數(shù)字邏輯電路教學中的C語言描述和應用

摘要：為了改進數(shù)字邏輯電路教學方法以適應電子技術迅猛發(fā)展的需要，我們探索和實踐了數(shù)字邏輯電路教學的新方法，這就是基于計算機高級語言（C語言）的數(shù)字邏輯電路課堂教學和實驗教學方法，本文重點介紹了本教學方法的特點以及實現(xiàn)方法。
關鍵詞：教學改革；數(shù)字邏輯電路；C語言
中圖分類號：G642 文獻標識碼：B
文章編號：1672-5913(2007)10-0090-03
　　
　　引言
　　
　　數(shù)字邏輯電路課是高等學校計算機科學技術專業(yè)的一門必修基礎課。在計算機專業(yè)基礎課程中，它是微機原理與應用、微機接口技術、計算機組成與系統(tǒng)結構等課程的前導課程，有著承上啟下的重要地位。該課程從電子計算機的基本硬件組成及數(shù)字電子技術著手，對計算機的組成部件的基本電路工作原理展開討論，使學生掌握有關計算機硬件方面的基礎知識，尤其是各數(shù)字邏輯電路的基本功能，構成整機數(shù)字系統(tǒng)的技術，為培養(yǎng)學生對硬件系統(tǒng)的分析、設計、開發(fā)和使用能力打下最基本的基礎知識。

　　數(shù)字邏輯電路這門課程學習結果的好壞將對計算機專業(yè)的后續(xù)課程的學習產(chǎn)生很大的影響。數(shù)字邏輯電路是學好計算機專業(yè)基礎課的必要途徑，因此應該重視這門課程教學方法的改進。為了改革目前的數(shù)字邏輯電路課教學方法，我們探索了新的數(shù)字邏輯電路教學方法，即基于計算機高級語言的數(shù)字邏輯電路教學方法。本數(shù)字邏輯電路教學方法的特點是用計算機高級語言C語言對數(shù)字邏輯電路的基本功能進行描述和實驗，也就是用計算機高級語言對我們在數(shù)字邏輯電路課程中講解的全部基本數(shù)字邏輯電路進行表示。本方法特別適合與計算機專業(yè)的學生，因為計算機專業(yè)的學生在學習數(shù)字邏輯電路課程之前都學習過了計算機高級語言C語言。這使得他們能夠較好的理解數(shù)字邏輯電路的這種表示方式，同時也能夠使他們在學習數(shù)字邏輯電路的這種表示方式中復習計算機的高級語言，并且可以擴展學生的知識面，培養(yǎng)和訓練學生的創(chuàng)新能力。它不但能夠進行數(shù)字邏輯電路的基本教學，還可以用于數(shù)字邏輯電路的實驗教學和課程設計。
　　
1 數(shù)字邏輯電路的C語言描述
　　
　　C語言功能豐富，表達能力強，使用靈活方便，目標程序效率高，可移植性好，適合編寫各種軟件，尤其是系統(tǒng)軟件，所以C語言已在諸多領域得到廣泛的應用。目前許多高等院校，都在計算機專業(yè)開設了C語言課程。利用C語言可以編寫出簡潔、緊湊、高效的程序。C51是在完全支持標準C全部指令的基礎上添加了許多用來優(yōu)化8051指令結構的C的擴展指令而形成的，其程序結構也類似于標準C程序的編寫。隨著嵌入式技術的不斷發(fā)展以及C語言在嵌入式應用中的不斷普及，C程序設計技術在嵌入式系統(tǒng)中將得到廣泛的應用。
　　數(shù)字邏輯電路通常分為組合數(shù)字邏輯電路和時序數(shù)字邏輯電路兩大類，組合數(shù)字邏輯電路常用的描述方法是邏輯圖、邏輯代數(shù)式、真值表和卡諾圖，它們均可對同一個組合邏輯問題進行描述，知道其中的任何一個，就可以推出其余的三個。隨著EDA技術的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了硬件描述語言的數(shù)字邏輯電路描述法。與用硬件描述語言類似的方法，本文探索了在微控制器中的C51程序描述法。例如對一個三變量的一致電路的描述：
　　三變量的一致電路就是當A、B、C三個變量一致時，電路輸出高電平；當三個變量不一致時，電路輸出低電平。
用邏輯代數(shù)式表示為：F=ABC+ 　

用C51語言描述為：
　　Main()
　　{ sbit a=P1.0; // 定義布爾輸入變量a是微控制器的P1.0口
　　sbit b=P1.1; // 定義布爾輸入變量b是微控制器的P1.1口
　　sbit c=P1.2; // 定義布爾輸入變量c是微控制器的P1.2口
　　sbit f=P2.0; // 定義布爾輸出變量f是微控制器的P2.0口
　　while(1){ // 無限循環(huán)
　　P1=0xff;
　　if (a==b==c)
　　f==1；
　　elsl f==0；
　　}
　　} // P1為輸入口，P2為輸出口
　　從以上的C51程序可以看出，這樣的數(shù)字邏輯電路描述方法，對于計算機專業(yè)的學生，只要學習過C語言是非常容易理解的，而且用該方法描述的數(shù)字邏輯電路也容易用下面介紹的實驗方法中得到驗證。
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2 在教學中的應用原則
　　
　　2.1教學重點
　　筆者認為對于計算機專業(yè)的數(shù)字邏輯電路課，教學重點在于讓學生能夠很好地理解常用數(shù)字邏輯電路的邏輯功能，至于這些數(shù)字邏輯電路的實現(xiàn)方法有一些概念就可以了，沒有必要掌握數(shù)字邏輯電路的中小規(guī)模集成電路實現(xiàn)方法。而這些中小規(guī)模集成電路實現(xiàn)的數(shù)字邏輯電路在我們目前所用的教材中往往是重點講解的，這點對于計算機專業(yè)的學生就不是很合適。事實上，本文探索的用C51程序描述數(shù)字邏輯電路，就是基于微控制器的用軟件實現(xiàn)的數(shù)字邏輯電路。這就是說數(shù)字邏輯電路課程的重點內(nèi)容是理解數(shù)字邏輯電路的邏輯功能。而具體用什么方法實現(xiàn)這個邏輯功能就不是太重要了。用中小規(guī)模集成電路、可編程邏輯電路和軟件來實現(xiàn)都是可以的。2.2應用實例
　　根據(jù)筆者的多年教學實踐經(jīng)驗，在計算機專業(yè)的數(shù)字邏輯電路課程教學中，靈活運用本文論述的C51程序描述法，結合傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路的描述方法，取得到了較好的教學效果。
　　如：對于在計算機專業(yè)中用到的較多的邏輯電路“譯碼器”。用邏輯代數(shù)描述為：
　　
　　用C51程序可以描述為：
　　main()
　　{ sbit a=P1.0； // 定義布爾輸入變量a,b,c為微控制器的P1口
　　sbit b=P1.1；
　　sbit c=P1.2；
　　sbit y0=P2.0； // 定義布爾輸出變量y0~y7是微控制器的P2口
　　sbit y1=P2.1；
　　sbit y2=P2.2；
　　sbit y3=P2.3；
　　sbit y4=P2.4；
　　sbit y5=P2.5；
　　sbit y6=P2.6；
　　sbit y7=P2.7；
　　while(1){ // 無限循環(huán)
　　P1=0xff；
　　y0=y1=y2=y3=y4=y5=y6=y7=0；
　　if (a==0&&b==0&&c==0) y0=1;
　　if (a==0&&b==0&&c==1) y1=1;
　　if (a==0&&b==1&&c==0) y2=1;
　　if (a==0&&b==1&&c==1) y3=1;
　　if (a==1&&b==0&&c==0) y4=1;
　　if (a==1&&b==0&&c==1) y5=1;
　　if (a==1&&b==1&&c==0) y6=1;
　　if (a==1&&b==1&&c==1) y7=1;
　　}
　　}
　　因此，在數(shù)字邏輯電路課程中，讓學生懂得作為計算機專業(yè)的學生，單單學會數(shù)字邏輯電路的硬件實現(xiàn)方法是不夠的，還應當讓學生從一開始就重視學習計算機軟硬件的相互關系。如果教師在數(shù)字邏輯電路課程的教學中運用本文論述的方法，引導學生從計算機軟件和硬件層次上去認識數(shù)字邏輯電路知識，對學生學好后續(xù)專業(yè)課程有著積極的促進意義。
　　
3 實驗教學方法
　　
　　3.1硬件結構
　　本實驗方法的硬件部分主要由PC機以及微控制器電路和多個LED電路組成。微控制器選用Philips公司生產(chǎn)的P89C51RD2BN。該芯片內(nèi)部集成了多種功能部件，如四個8位的數(shù)字I/O口，8路A/D轉(zhuǎn)換接口、UART、定時器、看門狗定時器和FLASH存儲器等。微控制器的主要功能是：用戶輸入輸出端口狀態(tài)掃描輸入，用戶輸入輸出端口信號輸入和數(shù)字信號顯示等。實驗硬件組成框圖如圖1所示。
　　
　　圖1　實驗硬件組成框圖
　　
　　3.2ISP實現(xiàn)原理
　　本實驗方法的關鍵是ISP技術。P89C51RD2BN的系統(tǒng)編程是通過標準RS232串口來完成的，它是一種內(nèi)嵌的在線可編程。內(nèi)部有一系列的硬件資源，當微控制器對自身的Flash存儲器進行編程時，所有底層操作都由這些內(nèi)部資源來完成。ISP編程不需要將微控制器從系統(tǒng)中取出，只要用一個開關將PSEN強行拉低，ALE管腳懸空，系統(tǒng)便在上電復位后進入ISP狀態(tài)。通過免費的編程軟件Flashmagic下載二進制文件到微控制器，就可以運行程序了。
　　3.3實驗方法
　　如圖1所示，實驗時先把ISP控制開關放置在ISP位置上，在PC機上輸入需要實現(xiàn)的數(shù)字邏輯電路的C51程序，然后經(jīng)過C51編譯器編譯，生成二進制文件形式的目標程序文件，然后使用Flashmagic軟件把目標程序下載到微控制器中，再把ISP控制開關放置到微控制器的正常工作狀態(tài)，按動復位按鈕，微控制器中的程序就可以正常運行了。這時可以在輸入撥位開關上輸入數(shù)字信號，在LED上可以觀察到這個實驗數(shù)字邏輯電路的邏輯功能的實現(xiàn)結果。改變輸入撥位開關上輸入的數(shù)字信號，可以得到不同的數(shù)字信號輸入，在LED中可以觀察分析實驗數(shù)字邏輯電路的全部邏輯功能。
　　運用本實驗方法進行的數(shù)字邏輯電路實驗，由于實驗所用到的硬件設備，除PC機以外的成本是極低的，可以實現(xiàn)把實驗帶回家的實驗理念。在家里進行各種有創(chuàng)造性的實驗。讓學生真正成為實驗學習的主人。
　　
4 結束語
　　
　　本文論述的數(shù)字邏輯電路C語言描述方法具有易懂、直觀、有創(chuàng)新性的特點。用該教學方法的實驗裝置結構簡單、成本較低、維護方便、性能可靠?？梢赃M行簡單的組合數(shù)字邏輯電路實驗，也可以進行時序邏輯電路的實驗，能夠搭建多種趣味電路。能滿足基本教學的需要，也可以進行綜合性、設計性實驗。