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微機接口技術是計算機專業的核心課程之一，是學習計算機硬件系統的關鍵課程。搞好該課程的實驗教學，對于加深對課程的理解、培養設計能力和創新能力具有重要的意義。多年來，微機接口技術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) 實驗箱系統中的硬件結構基本固定，器件的品種、數量擴展困難，因此以驗證型的實驗為主，學生的設計難以突破實驗箱的限制； (2) 實驗方法與前期課程脫節，與技術的發展脫節； (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模式。EDA技術的出現，革新了傳統的手工設計過程。微機接口設計作為一個典型的復雜數字系統設計，其設計方法發生了根本性的變革，因此應用EDA技術是微機接口課程實驗改革的方向。 1 EDA技術簡介 EDA技術是指以計算機為工作平臺，以EDA軟件工具為開發環境，以硬件描述語言為設計語言，以可編程器件為實驗載體，以專用集成電路、片上系統芯片為目標器件，以電子系統設計為應用方向的電子產品自動化設計過程，是一種基于芯片的現代電子系統設計方法。EDA技術主要包括4個方面的內容： 大規模可編程邏輯器件；硬件描述語言；開發軟件工具；實驗開發系統。 其中，大規模可編程邏輯器件是利用EDA技術進行電子系統設計的載體硬件，描述語言是利用EDA技術進行電子系統設計的主要表達手段，開發軟件工具是利用EDA技術進行電子系統設計的智能化的自動化設計工具，實驗開發系統則是提供芯片下載電路及EDA實驗／開發的外圍資源，供硬件驗證用。在實驗教學中，實驗硬件使用了我們開發研制的CPLD開發系統，其中的CPLD器件為Xilinx公司XC95系列的XC95144PQ160，實驗使用VHDL為設計語言，選用了XilinxISE7.1i作為實驗軟件。 2 設計實例——鍵盤接口設計 下面以鍵盤接口設計為例，說明EDA技術在微機接口技術實驗教學中的應用。 2.1 硬件設計 硬件實現框圖如圖1所示。 2.2 按鍵掃描 本設計采用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個預先設計的4位狀態機產生，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)，將該鍵碼對應的鍵值送至存儲器指定地址data key暫存。然后再觸發中斷，接受處理器的訪問。本設計中CPLD將鍵碼轉換為標準鍵盤按鍵的ASCII碼，可以直接送至數據線由處理器做讀取、判斷處理，而無需再做轉換。 2.4 按鍵長按、去抖及相關問題的解決 本設計中，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，則觸發中斷。這樣設計解決了長按鍵的問題，但產生了新的問題：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，這個鍵碼是不送數據線的，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(按本設計4行掃描線計算)，在本設計中，采用16.384 MHz時鐘，采用計數的方法進行分頻，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： 設計一個計數器，每掃描到一次為0鍵碼(無鍵按下)，計數器加1。如果有鍵按下，即掃描到的鍵碼不為0，則計數器清零；如果計數到某一數值(即時間大于一個掃描周期)，則保持當前計數不變。這樣通過綜合分析，得出觸發中斷、要求得到響應的條件為： (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) 計數器當前計數值大于3； 這樣就解決了不同按鍵的響應問題，或者： (1) 掃描到的鍵碼不為0； (2) 計數器當前計數值大于等于5。 這樣就解決了在以上功能實現前提下同一按鍵連續按下的響應問題。 大量實踐經驗證明，按鍵抖動時間一般為10 ms(保守估計)，本設計中掃描時鐘為8 ms，在滿足快速響應按鍵的同時，在較大程度上也實現了鍵盤去抖的功能。 2.5 VHDL程序設計 限于篇幅，這里只給出一組掃描線情況(ROW=“1110”)下按鍵識別的設計實現方法： 3 結 語 與以往傳統的實驗方法相比，學生在實驗過程中可以節省大量的接線時間，把重點放在微機接口的設計和仿真、驗證上，使本實踐環節更好地達到教學目的。軟件設計調試階段完成后的硬件下載和測試，又使學生能夠學習硬件環境下的調試方法。實驗教學的實踐表明，新的實驗模式激發了學生學習的積極性，加深了對本課程的掌握程度，同時還能夠學到先進的設計技術，學生普遍歡迎這種改革新的實驗模式，有效地鍛煉了學生的設計能力和實踐能力，為學生提供了充分的創造空間，收到了傳統實驗方法難以獲得的效果。 |
