微機接口技術論文(2)
微機接口技術論文
微機接口技術論文篇二
基于FPGA的《微機原理與接口技術》實踐教學方法探討
一、前言
微機原理與接口技術是電子信息類理工科的一門重要專業(yè)基礎課。內(nèi)容涵蓋微機原理、匯編語言程序設計及微機接口技術，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。實踐教學對于學生理解課程內(nèi)容，培養(yǎng)學生動手能力是十分重要的。
二、《微機原理與接口技術》實踐教學現(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變，電子信息類課程的實踐教學環(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》實踐教學只發(fā)生了量變而非質變，仍處于滯后的位置。
在目前的教學中，《微機原理與接口技術》實踐教學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接口技術等一些新技術根本沒有涉及[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固定而不易調(diào)整，不能發(fā)揮學生的創(chuàng)新能力。平臺外設簡單，無法激發(fā)學生的興趣。
(3)實驗技術落后，很多學校還采用的是搭積木式的設計方法進行教學[2]，學生的實驗靈活性小，大都是按圖連線，下載程序的操作，限制了學生的設計創(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，學生很少能自主的設計電路，也無法了解芯片的結構以及時序，更不能自己設計芯片，大大限制了學生動手能力的培養(yǎng)[3]。
微機接口技術被廣泛應用于電子信息各個領域，因此《微機原理與接口技術》是門應用性很強的課程，學生通過學習達到在掌握理論的基礎上，能運用所學知識解決一些實際問題的能力。但因為在實踐教學中存在以上問題，學生在學完這門課程后，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)應用型創(chuàng)新人才”的目標是不相符的。
三、將FPGA技術與《微機原理與接口技術》實踐教學相結合
FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯陣列)技術[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，可以滿足設計復雜電路的需要，用FPGA技術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，電路設計受限的缺點。配上USB，SATA接口，液晶屏等新型外設以及相應IP核，學生便可以進行一些新的接口技術的實驗，增強了實驗的趣味性，也加強了學生動手能力的培養(yǎng)。同時由于FPGA技術的廣泛應用，很多大學也開設了相關課程，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，而且學生缺少復雜邏輯與接口設計的實踐機會，將FPGA教學引入《微機原理與接口技術》實踐教學正好彌補了這一空缺。在熟練掌握電路設計的基礎上，學生可以運用微機接口，組成原理，體系結構，數(shù)字邏輯等知識設計多模塊的系統(tǒng)，使學生通過實踐教學將計算機多門硬件基礎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》實踐教學方法
1.改進實驗硬件環(huán)境
我們學?！段C原理與接口技術》是一門重要的計算機專業(yè)基礎課，多年來一直努力探索實踐教學的改革方法。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板可以用來學習硬件編程，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中可以代替相應的接口芯片。因為FPGA中豐富的邏輯資源，學生可以在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，從而設計復雜的接口電路。FPGA中還可以配置多種CPU架構如80X86，8051的IP核，可以建立多種系統(tǒng)架構。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ISA總線接口，支持硬件在線編程與調(diào)試，同時提供相應的實驗供學生學習PCI總線接口與ISA總線接口。外設板上在傳統(tǒng)外設的基礎上還提供了液晶屏，USB接口，DDRⅡ接口，SPI接口，傳感器等新型外設，實驗結果的驗證方法將更加豐富有
趣，大大提供了學生的興趣，并且可以根據(jù)實驗和開發(fā)的需要，組裝成新的IO外設板?？傮w上因為FPGA技術與新型外設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生畢業(yè)設計，電了競賽等綜合型實驗中。
2.改進 實踐教學的內(nèi)容
在以前的實驗 內(nèi)容基礎上，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計上。在學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，可讓學生自由發(fā)揮，極大發(fā)揮創(chuàng)造性，鍛煉學生的動手能力。在學生熟練的掌握硬件編程 語言的情況下，學生可以自己編寫接口邏輯，實現(xiàn)與外設的通信。增加PCI總線接口，ISA總線接口，8051架構，USB，DDR接口驅動的實驗，擴展學生的視野，將學生的知識與現(xiàn)實 應用緊密 聯(lián)系起來。鼓勵有興趣的，學有余力的學生充分利用實驗臺上的外設擴展進行綜合性實驗，為電子競賽與畢業(yè)設計打基礎。
3.新實踐教學方法的推進
在教學方法的推廣上，采用以點帶面的方式，為有興趣的同學開展微機及接口技術的實訓培訓，由學生自愿報名擇優(yōu)參加。由于實驗內(nèi)容貼近應用，且有趣新穎，學生報名踴躍。經(jīng)過兩期實訓班，實訓成果明顯，已有多名同學開始自主 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]。同時教學中采用“以競賽促學習”的模式，在實訓班之外成立興趣小組， 組織同學們參加挑戰(zhàn)杯、全國和省級電子設計大賽、Xilinx OPENHW等相關比賽，調(diào)動學生的積極性，在比賽中培養(yǎng)學生的團隊能力，增強同行業(yè)內(nèi)的交流。通過一系列新型實踐教學方法的運用，學生動手解決問題的能力大大加強，畢業(yè)學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)的微機接口技術教學實驗平臺，對實驗內(nèi)容的調(diào)整方便組裝靈活，教師通過學術交流、互聯(lián)網(wǎng)等手段快速了解相關技術動態(tài)后，可快速調(diào)整教學內(nèi)容，指導學生開展創(chuàng)新行技術實踐活動。接下來，準備在現(xiàn)有實驗平臺的基礎上建立相關 網(wǎng)絡平臺，加強課堂和課外聯(lián)系，使微機原理和接口技術實驗對廣大學生真正做到完全開放。
五、結束語
計算機實踐教學只有不斷嘗試，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的發(fā)展。
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