數(shù)字電子技術(shù)與EDA技術(shù)相結(jié)合的探討

在信息社會(huì)中，數(shù)字化是電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此在電子信息及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中也越來(lái)越看重?cái)?shù)字技術(shù)，數(shù)字電子技術(shù)作為數(shù)字技術(shù)中一門極其重要的學(xué)科基礎(chǔ)課在本科教學(xué)中很受重視。EDA(Elec-tronic Design Automation)技術(shù)作為數(shù)字電子技術(shù)的延伸，已經(jīng)引入到電子信息類本科教學(xué)中。目前，單獨(dú)針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程和EDA課程的教學(xué)改革比較多，但是對(duì)于將兩門課程結(jié)合起來(lái)有何優(yōu)勢(shì)的研究還有待教師探索。因此，通過(guò)使用常用的EDA工具軟件，結(jié)合實(shí)例，就數(shù)字電子技術(shù)與EDA技術(shù)相結(jié)合做一探討。

1 常用EDA工具軟件簡(jiǎn)介
    常用的EDA軟件有加拿大IIT公司推出的EWB(Electronics WorkBench)，在EWB基礎(chǔ)上形成的Multi-sim以及美國(guó)Altera公司開發(fā)的Max+Plus。目前，我校EDA實(shí)驗(yàn)室所使用的軟件是美國(guó)Al—tera公司開發(fā)的Max+PlusⅡ，所以本文中的例子都是基于此平臺(tái)進(jìn)行的。
    Max+PlusⅡ(Multiple Array and Programming Logic Use System)具有windows操作系統(tǒng)的程序界面，采用全菜單操作和鼠標(biāo)操作方式，是一個(gè)方便、易學(xué)易用、功能全面的EDA工具。Max+PlusⅡ支持原理圖、VHDL語(yǔ)言和Verilog語(yǔ)言文本文件，以及波形EDIF等格式化的文件作為設(shè)計(jì)輸入。使用Max+ PlusⅡ進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的流程簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)編譯、設(shè)計(jì)仿真、下載即可完成。

2 數(shù)字電子技術(shù)與EDA技術(shù)相結(jié)合的幾點(diǎn)益處
2．1 將數(shù)字電子技術(shù)中難以實(shí)現(xiàn)的硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為軟件設(shè)計(jì)
    在傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中，講授組合邏輯電路設(shè)計(jì)時(shí)，首先分析設(shè)計(jì)要求，按照要求列出真值表；然后進(jìn)行邏輯函數(shù)表達(dá)式的化簡(jiǎn)，得出表達(dá)形式最簡(jiǎn)的輸出函數(shù)表達(dá)式，最后畫出邏輯圖。當(dāng)輸人變量比較少時(shí)，這種方法無(wú)疑是簡(jiǎn)單有效的，但是，當(dāng)輸入變量比較多時(shí)，這種方法就顯得很吃力。下面以設(shè)計(jì)8位奇校驗(yàn)電路為例進(jìn)行說(shuō)明。
    若采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，首先需要畫出8變量真值表，8變量真值表需要28行(即256行)，這就非常麻煩，而邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)更是難上加難。如果借助Max+PlusⅡ軟件，使用VHDL語(yǔ)句，按照8位奇校驗(yàn)邏輯功能，用軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)。8位奇校驗(yàn)電路的VHDL程序如下所示：

   
    其中：a表示8位輸入信號(hào)；y表示奇校驗(yàn)輸出，通過(guò)觀察該程序可以發(fā)現(xiàn)，程序邏輯性強(qiáng)，簡(jiǎn)單易讀。對(duì)上述程序進(jìn)行仿真，仿真波形如圖1所示。

    通過(guò)觀察可以看出，該仿真波形完全符合奇校驗(yàn)邏輯功能。在Max+PlusⅡ軟件下進(jìn)行綜合，可以得到8位奇校驗(yàn)電路的邏輯符號(hào)，當(dāng)其他的設(shè)計(jì)工作中需要用到8位奇校驗(yàn)功能時(shí)，可以直接調(diào)用此元器件，不必重新設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作。
    通過(guò)EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生嘗試用軟件代替硬件，實(shí)現(xiàn)硬件電路軟件化。學(xué)生應(yīng)用EDA技術(shù)除了可以實(shí)現(xiàn)小規(guī)模的電子電路設(shè)計(jì)，還可以通過(guò)對(duì)CPLD，F(xiàn)PGA編程，設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路系統(tǒng)。
2．2 應(yīng)用Max+PlusⅡ分析電路現(xiàn)象
    在日常生活中，數(shù)字電路隨處可見(jiàn)，這就要求理論教學(xué)必須與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的。但是通過(guò)總結(jié)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況發(fā)現(xiàn)，學(xué)生并不能很好地將理論與實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，特別是當(dāng)學(xué)生設(shè)計(jì)好電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)與他們自己分析的理論結(jié)果不一致的現(xiàn)象。如果單純的進(jìn)行理論講解，難以讓學(xué)生理解清楚。如何把電路的工作過(guò)程形象地展示給學(xué)生，對(duì)于學(xué)生對(duì)電路現(xiàn)象的理解至關(guān)重要。
    例如，在實(shí)驗(yàn)課中使用集成電路74160設(shè)計(jì)一個(gè)模4計(jì)數(shù)器，模為4即說(shuō)明計(jì)數(shù)器中應(yīng)有4個(gè)狀態(tài)，共占有4個(gè)時(shí)鐘周期。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用異步清零法設(shè)計(jì)的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，他們所設(shè)計(jì)的電路輸出狀態(tài)為000，001，010，011，100，其中，前4個(gè)狀態(tài)中每個(gè)狀態(tài)占用一個(gè)時(shí)鐘周期，第五個(gè)狀態(tài)中100的持續(xù)時(shí)間非常短，而后計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為000。面對(duì)這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，單純從理論的角度出發(fā)講解，學(xué)生接受起來(lái)很困難。下面，以此為例，通過(guò)在Max+PlusⅡ平臺(tái)下進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和仿真分析，幫助學(xué)生進(jìn)行電路現(xiàn)象的觀察。圖2是使用74160的異步清零功能設(shè)計(jì)的模4計(jì)數(shù)器。其中，A，B，C，D是并行數(shù)據(jù)輸入端；ENT和ENP是使能端；LDN是同步置數(shù)端；CLRN是異步清零端；QA，QB，QC，QD為計(jì)數(shù)器的輸出，仿真波形如圖3所示。

    從圖3中可以看出，當(dāng)ENT和ENP接高電平時(shí)，第一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)計(jì)數(shù)器從000開始計(jì)數(shù)，此后每來(lái)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)加1，當(dāng)?shù)谖鍌€(gè)計(jì)數(shù)脈沖(例如在170 ns時(shí))到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器的輸出為100，由于通過(guò)非門將QC信號(hào)反饋給CLRN，CLRN此時(shí)得到低電平，74160的異步清零端有效，則計(jì)數(shù)器立即被清零，計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為000，回到計(jì)數(shù)器的初始狀態(tài)。在此工作過(guò)程中，100狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間非常短，與隨后出現(xiàn)的000狀態(tài)共同占有一個(gè)時(shí)鐘周期。通過(guò)對(duì)仿真波形的分析，學(xué)生能夠比較形象地理解“異步清零”的工作過(guò)程，也能夠解釋在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
2．3“開放的”數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室
    目前，我校數(shù)字電子技術(shù)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要是由實(shí)驗(yàn)課、課程設(shè)計(jì)構(gòu)成的。由于課時(shí)固定，學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手機(jī)會(huì)有限，而數(shù)字電子技術(shù)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，它主要是為學(xué)生今后從事電子設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。如果學(xué)生沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)際操作，就無(wú)法進(jìn)行電子設(shè)計(jì)，更談不上“設(shè)計(jì)好電路”。
    將EDA技術(shù)與數(shù)字電子技術(shù)結(jié)合起來(lái)，相當(dāng)于將數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱“搬移”到電腦上，學(xué)生可以根據(jù)自身的情況，依托Max+PlusⅡ軟件平臺(tái)，結(jié)合所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，及時(shí)地進(jìn)行接近于實(shí)際電路的設(shè)計(jì)、仿真、分析，加深對(duì)理論的理解，若仿真結(jié)果不正確，學(xué)生可以在電腦上修改電路，不會(huì)造成硬件資源的浪費(fèi)。當(dāng)仿真結(jié)果完全正確時(shí)，學(xué)生就可以非常放心地進(jìn)行實(shí)際電路的搭接、使用，這一過(guò)程可以將理論與實(shí)際真正聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)這個(gè)“開放的”數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，可以激發(fā)學(xué)生的電子設(shè)計(jì)創(chuàng)作靈感，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

3 結(jié) 語(yǔ)
    將數(shù)字電子技術(shù)與EDA技術(shù)結(jié)合，可以使學(xué)生不拘泥于只有靠“芯片+連線”才能設(shè)計(jì)數(shù)字電路的想法，開闊了學(xué)生的設(shè)計(jì)思路。通過(guò)EDA工具對(duì)電路進(jìn)行仿真，教師可以對(duì)學(xué)生難以理解的電路現(xiàn)象進(jìn)行直觀的講解，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握。同時(shí)，引入EDA技術(shù)，可以使學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)動(dòng)手設(shè)計(jì)電路，驗(yàn)證自己的想法，激發(fā)了學(xué)生的熱情，為設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。充分發(fā)揮數(shù)字電子技術(shù)與EDA技術(shù)相輔相成的特點(diǎn)，對(duì)“教”與“學(xué)”都有積極作用。