張玲　姚莉

摘要：針對數(shù)字邏輯電路實踐教學中存在的問題，提出將集成數(shù)字芯片的驅(qū)動編寫融入實踐教學，對數(shù)字電路課堂教學涉及到的集成芯片，利用C語言實現(xiàn)驅(qū)動對其進行控制，并利用MCU芯片進行仿真。不僅提高了學生的學習興趣和編程能力，而且有效改善了傳統(tǒng)單純驗證性實驗的教學效果，提高了學生對集成數(shù)字芯片的應(yīng)用能力，為后續(xù)硬件相關(guān)課程的學習提供基礎(chǔ)和保障。學生的反饋和階段考核結(jié)果表明，該實踐方式能有效地提高數(shù)字邏輯電路的教學效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字邏輯電路；芯片驅(qū)動編寫；實踐教學

一、引言

數(shù)字邏輯電路是計算機專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，其教學目標包括數(shù)字信號的概念，組合邏輯電路和時序邏輯電路，常用的數(shù)字集成芯片，數(shù)字電路設(shè)計流程及應(yīng)用。傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實踐教學一般采用傳統(tǒng)的驗證性實驗[1-2]。為了提高學生的學習興趣和動手能力，基于數(shù)字模塊的綜合設(shè)計[3]將抽象的數(shù)字邏輯模塊與具體應(yīng)用聯(lián)系起來，對學過的電路模塊通過仿真實現(xiàn)出來?；谟布枋稣Z言的數(shù)字集成電路前端設(shè)計法[4-5]將硬件描述語言引入進來，用硬件語言行為描述法描述。這些實踐教學方法取得了一定的成效，一定程度上提高了教學效果。但針對計算機專業(yè)的同學來說，更注重的是數(shù)字集成芯片將來的應(yīng)用，特別是數(shù)字集成電路驅(qū)動的編寫和應(yīng)用，如何將數(shù)字邏輯電路驅(qū)動的編寫嵌入到數(shù)字邏輯電路時間教學中，并通過時序控制使得數(shù)字集成芯片工作起來是數(shù)字邏輯電路教學的一個重要任務(wù)。

本文提出以驅(qū)動編寫為導向的數(shù)字邏輯電路實踐教學，針對數(shù)字邏輯電路常用組合邏輯模塊，如編碼器和譯碼器模塊、數(shù)據(jù)選擇和分配器模塊、串并并串轉(zhuǎn)換等模塊進行分析，通過微控制單元（MCU）對其時序進行控制，實現(xiàn)集成數(shù)字芯片的驅(qū)動；針對常用時序邏輯模塊，如計數(shù)器模塊，寄存器模塊，通過MCU收發(fā)信號，實現(xiàn)相關(guān)集成數(shù)字模塊的驅(qū)動。這種實踐教學方式不僅提高了學生的學習興趣，加深了對數(shù)字邏輯模塊的理解，掌握相關(guān)硬件編程方法，而且對嵌入式開發(fā)過程有了一定的了解，為后續(xù)學習打下基礎(chǔ)。教學結(jié)果表明以驅(qū)動為導向的實踐教學較大程度的提高了數(shù)字邏輯電路的教學效果。

二、以驅(qū)動編寫為導向的數(shù)字集成電路實踐教學的教學設(shè)計

針對數(shù)字邏輯電路涉及的基本教學模塊，根據(jù)數(shù)字邏輯電路教學的經(jīng)驗，在教學中設(shè)計了三個部分的實踐教學：針對組合邏輯電路部分的實踐，針對時序邏輯電路部分的實踐安排和綜合實踐教學安排。

針對組合邏輯電路涉及的數(shù)字集成電路芯片，設(shè)計了以下相關(guān)模塊：集成雙全加器74LS183/C661的連線及驅(qū)動、4位集成數(shù)值比較器74LS85/C663的連線及驅(qū)動、8線-3線優(yōu)先編碼器74LS148、集成3-8譯碼器74LS138、電平驅(qū)動顯示譯碼器74LS48、集成4選1選擇器74LS151、1路4路數(shù)據(jù)分配器74LS139。

針對時序邏輯電路涉及的數(shù)字集成電路芯片，設(shè)計了以下相關(guān)模塊：集成4位二進制同步加法計數(shù)器74161的連線方式及驅(qū)動實現(xiàn)、集成十進制同步加法計數(shù)器74160、8位單向集成移位寄存器74164、4位雙向移位寄存器74LS194的連線及驅(qū)動實現(xiàn)、串并轉(zhuǎn)換芯片74HC595和并串轉(zhuǎn)換芯片74HC165的驅(qū)動的實現(xiàn)。

綜合實踐安排包括常用組合和時序邏輯模塊組成的綜合系統(tǒng)，本部分安排了兩個小系統(tǒng)的實現(xiàn)：數(shù)字時鐘的設(shè)計和實現(xiàn)和六路搶答器的設(shè)計和實現(xiàn)。

數(shù)字時鐘利用基本數(shù)字電路制作小時電子鐘，顯示時分秒，其電路包括24進制計數(shù)器，60進制計數(shù)器，譯碼電路和顯示電路模塊。

六路搶答器利用數(shù)字電路設(shè)計搶答器，它允許8路參加，用LED小燈顯示搶答結(jié)果，利用清除鍵對LED小燈滅燈。此電路包括門控電路、開關(guān)控制電路、數(shù)據(jù)鎖存電路、8-3優(yōu)先編碼模塊，案件輸入模塊、顯示模塊。

本實踐教學穿插在理論課上和課后進行，在學習每部分數(shù)字模塊基礎(chǔ)上，對相關(guān)模塊的應(yīng)用環(huán)境和作用作以介紹，給出相應(yīng)的原理圖及時序控制原理介紹。這部分的教學要求學生進行預(yù)習，在時間教學課堂前，以報告形式完成硬件電路設(shè)計及相關(guān)關(guān)鍵代碼設(shè)計，循序漸進，在實踐教學時進行調(diào)試，并利用互動教學來驗證、鞏固教學內(nèi)容。

三、數(shù)字集成電路芯片驅(qū)動編寫--以串并轉(zhuǎn)換集成芯片74HC595為例

數(shù)字集成電路芯片驅(qū)動編寫的實質(zhì)即對該芯片工作時序的控制。本小節(jié)為串并74HC595并串集成芯片為例，說明集成電路芯片驅(qū)動的編寫方法。

74HC595是將串行信號轉(zhuǎn)成并行數(shù)據(jù)信號的數(shù)字集成芯片，為了實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，它具有一個串行輸入口，通過內(nèi)部8位移位寄存器經(jīng)過8個時鐘周期將8個1位的串行信號轉(zhuǎn)換成一個8位的并行信號，通過其內(nèi)部8位緩沖寄存器及一個具有三態(tài)輸出的移位寄存器將并行數(shù)據(jù)送出。為了讓74HC595實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，必須根據(jù)其工作時序給出正確的控制信號。其工作時序圖在圖1中給出，該結(jié)構(gòu)串行數(shù)據(jù)的輸入和并行數(shù)據(jù)的輸出分別用不同的時鐘控制，分別為SCK和LCK，[Q0→Q7]并行輸出端，[Q7']串行數(shù)據(jù)輸出。

如時序圖所示，其基本時序運行如下：在輸入時鐘SCK的上升沿控制下，8位串行數(shù)據(jù)從SDI送入，8個周期后，該8位數(shù)據(jù)被送入到74HC595的緩沖區(qū)；接著在輸出時鐘LCK的控制下，將8位并行數(shù)據(jù)從輸出端Q0-Q7送出。并行數(shù)據(jù)輸出在時鐘信號LCK控制下，一個時鐘上升沿便可完成輸出。8位串行數(shù)據(jù)num1轉(zhuǎn)成并行數(shù)據(jù)的關(guān)鍵時序代碼為：for （j=0；j<8；j++） {CY=num1&0x01；num1=num1>>1；ds=CY；SCK=1； SCK=0； }

四、小結(jié)

本文提出以驅(qū)動編寫為導向的數(shù)字電路的實踐教學方法，并應(yīng)用到數(shù)字電路實踐教學中，學生反映較好。以驅(qū)動編寫為導向進行數(shù)字電路的實踐教學將抽象概念具體化，使學生認識到數(shù)字模塊的作用和其應(yīng)用場合，并利用proteus仿真軟件進行仿真，增加了學生的學生興趣。通過綜合系統(tǒng)的實現(xiàn)，提高了學生的動手能力，并提高了學生利用C語言進行硬件編程的編程能力，為后續(xù)相關(guān)硬件課程的學習及從事數(shù)字集成電路的工作打下基礎(chǔ)。

參考文獻

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湖北理工學院教研項目：2014c25。

作者簡介：張玲，女，（1980-），講師，湖北理工學院計算機學院。endprint