基于實驗平臺的數字邏輯實驗教學

田淑珍， 全成斌， 李山山， 楊士強

(清華大學 計算機科學與技術系，北京 100084)

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基于實驗平臺的數字邏輯實驗教學

田淑珍， 全成斌， 李山山， 楊士強

(清華大學 計算機科學與技術系，北京 100084)

針對傳統實驗和基于EDA技術的大規模可編程邏輯器件實驗在實驗教學中的特點，我門將兩種實驗方式進行了結合，以便充分發揮各自的優勢。介紹了在此思想指導下，基于實驗平臺的數字邏輯實驗教學探索。在自己開發的實驗平臺上規劃了實驗內容，合理安排了上述兩類實驗的比重，并添加了學生自主選題的大實驗，綜合評定學生的實驗成績。實踐證明，將兩種類型的實驗結合后，既可促進學生更好地掌握數字邏輯的基本知識和原理，又可提高學生的動手實踐能力，將有利于學生在軟硬件兩方面都得到很好的訓練。

數字邏輯； EDA技術； 可編程邏輯器件； 傳統實驗

0 引 言

清華大學數字邏輯實驗課是在春季學期為大二學生開設的一門必修課程。它雖從理論課中分離出來，獨立設課，有獨立的學分，能給學生提供更多的實踐機會，但又與理論課密不可分，是一個整體[1]。傳統的數字邏輯實驗是以傳統的硬件搭試為主，采用常規的TTL邏輯器件(如邏輯門、計數器、觸發器等中小規模集成電路)以手工連線的方法來實現一定的數字邏輯電路功能，是純硬件的實驗。隨著EDA技術的成熟和發展，器件已由中、小規模的TTL集成電路發展到大規模可編程邏輯器件。可編程邏輯器件作為當前數字設計的主流器件，已經被大量應用于數字電路和數字系統中，代表了電子設計技術和應用技術的最新技術方向和潮流[2-5]。為了讓學生能夠及時掌握先進的電路設計方法，培養學生的創新能力，在實驗內容的設置上安排基于EDA技術的大規模可編程邏輯器件(CPLD)的實驗是極為必要的[6-9]。由于它是以軟件設計為主來進行電路的設計和調試，在實驗進度和實驗成本上都有著對傳統實驗非常好的互補效果。我們在自己開發的數字邏輯實驗平臺上嘗試將傳統實驗和CPLD實驗進行了結合，取得了較好的教學效果。

1 實驗模式的比較

1.1 數字邏輯實驗傳統模式

在傳統的數字邏輯實驗中，由實驗室向學生提供74系列固定功能標準芯片，學生在了解了實驗原理和認識標準芯片功能的基礎上，在實驗箱上手工接線來實現電路的功能。對于簡單的小型邏輯電路而言，這種方式基本上能夠保證學生比較容易地完成自己的設計，但當實驗電路的規模達到一定程度時，電路的可靠性會大大下降，故障往往是由接線錯誤如斷線等或由芯片接觸不良等因素引起。另外，由于各器件之間需要許多連線，一旦改變設計方案，不但需要更換器件，還需要重新進行大量的連線工作，學生在實驗過程中會有相當一部分的精力被牽扯進連線和查錯等這些瑣事中，因此會感到枯燥、乏味。這種模式缺乏靈活性，效率較低，在一定程度上制約了學生實驗興趣的培養和創新能力的發展。這種方法的優點，是便于學生建立起硬件概念，可以將課本上的符號與實際的元器件聯系起來，直觀、易懂，學生能夠掌握典型芯片的基本特性和主要應用，并能養成良好而規范的布線風格，同時熟悉常規的故障調試方法，有利于培養學生細致、耐心和嚴謹的工作作風[10]。

1.2 基于EDA技術的CPLD實驗模式

基于EDA技術的CPLD實驗模式是以EDA軟件為開發平臺，以大規模可編程邏輯器件(CPLD)作為電路載體，以硬件描述語言(VHDL)表達其電路的邏輯關系，學生只需在計算機上先用硬件描述語言編寫代碼，然后通過編譯、下載等步驟下載到CPLD器件中，就可以完成電路的設計[11-13]。用這種方式，學生可以把主要精力放在代碼的編寫上，避免了因接線錯誤、芯片接觸不良等所帶來的問題，使得電路設計從傳統的硬件搭接轉到了軟件設計和仿真調試上來。即使要改變設計，也只需在計算機上進行，然后重新進行編譯、下載即可，而不用象傳統實驗方法那樣要更換芯片、檢查硬件連線甚至重新搭接電路。同時，CPLD芯片具有極大的靈活性和通用性。由于設計周期短、修改容易且系統可靠性高，利用CPLD的可配置性，再配合適當的外圍電路，就可以做出多種不同的應用，這使其成為了符合現代數字系統設計技術發展趨勢的新型設計手段。其缺點是，學生往往會缺乏硬件概念，對實物元件缺乏感性認識，實際電路調試等能力得不到很好的訓練。

1.3 數字邏輯實驗教學模式

在數字邏輯實驗課上，我們采用的是傳統實驗和基于EDA技術的CPLD實驗相結合的實驗教學模式。傳統實驗采用的是“自底向上”的純硬件的設計方法，而基于EDA技術的CPLD實驗采用的是“自上而下”的硬件設計軟件化的方法。我們在控制好傳統實驗和CPLD實驗比例的基礎上，優化實驗項目，使得兩種方法的實驗相輔相成，相互補充，達到軟硬結合的目的，學生既能學會用中小規模器件設計簡單數字部件，又能掌握基于可編程邏輯器件(CPLD)設計復雜電路的知識。

2 數字邏輯實驗平臺

為優化實驗教學環境，實現實驗教學手段的現代化，我們專門為數字邏輯實驗課程設計開發了實驗平臺。該平臺整合了通用邏輯器件的連線實驗和可編程邏輯器件實驗，配備了齊全的工具設計，實驗平臺的整體結構見圖1。具體來說，它包括：

(1) 通用邏輯器件區。內有10個16腳的雙列直插器件的管座，支持實驗中的通用邏輯器件(主要是74系列的器件)的安裝，每個管座的管腳都被引出到一個臺階插座上，可以通過連接線將管腳連接起來形成所需電路。

(2) 可編程邏輯器件區。內有一片可編程邏輯器件CPLD、時鐘輸入插座、復位插座、連接USB下載線的插座、電源輸入的臺階插座、16個通用輸入/輸出端口的臺階插座。

(3) 數碼管區。有6個七段數碼管，3個帶譯碼電路的和3個不帶譯碼電路的。

(4) 開關輸入區。有8個撥動開關和2個微動開關。

(5) 發光二極管顯示區。有8個發光二極管。

(6) 五組TTL電平時鐘信號區。頻率分別為16、8、4、2、1 MHz。

(7) LED點陣區。有兩片8×8的LED雙色點陣，其管腳均已直接與CPLD相連，點陣為紅綠雙色點陣。

做傳統實驗時，學生可根據設計的電路選擇TTL集成電路芯片的型號，將芯片插在芯片插座上，通過手工連線，再使用開關、數碼管或指示燈等來完成分立器件的實驗。做CPLD實驗時，學生首先以Altera公司的QuatrusⅡ為開發平臺，在計算機上用硬件描述語言VHDL完成電路的設計，再通過編譯仿真，將.sof文件下載到數字邏輯實驗箱的可編程邏輯器件EPM240T100C5中，最后通過簡單的連線(開關、數碼管、燈等)來實現電路的功能。

3 實驗的規劃和內容

為使學生既能在有限的課時內高效地完成實驗，又能在軟硬兩方面都得到訓練，在數字邏輯實驗平臺上合理地規劃傳統實驗和基于EDA技術的CPLD可編程邏輯器件實驗的比重就顯得尤為重要。

圖1 實驗平臺的整體結構

例如，對于儀器的使用、芯片參數的測試等內容，就適合用傳統的實驗方法來完成，而對于復雜的組合邏輯電路、時序邏輯電路等內容，就適合運用EDA手段來進行實驗。另外，還有一些原理上大致相同內容的實驗，我們會安排讓學生分別用這兩種方法來實現。例如，要實現兩位加法(減法)電路的設計，可讓學生在實驗平臺上用傳統的實驗方法來實現，實驗過程中要使用的芯片有若干個、導線幾十根，學生在接線時容易出現錯誤，實驗的完成進度可能會受到影響，但這對于學生建立硬件概念，對增加對實物元件的感性認識以及提高實際電路調試能力等都是很好的訓練，因此該實驗的設立是必要的。對于四位加法器的設計實驗，可安排學生用CPLD來實現，實驗過程中電路的接線復雜程度會大大減少，導線只需十幾根即可，主要的工作是通過編寫程序代碼來完成的。通過這樣的實驗安排，可讓學生親身體驗到用這兩種方法來實現大致相同實驗目標的不同之處，辨析二者的優缺點，同時軟硬兩方面的知識也得到了鞏固和提高。

目前我們開設的數字邏輯實驗有：① 示波器實驗；② 與非門電路的測試(傳統實驗)；③ 點亮數字人生(CPLD實驗)；④ 兩位加法(減法)電路設計(傳統實驗)；⑤ 四位加法器設計(CPLD實驗)；⑥ 計數器設計(CPLD實驗)；⑦ 串行密碼鎖設計(CPLD實驗)；⑧ 定時控制電路的設計(傳統實驗)。

除數字邏輯實驗課程中的內容外，在理論課的最后幾周安排了自主選題的大實驗[14]。學生通過綜合運用在理論課和實驗課中所學的知識，自主選題，實現自己感興趣又有創意的大實驗項目。興趣是最好的老師，有興趣才會有動力去掌握好理論知識和實驗技能，并不斷積累經驗，在此基礎上才會有創新的成果[15]。通過以上這些數字邏輯實驗環節(傳統實驗、CPLD實驗、設計型和研究型實驗)的設計，學生將會得到較完整的訓練，這也為其隨后順利完成“計算機組成原理”、“系統結構”等課程的學習提供了知識保障。

4 考核方式和成績的評定

客觀合理地對學生的實驗成績進行評定是實驗教學環節的重要內容之一。我們不以實驗最終完成的情況作為惟一的判定標準，而是更加注重學生在實驗過程中知識和能力的表現。學生在實驗中可能會犯各種各樣的技術性錯誤，只要得到及時的糾正，都不會影響到最終的成績，因為這些過程都是其知識和能力積累由量變向質變進行轉變的必要階段。實驗的主要考核指標包括實驗預習報告、實驗過程、實驗結果、實驗報告、實驗考試等。對于自主選題的大實驗，除要求完成實驗報告外，還要組織學生進行公開答辯和演示自己的實驗裝置，綜合給出最終的成績。

5 結 語

我們在自己開發的數字邏輯實驗平臺上將傳統實驗和CPLD實驗進行了結合，合理設計和規劃了數字邏輯實驗教學，目的是發揮傳統實驗和CPLD實驗在實驗教學中各自的優勢，使學生既能熟悉符合現代數字系統設計技術發展趨勢的新型設計手段，又能建立起硬件概念，在實際電路的搭建和調試等方面得到訓練，并能培養嚴謹和細致的工作作風。實踐證明，這種基于實驗平臺的數字邏輯實驗教學不僅能夠幫助學生很好地理解和掌握理論課上學過的基本原理和知識，而且也使其在軟硬件兩方面都得到了很好的訓練。

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Digital Logic Experiment Teaching Based on Experimental Platform

TIANShu-zhen，QUANCheng-bin，LIShan-shan，YANGShi-qiang

(Department of Computer Science & Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Traditional experiments and EDA technique-based CPLD experiments have their own characteristics in digital logic experiment teaching. Therefore, we try to combine such two kinds of experiments in teaching with the aim of taking full advantage of them. This paper introduces the practice in digital logic experiment teaching based on experimental platform, which is under the guidance of such ideas. We scheduled experimental contents to be performed on the platform developed by us, which considers the ratio of the two kinds of experiments, also arranges the comprehensive experiment with topics selected independently by students, and grades students taking comprehensive performances into consideration. The results prove that the combination of such two kinds of experiments is beneficial to train students in improving their software and hardware application ability, not only in mastering the digital logic course effectively, but also in strengthening the ability of practice.

digital logic; EDA technique; programmable logic devices; traditional experiments

2014-06-23

田淑珍(1966-)，女，北京人，學士，工程師，主要從事計算機和電子技術的相關教學工作。

Tel.:13641328575;E-mail：tiansz@tsinghua.edu.cn

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1006-7167(2015)05-0195-04