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微機接口技術(shù)是計算機專業(yè)的核心課程之一，是學習計算機硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵課程。搞好該課程的實驗教學，對于加深對課程的理解、培養(yǎng)設(shè)計能力和創(chuàng)新能力具有重要的意義。多年來，微機接口技術(shù)課程的實驗一直使用專用實驗箱，但存在幾個方面的問題： (1) 實驗箱系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)基本固定，器件的品種、數(shù)量擴展困難，因此以驗證型的實驗為主，學生的設(shè)計難以突破實驗箱的限制； (2) 實驗方法與前期課程脫節(jié)，與技術(shù)的發(fā)展脫節(jié)； (3) 由于實驗箱中需學生插接的連線很多，只要一個接觸不良就會影響實驗的完成。因此有必要改革微機接口課程的實驗?zāi)Ｊ健?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/EDA" target="_blank" class="relatedlink">EDA技術(shù)的出現(xiàn)，革新了傳統(tǒng)的手工設(shè)計過程。微機接口設(shè)計作為一個典型的復雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，其設(shè)計方法發(fā)生了根本性的變革，因此應(yīng)用EDA技術(shù)是微機接口課程實驗改革的方向。 1 EDA技術(shù)簡介 EDA技術(shù)是指以計算機為工作平臺，以EDA軟件工具為開發(fā)環(huán)境，以硬件描述語言為設(shè)計語言，以可編程器件為實驗載體，以專用集成電路、片上系統(tǒng)芯片為目標器件，以電子系統(tǒng)設(shè)計為應(yīng)用方向的電子產(chǎn)品自動化設(shè)計過程，是一種基于芯片的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計方法。EDA技術(shù)主要包括4個方面的內(nèi)容： 大規(guī)模可編程邏輯器件；硬件描述語言；開發(fā)軟件工具；實驗開發(fā)系統(tǒng)。 其中，大規(guī)模可編程邏輯器件是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設(shè)計的載體硬件，描述語言是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設(shè)計的主要表達手段，開發(fā)軟件工具是利用EDA技術(shù)進行電子系統(tǒng)設(shè)計的智能化的自動化設(shè)計工具，實驗開發(fā)系統(tǒng)則是提供芯片下載電路及EDA實驗／開發(fā)的外圍資源，供硬件驗證用。在實驗教學中，實驗硬件使用了我們開發(fā)研制的CPLD開發(fā)系統(tǒng)，其中的CPLD器件為Xilinx公司XC95系列的XC95144PQ160，實驗使用VHDL為設(shè)計語言，選用了XilinxISE7.1i作為實驗軟件。 2 設(shè)計實例——鍵盤接口設(shè)計 下面以鍵盤接口設(shè)計為例，說明EDA技術(shù)在微機接口技術(shù)實驗教學中的應(yīng)用。 2.1 硬件設(shè)計 硬件實現(xiàn)框圖如圖1所示。 2.2 按鍵掃描 本設(shè)計采用16.384 MHz時鐘，緩沖后除了為其他芯片提供工作時鐘外，還可采用計數(shù)的方法進行分頻，以得到125 Hz的參考時鐘。這個時鐘，就用來作幾個與鍵盤處理息息相關(guān)的進程敏感事件。按鍵采用通用的掃描方式，4組行掃描線是在每一個分頻時鐘的下降沿，利用1個預(yù)先設(shè)計的4位狀態(tài)機產(chǎn)生，在每一個掃描線送出的同時，讀取列值(COL)，即按鍵碼。按鍵行掃描時序圖如圖2所示。 2.3 按鍵的識別 如果本次掃描沒有鍵按下，按鍵碼賦值為00H。如果掃描到鍵碼不為0(即有鍵按下)，將該鍵碼對應(yīng)的鍵值送至存儲器指定地址data key暫存。然后再觸發(fā)中斷，接受處理器的訪問。本設(shè)計中CPLD將鍵碼轉(zhuǎn)換為標準鍵盤按鍵的ASCII碼，可以直接送至數(shù)據(jù)線由處理器做讀取、判斷處理，而無需再做轉(zhuǎn)換。 2.4 按鍵長按、去抖及相關(guān)問題的解決 本設(shè)計中，如果長時間(超過2個掃描周期)按同一按鍵視為單次按鍵，處理方法如下：每次掃描到的鍵碼與暫存在data_key的鍵碼相比，如果相等則說明按鍵未釋放，不作處理；如果不等說明有新的按鍵按下，則觸發(fā)中斷。這樣設(shè)計解決了長按鍵的問題，但產(chǎn)生了新的問題：如果下次(間隔了若干個掃描周期)還是同一鍵按下，那么會掃描到同一鍵碼，按照上述處理機制，這個鍵碼是不送數(shù)據(jù)線的，這是不正確的。 我們注意到，同一按鍵按下間隔的時鐘周期理論上為4個周期(按本設(shè)計4行掃描線計算)，在本設(shè)計中，采用16.384 MHz時鐘，采用計數(shù)的方法進行分頻，得到125 Hz的參考時鐘，故需要32 ms。在實際應(yīng)用中，任何操作人員也達不到這個速度。所以，這里可以采用一個小技巧： 設(shè)計一個計數(shù)器，每掃描到一次為0鍵碼(無鍵按下)，計數(shù)器加1。如果有鍵按下，即掃描到的鍵碼不為0，則計數(shù)器清零；如果計數(shù)到某一數(shù)值(即時間大于一個掃描周期)，則保持當前計數(shù)不變。這樣通過綜合分析，得出觸發(fā)中斷、要求得到響應(yīng)的條件為： (1) 掃描到的鍵碼不為0； (2) 本次掃描到的鍵碼和寄存器data key中的暫存碼不同； (3) 計數(shù)器當前計數(shù)值大于3； 這樣就解決了不同按鍵的響應(yīng)問題，或者： (1) 掃描到的鍵碼不為0； (2) 計數(shù)器當前計數(shù)值大于等于5。 這樣就解決了在以上功能實現(xiàn)前提下同一按鍵連續(xù)按下的響應(yīng)問題。 大量實踐經(jīng)驗證明，按鍵抖動時間一般為10 ms(保守估計)，本設(shè)計中掃描時鐘為8 ms，在滿足快速響應(yīng)按鍵的同時，在較大程度上也實現(xiàn)了鍵盤去抖的功能。 2.5 VHDL程序設(shè)計 限于篇幅，這里只給出一組掃描線情況(ROW=“1110”)下按鍵識別的設(shè)計實現(xiàn)方法： 3 結(jié) 語 與以往傳統(tǒng)的實驗方法相比，學生在實驗過程中可以節(jié)省大量的接線時間，把重點放在微機接口的設(shè)計和仿真、驗證上，使本實踐環(huán)節(jié)更好地達到教學目的。軟件設(shè)計調(diào)試階段完成后的硬件下載和測試，又使學生能夠?qū)W習硬件環(huán)境下的調(diào)試方法。實驗教學的實踐表明，新的實驗?zāi)Ｊ郊ぐl(fā)了學生學習的積極性，加深了對本課程的掌握程度，同時還能夠?qū)W到先進的設(shè)計技術(shù)，學生普遍歡迎這種改革新的實驗?zāi)Ｊ剑行У劐憻捔藢W生的設(shè)計能力和實踐能力，為學生提供了充分的創(chuàng)造空間，收到了傳統(tǒng)實驗方法難以獲得的效果。 |
