计算机系统设计教学实验板的制作方法

专利名称：计算机系统设计教学实验板的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及计算机系统设计教学实验装置，特别是一种具有基于现场可编程
逻辑阵列FPGA芯片、多种开关型输入输出设备和多种标准外部设备接口的计算机系统
设计教学实验板。
背景技术：
在现有的计算机系统设计教学实验中都有对于CPU核心设计、2进制或16进制数据 输入/输出的要求，都有对标准输入/输出设备进行驱动控制要求的系统软核设计的验 证。而目前采用的解决方案一般是使用通用的开发实验箱。这种实验箱功能全、体积 大、价格昂贵，只能在专门的实验室中进行验证实验，不利于学习者在家中、宿舍等 环境进行实验。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种体积小、价 格低、便于携带，并适合计算机系统设计相关课程实验的计算机系统设计教学实验板。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案 一种计算机系统设计教学实 验板，其特点为它包括一带有电源插座的电路板，在该电路板上固装有一可编程门 阵列FPGA芯片，与该FPGA芯片不同引脚分别相接并固装在电路板上的还有 一组电 源模块、 一组为系统提供8位二值数据的拨动开关、 一组为系统提供4位控制信号的 按键开关、二组LED发光二极管、二组作为数据输出的数码管、 一个可与标准键盘相 接的PS/2输入接口、 一个可与CRT显示器相接的VGA输出接口、 一个可直接用于显 示系统信息的LCD显示器、 一个可直接输入16进制数据的4X4矩阵键盘、 一连接有 下载驱动电路的主动串行配置EPCS4芯片和一个模式转换电路；其中，下载驱动电路 由一 26针插座与一下载驱动电路芯片组成；所述主动串行配置EPCS4芯片的输入端 与下载驱动电路芯片输出端连接，下载驱动电路芯片的输入端与所述26针插座输出 端连接；
该计算机系统设计教学实验板通过所述VGA输出接口和所述PS/2输入接口与通 用的外部设备连接；所述26针插座的输入接口与外设的微型计算机主机的并行接口 LPT连接。
上述的8位拨动开关的输入端分别与所述FPGA芯片的PIN—61 —HN—68引脚连接。 上述的模式转换电路模块设有输入按键、 一用于0 F数值显示输出的七段数码 管和用于声音信号输出的蜂鸣器；其中输入按键与该FPGA芯片的PIN一133引脚连接，蜂鸣器与FPGA芯片的PIN—134引脚连接，七段数码管的引脚分别与FPGA芯片的 PIN_173、 PIN—174、 PIN_175、 PIN—176、 PIN—177、 PIN—178、 PIN_179、 PIN—180引脚 连接。
上述的4位按键开关的输入端分别与所述FPGA芯片的PIN_93、 PIN_95、 PIN_97、 PIN—99引脚连接。
上述的2组LED发光二极管共16位；其中，1组8位LED发光二极管分别与FPGA 芯片的PIN—73、 PIN—75、 PIN—77、 PIN—79、 PIN—81、 PIN—83、 PIN_85、 PIN—87引脚 连接，用以显示8位用户数据；另一组8位LED发光二极管分别与其相对应的8位拨 动开关并联相接，用以显示8位拨动开关的状态。
上述的二组数码管为8位，其中一组数码管与FPGA芯片的PIN—17、 PIN—18、 PIN—19、 PIN—20、 PIN—21、 PIN_23、 PIN—38、 PIN—39、 PIN—41 、 PIN_42、 PIN—43、 PIN—44的引脚连接；另一组数码管与FPGA芯片的PIN—45、 PIN—46、 PIN—47、 PIN—48、 PIN_49、 PIN—50、 PIN—53、 PIN—54、 PIN—55、 PIN—56、 PIN—57、 PIN—58的引脚连接； 可用于显示用户输入或输出的信息。
该计算机系统设计教学实验板所用的FPGA芯片为Cyclone系列的EP1C6Q240C8 心片。
通过该电路板上的VGA输出接口和PS/2输入接口可与通用的外部设备连接，用于 系统软核下载，系统软核下载包含JTAG 口和AS 口下载，并支持.sof和.jic两种文 件的下载方式。与下载驱动电路连接的26针插座通过26芯扁平电缆与外设的微型计 算机主机的并行接口 LPT连接，可为用户提供实验数据下载的通讯接口。
本实用新型采用如上技术方案，其有益效果如下
1、 采用FPGA芯片作为系统设计的核心芯片，将拨动开关、按键开关、数码管、 PS/2输入接口、 VGA输出接口、 LCD显示器、4X4矩阵键盘以及电源模块与FPGA芯 片分别连接，并整合于一块电路板上；使用方便，体积小，便于携带。
2、 通过VGA输出接口、 PS/2输入接口与26针插座可将本实用新型的教学实验板 与多种通用外部设备和微型计算机连接；可为用户提供实验数据下载的通讯接口；可 实现JTAG 口和AS 口的系统软核下载；并支持.sof和.jic两种文件的下载；具备多 种教学实验的验证功能。
3、 所用的系统可编程逻辑阵列FPGA芯片及连接的各个部件整合成的计算机系统 设计教学实验板，可用于EDA (电子设计自动化)、数字系统设计、CPU设计、计算机 系统设计等课程的实验和课程设计。操作简单，有助于学生掌握EDA技术，由学生自 己选择适合实验项目的部件，设计有创新意识的逻辑系统。


图l为本实用新型教学实验板的总体连接架构框图图2为图1的教学实验板中电路板的实际布局图 图3为教学实验板的电路原理图 图4为图3中FPGA芯片2的放大图具体实施方式
以下结合附图详细说明本实用新型的具体技术方案。
如图l、图2所示，本实用新型的计算机系统设计教学实验板，设置为一块设有 电源插座的印刷电路板。该电路板上固装有系统可编程逻辑阵列FPGA芯片2，与FPGA 芯片2不同引脚分别连接且固装于该电路板上的还有电源模块1， 8位拨动开关3，按 键开关4， 4X4矩阵键盘5、 PS/2输入接口6、 二组LED发光二极管8、 8，， 二组数 码管9、 9，， LCD显示器10， VGA输出接口 11、模式转换电路12和一主动串行配置 EPCS4芯片13;其中，主动串行配置EPCS4芯片13的输入端通过一下载驱动电路7 与一26针插座(图中未示)连接。
上述电路板上各部件的连接关系，参见图3、图4。具体详述如下由电源插座 接入的+5V直流电源经电源模块1转换为+1. 5V和+3. 3V输出的直流电源端口 ，直接为 FPGA芯片2、 EPCS4芯片和下载驱动电路7供电；8位拨动开关3直接与FPGA芯片2 的PIN—61 PIN_68引脚连接，可为系统提供8位二值输入数据；按键开关4与FPGA 芯片2的PIN—93、 PIN_95、 PIN—97、 PIN_99引脚连接，可为系统提供4位控制信号 输入；两组LED发光二极管8、 8'共16位，其中一组LED发光二极管8'的8位与 FPGA芯片2的PIN—73、 PIN_75、 PIN—77、 PIN—79、 PIN—81、 PIN—83、 PIN_85、 PIN—87 引脚连接，可为用户显示8位二值数据；另一组LED发光二极管8的8位分别与8位 拨动开关3并联相接，用于显示8位拨动开关3的状态；两组四位数码管9、 9'分别 与FPGA芯片2连接，其中， 一组数码管9与FPGA芯片的PIN—17、 PIN—18、 PIN_19、 PIN_20、 PIN—21、 PIN—23、 PIN—38、 PIN—39、 PIN—41 、 PIN—42、 PIN—43、 PIN—44引 脚连接，另一组数码管9，与FPGA芯片的PIN_45、 PIN—46、 PIN_47、 PIN一48、 PIN—49、 PIN_50、 PIN_53、 PIN—54、 PIN—55、 PIN_56、 PIN—57、 PIN—58引脚连接；可为系统提 供8位十进制或十六进制数据显示输出； 一个PS/2输入接口 6与FPGA芯片2的 PIN—131、 PIN—132引脚连接，可为系统提供标准键盘连接； 一个VGA输出接口ll与 FPGA芯片2的PIN—236 PIN_240引脚连接，可为系统提供标准CRT显示器的连接； 一个128X64点阵的LCD显示器10与FPGA芯片2的PDL2、 PIN—3、 PIN—4、 PIN—5、 PIN_6、 PIN—7、 PIN_8、 PIN—11、 PIN_12、 PIN—13、 PIN—14、 PIN—15、 PIN—16引脚连 接，直接为系统提供汉字、图形及字符的点阵数据显示；模式转换电路12内设有一 个输入按键、 一位数码管显示输出和一个用于声音提示的蜂鸣器，其中输入按键的 端口与FPGA芯片的PIN—133引脚连接，蜂鸣器与FPGA芯片的PIN丄134引脚连接，七 段数码管的引脚分别与FPGA芯片的PIN—173、 PIN—174、 PIN—175、 PIN—176、 PIN」77、 PIN—178、 PIN—179、 PIN_180引脚连接，可用于系统的模式转换；4X4矩阵键盘5与FPGA芯片2的PIN—113 PIN—120引脚连接，直接为系统提供16进制数据输入功 能；26针插座选用双排插座，其内端与一下载驱动电路芯片输入端连接构成一下载驱 动电路7，该下载驱动电路芯片输出端与主动串行配置EPCS4芯片13输入端连接， 主动串行配置EPCS4芯片13的输出端与FPGA芯片2的PIN—26、 PIN—33、 PIN_145、 PIN_146、 PIN_147、 PIN—148、 PIN—149、 PIN—155引脚连接。
其中，系统可编程逻辑阵列FPGA芯片2采用Altera公司Cyclone系列的 EP1C6Q240C6芯片，该FPGA芯片通过主动串行配置EPCS4芯片13与下载驱动电路7 连接，支持50MHz、 27MHz、 lMHz、 1Hz四种时钟频率，以供设计选用；所用的二个4 位一组的数码管9、 9'，型号均为LG3641BH，以动态扫描方式显示十进制或十六进制 数字；电源模块1选用型号为LM317T的电源模块两片，分别为FPGA芯片2提供内核 电压(+1.5V)和提供I/0接口电压(+3. 3V);下载驱动电路7型号为74HC244,下载 驱动电路7通过26针插座与外设的微型计算机主机的并行接口 LPT连接，可为用户 提供实验数据下载的通讯接口，实现系统软核设计的下载验证。其它部件如PS/2 输入接口6、 VGA输出接口ll、 4X4矩阵键盘5、拨动开关3、按键开关4、模式转换 电路12中的输入按键、蜂鸣器、七段数码管、LED发光二极管8、 8'、 LCD显示器IO 与26针插座等器件均为市售通用产品。
如图2所示，为本实用新型所用的印刷电路板上所有部件的实际安装布局图。即 将如图l所示的部件与四种时钟频率、外部时钟接入口、 SW开关等部件整合于一块电 路板上，其体积小，便于携带，可与多种通用外部设备和微型计算机主机连接，进行 各种教学实验工作。
如图3所示，为本实用新型的电路原理图；图4为图3中系统FPGA芯片2的放 大图。电路图中各部件的电路连接关系与功能在前已有详细介绍，此处不再赘述。 本实用新型的工作原理如下
本教学实验板的电路板上装有一个电源插座，用于连接+5V直流电源，经过实验 板上电源开关的控制，将外部+5V电源接入电源模块1，电源模块1即可为实验板提 供+1. 5V和+3. 3V的直流工作电压给系统FPGA芯片2、主动串行配置EPCS4芯片13 和下载驱动电路7供电；将实验板上的26针插座(图中未示)通过一26芯扁平电缆 与外设的微型计算机的并行接口连接，即可以完成实验数据的下载；电路板上设置的 50MHz、 27MHz、 lMHz、 1Hz四种时钟频率(图中未示)可供设计选用，进行包括以下 三种类型的教学实验内容
(1) 简单数字逻辑电路和复杂数字系统类实验；
(2) CPU软核设计类实验；
(3) 计算机系统设计类实验等。
在教学实验中，具体操作包括下列四种情况1、使用拨动开关3作为数据输入， LED发光二极管8或数码管9作为数据输出，按键开关4作为控制信号，完成各种不
7同组合的简单数字逻辑电路的各项实验；2、使用拨动开关3作为数据输入，LED发光 二极管8或数码管9作为数据输出，按键开关4作为控制信号，完成各种不同组合的 CPU软核设计的各项实验；3、对4X4矩阵键盘5、 PS/2输入接口^、 LCD显示器IO， VGA输出接口 11的各项驱动控制实验；4、根据实验要求，选择性的使用电路板上各 种部件进行的计算机系统设计的各项实验。
以下通过二例具体教学实验对本实用新型的工作原理作进一步说明-
例l. EDA (电子设计自动化)课程实验设计可预置四位二进制加减计数器电路
1. 实验要求
(1) 通过实验板上数码管9的SEG1最低位进行1位十六进制的循环加法计数显示 输出，每秒钟计数器加'T 。计数器的初始值通过实验板上拨动开关3的SW3 SW0 输入。通过实验板上数码管9，的SEG0最低位进行1位十六进制的循环减法计数显示 输出，每秒钟计数器减'1'。计数器的初始值通过实验板上拨动开关3的SW7 SW4 输入。
(2) 通过实验板上的按键4控制计数器的启动和停止。要求对按键进行去抖动处 理，系统吋钟采用板上27MHz晶振，程序内时钟信号均由其分频得到。
2. 实验方法依据实验要求，结合本实用新型，计算机系统设计教学实验板相 关部件与FPGA芯片引脚的连接关系，通过微型计算机使用硬件描述语言VHDL设计该 电路。
3. 连接硬件在电源断开模式下，使用26芯扁平电缆将本实用新型的下载驱动 电路芯片通过与其连接的26针插座与微型计算机的LPT接口连接。
4. 编译程序，下载文件，验证电路设计结果。
例2.外部设备控制实验设计用PS/2输入接口 6输入0 9数字，由数码管9 循环显示输出的控制电路。
1. 实验要求
(1) 从PS/2输入接口读取标准键盘上的按键数据，将数据的8位二进制信息通过 实验板上LED发光二极管8'显示输出，并将0 9所对应的十进制字符在实验板上 的数码管9上从左至右循环显示输出。
(2) 系统时钟采用电路板上的50MHz晶振，程序内时钟信号均由其分频得出。
2. 实验方法依据实验要求，结合本实用新型，计算机系统设计教学实验板相 关部件与FPGA芯片引脚的连接关系，通过微型计算机使用硬件描述语言VHDL设计该 电路。
3. 连接硬件在电源断开模式下，使用26芯扁平电缆将本实用新型的下载驱动 电路芯片通过26针插座与微型计算机的LPT接口连接；将标准键盘与本实用新型的 PS/2输入接口6连接。
4. 编译程序，下载文件，验证电路设计结果。
权利要求1、一种计算机系统设计教学实验板，其特征在于它包括一带有电源插座的电路板；在该电路板上固装有一可编程门阵列FPGA芯片，与该FPGA芯片不同引脚分别相接并固装在电路板上的还有一组电源模块、一组为系统提供8位二值数据的拨动开关、一组为系统提供4位控制信号的按键开关、二组LED发光二极管、二组作为数据输出的数码管、一个可与标准键盘相接的PS/2输入接口、一个可与CRT显示器相接的VGA输出接口、一个可直接用于显示系统信息的LCD显示器、一个可直接输入16进制数据的4×4矩阵键盘、一个连接有下载驱动电路的主动串行配置EPCS4芯片和一个模式转换电路；其中，下载驱动电路由一26针插座与一下载驱动电路芯片组成；所述主动串行配置EPCS4芯片的输入端与所述下载驱动电路芯片输出端相接，下载驱动电路芯片的输入端与26针插座输出端相接；该计算机系统设计教学实验板通过所述VGA输出接口和所述PS/2输入接口与通用的外部设备连接；所述26针插座输入端与外设的微型计算机主机的并行接口LPT连接。
2、 根据权利要求1所述的计算机系统设计教学实验板，其特征在于所述FPGA 芯片为Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片。
3、 根据权利要求1所述的计算机系统设计教学实验板，其特征在于所述8位 拨动开关的输入端分别与所述FPGA芯片的PIN—61 PIN一68引脚连接。
4、 根据权利要求1所述的计算机系统设计教学实验板，其特征在于所述模式 转换电路包括输入按键、 一位用于0 F数值显示输出的七段数码管和用于声音信号 输出的蜂鸣器；其中输入按键与所述FPGA芯片的PIN—133引脚连接，蜂鸣器与所 述FPGA芯片的PIN—134引脚连接，七段数码管的引脚分别与所述FPGA芯片的 PIN—173、 PIN—174、 PIN—175、 PIN—176、 PIN—177、 PIN—178、 PIN—179、 PIN—180引脚 连接。 ；
5、 根据权利要求1所述的计算机系统设计教学实验板，其特征在于所述4位 按键开关的输入端分别与所述FPGA芯片的PIN—93、 PIN—95、 PIN—97、 PIN—99引脚连 接。
6、 根据权利要求1所述的计算机系统设计教学实验板，其特征在于所述二组 LED发光二极管共16位；其中， 一组用以显示8位用户数据的8位LED发光二极管分 别与所述FPGA芯片的PIN—73、 PIN_75、 PIN—77、 PIN—79、 PIN—81、 PIN_83、 PIN—85、 PIN—87引脚连接；另一组用以显示8位拨动开关状态的8位LED发光二极管分别与其 相对应的所述8位拨动开关并联相接。
7、根据权利要求1所述的计算机系统设计教学实验板，其特征在于所述二组数码管为8位，其中一组数码管与所述FPGA芯片的PIN—17、 PIN—18、 PIN—19、 PIN_20、 PIN—21、 PIN—23、 PIN_38、 PIN—39、 PIN—41 、 PIN—42、 PIN—43、 PIN—44引脚连接； 另一组数码管与所述FPGA芯片的PIN—45、 PIN—46、 PIN—47、 PIN—48、 PIN—49、 PIN—50、 PIN—53、 PIN_54、 PIN—55、 PIN—56、 PIN_57、 PIN—58引脚连接。
专利摘要本实用新型公开了一种计算机系统设计教学实验板，其特点为它包括一电路板，在该电路板上固装有可编程门列阵FPGA芯片(2)，固装在电路板上并与该FPGA芯片(2)不同引脚分别相接的还有电源模块(1)、拨动开关(3)、按键开关(4)、LED显示管(8、8’)、数码管(9、9’)、PS/2输入接口(6)、VGA输出接口(11)、LCD显示器(10)、4×4矩阵键盘(5)、连接有一下载驱动电路(7)的主动串行配置EPCS4芯片(13)与模式转换电路(12)；该计算机系统设计教学实验板体积小、便于携带、使用方便，可实现随时进行多门课程设计的下载实验，克服了传统教学实验箱体积大、价格高且下载实验只能在实验室进行的缺陷，易于推广实施。
文档编号G09B23/18GK201402549SQ20092010678
公开日2010年2月10日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者刘京锐, 张俊方, 李志平, 杨西珊, 莹 王 申请人:首都师范大学