不適合的內(nèi)容，增加新的設(shè)計內(nèi)容。這通常需要配合實驗平臺的更新，如嵌入式主/從USB接口和PCIe接口就是目前使用的實驗平臺才增加的內(nèi)容。教師指導(dǎo)學生所做的創(chuàng)新實驗也是新實驗內(nèi)容的備用資源。

另外，為了讓學生對實驗課程有更深的體驗，同時作為一門課程，特別是選修課，占用學生的時間又不能過多，因此我們就要在有限的課程時間里讓學生學到更多知識，接觸更多新技術(shù)。教師事先將一些與計算機系統(tǒng)接口應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的、其他領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理及控制模塊作為一個IP Core存放在系統(tǒng)里，學生在設(shè)計接口時，還是將重點放在接口的設(shè)計上，同時還可以調(diào)用這些資源。這樣學生不僅可以接觸到與接口相關(guān)的其他知識和技術(shù)，而且不用占用過多的時間也能夠讓實驗的內(nèi)容更豐富。

2）實驗測試方法的改進。

利用ModelSim進行仿真已經(jīng)比較普遍，但仿真并不代表最后真實的結(jié)果；利用軟件邏輯在線分析儀進行測試是有效的在線測試方法。Xitinx開發(fā)工具里有一個子平臺叫ChipsCope，它是一個軟體邏輯在線分析儀工具。學生在FPGA片內(nèi)設(shè)計硬件時加上ChipsCope的IP Cope，編譯并下載到FPGA后，打開ChipsCope分析界面并運行，可以看到FPGA內(nèi)部任何一個節(jié)點信號的實時波形。這個工具適用于ISEDesignTools的HDL設(shè)計和EDK的SOPC設(shè)計。學生在實驗中使用了這個工具后，極大地方便了調(diào)試過程并節(jié)省了查錯時間。

3）實驗軟硬件平臺的更新和改進。

微型計算機系統(tǒng)接口技術(shù)這門課程已開設(shè)20多年，最初的實驗是用面包板及一些分立器件搭建一個軟磁盤接口，而且所有學生只做這一種接口設(shè)計，后來實驗平臺經(jīng)過多次更新?lián)Q代。用EDA方式進行設(shè)計從90年代中期開始，現(xiàn)在則采用以超大規(guī)模可編程器件FPGA為主芯片的計算機系統(tǒng)接口實驗平臺。這樣歷時大約5～6年時間，無論是軟件平臺還是硬件實驗平臺，都需要一次大的更新。

目前的軟硬件開發(fā)平臺已使用了2年，而Xilinx公司開發(fā)的FPGA現(xiàn)在已經(jīng)到Artix7——基于ARM內(nèi)核的FPGA，軟件開發(fā)平臺也換成了Vivado Design Suite。新的FPGA和開發(fā)軟件具有更豐富的資源，提供ARM CPU核，設(shè)計者在應(yīng)用嵌入式設(shè)計時能與更流行的嵌入式CPU結(jié)合起來。目前，計算機系統(tǒng)及接口技術(shù)也有了新的發(fā)展，如USB總線已經(jīng)更新到USB3.0等，然而教學實驗內(nèi)容和實驗平臺的更新不一定要跟隨技術(shù)發(fā)展，而是一般需要在實驗技術(shù)和接口概念上有一個比較大的跨越。

5 結(jié)語

筆者中的第一作者基于在微型計算機系統(tǒng)機接口技術(shù)課程上的16年工作積累，不斷探索和改革實驗平臺及實驗內(nèi)容，根據(jù)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)學生經(jīng)過這門課程的學習后確實受益匪淺。不同的學生在學完課程后都有不同的收獲點，之前有的學生對FPGA和VHDL沒有過多接觸，有的學生對SOPC沒什么概念，大多數(shù)學生對USB、網(wǎng)絡(luò)等比較復(fù)雜的接口原理了解不深，而在學完該門課程并進行實驗后，至少實現(xiàn)了一種接口的完整設(shè)計并憑借自主創(chuàng)造能力和想象力實現(xiàn)了設(shè)計接口的不同應(yīng)用，提高了對計算機系統(tǒng)及接口的整體認識以及理論與實踐結(jié)合的能力，也培養(yǎng)了同學之間的協(xié)調(diào)工作能力。

參考文獻：

[1]楊文顯，現(xiàn)代微型計算機原理與接口技術(shù)教程[M]，2版，北京：清華大學出版社，2011：V-VI

[2]周悅芝，董代潔，微型計算機系統(tǒng)接口技術(shù)實驗教程：基于FPGA設(shè)計[M]，北京：清華大學出版社，2011：58

[3]Xilinx，Spartan-6 family overview[EB/OL]，（2011-10-25）[2013-05-29]，http：//www.xilinx.com/support/documentationJdata sheets/ds160.pdf

（編輯：宋文婷）