朱学玲
【摘 要】数字逻辑电路是计算机类、电子类专业的专业基础必修课程,本课程原理性和操作性都很强,对于计算机专业来说,它是计算机组成原理、嵌入式等后继硬件课程必需的先修课程,其教学效果直接影响到后继的硬件课程。
【关键词】数字逻辑;电路教学;模式改革
中图分类号: TN791-4;G642 文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2019)22-0107-001
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.046
传统的教学模式,都是先讲解理论知识,理论知识主要以逻辑关系、组合电路的分析设计、组合电路模块的应用、触发器、时序电路几个部分组成,实践部分则是在试验箱上以插拔式实验为主,这种实践方式的优势在于学生容易接受、操作简单,但这种方式也容易使得学生走进误区,主要有四个表现:
一是会让学生忽视对理论知识的学习,学生会以为数字逻辑电路主要就是连线操作,从而出现“重操作,轻理论”的现象,此处的“操作”仅仅停留在连线上,我们经常会见到熟练的“连线操作工”,却不是电路学得很好的同学,因为他并不熟悉原理性知识,不懂得实验为什么会有相应的结果,只是为了连线而连线。
二是学生被实验中出现的芯片损坏、接触不良、导线不通等问题干扰,不仅耽误了大量的时间在排查错误上,还会打消学生实验的积极性。
三是学生会认为数字逻辑电路是纯硬件的课程,跟软件、编程没有一点点关系,我们知道,计算机软硬一家,两者相辅相成,谁都不可能只使用硬件或软件。
除了传统教学模式对学生产生的以上三方面误导以外,从技术角度来说,传统的教学模式与现在世界上流行的先进技术脱节。
新工科环境下,要求高校注重学生的系统认知、系统分析和设计、系统应用等计算机系统能力的培养,培养出高质量的应用型人才,使得学生走出校门能够快速适应以新技术、新业态、新产业为特点的新经济发展,这就要求我们必须对数字逻辑电路课程的教学模式进行改革。
目前,许多高校为了提高学生对数字逻辑电路课程的学习兴趣,提高教学效果,都已采用软硬结合的教学方式,把硬件描述语言引入到数字逻辑电路中,主要采用的有VHDL、Verilog、SystemC、System Verilog等,仿真软件以Logisim和Vivado为主打,在这些仿真软件上不仅可以实现数字逻辑电路,还可以对计算机组成原理等后继硬件课程进行,最终在实验平台上实现逻辑功能。本文我们采用了Verilog语言、Vivado环境,所采用的实验平台是基于Xilinx Artix-7 FPGA研发平台,以数字逻辑电路中的分频器实验项目为例介绍。
不管是传统的教学模式,还是改革后的教学模式,分频器都是必做的实验项目之一,与传统模式不同的是,不再使用插拔式试验箱,而是采用了Verilog语言和Vivado环境,所以在实验之前的理论教学环节中需要增加有关编程规则的介绍。
同一功能在实现时方法不是唯一的,此处是以对时钟端实现分频为例,编程思路是以if循环为主,首先在模块中声明模块的输入和输出端口:
input clk,
output clk_out
再通过常量COUNTER_WIDTH对reg型变量reg_cnt建立数组来对存储器建模,实现对存储器的读写:
reg[26:0]reg_cnt=27'd100000000;
reg tmp=1'b0;
最后在always块中使用If语句实现对时钟端的分频:
always@(posedge clk)
if(reg_cnt>1'b0)
reg_cnt<=reg_cnt-1'b1;
else
begin
reg_cnt<=27'd100000000;
tmp<=~tmp;
end
assign clk_out=tmp;
源文件在综合没有错误之后,在下板之前,可以进行仿真,为了更好的观察分频效果,可适当调整仿真时间,仿真效果如图1所示。
图1中第一条是时钟端clk波形,第二条是输出端clk_out的波形,从波形周期或频率的变化上可以明显观察到分頻效果。
仿真结束后进行管脚约束,生成相应的约束文件,再编译生成Bit流文件,最后就可以连接开发板(Open Target)并下板(Program Device),在开发板的上也能观察到分频效果。
通过分频器的实验过程来看,新型的教学模式完全颠覆了传统教学模式,不管是理论教学环节还是实践环节都有很大的变化,尤其是实践环节几乎是与传统的实验方式完全不同,不再是以连线为主的纯硬件操作,而是通过代码驱动实验板实现逻辑功能,这种教学模式能够把软硬件有机结合,使学生从繁琐的连线及线路错误的排查中解脱出来,把学习的重点放在代码的优化和对逻辑关系的应用上,如何通过硬件描述语言实现逻辑功能成为学生学习和实践的重心,大大提高了学生的编程能力、对理论知识的应用能力以及学习的兴趣,不管是从教学效果以及数字逻辑电路与后继课程的衔接上来说,还是从教学过程中对学生FPGA开发能力培养的角度来说,对数字逻辑电路的理论和实践教学进行全方位的改革势在必行。
【参考文献】
[1]张志军,于红斌,张爱丽,等.王岁花地方高师院校数字逻辑电路课程教改初探[J].中国轻工教育,2015(2):83-85.
[2]赵天翔,何金枝.以verilogHDL为重点的数字逻辑课程教学改革与实践[J].电脑知识与技术,2016,12(35):177-178.