朱學(xué)玲

【摘 要】數(shù)字邏輯電路是計算機類、電子類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，本課程原理性和操作性都很強，對于計算機專業(yè)來說，它是計算機組成原理、嵌入式等后繼硬件課程必需的先修課程，其教學(xué)效果直接影響到后繼的硬件課程。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字邏輯;電路教學(xué);模式改革

中圖分類號： TN791-4;G642 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0107-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.046

傳統(tǒng)的教學(xué)模式，都是先講解理論知識，理論知識主要以邏輯關(guān)系、組合電路的分析設(shè)計、組合電路模塊的應(yīng)用、觸發(fā)器、時序電路幾個部分組成，實踐部分則是在試驗箱上以插拔式實驗為主，這種實踐方式的優(yōu)勢在于學(xué)生容易接受、操作簡單，但這種方式也容易使得學(xué)生走進誤區(qū)，主要有四個表現(xiàn)：

一是會讓學(xué)生忽視對理論知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生會以為數(shù)字邏輯電路主要就是連線操作，從而出現(xiàn)“重操作，輕理論”的現(xiàn)象，此處的“操作”僅僅停留在連線上，我們經(jīng)常會見到熟練的“連線操作工”，卻不是電路學(xué)得很好的同學(xué)，因為他并不熟悉原理性知識，不懂得實驗為什么會有相應(yīng)的結(jié)果，只是為了連線而連線。

二是學(xué)生被實驗中出現(xiàn)的芯片損壞、接觸不良、導(dǎo)線不通等問題干擾，不僅耽誤了大量的時間在排查錯誤上，還會打消學(xué)生實驗的積極性。

三是學(xué)生會認(rèn)為數(shù)字邏輯電路是純硬件的課程，跟軟件、編程沒有一點點關(guān)系，我們知道，計算機軟硬一家，兩者相輔相成，誰都不可能只使用硬件或軟件。

除了傳統(tǒng)教學(xué)模式對學(xué)生產(chǎn)生的以上三方面誤導(dǎo)以外，從技術(shù)角度來說，傳統(tǒng)的教學(xué)模式與現(xiàn)在世界上流行的先進技術(shù)脫節(jié)。

新工科環(huán)境下，要求高校注重學(xué)生的系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)分析和設(shè)計、系統(tǒng)應(yīng)用等計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)出高質(zhì)量的應(yīng)用型人才，使得學(xué)生走出校門能夠快速適應(yīng)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為特點的新經(jīng)濟發(fā)展，這就要求我們必須對數(shù)字邏輯電路課程的教學(xué)模式進行改革。

目前，許多高校為了提高學(xué)生對數(shù)字邏輯電路課程的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，都已采用軟硬結(jié)合的教學(xué)方式，把硬件描述語言引入到數(shù)字邏輯電路中，主要采用的有VHDL、Verilog、SystemC、System Verilog等，仿真軟件以Logisim和Vivado為主打，在這些仿真軟件上不僅可以實現(xiàn)數(shù)字邏輯電路，還可以對計算機組成原理等后繼硬件課程進行，最終在實驗平臺上實現(xiàn)邏輯功能。本文我們采用了Verilog語言、Vivado環(huán)境，所采用的實驗平臺是基于Xilinx Artix-7 FPGA研發(fā)平臺，以數(shù)字邏輯電路中的分頻器實驗項目為例介紹。

不管是傳統(tǒng)的教學(xué)模式，還是改革后的教學(xué)模式，分頻器都是必做的實驗項目之一，與傳統(tǒng)模式不同的是，不再使用插拔式試驗箱，而是采用了Verilog語言和Vivado環(huán)境，所以在實驗之前的理論教學(xué)環(huán)節(jié)中需要增加有關(guān)編程規(guī)則的介紹。

同一功能在實現(xiàn)時方法不是唯一的，此處是以對時鐘端實現(xiàn)分頻為例，編程思路是以if循環(huán)為主，首先在模塊中聲明模塊的輸入和輸出端口：

input clk，

output? clk_out

再通過常量COUNTER_WIDTH對reg型變量reg_cnt建立數(shù)組來對存儲器建模，實現(xiàn)對存儲器的讀寫：

reg[26：0]reg_cnt=27'd100000000;

reg tmp=1'b0;

最后在always塊中使用If語句實現(xiàn)對時鐘端的分頻：

always@（posedge clk）

if（reg_cnt>1'b0）

reg_cnt<=reg_cnt-1'b1;

else

begin

reg_cnt<=27'd100000000;

tmp<=～tmp;

end

assign? clk_out=tmp;

源文件在綜合沒有錯誤之后，在下板之前，可以進行仿真，為了更好的觀察分頻效果，可適當(dāng)調(diào)整仿真時間，仿真效果如圖1所示。

圖1中第一條是時鐘端clk波形，第二條是輸出端clk_out的波形，從波形周期或頻率的變化上可以明顯觀察到分頻效果。

仿真結(jié)束后進行管腳約束，生成相應(yīng)的約束文件，再編譯生成Bit流文件，最后就可以連接開發(fā)板（Open Target）并下板（Program Device），在開發(fā)板的上也能觀察到分頻效果。

通過分頻器的實驗過程來看，新型的教學(xué)模式完全顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)模式，不管是理論教學(xué)環(huán)節(jié)還是實踐環(huán)節(jié)都有很大的變化，尤其是實踐環(huán)節(jié)幾乎是與傳統(tǒng)的實驗方式完全不同，不再是以連線為主的純硬件操作，而是通過代碼驅(qū)動實驗板實現(xiàn)邏輯功能，這種教學(xué)模式能夠把軟硬件有機結(jié)合，使學(xué)生從繁瑣的連線及線路錯誤的排查中解脫出來，把學(xué)習(xí)的重點放在代碼的優(yōu)化和對邏輯關(guān)系的應(yīng)用上，如何通過硬件描述語言實現(xiàn)邏輯功能成為學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐的重心，大大提高了學(xué)生的編程能力、對理論知識的應(yīng)用能力以及學(xué)習(xí)的興趣，不管是從教學(xué)效果以及數(shù)字邏輯電路與后繼課程的銜接上來說，還是從教學(xué)過程中對學(xué)生FPGA開發(fā)能力培養(yǎng)的角度來說，對數(shù)字邏輯電路的理論和實踐教學(xué)進行全方位的改革勢在必行。

【參考文獻】

[1]張志軍，于紅斌，張愛麗，等.王歲花地方高師院校數(shù)字邏輯電路課程教改初探[J].中國輕工教育，2015（2）：83-85.

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