本發明專利技術屬于計算機實驗儀器領域，提供一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的方法及裝置。本發明專利技術中的方法包括以下步驟：將通用FPGA開發板與計算機通過USB總線相連；計算機安裝具有自定義功能的實驗軟件；在FPGA內設計接口電路，通過通用內部端口與學生實驗模塊連接；在FPGA內設計控制電路，控制實驗軟件與學生實驗模塊間的數據通信。本發明專利技術滿足了數字邏輯電路、計算機組成原理、系統結構、接口技術及嵌入式系統等硬件實驗對實驗設備的要求，充分利用實驗環境，提高資源利用率；便于實驗系統的升級和功能擴展；減輕了學生需要學習多個實驗平臺的負擔，同時為使用者提供更直觀的實驗過程與結果，便于學生和教師的使用和操作。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的方法及裝置，屬于計算機實驗儀器領域。
技術介紹
高校計算機及其相關專業硬件課程實踐教學的重要性不言而喻，但長期以來，各門課程的實驗平臺相對獨立。如計算機組成原理TEC系列實驗箱、微機原理與接口的TPC系列實驗箱、數字邏輯電路的TPE和TDS系列實驗箱、單片機和嵌入式系統的TEB系列實驗箱等。這些箱式實驗平臺普遍存在以下幾個方面的問題，首先，實驗平臺成本較高，其控制電路由單片機和相關邏輯組成，設計固定、控制復雜，不便于實驗系統的升級和功能擴展，除非更換實驗平臺；其次，一門課程一個平臺，開設了多少門課就可能需要多少個平臺，沒有充分利用實驗環境，資源利用率低；另外，對學生而言，一門課需要學習一個新的平臺，課程結束這個平臺也可能不會再用，這樣增加了學生負擔，也會造成了知識掌握不牢固、學藝不精的狀況。為了改變這種狀況，國內有些高水平大學直接采用通用的FPGA開發板作為硬件課程的實驗平臺，這些大學的數字邏輯、組成原理、系統結構、接口技術及嵌入式系統等硬件實驗都在FPGA開發板上設計實現,如Xilinx Spartan系列開發板和ALTERA DE2系列開發板等。通用FPGA開發板方式解決了獨立實驗箱存在的問題，降低了成本，提高了實驗資源利用率，減輕了學生需要學習多個實驗平臺的負擔，但仍存在一些問題，如驗證實驗結果時，需要將內部邏輯引出到芯片的外部引腳上，此時，實驗者的輸入、輸出數量受到FPGA引腳的限制，從而限制了實驗者設計的靈活性和設計規模，又如缺乏通用的實驗軟件，導致實驗現象不直觀、實驗調試不方便，學生設計完成后，除了通過仿真來檢查實驗設計的正確性夕卜，只能通過開發板開關輸入信息、通過指示燈顯示結果的方式來驗證和判斷設計的正確性。
技術實現思路
為了解決上述現有技術中存在的問題，本專利技術提出一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的方法及裝置，該方法及裝置可以實現多門硬件課程對實驗設備的需求，可滿足不同課程實驗內容的要求，提高了實驗設備的利用率，大大節省實驗成本，同時可以直觀地顯示實驗結果，便于教師與學生的使用和操作。為了實現上述專利技術目的，本專利技術提出了這樣一種技術方案一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的方法，包括以下步驟(I)將通用FPGA開發板與計算機通過USB總線相連；(2)計算機安裝具有自定義功能的實驗軟件；(3)在FPGA內設計接口電路，通過通用內部端口與學生實驗模塊連接；(4)在FPGA內設計控制電路，控制實驗軟件與學生實驗模塊間的數據通信，所述控制電路通過USB總線與計算機相連,通過Avalon總線與接口電路相連。其中，步驟(2)中的實驗軟件以圖形化的界面為實驗者提供通用的實驗操作平臺，以自定義的方式為不同的硬件課程的實驗提供統一的操作界面，通過按需動態加載實驗原理圖達到操作界面與實驗內容的一致性；通過在原理圖上任意添加并配置虛擬端口、利用虛擬端口實現實驗數據及命令的輸入和實驗結果及中間數據的顯示的方法。其中，步驟(3 )中的接口電路是自定義邏輯，由一組基本PIO組成，提供兩類端口，一類面向Avalon總線,一類面向學生實驗模塊。其中，步驟(4)中的控制電路是嵌入在FPGA內以NIOS為核心的的SOPC系統，通過執行NIOS程序接收實驗軟件的命令和數據，解析后傳送給學生實驗模塊，封裝學生實驗模塊的輸出傳送給實驗軟件，實現實驗軟件與學生實驗模塊間的數據通信。同時，本專利技術還提出了一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的裝置，包括計算機、控制電路、接口電路和學生實驗模塊；其中計算機安裝具有自定義功能的實驗軟件；控制電路控制實驗軟件與學生實驗模塊間的數據通信，并與計算機通過USB總線相連；接口電路連接控制電路和學生實驗模塊，并與控制電路通過Avalon總線相連，學生實驗模塊是學生實驗設計的承載載體，并與接口電路通過通用內部端口相連。進一步地，上述控制電路包括NIOS軟核處理器、USB接口邏輯、存儲器模塊和JTAG接口邏輯,它們之間通過Avalon總線連接。進一步地，上述接口電路是自定義邏輯，由一組基本PIO組成，提供兩類端口，一類面向Avalon總線，一類面向學生實驗模塊。更近一步地，控制電路、接口電路和學生實驗模塊在通用FPGA開發板上設計實現，其中控制電路、接口電路固化在FPGA內，學生實驗模塊由學生設計并在FPGA內實現。其中，開發板選用ALTERA DE2-115開發板。上述技術方案有以下有益效果本方法及裝置滿足了數字邏輯電路、計算機組成原理、系統結構、接口技術及嵌入式系統等硬件實驗對實驗設備的要求，充分利用實驗環境，提高資源利用率；便于實驗系統的升級和功能擴展；減輕了學生需要學習多個實驗平臺的負擔，同時實驗軟件為使用者提供更直觀的實驗過程與結果，便于學生和教師的使用和操作。附圖說明圖1為本專利技術的邏輯結構圖。圖2為本專利技術的實驗軟件流程圖。圖3為本專利技術的實驗軟件添加并配置輸入輸出接口的流程圖。圖4為計算機組成原理加減運算電路實驗整體測試界面圖。圖5為計算機組成原理加減運算電路實驗局部測試界面圖。具體實施例方式下面結合附圖和具體施實例對本專利技術做進一步描述本專利技術提出了一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的方法，包括(I)將通用FPGA開發板與計算機通過USB總線相連；(2)計算機安裝具有自定義功能的實驗軟件；(3)在FPGA內設計接口電路，通過通用內部端口與學生實驗模塊連接；(4)在FPGA內設計控制電路，控制實驗軟件與學生實驗模塊間的數據通信，所述控制電路通過USB總線與計算機相連,通過Avalon總線與接口電路相連。本專利技術的優選實施例基于計算機和ALTERA DE2-115開發板，如圖1所示，包括計算機、控制電路、接口電路和學生實驗模塊四個部分；其中學生實驗模塊是ALTERA DE2-115開發板FPGA內的自由區域，實驗內容由實驗者設計實現，可以是不同硬件課程的實驗內容；計算機通過運行EDA開發軟件完成實驗的硬件設計并下載，然后運行PC機實驗軟件，以圖形化的界面完成實驗過程的控制，通過加載實驗原理圖、添加并配置虛擬端口、利用虛擬端口完成實驗數據的輸入和實驗結果及中間數據的顯示；控制電路由基于FPGA的以NIOS處理器為核心的SOPC系統組成，通過NIOS處理器執行NIOS軟件為計算機和實驗模塊之間的數據通信提供服務；接口電路連接控制電路和學生實驗模塊，為學生實驗模塊提供通用的內部端口 ；控制電路、接口電路和學生實驗模塊集成在一塊FPGA芯片內部。如圖1所示，控制電路是嵌入在FPGA內以NIOS為核心的的SOPC系統，通過執行NIOS程序接收實驗軟件的命令和數據，解析后傳送給學生實驗模塊，封裝學生實驗模塊的輸出傳送給實驗軟件，實現實驗軟件與學生實驗模塊間的數據通信。控制電路包括NIOS軟核處理器、USB接口邏輯、存儲器模塊和JTAG接口邏輯，它們之間通過Avalon總線連接；其中，NIOS II軟核處理器執行NIOS程序，一方面與PC機實驗軟件通信，另一方面直接訪問硬件，完成對實驗模塊的讀寫，以實現PC機實驗軟件與實驗模塊的數據通信；存儲器模塊為NIOS軟核處理器執行程序提供存儲空間；USB接口邏輯，實現PC機實驗軟件通過USB總線和NIOS系統間的數據交本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）將通用FPGA開發板與計算機通過USB總線相連；（2）計算機安裝具有自定義功能的實驗軟件；（3）在FPGA內設計接口電路，通過通用內部端口與學生實驗模塊連接；（4）在FPGA內設計控制電路，控制實驗軟件與學生實驗模塊間的數據通信，所述控制電路通過USB總線與計算機相連，通過Avalon總線與接口電路相連。
【技術特征摘要】
1.一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將通用FPGA開發板與計算機通過USB總線相連； (2)計算機安裝具有自定義功能的實驗軟件； (3)在FPGA內設計接口電路，通過通用內部端口與學生實驗模塊連接； (4)在FPGA內設計控制電路，控制實驗軟件與學生實驗模塊間的數據通信，所述控制電路通過USB總線與計算機相連,通過Avalon總線與接口電路相連。2.如權利要求1所述的一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的方法，其特征在于，所述步驟(2)中的實驗軟件以圖形化的界面為實驗者提供通用的實驗操作平臺，以自定義的方式為不同的硬件課程的實驗提供統一的操作界面，通過按需動態加載實驗原理圖達到操作界面與實驗內容的一致性；通過在原理圖上任意添加并配置虛擬端口、利用虛擬端口實現實驗數據及命令的輸入和實驗結果及中間數據的顯示的方法。3.如權利要求1所述的一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的方法，其特征在于，所述步驟(3)中的接口電路是自定義邏輯，由一組基本PIO組成，提供兩類端口，一類面向Avalon總線,一類面向學生實驗模塊。4.如權利要求1所述的一種用于計算機硬件課程共享實驗設備的方法，其特征在于，所述步驟(4)中的控制電路是嵌入在FPGA內以NIOS為核心的的SOPC系統，通過執行NIOS程序接收實驗軟件的命令和數據，解析后傳送給學生實驗模塊，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：丁偉，肖鐵軍，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：
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