计算机专业数字逻辑实验教学分析论文

计算机专业数字逻辑实验教学分析论文 摘要数字逻辑在计算机专业的课程体系中占据着重要的基础 地位，是一门实践性很强的课程。课程的教学和实验有着计算机专 业的特点。国内各高校在课程教学和实验的具体实施过程中采用了 不同的思路和方式。文章结合了课程需要和创新性需求，介绍了清 华大学计算 关键词计算机专业论文发表 摘要数字逻辑在计算机专业的课程体系中占据着重要的基础 地位，是一门实践性很强的课程。课程的教学和实验有着计算机专 业的特点。国内各高校在课程教学和实验的具体实施过程中采用了 不同的思路和方式。文章结合了课程需要和创新性需求，介绍了清 华大学计算机系实验教学中的一些具体实施方法和探索，为课程提 供了一些建设性的建议。 关键词计算机专业论文发表 数字逻辑课程是电子信息类专业的基础必修课，是各个专业的 入门硬件课程，在课程体系中起着支撑作用。数字逻辑课程的主要 内容是数字逻辑电路的分析与设计，分为组合逻辑和时序逻辑两个 主要部分[1] O由于课程的主要理论知识都是在硬件电路的基础上 进行讲解的，因此数字逻辑课程实验是课程教学的一个重要环节， 只有有了有效的实践环节才能保证理论知识的真正掌握，让学生能 够灵活地进行数字电路的设计和分析。 1计算机专业数字逻辑课程的特点 对于计算机专业来说，数字逻辑课程是计算机组成原理、系统 结构、嵌入式系统等课程的先导课，有着很重要的基础支撑作用 ［2］。相对于其他电子类专业来说，数字逻辑课程在计算机专业的 课程体系、教学内容和实验环节上有着自身的特点。 1. 1数字逻辑是整个课程体系的基础之一 传统的计算机专业课程体系的层次分为计算机专业基础类课 程、计算机软硬件理论基础类课程和计算机应用技术类课程［3］。 该层次是按照课程的内容和应用来划分的。从目前比较强调计算机 系统能力培养这一角度出发，计算机课程可分为计算机系统基础课 程、重组内容的核心课程和侧重不同计算系统的若干相关平台应用 课程［4］ 3个层次。不管是传统的层次还是系统能力培养的角度， 数字逻辑都是一门基础课程，被放到课程体系的重要位置。从课程 内容和应用来说，数字逻辑以离散数学为理论基础，是计算机硬件 系列课程的入门和起始，向后衔接了计算机组成原理等课程;从系统 层次来说，数字逻辑是计算机底层系统具体实现的基础，为计算机 软硬件系统理论提供底层硬件支持。 1. 2数字逻辑以计算机硬件设计为目标 计算机专业教学不仅仅要求学生会使用计算机，还要求能够理 解计算机系统硬件的工作原理，并能够设计计算机系统。这是计算 机专业区别于其他专业的一个主要特点。因此，数字逻辑课程的教 学是以计算机硬件设计为目标的，实验教学过程中也会比较偏向计 算机相关部件的介绍，比如算术逻辑单元ALU、寄存器堆的设计、 状态机等，为后续计算机组成原理课程提供基础［5］。 1. 3以系统设计为主的教学以及实验内容层次跨度大 数字逻辑课程安排的内容从基本的门电路到复杂的系统设计都 有所涉及，课程内容以及实验安排都有着比较大的跨度，要求学生 能够理解基本的电路理论知识，更重要的是能够设计和分析数字电 路。在具体的教学和实验过程中，门电路的内部构成，比如三极管 如何工作等内容，并不作为主要的介绍对象，只需要学生了解即可; 而高层次的电路系统设计则被作为一个重要内容，如何分析和设计 这些电路是课程和实验主要关心的内容。1. 4数字逻辑是理论和实 践结合的课程数字逻辑课程的主要内容是介绍一些具体的数字电 路，包括组合逻辑电路和时序逻辑电路，其理论知识都有着实际对 应的硬件电路实现。因此，数字逻辑是一门实践性很强的课程，如 果没有实际的动手操作过程，是很难更好地理解课程中的理论知识 的。 2数字逻辑实验教学 由于实验是数字逻辑课程不可或缺的组成部分，各高校的数字 逻辑课程基本上都安排了相应的实验教学内容，根据具体情况不 同，所使用的实验模式、实验技术和实验内容有所不同。 2. 1实验模式选择 传统的实验模式是使用具体的实验硬件设备，学生通过在具体 硬件设备上操作来完成实验内容。目前，国内有很多高校和厂家都 有相应的实验设备。另外一种实验模式是采用虚拟化的方案，利用 计算机仿真、虚拟现实等技术对实验教学内容进行模拟，从而达到 降低实验教学成本，提高教学质量的目的［6］。目前，国内有很多 所高校都在进行这方面的尝试［7］。它可以通过网络完成远程教 育、网络教学的实验教学任务［8］ o通过虚拟化实验可以解决实验 经费、实验设备不足等问题，并且实验更新也比较方便快捷，但是 虚拟化实验有着比较严重的问题学生对具体硬件电路没有切身体 会，缺乏直观印象;虚拟实验很难准确地仿真实际硬件工作情况，比 如毛刺的产生、按键的抖动等;通过模拟，学生难以对硬件进行调 试，无法培养他们的实际操作能力。对于数字逻辑课程的学生而 言，因为是初次接触硬件，对硬件还没有直观的了解，缺乏切身体 会，所以实际的硬件操作是非常必要的。在课程实验中，我们选择 了传统的实验模式，使用具体真实的硬件实验设备，强调实际动手 操作的过程，帮助学生更好地建立起硬件的概念，同时作为辅助， 实际硬件实验之前，使用仿真软件进行实验的模拟，提高实验的效 率。 2. 2实验技术与设备 目前，国内高校的数字逻辑实验教学中使用的硬件设备主要采 用两种方式1）传统的使用小规模通用逻辑器件，比如74系列的芯 片进行电路搭建拼装实验，要求学生按照实验内容根据给定的芯片 进行逻辑设计［9］。这种方式需要学生设计并实际动手连接电路， 同时使用仪器进行调试，有着很好的亲身体验过程。通过这一过程 可以很好地提高学生的操作和调试能力，但是由于是给定的芯片， 学生的设计受到一定的限制，限制了自由发挥的空间。2）采用可编 程芯片进行实验。在EDA软件平台上使用硬件描述语言进行数字电 路的设计，由EDA工具自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及 优化、逻辑仿真，直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编 程下载等工作［10］。使用这一方式可以使学生摆脱传统方式中繁 琐的物理连线与查错，同时逻辑设计及实现有了更自由地发挥空 间，可以进行更高层次的设计。但是这一方式由于主要是在软件上 进行设计，使学生缺乏对实际硬件电路的直观认识，并不利于学生 动手能力的培养。这两种方式各有优缺点，第一种方式是第二种方 式的基础，只有有了实际的硬件直观印象和动手能力，才能更好地 进行第二种方式的设计。因此，在实际的实施中，所使用的实验设 备上既保留了小规模的电路搭建实验，也引入了可编程实验。 2. 3实验部署 在具体的实验安排部署上，主要遵循从易到难，从门电路到复 杂电路的设计规律，实验内容也分为组合逻辑和时序逻辑两个方 面，都会有加法器、计数器等经典实验内容。所安排的具体实验内 容和具体实验操作有一定的差别，采用实际硬件设备的一般会安排 仪器使用和门电路特性实验，采用可编程器件的都会安排一些设计 性比较强的实验内容。 3数字逻辑实验实施 在数字逻辑课程实验教学中，针对学生的学习层次和兴趣，结 合计算机专业特点和课程需要，我们对数字逻辑实验的课程体系、 实验内容等进行了一系列的改革和探索，实验教