数字系统设计的发展与教学改革西安电子科技大学课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,西安电子科技大学,国家级精品课程数字电路与系统设计,数字系统设计的发展与教学改革,西安电子科技大学,孙万蓉,2013.06,一、数字技术的发展,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,（,ULSI,）,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：,从“功能模块设计”到“数字系统设计”,二、数字系统的结构,用数字电子技术实现数字信息处理、传输与控制的数字逻辑单元的集合称为数字系统。数字系统一般由,数据子系统,和,控制子系统,构成。,根据外部信号和数据子系统当前状态信号，发出对数据子系统控制序列信号。,由寄存器和组合电路组成。实现对数据的处理和加工。,三、数字系统设计方法的发展,逻辑功能模块,的设计方法是,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,传统的数字系统设计,多采用,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,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,和,交流设计思想,都很不方便。,三、数字系统设计过程,自顶向下,EDA,技术,的发展和,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,多采用,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。,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,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,输入,/,输出,抽象,（实体）,电路功能,实现,（结构体）,Entity,Architecture,硬件描述语言的自顶向下的设计结构,多层次实验教学平台,“,基本训练,”,实验平台,虚拟仿真、硬件实验、,EDA,实验,“,数,/,模混合系统,”,实验平台,“,自主设计,”,扩展实验平台,三种理论教学模式,46,学时基础,课程教学,基础课程,EDA,教学,双语教学,EDA,教学,四、适应“数字系统设计”的教学改革,1,、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“数字系统设计”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。,2,、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”。,理论教学过程中进行“数字系统设计”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,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”,的新发展趋势和,“自顶向下”,的设计方法。,3,、“数字系统设计”训练,“数字系统设计”训练内容及题目,1.,汽车尾灯控制电路,2.,交通灯控制器,3.,三层电梯控制器,4.,竞赛抢答计时器,5.,出租车计费器,6.,秒表,7.,智能数字钟,8.,电子琴,9.,乐曲演奏自动演奏器,10.,流水灯,11.,自动售票机,12.,心率监测仪,13.MP3,播放器,14.,量程自动转换的数字式频率计,15.,模拟掷骰子游戏电路,16.,简易汽车状态记录仪,17.,数字滤波器设计及实现,18.,多功能报警器；,19.,智能家居控制,20.,乐喷泉设计,21.,虚拟逻辑分析仪,22.,虚拟数字贮存示波器；,23.DDS,直接数字合成任意波形发生器,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，否则不允许参加该课程的考核。,学生作品一,学生作品一,学生作品一,学生作品一,学生作品二,学生作品二,学生作品二,学生的,FPGA,程序,2008,北京奥运会开幕式的“和”字点阵显示,学生作品三,我们开发了,“基本训练”,实验平台，,“数,/,模混合系统”,实验平台以及,“自主设计”,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”,“自主设计”,4,、多层次实验教学平台的设计与应用,“基本训练”,实验平台,小规模（,SSI,）,中规模,(MSI),现场可编程,(FPGA),逻辑器件,组合电路,（一位全加器）,组合电路,时序电路,EDA,实验,（给定或自拟）,“,基本训练,”,实验,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。,“基本训练”,实验,用现场可编程,(FPGA),逻辑器件、,A/D,和,D/A,转换器件、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生器、数据采集和温度控制等系统。,“数,/,模混合系统”,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,温度测量、显示与控制系统实现框图,5,、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,的同时也要负责,实验教学,，通过“,数字电路,EDA,设计”课程的实践,，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。,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,五、近年来教学改革项目,“数字电路与系统设计”,2004,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“数字电路与系统设计”课程独具特色的教学体系和突出的优点。,多种教学模式的创新与实施；,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,；,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；,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；,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,虚拟仿真软件：,西安电子科技大学,国家级精品课程数字电路与系统设计,课程实施举例,-,虚拟仿真,workbench,multisim,Quartus,虚拟仿真内容：,1,、,3-8,译码器（,74138,）的仿真,目的：,功能理解、低电平有效、使能的作用、地址的概念。,2,、时序电路的分析举例,模,4,可逆计数器,目的：功能理解、计数器的概念,【,例,】,分析图示同步时序逻辑电路的逻辑功能。,课程实施举例,-,虚拟仿真,3,、时序电路的设计举例,模,5,计数器的设计,目的：功能理解、设计结果的验证。,【,例,】,分别用,D,触发器和,JK,触发器设计一个模为五的自然序列计数器。,课程实施举例,-,虚拟仿真,电路图,Q,0,Q,1,Q,2,&,1D,1C,Q,0,1D,1C,Q,1,1D,1C,Q,2,=1,&,Q,0,Q,1,Q,2,CP,1,J,C,1,1,K,FF,0,CP,&,1,Q,0,Q,0,1,J,C,1,1,K,FF,1,Q,1,Q,1,1,J,C,1,1,K,FF,2,Q,2,Q,2,1,Q,1,Q,0,4,、集成计数器功能的模拟,74160,、,74161,目的：功能理解、控制信号、输出时序的理解、分频的概念。,5,、集成计数器的级联,74160,、,74161,目的：异步级联的理解、级联控制信号的时序问题。,同步级联和异步级联的比较。,课程实施举例,-,虚拟仿真,1,、同步级联,Q,A,Q,B,Q,C,Q,D,Q,0,Q,1,Q,2,Q,3,Oc1,P,1,T,1,74161,(,1,),Q,A,Q,B,Q,C,Q,D,Q,4,Q,5,Q,6,Q,7,Oc2,P,2,T,2,1,1,CP,74161,(,2,),CP,CP,2,、异步级联,课程实施举例,-,虚拟仿真,两片,74160,构成的模,60,计数器,仿真结果,西安电子科技大学,国家级精品课程数字电路与系统设计,课程实施举例,-,虚拟仿真,两片,74163,构成的模,60,计数器,西安电子科技大学,国家级精品课程数字电路与系统设计,谢谢大家！,