1、西安电子科技大学数字系统设计的发展与教学改革数字系统设计的发展与教学改革 西安电子科技大学西安电子科技大学 孙万蓉孙万蓉 2013.062013.06西安电子科技大学一、数字技术的发展一、数字技术的发展 数字集成器件的发展过程：数字集成器件的发展过程：小规模(SSI)中规模(MSI)大规模(LSI)超大规模(VLSI)甚大规模甚大规模（ULSI）巨大规模巨大规模（GSI）数字电路和数字系统的设计方法及设计手段也在不断演变和发展，因而对“数字电路”课程的教学内容、教学方法、教学手段也提出了新的要求。教学内容：教学内容：从“功能模块设计”到“数字系统设计”西安电子科技大学二、数字系统的结构二、数字
2、系统的结构 用数字电子技术实现数字信息处理、传输与控制的数用数字电子技术实现数字信息处理、传输与控制的数字逻辑单元的集合称为数字系统。数字系统一般由字逻辑单元的集合称为数字系统。数字系统一般由数据子数据子系统系统和和控制子系统控制子系统构成。构成。数据子系统控制子系统外部控制信号输出控制信号输出信息输入信息状态信息控制信息根据外部信号和数据根据外部信号和数据子系统当前状态信号，子系统当前状态信号，发出对数据子系统控发出对数据子系统控制序列信号。制序列信号。由寄存器和组合电由寄存器和组合电路组成。实现对数路组成。实现对数据的处理和加工。据的处理和加工。西安电子科技大学三、数字系统设计方法的发展三
3、、数字系统设计方法的发展 逻辑功能模块逻辑功能模块的设计方法是自底向上自底向上的设计思路：先按照任务要求或逻辑功能描述建立真值表或状态表，再化简得到逻辑表达式，最后得到逻辑电路设计。自底向上自底向上传统的数字系统设计传统的数字系统设计多采用自底向上自底向上的方法，设计者选用标准的通用集成电路芯片和其他元器件，由底层逐级向上构成子系统和系统。设计过程是：设计过程是：设计硬件调试制作样机。这样设计的系统不仅所用元件的种类和数量多、功耗大、花费时间多、修改电路修改电路和交流设计思想交流设计思想都很不方便。西安电子科技大学三、数字系统设计过程三、数字系统设计过程自顶向下自顶向下 EDAEDA技术技术的
4、发展和可编程逻辑器件可编程逻辑器件的普及对数字系统硬件设计产生了很大的影响，它改变了传统的设计思想，使人们可以利用EDA工具，通过芯片的设计来实现数字系统的功能。现代数字系统设计现代数字系统设计多采用自顶向下自顶向下的方法：它按照系统的功能（“顶”），“向下”将系统功能由大到小进行分解，直到可以用基本逻辑功能模块来实现。西安电子科技大学 自顶向下自顶向下的设计能够在高层次完成，即一开始进行功能划分和结构设计时，就能通过仿真去检验系统设计思想是否正确，在早期就能发现设计中存在的错误，因而大大提高了系统的设计效率，缩短了设计周期。三、数字系统设计过程三、数字系统设计过程西安电子科技大学自顶向下的设
5、计流程自顶向下的设计流程根据系统要求确定系统结构控制算法设计系统仿真系统电路实现确定总体方案西安电子科技大学输入输入/输出输出抽象抽象（实体）（实体）电路功能电路功能实现实现（结构体）（结构体）EntityArchitecture硬件描述语言的自顶向下的设计结构硬件描述语言的自顶向下的设计结构 西安电子科技大学“基本训练基本训练”实验平台实验平台“数数/模混合系统模混合系统”实验平台实验平台 “自主设计自主设计”扩展实验平台扩展实验平台4646学时基础学时基础课程教学课程教学基础课程基础课程EDAEDA教学教学双语教学双语教学EDAEDA教学教学四、适应四、适应“数字系统设计数字系统设计”的教
6、学改革的教学改革 西安电子科技大学1 1、三种各具特色的教学体系、三种各具特色的教学体系“数字电路与系统设计”基础课程教学模式,是大多数专业普遍采用的46学时基础课程教学模式；四、适应四、适应“数字系统设计数字系统设计”的教学改革的教学改革 “数字电路与系统设计”原版教材双语教学模式，主要针对教改班、留学生班和普通班英语水平较好的同学来实施的46学时基础课程教学模式；“数字电路与系统设计”46学时基础课程14学时EDA教学模式，是在或模式的基础上增加14学时EDA实验课程。西安电子科技大学2 2、教学内容、教学内容 从强调“功能模块设计”转换到“数字系统设计”。在不削弱基础的前提下，压缩分立元
7、件的内容，加强集成电路的教学，强调以中、大规模集成电路为基础的系统级分析、设计方法；增加、强调反映数字电子技术领域中新概念、新理论、新技术和新方法的内容，包括可编程逻辑器件、硬件描述语言、电子设计自动化(EDA)等现代数字系统设计技术和方法。对教学内容进行了硬件描述语言硬件描述语言和嵌入式微处理器的融合和嵌入式微处理器的融合；教材专门有一章介绍“数字系统设计”。西安电子科技大学西安电子科技大学理论教学过程中进行理论教学过程中进行“数字系统设计数字系统设计”大作业大作业 要求：必须选做两个题目；写出设计过程；完成设计的电路软件仿真；电路仿真软件multisim；打印出仿真电路和仿真结果。74系列
8、集成芯片部分的实验系列集成芯片部分的实验 要求至少完成一个系统设计、仿真、硬件电路调试与测试实现。FPGA可编程逻辑器件部分的实验可编程逻辑器件部分的实验 要求至少完成一个系统设计。根据系统的难度不同，实现后的成绩也不同。FPGA可编程逻辑器件部分则是利用软件工具，先进行硬件描述语言设计、仿真，然后到实物下载。充分体现“硬件软件化硬件软件化”的新发展趋势和“自顶向下自顶向下”的设计方法。3 3、“数字系统设计数字系统设计”训练训练 西安电子科技大学“数字系统设计数字系统设计”训练内容及题目训练内容及题目 1.1.汽车尾灯控制电路汽车尾灯控制电路 2.2.交通灯控制器交通灯控制器 3.3.三层电
9、梯控制器三层电梯控制器 4.4.竞赛抢答计时器竞赛抢答计时器 5.5.出租车计费器出租车计费器 6.6.秒表秒表 7.7.智能数字钟智能数字钟 8.8.电子琴电子琴 9.9.乐曲演奏自动演奏器乐曲演奏自动演奏器 10.10.流水灯流水灯 11.11.自动售票机自动售票机 12.12.心率监测仪心率监测仪13.MP313.MP3播放器播放器 14.14.量程自动转换的数字式频率计量程自动转换的数字式频率计15.15.模拟掷骰子游戏电路模拟掷骰子游戏电路 16.16.简易汽车状态记录仪简易汽车状态记录仪17.17.数字滤波器设计及实现数字滤波器设计及实现 18.18.多功能报警器；多功能报警器；1
10、9.19.智能家居控制智能家居控制 20.20.乐喷泉设计乐喷泉设计 21.21.虚拟逻辑分析仪虚拟逻辑分析仪 22.22.虚拟数字贮存示波器；虚拟数字贮存示波器；23.DDS23.DDS直接数字合成任意波形发生器直接数字合成任意波形发生器西安电子科技大学课内大作业：课内大作业：内容应涉及所授课程及先修课程的多个知识点内容应涉及所授课程及先修课程的多个知识点的综合理解和运用；的综合理解和运用；大作业是学生平时成绩的重要组成，批改结果大作业是学生平时成绩的重要组成，批改结果计入课程成绩，所占比例不少于总成绩的计入课程成绩，所占比例不少于总成绩的5%。学生必须遵照教师规定，按时交作业，否则不学生必
11、须遵照教师规定，按时交作业，否则不允许参加该课程的考核。允许参加该课程的考核。西安电子科技大学学生作品一学生作品一西安电子科技大学学生作品一学生作品一西安电子科技大学学生作品一学生作品一西安电子科技大学学生作品一学生作品一西安电子科技大学学生作品二学生作品二西安电子科技大学学生作品二学生作品二西安电子科技大学学生作品二学生作品二西安电子科技大学学生的学生的FPGA程序程序2008北京北京奥运会开奥运会开幕式的幕式的“和和”字字点阵显示点阵显示学生作品三学生作品三西安电子科技大学西安电子科技大学 我们开发了“基本训练基本训练”实验平台，“数数/模模混合系统混合系统”实验平台以及“自主设计自主设计
12、”的扩展实验平台。实现实验教学模式充分融合与优化，形成完善、系统的多方位立体实验教学平台。为普通班、教改班和卓越工程师班提供了多层次实验教学平台“基本训练基本训练”“自主设计自主设计”4 4、多层次实验教学平台的设计与应用、多层次实验教学平台的设计与应用西安电子科技大学“基本训练基本训练”实验平台实验平台西安电子科技大学小规模小规模（SSISSI）中规模中规模(MSI)(MSI)现场可编程现场可编程(FPGA)(FPGA)逻辑器件逻辑器件组合电路组合电路（一位全加器）（一位全加器）组合电路组合电路时序电路时序电路EDAEDA实验实验（给定或自拟）（给定或自拟）“基本训练基本训练”实验实验 学生
13、可以完成组合电路、时序电路和具有一定规模的数学生可以完成组合电路、时序电路和具有一定规模的数字系统电路的设计与调试。字系统电路的设计与调试。“基本训练基本训练”实验实验西安电子科技大学用现场可编程用现场可编程(FPGA)(FPGA)逻辑器件、逻辑器件、A/DA/D和和D/AD/A转换转换器件、微处理器和液晶显示屏。器件、微处理器和液晶显示屏。利用这个平台学生可以设计多功能信号发利用这个平台学生可以设计多功能信号发生器、数据采集和温度控制等系统。生器、数据采集和温度控制等系统。“数数/模混合系统模混合系统”实验实验 温度 传感器 信号调 理电路 A/D转换 液晶显示D/A转换信号产生功率放大温度
14、测量、显示与控制系统实现框图温度测量、显示与控制系统实现框图 西安电子科技大学5 5、理论教学与实验教学的融合、理论教学与实验教学的融合 近年来，我们改革了过去数字电子技术课程的理论教学与实验教学分开教学的教学模式，实行每一位教师必须在承担理论教学承担理论教学的同时也要负责实验教学实验教学，通过“数字电路数字电路EDA设计设计”课程的实课程的实践践，克服了理论教学与实验教学分离的状况，改变了理论水平和科研水平较高的教师不愿承担实验课的现状，提高了系统实验教学的水平。西安电子科技大学 孙肖子教授在讲系统设计课和辅导FPGA实验 任爱锋副教授辅导学生FPGA器件的系统设计实验 西安电子科技大学 五
15、、近年来教学改革项目五、近年来教学改革项目 “数字电路与系统设计数字电路与系统设计”20042004年被评为国家级精品课程以来，课程团年被评为国家级精品课程以来，课程团队的老师跟随电子信息技术、计算机技术等领域的最新发展，不断地队的老师跟随电子信息技术、计算机技术等领域的最新发展，不断地在教学内容、方法和手段等方面进行了一系列的改革与实践，对不同在教学内容、方法和手段等方面进行了一系列的改革与实践，对不同的专业和学生，形成了的专业和学生，形成了“数字电路与系统设计数字电路与系统设计”课程独具特色的教学课程独具特色的教学体系和突出的优点。体系和突出的优点。多种教学模式的创新与实施；多种教学模式的
16、创新与实施；课程教学团队的发展与教学创新；课程教学团队的发展与教学创新；精品课程网站的不断改进与完善精品课程网站的不断改进与完善；多层次实验教学平台的设计与应用；多层次实验教学平台的设计与应用；理论教学与实验教学的融合与改革；理论教学与实验教学的融合与改革；双语教学进一步的深化改革；双语教学进一步的深化改革；卓越工程师班的教学改革与探索；卓越工程师班的教学改革与探索；编写反映课程最新成就的教材和发表教改论文；编写反映课程最新成就的教材和发表教改论文；国家级精品资源共享课程建设国家级精品资源共享课程建设西安电子科技大学虚拟仿真软件：虚拟仿真软件：西安电子科技大学workbenchmultisim
17、 虚拟仿真内容：虚拟仿真内容：1、3-8译码器（译码器（74138）的仿真）的仿真目的：目的：功能理解、低电平有效、使能的作用、地址功能理解、低电平有效、使能的作用、地址的概念。的概念。西安电子科技大学2、时序电路的分析举例、时序电路的分析举例模模4可逆计数器可逆计数器目的：功能理解、计数器的概念目的：功能理解、计数器的概念【例】【例】分析图示同步时序逻辑电路的逻辑功能。分析图示同步时序逻辑电路的逻辑功能。西安电子科技大学3、时序电路的设计举例、时序电路的设计举例模模5计数器的设计计数器的设计目的：功能理解、设计结果的验证。目的：功能理解、设计结果的验证。【例【例】分别用分别用D触发器和触发器
18、和JK触发器设计一个模为五的触发器设计一个模为五的自然序列计数器。自然序列计数器。西安电子科技大学电路图电路图Q0Q1Q2&1D1CQ01D1CQ11D1CQ2=1&Q0Q1Q2CP1JC11KFF0CP&1Q0Q01JC11KFF1Q1Q11JC11KFF2Q2Q21 1Q1Q0西安电子科技大学4、集成计数器功能的模拟、集成计数器功能的模拟74160、74161目的：功能理解、控制信号、输出时序的理目的：功能理解、控制信号、输出时序的理解、分频的概念。解、分频的概念。5、集成计数器的级联、集成计数器的级联74160、74161目的：异步级联的理解、级联控制信号的时目的：异步级联的理解、级联控制信号的时序问题。序问题。同步级联和异步级联的比较。同步级联和异步级联的比较。西安电子科技大学1、同步级联、同步级联QAQBQCQDQ0Q1Q2Q3Oc1P1T174161(1)QAQBQCQDQ4Q5Q6Q7Oc2P2T211CP74161(2)CPCP2、异步级联、异步级联西安电子科技大学两片74160构成的模60计数器仿真结果 西安电子科技大学西安电子科技大学两片74163构成的模60计数器西安电子科技大学西安电子科技大学谢谢大家！谢谢大家！
