关于我校数字电路实验课建设的设想

阿不来提·吉力力 帕提古丽·木沙

(和田师范专科学校计算机科学系，新疆 和田 848000)

一、课程介绍

随着集成技术和计算机技术的发展，数字系统由分立元件、小规模集成电路SSI、中规模集成电路MSI 等构成的电路级系统过渡到大规模集成电路LSI、超规模集成电路VLSI 等芯片级构成的片上系统。经历了传统的从单元到系统(从下到上)逐级整合，向现代的从系统到单元(从上到下)逐级细化的过渡过程。数字逻辑的设计方法从以人工设计为主发展为以计算机辅助设计为主，电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)技术已成为目前电子系统设计的主流。《数字逻辑电路实验》是计算机专业的基础课，为此，我们想通过本系课程建设，对该课程改革提出一些设想。

二、课程建设目标与规划

(一)编写或修订教学大纲。重新编写教学大纲，加强实践的基础训练和理论知识的综合运用，突出课程的实践特点，开拓出开放性教学、实验和课题，更加重视创新能力的培养。

(二)编写或选用国内外优秀教材及教学参考资料，计划编写《数字电路实验指导书》。

(三)考试命题、评分改革。学生在规定时间内完成指定实验，在研讨会上每个同学要用5－10 分钟进行方案论证和说明，经指导教师审查或修改，根据其最终完成情况评定分数。分数由平时表现(包括出勤率、自学和提问情况)和最终成果评定分两部分构成。

(四)教学方法改革。传统教学实验模式下，学生往往被限制在教师事先设定好的诸多限定条件之内，实验内容也多偏向于课堂讲授内容的理解和验证。这对完成最基本的实验要求(包括基本实验方法的训练、实验仪器的使用等)可能是需要的。但在这样的实验环境和气氛下，学生发挥自身潜能的余地和空间很小。

建立开放性的实验环境，允许学生结合课程学习及自己的专业特点、时间安排或兴趣爱好提出实验题目、设计实验方案或实验构想，并可在一个较宽松的实验环境，可灵活选择的时间范围内(如周末或假期期间)完成。设置这样的实验环境和条件，有利于培养学生主动学习的能力和创造意识。

教学过程以学生为主体，以教师引导和协助为辅。改变以往学生听课为主，照搬实验被动接受知识的学习模式，变成结合课题研究与工程设计为主动学习的变革，充分发挥学生自主学习的积极性，丰富实践教学的题目。使用多媒体教学手段，制作课件。利用网络课堂，进行答疑，提交方案，并进行专题讨论。

(五)提高师资学术水平。科学技术的迅速发展，知识更新速度加快，电子媒介不断涌现，人们获取知识的手段多样化，深刻地影响着高等教育的理念和教学方式。这些都要求教师必须树立终身学习的理念，始终保持探索新知识的兴趣和能力。任课教师将不定期的参加校内外的各种师资培训、进行学术交流，注重学习新技术，不断提高自身业务能力。

三、加强教学实践环节的措施

(一)首先设立一套能激发学生学习兴趣的实验题目。由于自主性实验需要学生独立、系统的完成实验任务，需要耗费较多时间，如果实验题目不能引起学生们的兴趣，他们是不会花费精力和时间的。因此，选题是一个很重要的环节。

(二)实验内容安排要有利于培养学生的创新能力。基础实验采用TDS－2 数字电路实验系统，使用小规模集成电路(SSI)是资源密度仅几个门的集成逻辑门，如与门、或门、异或门和触发器等;中规模集成电路(MSI)是资源密度仅几十个门或几百个门的标准功能模块，如计数器，寄存器、译码器、数据选择器。综合实践平台采用GW48－SOPC 实验系统，使用Altera 公司的超大规模通用可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device)，资源密度在上千门至百万门之间，使数字系统设计从电路级深入到了芯片级，用Altera 公司的MAX_Plus Ⅱ或QuartusⅡ，允许学生在印刷线路板上编辑和修改器件逻辑功能，使硬件功能的重构与软件设计一样方便。

1．设计准备。学生首先根据任务要求进行设计分析，按系统复杂程度划分功能单元，然后进行方案论证，权衡系统工作速度、PLD 器件资源、产品成本及连线的布通率等，选择合适的设计方案和性能比高的PLD 器件。设计以项目工程的形式进行，新建项目时可指定项目的存放路径和目录、设计工程名称以及最高层设计实体的名称、指定目标器件的系列和型号，最后工程向导会给出设计报告。

2．设计输入。学生在编辑器中建立源文件，阐明设计要求。源文件可以是原理图方式或文本方式。原理图方式使用逻辑符号组构电路，容易理解与掌握。开发软件平台除提供功能强大的各类器件库外(如逻辑门、触发器、组合功能部件、时序功能部件、存储器等)，还允许学生自己建立特殊的器件符号。文本方式是采用硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)描述电路的输入、输出关系及逻辑功能，学生可以不需要熟悉系统的底层电路和PLD 的内部结构，通过逻辑描述就能确定设计方案的可行性;

3．分析与综合。分析与综合是PLD 开发软件对设计文件进行处理的第一步骤。首先由编译器分析检验设计输入是否符合规范，包括逻辑规则检测、网络连接检测、信号来源和流向检测等。比如图形设计文件中信号线有无漏接、信号有无双重来源，元件端口属性是否匹配;文件设计中有无关键字、逻辑语法或结构等错误。检验通过后编译器对设计文件进行优化和综合，简化逻辑方程式以减少设计占用的资源，并综合成一个网表文件形成系统逻辑模型。

4．功能仿真。功能仿真可验证系统模型是否满足设计功能要求。仿真的测试码或测试序列可以通过建立矢量波形文件、矢量文件和矢量输出文件设置。其中矢量波形文件以设计文件的输入、输出时序波形直接显示设计对象的逻辑关系，与时序波形图相似，适用于具有重复状态变化特征的逻辑函数。在波形编辑器中，一般可以选择需要观察的输入、输出节点，对输入信号赋值、改变信号状态的显示方式等。只要给定各测试输入信号的时序关系或逻辑电平，仿真器就以信号波形图或仿真报告文件的形式给出逻辑仿真结果甚至信号的传输时间供设计者分析。如果逻辑功能不符合设计要求，学生可以修改设计直至要求满足。

5．时序仿真。由于不同器件的不同布局对系统信号延时有不同的影响，因此在器件适配完成后可以进行时序仿真，分析信号传输延时，检查和消除竞争冒险现象，估计系统设计性能。

6．编译适配。编译器将经过分析综合后的优化逻辑关系与器件中逻辑单元和输入、输出单元适配，把设计分割成多个逻辑小块影射到器件各相应的单元，确定各单元的组态和互连关系。完成适配后，编译器以最优化方式对PLD 器件进行布局布线，将器件、逻辑单元和引脚分配信息转换为该器件的编程图像，产生报告文件及器件编程信息的数据文件。学生可以检查适配布局的结果，根据报告修改源文件的逻辑错误，或在器件底层编辑器中修改物理层的局部布局、布线，直至适配正确，通过并符合布局要求。

7．器件编程配置。PLD 设计开发的最后步骤就是对目标器件编程配置。编程配置需要满足器件生产厂家规定的条件，比如编程电压、编程模式、编程时序和编程算法等。采用在系统编程ISP(In－System Programming)的FPGA(Field Programmable Gate Array)只需一条编程下载电缆，即可以从计算机的通信接口下载数据文件。编程电缆必须配有符合编程要求的接口电路，编程时目标器件必须上电，编程器先检测编程对象，建立对话联系后才输出编程数据文件，完成配置后进行数据校验。

(三)为学生营造一个相互交流的课堂氛围。课堂是学生实施自己计划的主战场，教师不应再去面面俱到的指导学生如何做实验，而应针对不同学生的不同设计方案和不同问题做一些关键性的指导，形成一个以学生自己动手为主．教师引导与点评相结合的启发式教学模式。遇到问题时需更多的鼓励学生们自己想办法解决，教师切忌有问必答，一切包办代替，否则就失去了自主性实验的意义。只有这样才能更加活跃学生的思维，才能真正培养学生分析问题、解决问题的能力。

(四)以小论文形式书写实验报告。这是自主性实验的一个重要环节。它可以使学生对提前预先设计的方案，课中遇到的难点和疑点及课后数据分析中出现的问题进行归纳、整理、分析和总结，有助于培养学生高度概括实验的能力，使他们学会用简洁、准确的语言来表达自己的实验过程和观点。

四、结论

选用中小规模集成电路芯片进行的试验，要在面包板上连接电路，做单元小样试验，体现了比较传统的教学内容和实验安排，往往因接线紊乱和接触不良带来各类麻烦，实验比较费时和枯燥;而采用计算机辅助设计EDA，使逻辑电路设计、模拟仿真等琐碎的工作都可以脱离具体对象，在构筑于计算机平台上的虚拟环境中自动实现。由于计算机的强大运算处理能力，采用EDA 技术设计的逻辑电路不需要考虑逻辑化简问题，硬件试验也被功能仿真所取代，学生只要将功能要求在开发平台中建立起系统模型，然后输入合适的测试码或测试序列，EDA 软件就会自动对电路模型进行测试，并以波形图或文本方式给出测试结果，供学生分析电路功能是否符合预期的设计要求。如需要修改设计，通常只需要对设计文件作适当调整，并无牵一发动全身之虑。EDA 不仅可以提高试验教学效率、优化教学过程，而且还可以使实验教学更加生动、活泼、直观，不断激发学生的学习情感，提高学习兴趣，同时也提高了教师的教学水平。

开设数字逻辑的课程设计，先分析实验目的和特点，利用已有的数字逻辑电路的基本知识，学生自己提出解决问题的方法，设计电路，模拟实验方案、设计数据表格等。不仅可以使学生由“被动式”实验转变为“主动探索式”实验，而且给学生提供了独立思考的空间，学生可以有足够的时间来反复修改实验方案，研究实验现象，分析实验结果，通过实验促进学生分析问题、解决问题和创新的能力，促进学生个性的发展。使实验室真正成为为培养学生综合能力和创新人才的重要基地。

［1］陈冀川．计算机硬件技术实践教程［M］． 清华大学出版社，2009．

［2］江浩．计算机硬件实验教学与管理探索［J］．电脑知识与技术，2011，(27)．

［3］刘新平．计算机硬件综合实验开发平台［J］．实验研究与探索，2008，(3)．