基于FPGA的《微机原理与接口技术》实践教学方法探讨

1、基于FPGA的?微机原理与接口技术?理论教学方法讨论基于FPGA的?微机原理与接口技术?理论教学方法讨论一、前言论文联盟.Ll.微机原理与接口技术是电子信息类理工科的一门重要专业根底课。内容涵盖微机原理、汇编语言程序设计及微机接口技术，兼顾硬件和软件2个方面，该课程的特点是概念抽象，理论性强。理论教学对于学生理解课程内容，培养学生动手才能是非常重要的。二、?微机原理与接口技术?理论教学现状随着高等教育正在由知识型教育向才能培养为中心的教育进展转变，电子信息类课程的理论教学环节都大大加强。但由于受到硬件实验环境与实验内容制约，特别是?微机原理与接口技术?理论教学只发生了量变而非质变，仍处于滞后的

2、位置。在目前的教学中，?微机原理与接口技术?理论教学存在以下几个方面的问题：1实验内容固定陈旧，大都是些传统接口芯片功能的验证实验，由于实验台上的芯片资源有限，不具备进展多芯片组合的综合型实验的条件。大局部学校进展的还都是8位接口芯片的实验，而如今常用的大局部是32位64位的接口，实验内容过时。同时一些多核处理器，PIExpress总线，SATA接口技术等一些新技术根本没有涉及1。2实验平台落后，实验平台芯片资源少，扩展性差，只能进展一些简单的功能验证实验，实验内容也因芯片种类和实验台架构固定而不易调整，不能发挥学生的创新才能。平台外设简单，无法激发学生的兴趣。3实验技术落后，很多学校还采用的

3、是搭积木式的设计方法进展教学2，学生的实验灵敏性小，大都是按图连线，下载程序的操作，限制了学生的设计创新才能的培养。实验简单抽象，大都是些芯片功能上的验证，启发性校4重软轻硬，实验重点大都集中在汇编语言的编写，学生很少能自主的设计电路，也无法理解芯片的构造以及时序，更不能自己设计芯片，大大限制了学生动手才能的培养3。微机接口技术被广泛应用于电子信息各个领域，因此?微机原理与接口技术?是门应用性很强的课程，学生通过学习到达在掌握理论的根底上，能运用所学知识解决一些实际问题的才能。但因为在理论教学中存在以上问题，学生在学完这门课程后，大都停留在理解几个常用接口芯片的常用工作方式的层面上。这和高等教

4、育培养应用型创新人才的目的是不相符的。三、将FPGA技术与?微机原理与接口技术?理论教学相结合FPGA现场可编程逻辑阵列技术4，8，用户可以通过硬件编程语言重新配置芯片内部的电路，同时FPGA芯片中有丰富的逻辑单元，可以满足设计复杂电路的需要，用FPGA技术对微机接口实验平台进展改良，正好弥补了现有平台，芯片资源少，扩展性差，电路设计受限的缺点。配上USB，SATA接口，液晶屏等新型外设以及相应IP核，学生便可以进展一些新的接口技术的实验，增强了实验的兴趣性，也加强了学生动手才能的培养。同时由于FPGA技术的广泛应用，很多大学也开设了相关课程，但大都从硬件语言和SP(可编程片上系统)两方面作手

5、5，知识跨度大，而且学生缺少复杂逻辑与接口设计的理论时机，将FPGA教学引入?微机原理与接口技术?理论教学正好弥补了这一空缺。在纯熟掌握电路设计的根底上，学生可以运用微机接口，组成原理，体系构造，数字逻辑等知识设计多模块的系统，使学生通过理论教学将计算机多门硬件根底课程交融成一个有机的整体。四、基于FPGA的?微机原理与接口技术?理论教学方法1.改良实验硬件环境我们学校?微机原理与接口技术?是一门重要的计算机专业根底课，多年来一直努力探究理论教学的改革方法。我们与Xilinx(赛灵思)公司建立了结合实验室，并自主研发了基于FPGA的微机接口实验平台6。该平台采用多模块乐高思想分为：芯片组板、F

6、PGA扩展板、外设板等三个局部并且可以灵敏组合，便于调整与维护。芯片组板可以用来进展传统的接口实验，FPGA板可以用来学习硬件编程，同时还有配套的用Verilg实现8255，8253，8251接口芯片的逻辑，将其下载到FPGA中可以代替相应的接口芯片。因为FPGA中丰富的逻辑资源，学生可以在FPGA中配置多个接口芯片，并且可以用FPGA实现16位、32位接口芯片，从而设计复杂的接口电路。FPGA中还可以配置多种PU架构如80X86，8051的IP核，可以建立多种系统架构。P机与实验平台是采用FPGA逻辑配合桥接芯片实现PI总线接口转ISA总线接口，支持硬件在线编程与调试，同时提供相应的实验供学

7、生学习PI总线接口与ISA总线接口。外设板上在传统外设的根底上还提供了液晶屏，USB接口，DDR接口，SPI接口，传感器等新型外设，实验结果的验证方法将更加丰富有趣，大大提供了学生的兴趣，并且可以根据实验和开发的需要，组装成新的I外设板。总体上因为FPGA技术与新型外设的引入大大增强了实验平台的扩展型，而且实验平台功能丰富可用于学生毕业设计，电了竞赛等综合型实验中。2改良理论教学的内容在以前的实验论文联盟.Ll.内容根底上，用ISE软件仿真接口芯片，简化以前芯片功能验证的实验，学生通过软件仿真可以很清楚的理解接口芯片和总线接口的工作时序，不用硬件连线便可以得到接口芯片各方式下的波形，从而缩短芯

8、片功能验证实验的时间，将更多的时间用在接口芯片电路的设计上。在学生理解各接口芯片的工作方式后，便可用FPGA仿真的接口芯片与板载芯片配合设计一些多芯片电路，解决一些实际问题，如车辆计数系统，点歌系统等，可让学生自由发挥，极大发挥创造性，锻炼学生的动手才能。在学生纯熟的掌握硬件编程语言的情况下，学生可以自己编写接口逻辑，实现与外设的通信。增加PI总线接口，ISA总线接口，8051架构，USB，DDR接口驱动的实验，扩展学生的视野，将学生的知识与现实应用严密联络起来。鼓励有兴趣的，学有余力的学生充分利用实验台上的外设扩展进展综合性实验，为电子竞赛与毕业设计打基矗3.新理论教学方法的推进在教学方法的

9、推广上，采用以点带面的方式，为有兴趣的同学开展微机及接口技术的实训培训，由学生自愿报名择优参加。由于实验内容贴近应用，且有趣新颖，学生报名踊跃。经过两期实训班，实训成果明显，已有多名同学开场自主申请科研工程并获得校级基金资助例如正在进展的工程有：数控直流稳压电源立项编号：KYX110403Z和基于压电传感器和个人计算机构成的体温信号实时监测系统立项编号：KYX110411Z，同时在上公开发表科技论文7,8。同时教学中采用以竞赛促学习的形式，在实训班之外成立兴趣小组，组织同学们参加挑战杯、全国和省级电子设计大赛、XilinxPENH等相关比赛，调动学生的积极性，在比赛中培养学生的团队才能，增强同行业内的交流。通过一系列新型理论教学方法的运用，学生动手解决问题的才能大大加强，毕业学生的才能得到用人单位的认可和好评。我们有针对性开发的微机接口技术教学实验平台，对实验内容的调整方便组装灵敏，老师通过学术交流、互联网等手段快速理解相关技术动态后，可快速调整教学内容，指导学生开展创新行技术理论活动。接下来，准备