EDA技术在数字逻辑实验教学中的应用

EDA技术在数字逻辑实验教学中的应用
刘文霞
【摘要】The traditional experiment teaching approach for data logical course has been fall behind in the new times,a new
approach,programmable logic device with the EDA software tools and hardware description language,has been bring forward and used in the experiment teaching.The papers introduces the EDA technology and its significance in the experiment teaching of the digital logic course,and introduces how to use the EDA technology for the teaching through an instance.%传统的数字实验教学方式已经滞后于社会技术的发展,因此新型可编程器件＋EDA软件＋硬件描述语言的现代数字设计方法被提出,将它应用于数字逻辑实验教学中。

介绍EDA技术及其在数字逻辑实验教学中的意义,并通过实例介绍如将EDA技术用于数字逻辑实验教学中。

【期刊名称】《宜春学院学报》
【年(卷),期】2011(033)008
【总页数】3页(P52-53,89)
【关键词】Max＋plusⅡ;EDA;数字逻辑实验
【作者】刘文霞
【作者单位】泉州师范学院,福建泉州362000
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
《数字逻辑》是计算机科学等专业的基础课程，具有很强的理论性和实践性，旨在培养解决实际问题的能力，因而数字逻辑实验的开设成为数字逻辑教学中不可或缺的部分。

随着计算机技术和电子技术特别是电子自动化设计(EDA)技术的不断发展，数字逻辑实验方式也在不断地改进，传统的以74系列器件+面包板的数字电路实
验方式存在效率低、调试难、费时费力、成本高等问题，已经滞后于社会技术的发展。

因此新型“可编程器件+EDA软件+硬件描述语言(HDL)”的现代基于EDA
技术的数字系统设计方法被提出，我们将它用于数字逻辑实验教学中，取得良好的效果，发挥学生在实践学习中独立思考和设计创新的能力。

EDA技术是在综合多学科基础上发展起来的一门新技术，它借助计算机和大规模
可编程器件 (FPGA或CPLD)为实验平台，并以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的一门技术[1]。

它的出现打破了软件与硬件间的壁垒，提高设计效率，广泛应用于制造、通信控制、航空航天和消费类产品等方面。

可编程器件 (PLD)，其器件的功能不是固定不变的，而可以根据用户的需要而进行改变，即利用器件的现场可编程特性，根据应用要求对器件进行动态配置或编程，简易地完成逻辑功能的添加和修改。

可分为简单PLD和复杂PLD，复杂PLD主要有CPLD和FPGA两种。

常用的仿真软件有:EWB、Max+plusII、Multisim、QuartusⅡ和Proteus等。

其中Max+plusII是ALTER公司提供的可编程逻辑器件 (CPLD/FPGA)的集成开发环境，是最友好的图形开发界面。

它提供一种与工作平台无关、与结构无关的设计环境，即可编程逻辑器件的内部复杂结构对用户来说是透明的，使用便捷，设计效率高。

提供丰富的逻辑功能元件库 (如74系列所有元件)、宏功能模块供用户调用，同时允许用户自行设计满足特殊需要的功能模块。

众多的硬件描述语言如 Verilog HDL、VHDL等中，VHDL语言是最为常用的硬
件描述语言，事实上它已经是一种通用的硬件描述语言。

它是一种用来描述数字逻辑系统的高级编程语言，具有较强的系统级抽象描述能力，它通过直接描述硬件行为来实现对硬件的物理实现。

设计时与工艺无关故不必了解硬件细节，支持复杂多层次的设计，具有很强的模块化能力，支持设计复用，程序具有良好的可读性和移植性。

传统数字逻辑实验直接用面包板、芯片及连接线搭建项目，用仪器 (如示波器)观测结果的方法，实验效果很不理想，没有使实验教学与理论教学很好地衔接，它存在着主要问题是:在实验过程中由于仪器设备的使用频率高，经常遇到集成电路芯片
针脚损坏或芯片丢失等问题，从而增加实验室的经费开销;通过上插接集成电路芯
片和连接线的实验方式常常出现连线接触不良等现象，学生须花了大量时间在查找连线错误，造成大部分学生无法在课内时间完成实验，老师在课堂上的指导往往也花费在繁琐的查找连线问题上而不是在解决可以有效提高学生设计能力的问题上，这给传统的实验教学内容的设置带来了问题，比如内容的设置以验证性实验为主，较少综合性和验证性实验，不利用于培养学生进行数字系统设计的工程能力;不管
是验证性实验、综合设计性实验还是课程项目设计，所有实验只能在实验室内完成，开放实验室在一定程度上可以解决这个问题，但增加资源损耗和教师工作量。

将EDA仿真实验技术引进传统数字逻辑实验教学中，有着其丰富的意义:
(1)PLD器件，一块芯片就可以集成多至几千个TTL集成电路，而且可以进行重复编程，因此可以解决较大规模设计实验及课程设计中的元件不足的问题，有效缓解实验室经费紧张问题。

(2)由于少了器件之间的物理连接，另外仿真软件可以自动定位错误并验证设计的
正确性，把学生从繁琐的连线排错中解放出来，从而学生在有限的时间里迅速排除故障并完成实验，将节约的时间与精力用于实验设计实现中，提高实验效率。

(3)EDA软件提供丰富的元器件库和相应的帮助信息，为学生快速掌握各类元器件
的输入输出参数和元件性能提供平台，加深学生对于数字逻辑课程基本知识和基本原理的理解，便于课堂演示也便于课后学生自学，取得良好的教学效果，激发了学生的学习的主动性，从而实现良性循环，为进一步培养学生的实践能力和创新精神打下坚实的基础。

(4)由于对多种HDL的支持，学生可以根据自己需要来设计器件并对其进行仿真与验证，在实验项目或课程设计考虑用不同的设计方案，拓展学生思维与兴趣，训练和培养学生解决实际问题的能力。

(5)一般来说实验设备有限且实验课时有限，通常要求学生分批并要求在规定时间
完成实验，但传统实验方式的特点往往导致实验无法按时完成。

基于EDA技术实
验方式只要有微机环境就可以完成实验大部分内容，打破时间、地点与人数的限制，从而实现实验教学的开放性，学生课内可以在实验老师的指导下有效完成实验项目，课外可以根据个人兴趣爱好选择实验内容，从而发挥学生在教学中的主体地位。

抢答器是数字逻辑设计性实验常做的题目，下面就十六路抢答器的设计来说明EDA技术在数字电路实验教学中的应用。

在EDA技术应用中，采用的是自顶向下的设计方法，它先在整体上对系统进行划
分和分解，得到各模块和模块之间的关系，反复该过程，直到划分的各单元可以映射到物理级实现。

利用这种方法便于模块调试和系统功能扩展。

根据分析要求得到抢答器的基本框架图，如图1所示。

(1)设计输入。

一个设计通常包括一个或若干个输入源文件，如原理图输入、文本
输入、波形输入等，数字逻辑实验目的主要是掌握主要器件工作原理和利用中小规模集成电路进行设计，因而在实验中大部分用到直接在Max+pl usⅡ的图形编辑
界面上通过输入电路元件或连接线路绘制原理图的输入方法。

而某些器件由于
Max+plusⅡ并没有提供，可以自行设计通过VHDL编程实现文本输入。

这时候存在一个项目中既有原理图输入文件又有文本输入文件的问题，Max+plusⅡ的允许
多层次设计的特点可以有效解决这种混合输入的问题，它通过上层文件调用由不同输入文件产生的默认元件完成。

抢答电路，定时电路和控制电路用原理图输入分别如图2、3所示。

报警电路由单稳态电路和门电路实现。

由于Max+plusII没有提供单稳态触发器元件，所以用VHDL语言实现单稳态电路，采用文本输入方法，代码见参考文献[2]。

(2)综合与适配。

该阶段需要经过逻辑综合器和结构综合器的工作。

第一阶段对设
计输入文件进行编译并检查错误，且能对错误进行自动定位，修改错误后，依据事先给定的硬件结构参数和速度、面积、性能等约束控制条件对设计输入主要是文本输入进行优化、转换和综合，最终获得门级电路甚至更低层的、具有硬件可实现性的电路描述网表文件[3]。

第二阶段前要进行适配，适配的功能在于利用可编程逻辑器件和布局布线适配器将综合后的电路描述网表文件针对某一具体的可编程逻辑器件芯片进行逻辑映射操作[4]。

适配对象与具体的物理实现相关，因此适配所选定的目标器件必须属于原综
合器指定的目标器件系列 (如EP1K30TC144－3芯片属于ACEX1K系列)。

包括逻辑综合与优化等操作。

适配完成后产生供时序仿真使用的仿真文件 (包括延时网表文件)和可用于编程下载的文件。

(3)设计仿真。

仿真器根据算法和仿真库对项目设计进行模拟验证，包括功能仿真
和时序仿真。

功能仿真，从整体上模拟项目逻辑功能，验证和分析是否满足指定任务，它不经历综合与适配阶段，与硬件特性无关，具有仿真时间短、速度快的优点，因而在考虑效率的基础上一般先作功能仿真，验证设计功能满足任务要求后再进行时序仿真。

时序仿真经历综合与适配阶段，与具体硬件器件相关，模拟真实器件的运行，因而仿真效果是可靠的。

仿真过程中，给出了较为精确的延迟信息，包括各个输入信号端到输出信号端的时间延迟矩阵和最高工作效率。

在仿真前，还需要用波形编辑器
编辑一个与项目主名相同的波形文件，同时给出输入信号的高低电平信息和待观察的输出信号，最后经仿真器得到具有仿真功能和时延信息的波形图。

从仿真后的波形图中可以观察电路的竞争冒险现象，从而根据要求改进电路。

(4)编程下载。

当设计全部完成，设计仿真经验证正确时，即可将形成的下载文件用Byteblaster方式通过并口下载到FPGA或CPLD器件中进行硬件测试，实际验证设计的准确性和可靠性。

基于EDA技术的实验教学方法，有其优点，但使学生缺乏硬件概念，对实物元件的电气信号缺乏感性的认识，对于实际硬件电路的搭建过程中碰到的实际问题不能迅速排除，不利于培养学生解决实际工程问题的动手能力。

因此在实际的实验教学中，有必要做到软硬件兼顾，比如加设硬件搭接调试的实验项目，使学生充分掌握数字电路设计方法和锻炼其实践应用能力。

【相关文献】
[1]董伟，山颖.实验室建设与管理改革探讨[J].中国现代教育装备，2007，(12):109 －1101
[2]任孟阳，李景华.用 VHDL语言实现的单稳态电路[A].张嗣瀛.中国控制与决策学术年会论文集[C].沈阳:东北大学出版社，2002，953－954
[3]潘松，黄继业.EDA实用技术教程[M].北京:科学出版社，2006
[4]王彩凤，胡波，李卫兵，等.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].实验室科学与技术，2011，(2):4－6，110。