基于FPGA的“數(shù)字電路”教學改革探索

艾偉清， 陳景波， 王 偉， 鐘黎萍

(常熟理工學院 電氣與自動化工程學院，江蘇 常熟 215500)

0 引言

“數(shù)字電路”是電子信息和自動化類工科專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)課。傳統(tǒng)的“數(shù)字電路”理論教學以布爾代數(shù)和邏輯卡諾圖為理論工具，以門電路和觸發(fā)器作為基本電路單元，以組合電路和時序電路作為知識主干[1～2]。實驗教學以中小規(guī)模集成芯片為主要器件，實驗手段局限在器件連線和傳統(tǒng)示波器等的使用。這樣傳統(tǒng)的教學方式導(dǎo)致培養(yǎng)的學生缺乏設(shè)計復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的能力、缺乏熟練使用現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計、測試和調(diào)試工具的能力，所學的知識與實際的技術(shù)應(yīng)用脫鉤[3]。

相對于集成度較低的標準芯片，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA擁有豐富的內(nèi)部資源，能根據(jù)應(yīng)用需求在硬件層進行靈活修改，適用于大型集成電路和數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)。越來越多的高校開始將FPGA作為主要的教改手段引入到“數(shù)字電路”理論和實驗課程中[2～6]。我院以硬件描述語言(Verilog HDL)為主要設(shè)計手段，以FPGA作為實現(xiàn)工具，將“數(shù)字電路”課程改革為“數(shù)字電路與FPGA設(shè)計”課程，精簡了傳統(tǒng)的教學內(nèi)容,按照從簡單組合電路到復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的順序，循序漸進地編排了理論教學內(nèi)容和實例訓(xùn)練[4]。實驗平臺也由傳統(tǒng)的實驗箱變?yōu)榭诖紽PGA開發(fā)平臺。

1 傳統(tǒng)教學內(nèi)容的精簡

1.1 邏輯函數(shù)與卡諾圖

傳統(tǒng)的教學內(nèi)容目的是讓學生掌握采用集成芯片設(shè)計中小規(guī)模數(shù)字電路的能力，因此，邏輯函數(shù)和卡諾圖的化簡是課程教學的重點。然而，在實際應(yīng)用中，小規(guī)模芯片的使用越來越少，取而代之的是擁有豐富片內(nèi)資源的現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA。因為器件中各種單元電路足夠多，也就沒必要對邏輯函數(shù)進行化簡[5]。因此，新課程對邏輯函數(shù)和卡諾圖的化簡內(nèi)容進行了大幅度的弱化，只介紹了基本的原則，不作為教學內(nèi)容的重點。

1.2 組合電路

傳統(tǒng)的組合電路教學內(nèi)容以門電路為基礎(chǔ)，以編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)值比較器和算術(shù)運算電路的集成模塊為主要對象，培養(yǎng)學生對小規(guī)模組合電路的分析和設(shè)計能力。基于FPGA在工業(yè)現(xiàn)場的大規(guī)模應(yīng)用，傳統(tǒng)的組合電路分析和設(shè)計方法已經(jīng)不適應(yīng)實際的生成需要。因此，新課程只對典型組合電路的功能進行簡單介紹，教學重點為Verilog HDL行為描述的常用語法介紹，包括always塊、if語句、case語句、參數(shù)和常數(shù)等，并通過一些常見組合邏輯電路實例來介紹基于Verilog HDL語言的設(shè)計方法，如二進制-BCD碼轉(zhuǎn)換器。

1.3 時序電路

傳統(tǒng)的教學內(nèi)容以各類鎖存器和觸發(fā)器模塊為基礎(chǔ)，并把時序邏輯電路的設(shè)計作為重中之重。在使用FPGA設(shè)計中小規(guī)模時序電路時，不需要考慮狀態(tài)的化簡，也不需要考慮觸發(fā)器的類型。因此，新課程中刪減了時序邏輯電路的傳統(tǒng)設(shè)計方法，弱化了不同結(jié)構(gòu)、功能和用途的鎖存器、觸發(fā)器的教學內(nèi)容，將教學重點關(guān)注到這些基礎(chǔ)時序邏輯單元的Verilog HDL描述方法上，如觸發(fā)器、寄存器、移位寄存器和計數(shù)器的Verilog HDL行為描述。在學生掌握簡單時序電路的FPGA設(shè)計方法后，新課程通過PWM脈沖調(diào)試器、7段數(shù)碼管動態(tài)掃描以及秒表等實例，進一步訓(xùn)練學生設(shè)計復(fù)雜時序電路的能力。

2 新增的教學內(nèi)容

為了進一步培養(yǎng)學生利用硬件描述語言和FPGA設(shè)計復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的能力，新增的教學內(nèi)容包括：FPGA與Vivado基礎(chǔ)，Verilog HDL基礎(chǔ)，計數(shù)器和狀態(tài)機架構(gòu)，IP核設(shè)計方法，串口通信控制器設(shè)計，內(nèi)部存儲器控制器設(shè)計，VGA控制器設(shè)計以及數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計案例。

2.1 FPGA與Vivado基礎(chǔ)

教學內(nèi)容主要為可編程邏輯器件的基本電路、表示方法，以及現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA的基本結(jié)構(gòu)及原理。教學重點為實驗平臺Basys3 FPGA開發(fā)板的結(jié)構(gòu)及主要資源介紹，并通過一個兩輸入門電路的FPGA設(shè)計實例說明開發(fā)環(huán)境Vivado的整個設(shè)計流程。

2.2 Verilog HDL基礎(chǔ)

教學內(nèi)容主要為Verilog HDL語言的基礎(chǔ)規(guī)范，包括標識符、數(shù)據(jù)類型、運算操作、關(guān)鍵字、注釋、模塊及端口聲明和定義以及編程規(guī)范。通過對Verilog HDL語言的學習，讓學生掌握自頂向下、結(jié)構(gòu)化的數(shù)字電路設(shè)計方法。

2.3 計數(shù)器與狀態(tài)機架構(gòu)

教學內(nèi)容主要為計數(shù)器架構(gòu)八步法和有限狀態(tài)機的Verilog HDL語言描述。計數(shù)器架構(gòu)八步法包括明確功能、功能波形分析、計數(shù)架構(gòu)、加1和結(jié)束條件、定義特殊點、完整性檢查、計數(shù)器代碼編寫、功能代碼編寫。通過PWM流水燈和數(shù)字鐘等實例進一步訓(xùn)練學生利用計數(shù)器架構(gòu)法設(shè)計復(fù)雜時序電路的能力。有限狀態(tài)機分為Moore狀態(tài)機和Mealy狀態(tài)機。通過序列檢測器、交通信號燈數(shù)字系統(tǒng)、密碼鎖設(shè)計和ADC采樣控制電路等實例實現(xiàn)學生運用狀態(tài)機設(shè)計簡單數(shù)字系統(tǒng)的能力。

2.4 IP核設(shè)計方法

隨著FPGA片內(nèi)資源的繼續(xù)增大，市場機制下的設(shè)計周期越來越短，基于可重復(fù)使用的第三方IP核完成復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的趨勢已經(jīng)不可避免。Xilinx提倡的積木式設(shè)計，正是與IP核緊密相關(guān)，用戶可以將功能性設(shè)計做成一個IP核，然后“組裝”起來成為產(chǎn)品[4]。教學重點為教授學生如何使用第三方IP核或打包自己開發(fā)的IP核實現(xiàn)簡單數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計。

2.5 串口通信控制器設(shè)計

當FPGA需要與外部數(shù)字設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送時，需要用到串行通信協(xié)議。教學內(nèi)容為四種串行通信協(xié)議的控制器設(shè)計,即UART總線、SPI總線、I2C總線和PS/2總線串行通信控制器的Verilog HDL行為描述。通過UART回環(huán)、OLED顯示、ADT7420溫度設(shè)置以及PS/2鍵盤控制等實例介紹了如何利用自頂向下的設(shè)計理念，基于先前學習的基本數(shù)字電路、計數(shù)器以及狀態(tài)機模塊，設(shè)計出具備通信能力的數(shù)字系統(tǒng)。

2.6 內(nèi)部存儲器控制器設(shè)計

當FPGA控制不同串行通信接口或不同設(shè)備間通信時，需要將多個字節(jié)的數(shù)據(jù)臨時按需要存入內(nèi)部的存儲單元或從內(nèi)部存儲單元中取出，此時需用到內(nèi)部存儲接口控制器。教學內(nèi)容主要為兩種內(nèi)部存儲器，即FIFO和RAM的Verilog HDL行為描述。從內(nèi)部存儲器的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸時序等方面介紹了內(nèi)部存儲器的數(shù)據(jù)通信原理，并通過PS/2鍵盤數(shù)據(jù)存取命令實例來訓(xùn)練學生進一步設(shè)計具備通信和數(shù)據(jù)存儲能力的數(shù)字系統(tǒng)。

2.7 VGA控制器設(shè)計

一個良好的人機交流數(shù)字系統(tǒng)需要有可視化的數(shù)據(jù)輸出。VGA視頻接口作為當前仍是最常用的視頻圖像接口，有必要在教學中引入。教學內(nèi)容為VGA接口信號功能、掃描顯示原理以及Verilog HDL行為描述。通過VGA顯示條紋、VGA顯示文字、VGA顯示圖像等實例逐步地訓(xùn)練學生設(shè)計具備通信、數(shù)據(jù)存儲和顯示功能的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的能力。

2.8 數(shù)字系統(tǒng)案例設(shè)計

為了進一步培養(yǎng)學生利用模塊化的思想設(shè)計復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的能力，新課程提供了若干數(shù)字系統(tǒng)案例。以俄羅斯方塊游戲機為例，需要用到PS/2通信模塊、RAM存儲模塊、VGA顯示模塊。控制核心需要用到先前學習的計數(shù)器架構(gòu)和狀態(tài)機架構(gòu)。通過俄羅斯方塊游戲機的學習，學生不僅能夠鞏固先前學習的數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)的FPGA設(shè)計方法，也能夠加強學習的興趣，為后續(xù)的創(chuàng)新實踐課程打好基礎(chǔ)。

3 實驗教學的改革

傳統(tǒng)的“數(shù)字電路”實驗課程獨立于理論課程，由實驗平臺的教師上課。因此，常常出現(xiàn)實驗課與理論課不同步，理論課沒上的內(nèi)容實驗課已經(jīng)開展了，學生學習效果差。另外，傳統(tǒng)的實驗平臺采用的是集成的數(shù)字電路實驗箱。實驗以74LS系列的小規(guī)模集成芯片為主要器件開展，故障率高，能開展的實驗有限，如基于狀態(tài)機的紅綠燈等實驗就很難實現(xiàn)。

改革后的“數(shù)字電路與FPGA設(shè)計”將實驗課程和理論課程相結(jié)合，由理論課教師直接帶領(lǐng)學生實驗，避免了實驗與理論不同步的問題。此外，實驗平臺也從集成的數(shù)字電路實驗箱改為了迪芝倫公司的口袋儀器Basys 3 FPGA開發(fā)平臺和Xilinx公司的編程軟件Vivado 2017.4。通過該實驗平臺，學生可以學習現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和調(diào)試流程，并能夠?qū)⒗碚撜n程中教授的案例逐一實現(xiàn)。這大大增強了學生學習的興趣和教學效果。

4 結(jié)語

本文以FPGA設(shè)計為基礎(chǔ)，從教學內(nèi)容的精簡和強化、實驗教學的改革兩個角度介紹了對傳統(tǒng)的“數(shù)字電路”課程的教改探索，旨在培養(yǎng)學生利用硬件描述語言和FPGA設(shè)計數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)的能力。改革后的課程實施效果良好，在學院工程教育專業(yè)認證中獲得了專家好評。