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关于数字逻辑实验技术改革的研究

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-10-13 编辑:影视

近年来,教育部计算机科学与技术教学指导委员会的《计算机科学与技术本科专业规范》改变了计算机专业的课程和教学要求。基于硬件的课程要求与其他电子和电气专业的要求不同。考虑到计算机科学与技术专业需要掌握计算机逻辑结构的设计方法而不是其电子实现,因此中国许多计算机大学已将“数字电子技术”的基础课程改为“数字逻辑”。与“数字电子技术”相比,“数字逻辑”课程的教学重点是“逻辑”而不是“电子学”,强调集成电路的外部特性,而不是其内部电路。

1传统实验技术的缺点

多年来,“数字电子技术”的实验教学使用了与其他电子技术课程相同的实验框。实验通常使用74系列TTL或CMOS小型集成电路。通过使用实验盒上的插入电缆,将集成电路和其他组件连接到问题所需的实验电路。在实验过程中,通常需要示波器,万用表等进行观察。在进行实验时,学生可以实际看到并触摸集成电路芯片和其他组件,实际连接电路,并对电子电路,集成电路芯片,电压,信号等产生深刻的印象。早期的数字电子实验是将电线插入面包板上,这些电线容易出现接触不良和断开等问题,并且通常需要大量时间来消除接触问题和错误的连接。后来,人们开发了将集成电路芯片插入固定的集成电路插座中并使用特殊的插头,插孔等的方法,从而改善了接触并提高了实验成功率。另外,在实验过程中,由于学生的操作错误,集成电路的元件经常被损坏,并且测试箱和其他仪器设备也可能有故障或损坏。重复插入和移除设备和导线也可能导致导线折断,每年发生一次。设备的材料和设备维护成本高,实验设备的完整性率相对较低。

由于连接电路的限制,只能根据实验指导书的电路进行实验,因此难以进行设计实验。做验证实验不能充分发挥学生的主观能动性,实验教学与理论教学之间的联系不好,没有真正起到“通过实验加深对理论知识的理解”和“结合理论”的作用。练习”。实验结果不理想,不仅影响学生实践能力的提高,而且影响学生实践能力的提高。学生对相关知识的掌握。认识到这个问题,一些学校还改革了实验的内容,增加了一些设计实验主题。但是,由于时间的限制,实验电路只能使用几个简单的集成电路逻辑芯片,因此很难完成更复杂的逻辑设计实验。

改革的必要性

作为初步课程,“数字逻辑”应为后续的“计算机组成原理”准备必要的逻辑电路设计知识,分析技术和设计技术。现代计算机逻辑结构的设计方法是基于大规模和超大规模集成电路,而不是中小型集成电路。 “数字电子技术”课程的实验教学基于中小型集成电路。要求学生熟悉常用的SSI,MSI模型,外部引脚和连接方法。这些知识对于电子和电气专业的教学是必需的,但对于计算机专业和“计算机组成原理”课程的学习则不是必需的。由于计算机专业的任务是设计计算机的体系结构和逻辑结构,因此应掌握基于LSI和VLSI的计算机逻辑结构(主要是CPU)的设计技术。但是,“数字电子技术”的教学内容和实验主题都没有涉及基于LSI和VLSI的设计技术。如果“数字逻辑”继续使用“数字电子技术”的实验技术,尽管它对课程本身的影响很小,但是这使“计算机组成原理”的实验教学改革变得困难。

“计算机组成原理”课程的实验教学涉及计算机主要部件(例如算术单元和控制器)的逻辑设计。由于算术单元和控制器等组件的逻辑相当复杂,如果要使用74系列中小型集成电路进行设计,所需芯片数太大,则实验电路相对大,并且线路连接太复杂。因此,在本课程的实验教学中,不可能利用74系列中小型集成电路来设计和实现诸如算术单元和控制器之类的逻辑。因此,除了内存扩展实验外,基于中小型集成电路的“计算机组成原理”实验箱只能用于验证实验,这就是为什么“计算机组成原理”课程的实验教学具有仅限于验证实验的主要任务。原因。在“计算机组成原理实验”课程中探索了几个使用VHDL设计逻辑电路的实验后,姜本山指出,在“计算机组成原理”课程中学习硬件描述语言是不切实际的,这应该是领先的。在“数字逻辑”课程中添加硬件描述语言,或添加介绍EDA工具和硬件描述语言的选修课程。

自1990年代以来,随着电子技术和VLSI技术的发展,大规模集成电路PLD芯片逐渐取代了数字系统中传统的中小型集成电路。同时,利用硬件描述语言设计数字系统的EDA技术已经成熟并得到了广泛的应用。数字系统和计算机系统的设计方法已经从传统的逻辑电路设计方法变为“硬件设计软件”。 EDA技术在实验教学中的使用是“软件实验软件”,属于“虚拟实验”类别。 “数字逻辑”课程的实验教学应使用基于VLSI的先进EDA技术来适应技术的进步。我国高校计算机专业硬件课程的教学和实验技术落后于技术的进步,与国外存在明显的差距。自21世纪初以来,中国的一些大学已经开始探索“数字逻辑”和“数字电子技术”课程的实验教学改革。

2008年,青岛工业大学计算机学院修订了计算机专业培训计划,将“数字电子技术”改为“数字逻辑”,并于2010年开始在“数字逻辑”课程的实验教学中采用新的实验技术。经过9轮教学改革,探索和不断改进,不仅改进了基于VLSI的“数字逻辑”课程的实验技术,而且形成了计算机专业硬件基础课程的实验教学系统。

3基于VLSI的“数字逻辑”实验技术包括八个方面。

3.1增加对硬件描述语言VHDL的学习

EDA技术不是基于VLSI,而是基于中小型集成电路和分立组件。基于VLSI的EDA技术使用硬件描述语言代替了传统的逻辑电路设计方法来设计逻辑。使用软件仿真来验证逻辑设计是否正确。最后,将大型PLD芯片(如FPGA)下载到数字系统。因此,学生在实验之前必须首先学习硬件描述语言并使用硬件描述语言进行逻辑设计。在“数字逻辑”过程中学习硬件描述语言为实验技术的改革创造了有利的前提。当前,最常用的硬件描述语言是VHDL和Verilog HDL。在“数字逻辑”过程中最好使用VHDL。

3.2硬件实验软件

放弃了将集成电路芯片和连接线连接到实验箱的方式,“数字逻辑”课程的所有实验都不需要任何实验箱,而是通过VHDL文本编辑,编译和软件在普通PC上实现的模拟。实验平台使用Altera的Quartus II或Xilinx的ISE。我们在教学中使用了Quartus II。这种改革的另一个好处是,计算机硬件基础课程中的实验可以在软件实验室中进行,从而节省了大量的设备投资和材料消耗成本。这种新的实验技术不仅可以实现验证性实验,还可以进行设计实验。它可以看到完整的输入和输出波形以及竞争风险现象,而这是使用传统实验方法很难看到的。具有较高的实验成功率和教学效果。好,一个人,节省设备投资和维护成本,零件材料消耗低。

3.3“数字逻辑”设计实验的实验程序

逻辑设计→VHDL编程→启动Quartus II系统以建立设计工程→输入程序文本→编译并消除语法错误→设计仿真输入波形→仿真→分析仿真波形消除逻辑错误→记录结果并写入实验报告。

做设计实验,要求学生在进入实验室之前进行逻辑设计,然后使用VHDL进行编程和仿真。实验通常提前一周进行。

用VHDL设计组合逻辑电路和顺序逻辑电路的方法与设计逻辑代数和逻辑图的传统方法有很大不同。组合逻辑设计首先根据问题抽象真值表。如果使用行为描述,则在VHDL设计实体的结构中描述真值表就足够了;如果使用数据流描述,则逻辑设计需要做一个逻辑功能,然后在VHDL设计实体的结构中描述该逻辑功能;通过结构描述,逻辑设计需要制作逻辑图,然后在VHDL设计实体的结构中描述逻辑图中各个低级组件的连接。

顺序逻辑设计首先根据问题抽象出状态转移图和状态转移图。如果使用行为描述,则可以在VHDL设计实体的结构中描述状态转换图。复杂的顺序逻辑系统需要一个结构描述,该描述在VHDL设计实体的结构中描述逻辑图中各个低级组件的连接。

实验指导员应检查学生的学习前情况(真值表,逻辑功能,逻辑图,状态转换图等)。只有当逻辑设计完成时,它才能被“接受”,并且实验报告将被接收并给出结果。如果学生的逻辑设计有误,他会指出并要求当场纠正。

3.4一人一组的学生

用实验箱进行实验,通常一组2至5人,主要原因是仪器和设备的套数不够,其次,连接线路,检查故障花了很多时间,并查看电表并记录数据。几个人合作更好。基于VLSI的EDA技术的实验是在使用专用软件平台的普通PC上进行的,并且不受设备的限制。目前,每所大学计算机学校的软件室中的机器数量通常足以让至少三个班级的学生同时使用,并且可以一人完成。一群人有利于调动每个学生的热情。

3.5精心设计并选择实验主题

实验学科的设计是实验教学设计中必须正确处理的关键问题之一。有必要考虑各个方面。实验科目应具有适当的难度,以便大多数学生可以在现有基础上通过自己的分析和努力来进行设计(不一定是正确的设计)。实验科目应在课程教学的重要知识点范围之内。通过实验,学生可以更好地掌握相关知识点,实现理论教学与实验教学的相辅相成。实验对象不应在其他来源(如书籍或互联网)上获得现成的答案。学生必须自己分析设计以获得答案。实验科目的设计还应考虑与后续课程的实验科的联系。实验主题是开放的,可以进行不同的设计。

3.6根据设计实验

EDA技术可用于设计和验证实验。 “数字逻辑”课程中的实验应侧重于设计实验。经过进一步的改革,我们实际上实现了所有实验都是设计实验。

设计实验比验证实验困难得多,并且学生花费更多的时间准备,设计和编写实验室报告。在研究“数字逻辑”之前的实验(物理,电路和模拟电子学)主要是验证实验。许多学生养成了不做实验准备的习惯。因此,采取了一些措施,要求学生提前做实验准备,并写出实验设计和程序以允许在实验室进行实验。

3.7实验教学与理论教学的同步

改革后,“数字逻辑”的实验教学与理论教学是同步的,而不是像过去那样专注于课程的最后阶段或课程结束后,以便学生可以加深通过设计实验获得理论知识。了解,达到实验教学与理论教学相辅相成的效果。

3.8手写实验报告

做一个“数字逻辑”设计实验,要求学生手写实验报告,禁止打印。这样做,一方面,即使la窃需要时间来复制和绘制图片,有些懒惰的学生也不能简单地复制他人的报告。另一方面,“数字逻辑”课程在课程测试范围内增加了VHDL教学内容。手写实验报告有助于加深VHDL陈述和程序的印象。

作为工程课程,您不仅应该学习如何设计,还应该学习如何编写设计报告。训练学生编写实验报告实际上是在培训学生如何编写工程设计报告。因此,必须对报告的格式和内容有明确而严格的要求。可以在下一个实验之前完成对实验报告的更正,以便将发现的问题及时反馈到教学中,以便学生可以及时进行更正。如果发现第一个实验的报告存在严重问题,则将其退回并重写。

4实验主题的设计

在设计实验主题时,我们不仅要考虑“数字逻辑”教学的需求,还要考虑与后续课程的联系,主题的难度,系统的复杂性,工作量的大小以及知识的重要性课程中的要点。如进行综合评估,筛选出合适的主题。

作为计算机组成的必修课程,“数字逻辑”课程的实验教学应训练学生掌握各种典型组合逻辑电路和顺序逻辑电路(解码器,加法器,计数器,寄存器,状态机等)的设计。)的实现方法,同时,还针对一些“数字逻辑”实验主题,以支持“计算机组成原理”课程的实验主题,例如:“多功能加法器设计”实验就是“计算机组成原理”的“ ALU设计”的实验准备; “寄存器设计”实验是为“计算机组成原理”的“通用寄存器集设计”实验做准备; “使用N元计数器芯片形成M元计数器”的设计实验是为“计算机组成原理”课程设计复杂的计算机组件(运算符,控制器等)而准备的“分层设计”方法。

我们设计的“数字逻辑”实验主题包括:

(1)熟悉Quartus系统,使用VHDL结构描述方法设计半加法器;

(2)设计一个带VHDL的转码逻辑电路,将7位ASCII码转换为7段字符显示码;

(3)设计一个带VHDL的多功能运算器,在控制信号M,S2,S1,S0的控制下,可以完成8种算术运算和8种逻辑运算;

(4)使用VHDL设计自动售货机的控制逻辑

(5)采用VHDL结构描述方法设计M进制计数器(使用N进制计数器芯片);

(6)采用VHDL结构描述方法设计残差3码计数器(使用十六进制计数器芯片);

(7)用VHDL设计一个三态输出寄存器;

(8)用VHDL设计定时脉冲波形发生电路(序列脉冲发生器);

(9)用VHDL设计可控计数器;

(10)用VHDL设计数字时钟电路。

教师可以根据实际情况选择6到8个实验。通常,可以执行2到3个组合逻辑设计实验和3到5个顺序逻辑设计实验。

实验项目(1)的目的是使学生掌握层次结构设计方法。实验项目(2)的目的是增强知识点,例如解码器,7段字符显示代码和ASCII代码。实验项目(3)的目的是增强加法器,全加法器,算术运算,进位和逻辑运算的知识点,并考虑与知识点教学(如ALU的ALU)的联系后续课程“计算机组成原理”。实验项目(4)的目的是增强对状态机和Mealy型顺序逻辑电路设计的了解。实验项目(5)的目的是增强计数器,实现对任意二进制计数器和集成计数器的摩尔型时序逻辑电路设计的了解。可以为每一轮教学选择不同的计数器芯片(和),并且可以在19到21之间更改实现的M元计数器的模数。实验问题(6)的目的是增强其余3个代码,以及用集成计数器实现知识点,例如任意二进制计数器。实验项目(7)的目的是增强知识点,例如三态门和寄存器。实验项目(8)的目的是加强顺序脉冲发生器和定时脉冲波形产生电路的知识点,并为控制器和后续课程“计算机组成原理”的三级定时做准备。实验项目(9)的目的是加强知识点,例如可控计数器。实验项目(10)的目的是增强复杂系统设计和仿真设计的能力。过去,像数字时钟这样的复杂实验过去曾通过中小型集成电路连接到实验箱,但现在已经无法想象了。可以实现在Quartus II系统上进行设计和仿真的方法。

5结论

基于超大规模集成电路的“数字逻辑”实验技术抛弃了传统的实验箱,改为计算机软件平台。它放弃了使用插件将集成电路和其他组件连接到实验箱上的实验电路中的使用,而使用了示波器,万用表和其他仪器。传统的观察方法是根据逻辑设计(真值表,逻辑功能或逻辑图)使用硬件设计语言编程,以文本形式输入计算机,在专用软件平台上进行逻辑仿真并进行仿真,根据仿真结果对逻辑进行分析。设计的正确性。学生不仅要做逻辑设计,还要做仿真输入波形设计。这项新的实验技术可以进行概念验证实验和设计实验,以及完整的输入和输出波形以及传统实验方法中难以发现的竞争风险现象。新的实验技术更容易,更方便地在面包板上进行插入,连接和调试,避免了因接触不良和布线故障等问题而引起的问题。该实验成功率高,功耗低,并且实现了硬件设计和实验。软件以及从验证性实验到设计性实验的过渡。实验教学的改革在一定程度上调动了学生的主观能动性,提高了学生的学习积极性。

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