計算機組成原理、單片機及FPGA綜合實驗儀的研制

楊威 韓亮 方小平 崔彬 李平舟

（西安電子科技大學物理與光電工程學院 陜西省西安市 710071）

為了培養高水平、動手能力強適應社會需要的工程型大學畢業生，高等院校的實驗室不應該只是滿足基本理論的驗證性需求，更應該是創新人才的培養基地，是培養具有高水平實踐能力的場所。自主開發和研制適應本專業的教學實驗儀器對普通高等院校的實驗室建設具有非常重要的價值。西安電子科技大學物理與光電工程學院在領導和專家的帶領下，在新工科理論的指導下，經過多年的努力成功研制出一種計算機組成原理、單片機及FPGA 綜合實驗儀，該實驗儀具有很強的實用性、通用性、廣泛性、穩定性和先進性。該實驗儀不僅獲得了得了實用新型專利，而且在全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備大賽中獲獎。

1 計算機組成原理、單片機及FPGA綜合實驗儀研制背景和意義

在新工科建設的創新人才培養理念引領下，研制一種“功能強、視野寬、通用性好”的實驗實踐教學儀器，使學生能夠進行高水平的訓練和實踐，是實現新工科背景下人才培養目標的重要環節。

目前，很多高等院校在電路實驗課程、計算機組成原理課程、FPGA 技術課程及單片機技術課程的實踐實驗環節上普遍存在以下問題：教學方法陳舊單一，學生的實驗操作過程簡單、實驗可見性差、實驗穩定性不理解、儀器設備極易損壞等。為了改變這種現狀，創新教學方法，提高學生實驗的難度和可操作度，西安電子科技大學物理與光電工程學院經過多年的努力，針對不同層次的學生，研制了一種功能強大的、穩定性強的計算機組成原理、單片機及FPGA綜合實驗儀。

2 計算機組成原理、單片機及FPGA綜合實驗儀研制內容

首先，該實驗儀可以為本科一、二、三年級學生提供計算機原理實驗、FPGA 技術實驗、單片機原理實驗；其次，該實驗儀可以為本科四年級學生的畢業設計提供實驗條件；更重要的是，該實驗教學儀器還可以作為對硬件知識感興趣同學進行科技創新活動的必要工具。該實驗儀應用在學校的各種開放式教學活動中起到了重要意義，不僅提高了學生的實驗積極性，而且培養了學生實驗動手能力和學習興趣。基于該實驗儀，西安電子科技大學物理與光電工程學院的教師編寫了與該實驗儀配套的實驗教材，經過幾年的實踐，該實驗儀在教學應用中取得了很好的教學效果。圖1 給出實驗儀和教材示意圖。

2.1 實驗儀的結構

圖2 給出計算機原理、單片機及FPGA 綜合實驗儀外觀示意圖，圖3 給出了該實驗儀的分層結構圖。該實驗儀把計算機、實驗面版有機地結合在同一個箱體中，下層是計算機，以抽屜形式方便出入，上面是實驗面板，實驗面板的實驗接口可以非常方便地進行各種連線等操作，實驗軟件可以實施監控實驗結果，學生根據軟件提示，可以完成不同的實驗內容。

2.2 計算機組成原理、單片機及FPGA綜合實驗儀模塊

計算機組成原理、單片機及FPGA 綜合實驗儀可以開展計算機組成原理，單片機技術，FPGA 數字邏輯系統與設計課程相關的實驗教學。

圖1：實驗儀和配套教材

圖2：計算機組成原理、單片機及FPGA 綜合實驗儀外觀

圖3：計算機組成原理、單片機及FPGA 綜合實驗儀分層結構圖

（1）該實驗儀可以開設的實驗有：基本運算器實驗；靜態隨機存取存貯器實驗；時序發生器設計實驗；微程序控制器實驗系統總線和具有基本輸入輸出功能的總線接口實驗；具有中斷控制功能的總線接口實驗；具有 DMA 控制功能的總線接口實驗；CPU 與簡單模型機設計實驗復雜模型機設計實驗；帶DMA 控制功能的模型機設計實驗；基于 RISC 技術的模型計算機設計實驗；完整指令集的RISC 模型計算機設計實驗；基于重疊技術的模型計算機設計實驗；基于流水技術的模型計算機設計實驗等。

圖4：邏輯分析圖

圖5：實時跟蹤圖

（2）單片機實驗模塊功能強大，可以實現一些傳統實驗數據RAM 讀寫；雙字節BCD 碼(十進制數)四則運算及進制轉換；AD和DA 轉換；電子鐘和頻率計實驗；紅外通信實驗；圖形點陣顯示實驗；繼電器控制，鍵盤LED 等實驗。還可以實現非接觸式IC 卡、觸摸屏模塊、GPS、GPRS、F/V V/F、超聲波測距、測速、電流傳感器、雙通道虛擬示波器、虛擬儀器、讀寫優盤、CPLD、FPGA、27M 無線數據、800/900M 無線數據、2.4G 無線數據、濕度、有害氣體、熱釋紅外傳感器等實驗模塊。圖4 和圖5 分別給出單片機實驗模塊的軟件邏輯分析圖和實時跟蹤圖。

（3）FPGA 實驗模塊包括步進電機，鍵盤LED 設計等綜合實驗。另外，各自的實驗模塊配合計算機可以完成相關課程的實驗內容。圖6 給出FPGA 實驗模塊的開發式管腳。

3 計算機組成原理、單片機及FPGA綜合實驗儀的主要特色

3.1 科學性

在計算機組成原理、單片機及FPGA 綜合實驗儀上開發的實驗內容遵循科學原理，嚴格按照學科課程的要求開設實驗。實驗內容的設計不僅僅是為了展示實驗現象和實驗結果，更是要幫助學生通過實驗鞏固學科知識，學習和掌握科學原理，例如計算機組成原理實驗，從基本的運算器，寄存器等內容開始，由淺入深逐步擴展到模型計算機設計實驗；學生不僅可以進行硬件操作，而且還能利用配套軟件觀察實時數據通路圖，了解到每一步操作背后計算機內部數據如何改變和傳輸。因此，科學性強也是計算機組成原理、單片機及FPGA 綜合實驗儀的主要特點之一。

3.2 啟發性

啟發學生思考，激發學生的學習興趣始終貫穿于實驗儀的設計和基于實驗儀的新實驗開發。對于一些簡單的基礎性實驗，由于實驗儀有配套軟件，可以觀察硬件實施的數據通路，因此，學生可以更加直觀觀看到，數據的變化和傳輸，加深對知識的理解。另外對于一些綜合性，設計性實驗，例如實驗儀提供的簡易電子琴實驗；步進電機實驗；直流電機調速實驗；GPS 定位實驗；觸摸屏實驗等，這些實驗題目需要學生根據要求，將一些單一的基本實驗整合吸收，自主設計來完成實驗，雖然增加了實驗難度，但是同時也啟發學生思考。在完成實驗過程中，學生往往需要互相討論，確定實驗方案和編寫程序，這不僅僅促進了學生的交流，也使得學生在解決實驗問題中不知不覺地提高了學習興趣，在教學中頗受學生好評。

3.3 實用性

計算機組成原理、單片機及FPGA 綜合實驗儀具有很強的實用性。本實驗儀可開設的實驗部分示例如下：

（1）計算機組成原理相關實驗：基本運算器實驗；靜態隨機存取存貯器實驗；時序發生器設計實驗；微程序控制器實驗系統總線和具有基本輸入輸出功能的總線接口實驗；具有中斷控制功能的總線接口實驗；具有 DMA 控制功能的總線接口實驗；CPU 與簡單模型機設計實驗復雜模型機設計實驗；

圖6：FPGA 實驗模塊的開發式管腳示意圖

圖7：學生做實驗情景

圖8：實驗室全貌

（2）軟件實驗：數據傳送(RAM–>XRAM)；雙字節BCD 碼(十進制數)加法雙字節BCD 碼(十進制數)減法四字節十六進制數轉十進制數；雙字節BCD 碼(十進制數)乘法；雙字節BCD 碼除于單字節BCD 碼；冒泡排序；二分查找法；電子鐘(定時器、中斷綜合實驗)；頻率計(定時器、計數器、中斷綜合實驗)。

（3）硬件實驗：跑馬燈實驗；74HC138 譯碼器實驗；PWM電壓轉換實驗；簡單I/O 實驗；鍵盤、數碼塊實驗；帶時間顯示的紅綠燈實驗。

4 計算機組成原理、單片機及FPGA綜合實驗儀的教學效果

西安電子科技大學物光院成功研制了92 臺計算機組成原理、單片機及FPGA綜合實驗儀，并開設了基礎類和綜合類實驗50余個，該實驗面向全學院的兩千余名學生開設了計算機原理實驗、FPGA技術實驗及單片機技術實驗。圖7 是同學做實驗情景的示意圖，圖8 是算機原理實驗室全貌。

該實驗儀已經在西安電子科技大學物理與光電工程學院的15和16 級1 千余名學生中開展了實驗教學，在2年多的在實驗教學的實踐過程中，得到了教師和學生一致的高度好評。該實驗儀獲得了國家實用新型專利“一種計算機組成原理的實驗裝置”（授權號：ZL 201621349465.9）。在該實驗儀順利運行下，物理與光電工程學院的教師攥寫了《電路與計算機原理綜合實驗》教材，該教材于2017年在西安電子科技大學出版社出版。

計算機組成原理、單片機及FPGA 綜合實驗儀獲得了西安電子科技大學第六屆新開發實驗及新研制實驗設備成果一等獎和第五屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備大賽三等獎。

5 結語

本文介紹了由西安電子科技大學物理與光電工程學院自制的“計算機組成原理、單片機及FPGA 綜合實驗儀”，該實驗儀設計機構巧妙，把計算機和實驗面板有機地相結合，大大提高學生接線鏈接等各種操作的實驗效率；該實驗儀功能強大，可以完成計算機原理、單片機技術及FPGA 技術等三門課程的相關實驗；該實驗儀拓展性廣泛，可以作為不同層次學生的實驗對象，不僅可以開展實驗教學，還可以開展畢業設計和科技競賽等活動；該實驗儀運行穩定，提高了實驗教學的效率。通過該實驗儀的實驗教學，學生不僅提高了實驗動手能力，增加了實驗興趣，還培養了其科學研究的創新精神。