微機(jī)接口技術(shù)論文(2)
微機(jī)接口技術(shù)論文
微機(jī)接口技術(shù)論文篇二
基于FPGA的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)踐教學(xué)方法探討
一、前言
微機(jī)原理與接口技術(shù)是電子信息類理工科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。內(nèi)容涵蓋微機(jī)原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)及微機(jī)接口技術(shù)，兼顧硬件和軟件2個(gè)方面，該課程的特點(diǎn)是概念抽象，實(shí)踐性強(qiáng)。實(shí)踐教學(xué)對于學(xué)生理解課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力是十分重要的。
二、《微機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀
隨著高等教育正在由知識(shí)型教育向能力培養(yǎng)為中心的教育進(jìn)行轉(zhuǎn)變，電子信息類課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)都大大加強(qiáng)。但由于受到硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容制約，特別是《微機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)踐教學(xué)只發(fā)生了量變而非質(zhì)變，仍處于滯后的位置。
在目前的教學(xué)中，《微機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)踐教學(xué)存在以下幾個(gè)方面的問題：
(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定陳舊，大都是些傳統(tǒng)接口芯片功能的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的芯片資源有限，不具備進(jìn)行多芯片組合的綜合型實(shí)驗(yàn)的條件。大部分學(xué)校進(jìn)行的還都是8位接口芯片的實(shí)驗(yàn)，而現(xiàn)在常用的大部分是32位64位的接口，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過時(shí)。同時(shí)一些多核處理器，PCI—Express總線，SATA接口技術(shù)等一些新技術(shù)根本沒有涉及[1]。
(2)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)落后，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)芯片資源少，擴(kuò)展性差，只能進(jìn)行一些簡單的功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也因芯片種類和實(shí)驗(yàn)臺(tái)架構(gòu)固定而不易調(diào)整，不能發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。平臺(tái)外設(shè)簡單，無法激發(fā)學(xué)生的興趣。
(3)實(shí)驗(yàn)技術(shù)落后，很多學(xué)校還采用的是搭積木式的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行教學(xué)[2]，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)靈活性小，大都是按圖連線，下載程序的操作，限制了學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)簡單抽象，大都是些芯片功能上的驗(yàn)證，啟發(fā)性小。
(4)重軟輕硬，實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)大都集中在匯編語言的編寫，學(xué)生很少能自主的設(shè)計(jì)電路，也無法了解芯片的結(jié)構(gòu)以及時(shí)序，更不能自己設(shè)計(jì)芯片，大大限制了學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)[3]。
微機(jī)接口技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電子信息各個(gè)領(lǐng)域，因此《微機(jī)原理與接口技術(shù)》是門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，學(xué)生通過學(xué)習(xí)達(dá)到在掌握理論的基礎(chǔ)上，能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決一些實(shí)際問題的能力。但因?yàn)樵趯?shí)踐教學(xué)中存在以上問題，學(xué)生在學(xué)完這門課程后，大都停留在了解幾個(gè)常用接口芯片的常用工作方式的層面上。這和高等教育“培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才”的目標(biāo)是不相符的。
三、將FPGA技術(shù)與《微機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合
FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯陣列)技術(shù)[4，8]，用戶可以通過硬件編程語言重新配置芯片內(nèi)部的電路，同時(shí)FPGA芯片中有豐富的邏輯單元，可以滿足設(shè)計(jì)復(fù)雜電路的需要，用FPGA技術(shù)對微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，正好彌補(bǔ)了現(xiàn)有平臺(tái)，芯片資源少，擴(kuò)展性差，電路設(shè)計(jì)受限的缺點(diǎn)。配上USB，SATA接口，液晶屏等新型外設(shè)以及相應(yīng)IP核，學(xué)生便可以進(jìn)行一些新的接口技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，也加強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。同時(shí)由于FPGA技術(shù)的廣泛應(yīng)用，很多大學(xué)也開設(shè)了相關(guān)課程，但大都從硬件語言和SOPC(可編程片上系統(tǒng))兩方面作手[5]，知識(shí)跨度大，而且學(xué)生缺少復(fù)雜邏輯與接口設(shè)計(jì)的實(shí)踐機(jī)會(huì)，將FPGA教學(xué)引入《微機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)踐教學(xué)正好彌補(bǔ)了這一空缺。在熟練掌握電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以運(yùn)用微機(jī)接口，組成原理，體系結(jié)構(gòu)，數(shù)字邏輯等知識(shí)設(shè)計(jì)多模塊的系統(tǒng)，使學(xué)生通過實(shí)踐教學(xué)將計(jì)算機(jī)多門硬件基礎(chǔ)課程融合成一個(gè)有機(jī)的整體。
四、基于FPGA的《微機(jī)原理與接口技術(shù)》實(shí)踐教學(xué)方法
1.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境
我們學(xué)?！段C(jī)原理與接口技術(shù)》是一門重要的計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課，多年來一直努力探索實(shí)踐教學(xué)的改革方法。我們與Xilinx(賽靈思)公司建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，并自主研發(fā)了基于FPGA的微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[6]。該平臺(tái)采用多模塊“樂高”思想分為：芯片組板、FPGA擴(kuò)展板、外設(shè)板等三個(gè)部分并且可以靈活組合，便于調(diào)整與維護(hù)。芯片組板可以用來進(jìn)行傳統(tǒng)的接口實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)PGA板可以用來學(xué)習(xí)硬件編程，同時(shí)還有配套的用Verilog實(shí)現(xiàn)8255，8253，8251接口芯片的邏輯，將其下載到FPGA中可以代替相應(yīng)的接口芯片。因?yàn)镕PGA中豐富的邏輯資源，學(xué)生可以在FPGA中配置多個(gè)接口芯片，并且可以用FPGA實(shí)現(xiàn)16位、32位接口芯片，從而設(shè)計(jì)復(fù)雜的接口電路。FPGA中還可以配置多種CPU架構(gòu)如80X86，8051的IP核，可以建立多種系統(tǒng)架構(gòu)。PC機(jī)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是采用FPGA邏輯配合橋接芯片實(shí)現(xiàn)PCI總線接口轉(zhuǎn)ISA總線接口，支持硬件在線編程與調(diào)試，同時(shí)提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)供學(xué)生學(xué)習(xí)PCI總線接口與ISA總線接口。外設(shè)板上在傳統(tǒng)外設(shè)的基礎(chǔ)上還提供了液晶屏，USB接口，DDRⅡ接口，SPI接口，傳感器等新型外設(shè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證方法將更加豐富有
趣，大大提供了學(xué)生的興趣，并且可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)和開發(fā)的需要，組裝成新的IO外設(shè)板?？傮w上因?yàn)镕PGA技術(shù)與新型外設(shè)的引入大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的擴(kuò)展型，而且實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能豐富可用于學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)，電了競賽等綜合型實(shí)驗(yàn)中。
2.改進(jìn) 實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容
在以前的實(shí)驗(yàn) 內(nèi)容基礎(chǔ)上，用ISE軟件仿真接口芯片，簡化以前芯片功能驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過軟件仿真可以很清楚的了解接口芯片和總線接口的 工作時(shí)序，不用硬件連線便可以得到接口芯片各方式下的波形，從而縮短芯片功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，將更多的時(shí)間用在接口芯片電路的設(shè)計(jì)上。在學(xué)生了解各接口芯片的工作方式后，便可用FPGA仿真的接口芯片與板載芯片配合設(shè)計(jì)一些多芯片電路，解決一些實(shí)際問題，如車輛計(jì)數(shù)系統(tǒng)，點(diǎn)歌系統(tǒng)等，可讓學(xué)生自由發(fā)揮，極大發(fā)揮創(chuàng)造性，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。在學(xué)生熟練的掌握硬件編程 語言的情況下，學(xué)生可以自己編寫接口邏輯，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的通信。增加PCI總線接口，ISA總線接口，8051架構(gòu)，USB，DDR接口驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展學(xué)生的視野，將學(xué)生的知識(shí)與現(xiàn)實(shí) 應(yīng)用緊密 聯(lián)系起來。鼓勵(lì)有興趣的，學(xué)有余力的學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的外設(shè)擴(kuò)展進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)，為電子競賽與畢業(yè)設(shè)計(jì)打基礎(chǔ)。
3.新實(shí)踐教學(xué)方法的推進(jìn)
在教學(xué)方法的推廣上，采用以點(diǎn)帶面的方式，為有興趣的同學(xué)開展微機(jī)及接口技術(shù)的實(shí)訓(xùn)培訓(xùn)，由學(xué)生自愿報(bào)名擇優(yōu)參加。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貼近應(yīng)用，且有趣新穎，學(xué)生報(bào)名踴躍。經(jīng)過兩期實(shí)訓(xùn)班，實(shí)訓(xùn)成果明顯，已有多名同學(xué)開始自主 申請科研項(xiàng)目并獲得校級(jí)基金資助(例如正在進(jìn)行的項(xiàng)目有：數(shù)控直流穩(wěn)壓電源(立項(xiàng)編號(hào)：KYCX110403Z)和基于壓電傳感器和個(gè)人 計(jì)算機(jī)構(gòu)成的體溫信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)(立項(xiàng)編號(hào)：KYCX110411Z))，同時(shí)在期刊上公開 發(fā)表科技論文[7,8]。同時(shí)教學(xué)中采用“以競賽促學(xué)習(xí)”的模式，在實(shí)訓(xùn)班之外成立興趣小組， 組織同學(xué)們參加挑戰(zhàn)杯、全國和省級(jí)電子設(shè)計(jì)大賽、Xilinx OPENHW等相關(guān)比賽，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，在比賽中培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)能力，增強(qiáng)同行業(yè)內(nèi)的交流。通過一系列新型實(shí)踐教學(xué)方法的運(yùn)用，學(xué)生動(dòng)手解決問題的能力大大加強(qiáng)，畢業(yè)學(xué)生的能力得到用人單位的認(rèn)可和好評(píng)。
我們有針對性開發(fā)的微機(jī)接口技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整方便組裝靈活，教師通過學(xué)術(shù)交流、互聯(lián)網(wǎng)等手段快速了解相關(guān)技術(shù)動(dòng)態(tài)后，可快速調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新行技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)。接下來，準(zhǔn)備在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上建立相關(guān) 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，加強(qiáng)課堂和課外聯(lián)系，使微機(jī)原理和接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)對廣大學(xué)生真正做到完全開放。
五、結(jié)束語
計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)只有不斷嘗試，不斷創(chuàng)新，不斷改革，才能夠不斷 發(fā)展。我們所做的工作對于計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的進(jìn)一步改革具有較好的借鑒作用，也必將在以后的工作中不斷推動(dòng)計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的發(fā)展。
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