数字芯片设计在数字电路实验教学中的应用研究

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摘要：本文分析了传统数字电路实验教学中客观存在的弊端，利用Quartus Ⅱ可编程逻辑器件设计软件和FPGA开发板，提出了基于FPGA的数字电路实验教学改革方案，激发学生的积极性，提高综合分析数字电路图的能力和操作能力。

关键词：教学改革；教学方法；教学资源；实践创新

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）49-0050-02

为了适应当今世界经济、科技、文化发展趋势，满足社会各界对当代大学生的复合型、应用型和创新型人才要求，2012年10月教育部高等教育司编辑出版了《普通高等学校本科专业目录和专业介绍》[1]。新版专业目录中重新规定了专业划分、名称及所属门类，并提出了各专业的主要核心课程、专业实验和实践性教学环节等课程的示例。数字电路课程是电气、电子信息、自动化和计算机类专业的一门专业基础课程，是一门理论性和实践性都较强的课程。它的主要任务是通过学习数字电路的基本概念、基本原理和基本技能，使学生在数字电路及数字系统方面具有一定的理论水平和实践技能，该课程对于微型计算机原理、数字信号处理和数字图像处理等学好后继主要专业课程必不可少的基础知识，并提高学生的工程实践能力都有着极其重要的作用[2-4]。本研究通过立体式实验课程设计，把理论教学与实验课、课程设计、实训课程结合起来，大学一年级开始初步接触专业课程，可以增强教学的互动性、趣味性，培养学生学习单片机课程的积极性、创造性，并进一步降低了实验教学成本，具有一定的实际意义。本文的第一部分分析了数字电路课程的教学安排、学时分配和考核体系，第二部分主要分析了传统的数字电路实验教学模式和数字电路实验教学中遇到的问题，第三部分提出了数字电路实验教学中引入数字芯片设计的必要性，并提出了基于Quartus Ⅱ软件和FPGA开发板的实验内容和具体教学安排。

一、数字电路课程分析

在教学安排方面，数字电路课程是一门理论性和实践性都较强的基础课程，基本上不需要高等数学、大学物理、复变函数等前期理论基础。因此，可以安排在大一的第二学期（四年制本科）；大一的短学期中可以安排“数字电路实训课程”，通过数字电路实训课程进一步提高学生的操作能力和创新能力；大二的第一学期中可以安排“数字芯片设计课程”或“集成芯片设计课程”，在此课程中首先学习VHDL语言，然后再学习Quartus Ⅱ可编程逻辑器件设计软件的使用方法和上机实验，并通过FPGA开发板来学习数字系统的设计和应用；基于以上基础，大二的第二学期学生可以开始在教师的指导下参加校内外各种设计竞赛，并在大二开始为即将学习的微型计算机原理、数字信号处理和数字图像处理等专业必修和选修课程奠定坚实的理论基础。学时安排方面，数字电路理论课程可以安排3学分/48学时，实验课程1学分/16学时，共4学分/64学时。课程改革积极探索教学活动和考核方式的多样化，考核形式可以包括笔试、实验课程、综合性创新设计等。该课程的考核可以包括：①期末的笔试，考核基本知识，理论课程成绩占60%；②实验课程成绩占15%；③平时成绩占5%；④综合性创新设计成绩占10%。

二、数字电路实验中存在的问题分析

数字集成芯片是在半导体表面上以CMOS门电路设计的现代化电子产品，由于CMOS门电路直接设计数字芯片时会出现时滞性、占用芯片面积、耗电量、结构复杂等一系列问题。而CMOS门电路的各子系统是利用与、或、非、同或、异或等逻辑门电路模拟化，同时实际设计的数字集成芯片内部电路图结构是无法看到的。因此，数字电路课程历来是学生感到“抽象”的课程。在数字电路实验课程方面，长期以来普遍利用74LS系列芯片实现理论课程上学到的触发器、译码器、选择器等组合逻辑电路，通过该实验可以提高学生的基本逻辑电路的功能及测试技能。但是，传统的数字电路实验教学主要存在以下弊端：①形式单一、方法呆板，虽然利用74LS系列芯片实现理论教学上学到的逻辑电路，但是不能完全解决学生对数字电路课程感到“抽象”的问题；②理论与实践脱节，在理论教学上，教师一般采用理论波形图来描述输入/输出信号之间的逻辑运算结果，一般不采用总线（Bus）波形图描述多位数的信号。在实验教学上，一般采用模拟开关描述二进制数的输入信号，并LED灯描述一位数的输出信号，因此，在理论和实验教学上学生没有机会接触实际数字集成芯片的设计和信息处理环境；③缺少互动性和创新性，学生自己提出某系统的逻辑控制及流程之后，利用基本的74LS系列芯片实现系统级别的数字系统时芯片的使用数量、输入信号的控制、输出信号的分析等会面临较大的困难，难以提高学生的积极性和创新性。

三、数字芯片设计在实验教学中的应用

在数字电路实验课程中，为了实现进一步系统化、程序化、可视化的实验，可以利用传统的实验课程和现代化的教学实验设备来完成。Quartus II是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、Verilog HDL以及AHDL等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。利用Quartus II软件的原理图模块（Block Diagram/Schematic File），可以补充完成数字电路实验课程。数字电路实验课程设置方面，如果整个实验课程以16学时来计划，前8学时可以做传统的基于74LS系列芯片完的成硬件系统设计与测试实验，后8学时可以完成基于模块化方式的上机操作实验。其中，Quartus II软件安装与波形图分析占2学时，组合逻辑电路与全加期占2学时，选择器和译码器/编码器占2学时，综合设计实验占2学时。实验内容方面，首先让学生利用Quartus II软件的原理图模块（Block Diagram/Schematic File）设计相关逻辑电路图，利用Quartus II软件中的“功能仿真”功能验证所设计逻辑电路图结构是否正确，通过进一步修改和功能仿真过程验证逻辑电路图的结构设计。其次，建立时序图框架，设置时脉信号、清零信号和输入信号，通过Quartus II软件中的“时序仿真”功能验证输入/输出信号之间的连续性和正确性。同时可以利用FPGA开发板实现该系统，并利用逻辑分析仪验证FPGA输出信号的正确性。在上机实验过程中，学生应理解的内容主要包括五个方面。①针对某一个逻辑电路，在教材上说明的理论波形图、Quartus II软件仿真出来的波形图、逻辑分析仪实际仿真的波形图等3个图形之间为什么存在输出信号的延迟？②设计某系统时，基于C语言等软件系统设计和基于FPGA等硬件系统设计的优点和缺点是什么？③占用芯片的面积和耗电量大约多少？④原始的组合逻辑电路设计结果和卡诺图、布尔运算等方式简化之后，对集成芯片的运算速度、占用面积和耗电量差异多少？⑤理论课上没有提到的多位数的总线（Bus）信号怎么理解？

随着社会的跨越式发展，社会各行业对当代大学生的独创性、复合型要求越来越提高。相反，目前普遍存在培养出来的学生动手能力较弱，分析问题和解决问题的能力差，缺乏创新能力。本文基于2012年教育部高等教育司编辑出版的《普通高等学校本科专业目录和专业介绍》，提出了传统的数字电路实验教学当中存在的问题，并建立了一种软/硬件系统相结合的实践教学体系和实验方法。本文提出的实验计划及安排可以营造有利于学生的激发创新激情，挖掘学生创新潜能，充分发挥学生的独创性，为培养学生的创新能力提供强有力的支撑。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍[M].北京：高等教育出版社，2012：182-202.

[2]韩延义，赵全科.数字电路课程设计教学研究[J].中国科教创新导刊，2011，（17）：103.

[3]薛延侠.数字电子技术课程改革的探讨[J].西安邮电学院学报，2006，（1）：116-118.

[4]Thomas L.Floyd.数字电子技术[M].第九版.北京：电子工业出版社，2008：297-301.