王紅航，劉 凱，鄧春健，楊健君，陳李勝，路月月

(電子科技大學 中山學院，廣東 中山 528402)

數(shù)字邏輯設(shè)計及應(yīng)用是高等院校電氣信息類學科中一門重要的學科基礎(chǔ)課程，是研究數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的入門課程，在整個人才培養(yǎng)中起承上啟下的作用。EDA(electronic design automatic)是以大規(guī)模可編程邏輯器件為設(shè)計載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規(guī)?？删幊唐骷拈_發(fā)軟件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計工具，從而實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化的新技術(shù)。

目前，很多學校把EDA的設(shè)計思路引入到數(shù)字電路的教學中[1－7]，使得數(shù)字電路設(shè)計風格更靈活、設(shè)計效率更高。也有一部分學校將數(shù)字電路和EDA技術(shù)兩門課程融合，建立傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計和現(xiàn)代設(shè)計方法相結(jié)合的新教學模式[8－12]，借此提高學生的理論水平和實踐動手能力。中山學院在長期的數(shù)字電路教學實踐中，體會到使用“數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學科研平臺”能夠提高學生的理解能力和動手能力，能夠更好地推進數(shù)字電路的教學改革，并能更好地完成數(shù)字電路和EDA技術(shù)的融合。

1 實驗平臺搭建

在全國壓縮課時的大背景下，數(shù)字邏輯設(shè)計及應(yīng)用課程融合EDA技術(shù)相關(guān)內(nèi)容之后，學時量仍然保持為64學時。由于課時限制，教師雖然清楚使用EDA技術(shù)設(shè)計數(shù)字電路有諸多優(yōu)點，但為了講清楚數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識，只能對EDA技術(shù)的設(shè)計思路和方法做最簡單的介紹和演示，致使學生對現(xiàn)代電路設(shè)計技術(shù)淺嘗輒止，難以化為能力。為了知識體系的延伸和連貫，更為了提高學生的綜合實踐能力，本文自制了一系列基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)實驗實訓平臺，作為數(shù)字電路實驗和EDA綜合實驗共同的設(shè)計平臺。使用共同的平臺，學生學習數(shù)字邏輯設(shè)計及應(yīng)用課程，就能習得QuartusII軟件和試驗箱平臺的使用方法。這一方面可以利用EDA技術(shù)全面改進數(shù)字邏輯設(shè)計及應(yīng)用課程教學，另一方面為EDA綜合實驗課程打下基礎(chǔ)，促進EDA綜合實驗更好地進行教學改革。

2013年，學校組織研發(fā)了“數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學科研平臺”，如圖1所示。該平臺以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為核心，以綜合性、創(chuàng)新性實驗為導向，具有豐富的外設(shè)接口和豐富的設(shè)計資源，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實驗設(shè)備的大部分實驗，卻具有傳統(tǒng)實驗設(shè)備無法實現(xiàn)的大部分功能[1]。試驗箱研發(fā)初衷是為了將學生從繁重的插線工作中解脫出來，使用電子設(shè)計自動化技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計，使設(shè)計風格更靈活，設(shè)計效率更高效。根據(jù)幾年的教學實踐，發(fā)現(xiàn)這個平臺雖能對數(shù)字電路和EDA課程的融合起重要作用，但學生對傳統(tǒng)數(shù)字電路的理解不夠真實、具體。

圖1 數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學科研平臺

為了讓學生對固定功能芯片的使用有感性的認識，2015年學校組織研發(fā)了 “數(shù)字邏輯及數(shù)字系統(tǒng)綜合實驗實訓平臺”，補充2013版實驗平臺的不足。該平臺不僅包含以FPGA為核心的實驗平臺，還包括傳統(tǒng)實驗箱的一部分功能，即為傳統(tǒng)數(shù)字實驗和現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計的融合。學生剛開始學習數(shù)字邏輯設(shè)計及應(yīng)用課程時，使用傳統(tǒng)實驗箱部分，理解數(shù)字電路的邏輯關(guān)系和芯片使用方法；對數(shù)字電路有一定的認識之后，學習固定功能芯片擴展應(yīng)用，學習不同固定功能芯片之間如何通信，理解傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計方法并嘗試自己設(shè)計電路；固定功能芯片使用方法掌握之后，學習FPGA可編程芯片的使用，掌握現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計思想，學習用現(xiàn)代設(shè)計思想設(shè)計數(shù)字電路，并通過實驗平臺學會FPGA和固定功能芯片如何通信。學生在學習固定功能芯片和FPGA芯片的過程中，理解真實的電路和用QuartusII搭建的使用FPGA實現(xiàn)的電路其實是一回事，以此實現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計體系的融會貫通。

2 案例分析

數(shù)字邏輯設(shè)計及應(yīng)用課程立足于傳統(tǒng)設(shè)計方法，即使把EDA的設(shè)計思路引入到數(shù)字電路的教學中，也只是基于FPGA的原理圖設(shè)計方法設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)，電路一旦復(fù)雜化，就需要借助HDL描述電路。EDA綜合實驗課程基于HDL進行數(shù)字電路設(shè)計，多數(shù)情況下采用行為描述方式描述數(shù)字電路，對于用原理圖描述的數(shù)字電路，學生對其相應(yīng)的HDL描述并不清晰。這些現(xiàn)象阻礙了學生對數(shù)字電路設(shè)計的認知，阻斷了學習的連貫性和一致性。據(jù)此，我們改革課程內(nèi)容，將數(shù)字電路設(shè)計的一部分內(nèi)容使用原理圖輸入法 (數(shù)字電路課程實現(xiàn))和HDL(EDA綜合實驗)兩種方法來實現(xiàn)。

圖2 用3－8譯碼器實現(xiàn)跑馬燈的電路原理圖

如用3－8譯碼器實現(xiàn)跑馬燈，用電路原理圖的實現(xiàn)方法如圖2所示，其中插圖為LED跑馬燈的亮燈圖。該實現(xiàn)電路是根據(jù) “數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學科研平臺”而設(shè)計的。

眾所周知，實現(xiàn)亮燈沿著一個方向移動，并且能夠循環(huán)往復(fù)，就可稱之為跑馬燈。如圖2所示，將74138的輸出Y0N～Y7N鎖定試驗箱上的LED0～LED7(低電平點亮LED)，如果74138的A、B、C輸入端口能夠循環(huán)輸入000～111，則LED0～LED7可以實現(xiàn)跑馬燈功能。如果計數(shù)器的輸出大于等于3位，則計數(shù)器能夠循環(huán)輸出000～111。電路選擇4個8位計數(shù)器級聯(lián)，一方面用計數(shù)器的輸出作為74138的輸入，另一方面將系統(tǒng)時鐘49.152 MHz分頻為大約1.5 Hz。選擇8count的使能信號GN(低電平有效)作為系統(tǒng)使能，當GN＝0時，芯片能夠正常工作；當GN＝1時，保持系統(tǒng)原來的狀態(tài)不變。原理圖中將disp＿cs置為0，目的是在LED燈和七段數(shù)碼管、LED矩陣復(fù)合使用時選擇使用LED燈，buzz置為1，目的是想讓系統(tǒng)中喇叭不發(fā)聲，具體原理請參考文獻[1]。

用VerilogHDL實現(xiàn)跑馬燈如例程1所示。例程1:

可以看出，在Verilog HDL中，74138的功能由一個case語句實現(xiàn)，分頻器的功能是由兩個計數(shù)器級聯(lián)實現(xiàn)，其中一個計數(shù)器將系統(tǒng)時鐘49.152 MHz進行10 M分頻，另一個計數(shù)器將時鐘系統(tǒng)進行8分頻，這樣LED燈的流動頻率大概為0.6 Hz。系統(tǒng)另設(shè)一個使能信號en，當en＝0時，74138正常工作；當en＝1時，保持原來的狀態(tài)不變。而原理圖中對disp＿cs＝0和buzz＝1的設(shè)定，在 Verilog HDL中用assign語句來實現(xiàn)。

在這個例子中，如果在例程1“endcase”后加上一句 “elsey＜＝8’ b11111111”，則實現(xiàn)的功能變?yōu)?當en＝0時，74138正常工作；當en＝1時，所有LED燈均熄滅。這個功能的改變?nèi)绾卧谠韴D中表現(xiàn)出來呢？可以將74138芯片的G1端口設(shè)為輸入端口en，這樣就可以實現(xiàn)與例程1相同的功能。

通過用原理圖和HDL兩種不同電路描述方式的對照設(shè)計，學生能夠?qū)τ肏DL描述的數(shù)字電路有更具體生動的認識；同時能夠理解對于一個數(shù)字電路，需要使用什么樣的語句描述，從而實現(xiàn)知識的融會貫通，增加學生的學習興趣和積極性。

3 結(jié)束語

借助 “數(shù)字邏輯及數(shù)字系統(tǒng)綜合實驗實訓平臺”，使得使用傳統(tǒng)試驗箱驗證芯片功能的實驗方法和基于FPGA的電路原理圖設(shè)計方法得以統(tǒng)一，基于FPGA的電路原理圖和HDL這兩種數(shù)字電路描述得以融合。至此，數(shù)字邏輯設(shè)計及應(yīng)用和EDA綜合實驗兩門課程真正實現(xiàn)了由基礎(chǔ)學習到深刻理解到實踐設(shè)計到創(chuàng)新的最終目標，學生對知識的理解和掌握才能融會貫通。這樣的學生是真正的應(yīng)用型人才，是社會歡迎的人才，也是學校的培養(yǎng)目標。

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