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微機接口技術(shù)論文(2)

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微機接口技術(shù)論文

  微機接口技術(shù)論文篇二

  基于FPGA的《微機原理與接口技術(shù)》實踐教學(xué)方法探討

  一、前言

  微機原理與接口技術(shù)是電子信息類理工科的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。內(nèi)容涵蓋微機原理、匯編語言程序設(shè)計及微機接口技術(shù),兼顧硬件和軟件2個方面,該課程的特點是概念抽象,實踐性強。實踐教學(xué)對于學(xué)生理解課程內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生動手能力是十分重要的。

  二、《微機原理與接口技術(shù)》實踐教學(xué)現(xiàn)狀

  隨著高等教育正在由知識型教育向能力培養(yǎng)為中心的教育進行轉(zhuǎn)變,電子信息類課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)都大大加強。但由于受到硬件實驗環(huán)境與實驗內(nèi)容制約,特別是《微機原理與接口技術(shù)》實踐教學(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,《微機原理與接口技術(shù)》實踐教學(xué)存在以下幾個方面的問題:

  (1)實驗內(nèi)容固定陳舊,大都是些傳統(tǒng)接口芯片功能的驗證實驗,由于實驗臺上的芯片資源有限,不具備進行多芯片組合的綜合型實驗的條件。大部分學(xué)校進行的還都是8位接口芯片的實驗,而現(xiàn)在常用的大部分是32位64位的接口,實驗內(nèi)容過時。同時一些多核處理器,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)實驗平臺落后,實驗平臺芯片資源少,擴展性差,只能進行一些簡單的功能驗證實驗,實驗內(nèi)容也因芯片種類和實驗臺架構(gòu)固定而不易調(diào)整,不能發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。平臺外設(shè)簡單,無法激發(fā)學(xué)生的興趣。

  (3)實驗技術(shù)落后,很多學(xué)校還采用的是搭積木式的設(shè)計方法進行教學(xué)[2],學(xué)生的實驗靈活性小,大都是按圖連線,下載程序的操作,限制了學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實驗簡單抽象,大都是些芯片功能上的驗證,啟發(fā)性小。

  (4)重軟輕硬,實驗重點大都集中在匯編語言的編寫,學(xué)生很少能自主的設(shè)計電路,也無法了解芯片的結(jié)構(gòu)以及時序,更不能自己設(shè)計芯片,大大限制了學(xué)生動手能力的培養(yǎng)[3]。

  微機接口技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電子信息各個領(lǐng)域,因此《微機原理與接口技術(shù)》是門應(yīng)用性很強的課程,學(xué)生通過學(xué)習(xí)達到在掌握理論的基礎(chǔ)上,能運用所學(xué)知識解決一些實際問題的能力。但因為在實踐教學(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”的目標是不相符的。

  三、將FPGA技術(shù)與《微機原理與接口技術(shù)》實踐教學(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FPGA芯片中有豐富的邏輯單元,可以滿足設(shè)計復(fù)雜電路的需要,用FPGA技術(shù)對微機接口實驗平臺進行改進,正好彌補了現(xiàn)有平臺,芯片資源少,擴展性差,電路設(shè)計受限的缺點。配上USB,SATA接口,液晶屏等新型外設(shè)以及相應(yīng)IP核,學(xué)生便可以進行一些新的接口技術(shù)的實驗,增強了實驗的趣味性,也加強了學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。同時由于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],知識跨度大,而且學(xué)生缺少復(fù)雜邏輯與接口設(shè)計的實踐機會,將FPGA教學(xué)引入《微機原理與接口技術(shù)》實踐教學(xué)正好彌補了這一空缺。在熟練掌握電路設(shè)計的基礎(chǔ)上,學(xué)生可以運用微機接口,組成原理,體系結(jié)構(gòu),數(shù)字邏輯等知識設(shè)計多模塊的系統(tǒng),使學(xué)生通過實踐教學(xué)將計算機多門硬件基礎(chǔ)課程融合成一個有機的整體。

  四、基于FPGA的《微機原理與接口技術(shù)》實踐教學(xué)方法

  1.改進實驗硬件環(huán)境

  我們學(xué)?!段C原理與接口技術(shù)》是一門重要的計算機專業(yè)基礎(chǔ)課,多年來一直努力探索實踐教學(xué)的改革方法。我們與Xilinx(賽靈思)公司建立了聯(lián)合實驗室,并自主研發(fā)了基于FPGA的微機接口實驗平臺[6]。該平臺采用多模塊“樂高”思想分為:芯片組板、FPGA擴展板、外設(shè)板等三個部分并且可以靈活組合,便于調(diào)整與維護。芯片組板可以用來進行傳統(tǒng)的接口實驗,F(xiàn)PGA板可以用來學(xué)習(xí)硬件編程,同時還有配套的用Verilog實現(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。因為FPGA中豐富的邏輯資源,學(xué)生可以在FPGA中配置多個接口芯片,并且可以用FPGA實現(xiàn)16位、32位接口芯片,從而設(shè)計復(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機與實驗平臺是采用FPGA邏輯配合橋接芯片實現(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,同時提供相應(yīng)的實驗供學(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),實驗結(jié)果的驗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)實驗和開發(fā)的需要,組裝成新的IO外設(shè)板??傮w上因為FPGA技術(shù)與新型外設(shè)的引入大大增強了實驗平臺的擴展型,而且實驗平臺功能豐富可用于學(xué)生畢業(yè)設(shè)計,電了競賽等綜合型實驗中。

  2.改進 實踐教學(xué)的內(nèi)容

  在以前的實驗 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證的實驗,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證實驗的時間,將更多的時間用在接口芯片電路的設(shè)計上。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)計一些多芯片電路,解決一些實際問題,如車輛計數(shù)系統(tǒng),點歌系統(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)動的實驗,擴展學(xué)生的視野,將學(xué)生的知識與現(xiàn)實 應(yīng)用緊密 聯(lián)系起來。鼓勵有興趣的,學(xué)有余力的學(xué)生充分利用實驗臺上的外設(shè)擴展進行綜合性實驗,為電子競賽與畢業(yè)設(shè)計打基礎(chǔ)。

  3.新實踐教學(xué)方法的推進

  在教學(xué)方法的推廣上,采用以點帶面的方式,為有興趣的同學(xué)開展微機及接口技術(shù)的實訓(xùn)培訓(xùn),由學(xué)生自愿報名擇優(yōu)參加。由于實驗內(nèi)容貼近應(yīng)用,且有趣新穎,學(xué)生報名踴躍。經(jīng)過兩期實訓(xùn)班,實訓(xùn)成果明顯,已有多名同學(xué)開始自主 申請科研項目并獲得校級基金資助(例如正在進行的項目有:數(shù)控直流穩(wěn)壓電源(立項編號:KYCX110403Z)和基于壓電傳感器和個人 計算機構(gòu)成的體溫信號實時監(jiān)測系統(tǒng)(立項編號:KYCX110411Z)),同時在期刊上公開 發(fā)表科技論文[7,8]。同時教學(xué)中采用“以競賽促學(xué)習(xí)”的模式,在實訓(xùn)班之外成立興趣小組, 組織同學(xué)們參加挑戰(zhàn)杯、全國和省級電子設(shè)計大賽、Xilinx OPENHW等相關(guān)比賽,調(diào)動學(xué)生的積極性,在比賽中培養(yǎng)學(xué)生的團隊能力,增強同行業(yè)內(nèi)的交流。通過一系列新型實踐教學(xué)方法的運用,學(xué)生動手解決問題的能力大大加強,畢業(yè)學(xué)生的能力得到用人單位的認可和好評。

  我們有針對性開發(fā)的微機接口技術(shù)教學(xué)實驗平臺,對實驗內(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)實踐活動。接下來,準備在現(xiàn)有實驗平臺的基礎(chǔ)上建立相關(guān) 網(wǎng)絡(luò)平臺,加強課堂和課外聯(lián)系,使微機原理和接口技術(shù)實驗對廣大學(xué)生真正做到完全開放。

  五、結(jié)束語

  計算機實踐教學(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算機實踐教學(xué)的進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計算機硬件教學(xué)的發(fā)展。

  
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