數字邏輯電路教學中的C語言描述和應用

摘要：為了改進數字邏輯電路教學方法以適應電子技術迅猛發展的需要，我們探索和實踐了數字邏輯電路教學的新方法，這就是基于計算機高級語言（C語言）的數字邏輯電路課堂教學和實驗教學方法，本文重點介紹了本教學方法的特點以及實現方法。
關鍵詞：教學改革；數字邏輯電路；C語言
中圖分類號：G642 文獻標識碼：B
文章編號：1672-5913(2007)10-0090-03
　　
　　引言
　　
　　數字邏輯電路課是高等學校計算機科學技術專業的一門必修基礎課。在計算機專業基礎課程中，它是微機原理與應用、微機接口技術、計算機組成與系統結構等課程的前導課程，有著承上啟下的重要地位。該課程從電子計算機的基本硬件組成及數字電子技術著手，對計算機的組成部件的基本電路工作原理展開討論，使學生掌握有關計算機硬件方面的基礎知識，尤其是各數字邏輯電路的基本功能，構成整機數字系統的技術，為培養學生對硬件系統的分析、設計、開發和使用能力打下最基本的基礎知識。

　　數字邏輯電路這門課程學習結果的好壞將對計算機專業的后續課程的學習產生很大的影響。數字邏輯電路是學好計算機專業基礎課的必要途徑，因此應該重視這門課程教學方法的改進。為了改革目前的數字邏輯電路課教學方法，我們探索了新的數字邏輯電路教學方法，即基于計算機高級語言的數字邏輯電路教學方法。本數字邏輯電路教學方法的特點是用計算機高級語言C語言對數字邏輯電路的基本功能進行描述和實驗，也就是用計算機高級語言對我們在數字邏輯電路課程中講解的全部基本數字邏輯電路進行表示。本方法特別適合與計算機專業的學生，因為計算機專業的學生在學習數字邏輯電路課程之前都學習過了計算機高級語言C語言。這使得他們能夠較好的理解數字邏輯電路的這種表示方式，同時也能夠使他們在學習數字邏輯電路的這種表示方式中復習計算機的高級語言，并且可以擴展學生的知識面，培養和訓練學生的創新能力。它不但能夠進行數字邏輯電路的基本教學，還可以用于數字邏輯電路的實驗教學和課程設計。
　　
1 數字邏輯電路的C語言描述
　　
　　C語言功能豐富，表達能力強，使用靈活方便，目標程序效率高，可移植性好，適合編寫各種軟件，尤其是系統軟件，所以C語言已在諸多領域得到廣泛的應用。目前許多高等院校，都在計算機專業開設了C語言課程。利用C語言可以編寫出簡潔、緊湊、高效的程序。C51是在完全支持標準C全部指令的基礎上添加了許多用來優化8051指令結構的C的擴展指令而形成的，其程序結構也類似于標準C程序的編寫。隨著嵌入式技術的不斷發展以及C語言在嵌入式應用中的不斷普及，C程序設計技術在嵌入式系統中將得到廣泛的應用。
　　數字邏輯電路通常分為組合數字邏輯電路和時序數字邏輯電路兩大類，組合數字邏輯電路常用的描述方法是邏輯圖、邏輯代數式、真值表和卡諾圖，它們均可對同一個組合邏輯問題進行描述，知道其中的任何一個，就可以推出其余的三個。隨著EDA技術的發展，目前又出現了硬件描述語言的數字邏輯電路描述法。與用硬件描述語言類似的方法，本文探索了在微控制器中的C51程序描述法。例如對一個三變量的一致電路的描述：
　　三變量的一致電路就是當A、B、C三個變量一致時，電路輸出高電平；當三個變量不一致時，電路輸出低電平。
用邏輯代數式表示為：F=ABC+ 　

用C51語言描述為：
　　Main()
　　{ sbit a=P1.0; // 定義布爾輸入變量a是微控制器的P1.0口
　　sbit b=P1.1; // 定義布爾輸入變量b是微控制器的P1.1口
　　sbit c=P1.2; // 定義布爾輸入變量c是微控制器的P1.2口
　　sbit f=P2.0; // 定義布爾輸出變量f是微控制器的P2.0口
　　while(1){ // 無限循環
　　P1=0xff;
　　if (a==b==c)
　　f==1；
　　elsl f==0；
　　}
　　} // P1為輸入口，P2為輸出口
　　從以上的C51程序可以看出，這樣的數字邏輯電路描述方法，對于計算機專業的學生，只要學習過C語言是非常容易理解的，而且用該方法描述的數字邏輯電路也容易用下面介紹的實驗方法中得到驗證。
　　
2 在教學中的應用原則
　　
　　2.1教學重點
　　筆者認為對于計算機專業的數字邏輯電路課，教學重點在于讓學生能夠很好地理解常用數字邏輯電路的邏輯功能，至于這些數字邏輯電路的實現方法有一些概念就可以了，沒有必要掌握數字邏輯電路的中小規模集成電路實現方法。而這些中小規模集成電路實現的數字邏輯電路在我們目前所用的教材中往往是重點講解的，這點對于計算機專業的學生就不是很合適。事實上，本文探索的用C51程序描述數字邏輯電路，就是基于微控制器的用軟件實現的數字邏輯電路。這就是說數字邏輯電路課程的重點內容是理解數字邏輯電路的邏輯功能。而具體用什么方法實現這個邏輯功能就不是太重要了。用中小規模集成電路、可編程邏輯電路和軟件來實現都是可以的。2.2應用實例
　　根據筆者的多年教學實踐經驗，在計算機專業的數字邏輯電路課程教學中，靈活運用本文論述的C51程序描述法，結合傳統的數字邏輯電路的描述方法，取得到了較好的教學效果。
　　如：對于在計算機專業中用到的較多的邏輯電路“譯碼器”。用邏輯代數描述為：
　　
　　用C51程序可以描述為：
　　main()
　　{ sbit a=P1.0； // 定義布爾輸入變量a,b,c為微控制器的P1口
　　sbit b=P1.1；
　　sbit c=P1.2；
　　sbit y0=P2.0； // 定義布爾輸出變量y0~y7是微控制器的P2口
　　sbit y1=P2.1；
　　sbit y2=P2.2；
　　sbit y3=P2.3；
　　sbit y4=P2.4；
　　sbit y5=P2.5；
　　sbit y6=P2.6；
　　sbit y7=P2.7；
　　while(1){ // 無限循環
　　P1=0xff；
　　y0=y1=y2=y3=y4=y5=y6=y7=0；
　　if (a==0&&b==0&&c==0) y0=1;
　　if (a==0&&b==0&&c==1) y1=1;
　　if (a==0&&b==1&&c==0) y2=1;
　　if (a==0&&b==1&&c==1) y3=1;
　　if (a==1&&b==0&&c==0) y4=1;
　　if (a==1&&b==0&&c==1) y5=1;
　　if (a==1&&b==1&&c==0) y6=1;
　　if (a==1&&b==1&&c==1) y7=1;
　　}
　　}
　　因此，在數字邏輯電路課程中，讓學生懂得作為計算機專業的學生，單單學會數字邏輯電路的硬件實現方法是不夠的，還應當讓學生從一開始就重視學習計算機軟硬件的相互關系。如果教師在數字邏輯電路課程的教學中運用本文論述的方法，引導學生從計算機軟件和硬件層次上去認識數字邏輯電路知識，對學生學好后續專業課程有著積極的促進意義。
　　
3 實驗教學方法
　　
　　3.1硬件結構
　　本實驗方法的硬件部分主要由PC機以及微控制器電路和多個LED電路組成。微控制器選用Philips公司生產的P89C51RD2BN。該芯片內部集成了多種功能部件，如四個8位的數字I/O口，8路A/D轉換接口、UART、定時器、看門狗定時器和FLASH存儲器等。微控制器的主要功能是：用戶輸入輸出端口狀態掃描輸入，用戶輸入輸出端口信號輸入和數字信號顯示等。實驗硬件組成框圖如圖1所示。
　　
　　圖1　實驗硬件組成框圖
　　
　　3.2ISP實現原理
　　本實驗方法的關鍵是ISP技術。P89C51RD2BN的系統編程是通過標準RS232串口來完成的，它是一種內嵌的在線可編程。內部有一系列的硬件資源，當微控制器對自身的Flash存儲器進行編程時，所有底層操作都由這些內部資源來完成。ISP編程不需要將微控制器從系統中取出，只要用一個開關將PSEN強行拉低，ALE管腳懸空，系統便在上電復位后進入ISP狀態。通過免費的編程軟件Flashmagic下載二進制文件到微控制器，就可以運行程序了。
　　3.3實驗方法
　　如圖1所示，實驗時先把ISP控制開關放置在ISP位置上，在PC機上輸入需要實現的數字邏輯電路的C51程序，然后經過C51編譯器編譯，生成二進制文件形式的目標程序文件，然后使用Flashmagic軟件把目標程序下載到微控制器中，再把ISP控制開關放置到微控制器的正常工作狀態，按動復位按鈕，微控制器中的程序就可以正常運行了。這時可以在輸入撥位開關上輸入數字信號，在LED上可以觀察到這個實驗數字邏輯電路的邏輯功能的實現結果。改變輸入撥位開關上輸入的數字信號，可以得到不同的數字信號輸入，在LED中可以觀察分析實驗數字邏輯電路的全部邏輯功能。
　　運用本實驗方法進行的數字邏輯電路實驗，由于實驗所用到的硬件設備，除PC機以外的成本是極低的，可以實現把實驗帶回家的實驗理念。在家里進行各種有創造性的實驗。讓學生真正成為實驗學習的主人。
　　
4 結束語
　　
　　本文論述的數字邏輯電路C語言描述方法具有易懂、直觀、有創新性的特點。用該教學方法的實驗裝置結構簡單、成本較低、維護方便、性能可靠。可以進行簡單的組合數字邏輯電路實驗，也可以進行時序邏輯電路的實驗，能夠搭建多種趣味電路。能滿足基本教學的需要，也可以進行綜合性、設計性實驗。
　　
?參考文獻
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