基于EDA的计算机硬件教学仿真设计

摘 要：在计算机硬件教学中,硬件设备的不足和教学手段方法单一等问题给我们的教学工作带来极大的困难,教学效果也不是很理想.利用电子设计自动化工具,结合多门课程的教学内容,构成计算机硬件的教学仿真平台进行课程教学能够提高教学效果.本文主要阐述仿真平台在现代教学中的应用.

关 键 词：EDA计算机硬件教学仿真平台

中图分类号：TP391.6文献标识码：A文章编号：1007-9416(2012)06-0178-01

随着计算机技术和电子信息技术的高速发展,以及各种新技术的应用,给高校教学方法和实验环节提出了新的要求,也带来了难题.目前高校教学手段和教学设备远远落后于科学技术的发展,严重制约教学的发展和人才的培养,如何提高教学水平已经成为现在新技术学科教育的难题.

1、教学仿真平台的结构组成

实验教学环境主要包括软件和硬件环境两个部分,基于EDA的计算机仿真技术是以计算机的可编程器件的开发软件以及实验系统为工具,自动完成从软件到硬件的仿真平台.仿真平台主要以网络化的解决方案和网络EDA的一体化为基础,结合仿真技术和虚拟的实验室环境,以视觉或者文字等直观方式将难以表达的内容显示出来.仿真平台涉及到计算机的硬件教学的各门课程和技术.仿真平台主要由EDAXUEXI、模拟电路仿真、数字电路仿真、语言学习训练和外部系统接口构成一个完整的模拟系统.EDA学习集成了Quartus、EWB、DSPDNEG等多种EDA通用工具,确立硬件系统为目标,使用多种逻辑描述输入工具,为教学的硬件设计提供保障,建立适合于系统仿真的虚拟环境.模拟电路仿真是使用电子元件、模数混合和模拟电路等组成实验仿真,需要对电路性能和工作条件进行仿真分析,使整个教学过程更加快捷、方便和针对性.例如通过模拟电路仿真测试之后,可以实现PCB电路板的设计.数字电路模拟主要是利用数字电路中的数字逻辑、计算机原理、数字电路知识、单片机系统以及接口系统等相关知识实现教学实验的仿真.语言学习训练主要是进行汇编语言和硬件描述语言等编程语言的学习训练,在整个教学中学习硬件和软件的编程技巧,提高计算机语言能力和硬件的设计能力.外部系统接口主要是指提供和外部的实验仪器设备的接口.

2.仿真平台的设计

仿真平台包含多种外部实验设备的接口,主机可以通过这些接口与多种目标机建立连接,对各种实验程序进行下载验证.软件系统是指MicrosoftVisualStudi平台上设计开发的,集成了多种EDA工具,实现人机相交界面,可以进行各种数据图表、实验参数的输入和仿真结果的输出.构成了以实验、教学和仿真为目的的完整仿真平台,通过外部的I/O接口工具,可以将各种实验程序进行下载和验证.

(1)仿真平台的EDA集成.仿真平台的EDA的集成包含的EDA工具的种类比较多,软件系统的设计中需要解决工作路径的选择、环境变量的设置、调用信息返回和软件参数的传递等关键问题来保证软件系统的正常工作,实现仿真平台和EDA工具良好的结合.下面主要介绍仿真平台和Quartus的集成过程.

首先安装2个EDA工具,在仿真平台中修改软件环境变量和在Quartus中设置工作路径,方便仿真结果的查看和分析以及在平台中可以做出相应的修改和调整；接着做参数处理,在仿真平台中利用EDA工具在实验项目中启动参数,传递到EDA工具中,经过分析处理可以得到实验项目的仿真结果和仿真电路；最后软件平台集中处理EDA的返回信息,并且提供给信息用户.

(3)仿真的实现.仿真平台可以完成多种计算机硬件教学任务,下面将介绍利用不同的EDA工具的不同软件配置和仿真过程实现在计算机仿真教学中的数字电路的设计.

数字电路的设计中首先要分析和确定电路的逻辑功能,将逻辑函数进行化简；接着按照电路的原理选择门电路,建立最优的逻辑电路.其中门电路的选择要满足教学实验要求的开放性和创新性,可以引入FPGA技术来避免受到门电路因素的干扰,最优的逻辑电路是整个数字电路设计中的重要环节,使用RDA工具可以保证数字电路设计的准确性.

(3)下载验证.已经通过仿真设计的数字电路,通常需要检验电路的硬件功能,需要将设计的电路下载到目标机中验证,下面将介绍下载验证过程.

首先选择目标机的类型和FPGA型号进行全程编译和分配引脚操作,生成“Bjp.sof”和“Bjp．pof”下载文件,然后通过ActiveSerial方式将下载文件下作为永久保存的下载文件,写入到串行配置器件,在目标机按开机后自动写入FPGA中,实现了数字电路的逻辑功能.在下载完成之后,可以通过半加器对电路的正确性进行判断.

(4)语言学习.在仿真平台可以学习多种编程语言,例如VHDL等硬件描述语言,可以学习硬件的结构和行为,汇编语言是面向硬件可控制硬件,是掌握计算机系统的原理和工作方式的途径,C语言在软硬件系统中应用比较广泛.仿真平台还可以组织各种语言的仿真设计以及给出仿真结果,有助于在教学中理解各种程序和定时器的方作方式.

3.计算机硬件教学仿真平台上的应用

仿真平台可以学习很多课程的理论、仿真测试和实验验证.仿真平台的设计包含、计算机原理、数字电路、借口技术、嵌入式系统、单片机的知识、电路设计、电工学的基础、PCB的制作、各种汇编语言程序等,有真值表、逻辑函数、原理图、仿真波形、三维图形、平面图形、程序代码、动画等多种演示的表现形式,能偶从不同的角度展示教学内容,提高学生的学习兴趣,帮助学生学习和掌握相关的、教学内容,学生也还可以通过仿真平台进行自主学习,进行仿真和验证个人学习项目.仿真平台还可以对现有的EDA工具进行升级,建立相应的学习环境,进一步提高教学效果和丰富教学内容,仿真平台的设计和建立革新了现代教学方式,有助于学生的学习能力提高.

4.结语

基于EDA的计算机硬件教学仿真平台是将多种EDA工具进行集成和优化,可以适用于各种课程的学习,丰富现有的教学手段,可以面向不同层次学生的课堂教学,尤其是现行的教学实验设备不足的课程,通过仿真平台的教学,提高了学生的专业知识水平和动手能力.教学平台还可以借助网络平台进行远程教学,推动网络教育的发展.