EDA技术在微机接口技术实验教学中的应用

微机接口技术是计算机专业的核心课程之一，是学习计算机硬件系统的关键课程。搞好该课程的实验教学，对于加深对课程的理解、培养设计能力和创新能力具有重要的意义。多年来，微机接口技术课程的实验一直使用专用实验箱，但存在几个方面的问题：

(1) 实验箱系统中的硬件结构基本固定，器件的品种、数量扩展困难，因此以验证型的实验为主，学生的设计难以突破实验箱的限制；

(2) 实验方法与前期课程脱节，与技术的发展脱节；

(3) 由于实验箱中需学生插接的连线很多，只要一个接触不良就会影响实验的完成。因此有必要改革微机接口课程的实验模式。EDA技术的出现，革新了传统的手工设计过程。微机接口设计作为一个典型的复杂数字系统设计，其设计方法发生了根本性的变革，因此应用EDA技术是微机接口课程实验改革的方向。

1 EDA技术简介

EDA技术是指以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境，以硬件描述语言为设计语言，以可编程器件为实验载体，以专用集成电路、片上系统芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程，是一种基于芯片的现代电子系统设计方法。EDA技术主要包括4个方面的内容：

大规模可编程逻辑器件；硬件描述语言；开发软件工具；实验开发系统。

其中，大规模可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体硬件，描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段，开发软件工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具，实验开发系统则是提供芯片下载电路及EDA实验／开发的外围资源，供硬件验证用。在实验教学中，实验硬件使用了我们开发研制的CPLD开发系统，其中的CPLD器件为Xilinx公司XC95系列的XC95144PQ160，实验使用VHDL为设计语言，选用了XilinxISE7.1i作为实验软件。

2 设计实例——键盘接口设计

下面以键盘接口设计为例，说明EDA技术在微机接口技术实验教学中的应用。

2.1 硬件设计

硬件实现框图如图1所示。

2.2 按键扫描

本设计采用16.384 MHz时钟，缓冲后除了为其他芯片提供工作时钟外，还可采用计数的方法进行分频，以得到125 Hz的参考时钟。这个时钟，就用来作几个与键盘处理息息相关的进程敏感事件。按键采用通用的扫描方式，4组行扫描线是在每一个分频时钟的下降沿，利用1个预先设计的4位状态机产生，在每一个扫描线送出的同时，读取列值(COL)，即按键码。按键行扫描时序图如图2所示。

2.3 按键的识别

如果本次扫描没有键按下，按键码赋值为00H。如果扫描到键码不为0(即有键按下)，将该键码对应的键值送至存储器指定地址data key暂存。然后再触发中断，接受处理器的访问。本设计中CPLD将键码转换为标准键盘按键的ASCII码，可以直接送至数据线由处理器做读取、判断处理，而无需再做转换。

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2.4 按键长按、去抖及相关问题的解决

本设计中，如果长时间(超过2个扫描周期)按同一按键视为单次按键，处理方法如下：每次扫描到的键码与暂存在data_key的键码相比，如果相等则说明按键未释放，不作处理；如果不等说明有新的按键按下，则触发中断。这样设计解决了长按键的问题，但产生了新的问题：如果下次(间隔了若干个扫描周期)还是同一键按下，那么会扫描到同一键码，按照上述处理机制，这个键码是不送数据线的，这是不正确的。

我们注意到，同一按键按下间隔的时钟周期理论上为4个周期(按本设计4行扫描线计算)，在本设计中，采用16.384 MHz时钟，采用计数的方法进行分频，得到125 Hz的参考时钟，故需要32 ms。在实际应用中，任何操作人员也达不到这个速度。所以，这里可以采用一个小技巧：

设计一个计数器，每扫描到一次为0键码(无键按下)，计数器加1。如果有键按下，即扫描到的键码不为0，则计数器清零；如果计数到某一数值(即时间大于一个扫描周期)，则保持当前计数不变。这样通过综合分析，得出触发中断、要求得到响应的条件为：

(1) 扫描到的键码不为0；

(2) 本次扫描到的键码和寄存器data key中的暂存码不同；

(3) 计数器当前计数值大于3；

这样就解决了不同按键的响应问题，或者：

(1) 扫描到的键码不为0；

(2) 计数器当前计数值大于等于5。

这样就解决了在以上功能实现前提下同一按键连续按下的响应问题。

大量实践经验证明，按键抖动时间一般为10 ms(保守估计)，本设计中扫描时钟为8 ms，在满足快速响应按键的同时，在较大程度上也实现了键盘去抖的功能。

2.5 VHDL程序设计

限于篇幅，这里只给出一组扫描线情况(ROW=“1110”)下按键识别的设计实现方法：

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3 结 语

与以往传统的实验方法相比，学生在实验过程中可以节省大量的接线时间，把重点放在微机接口的设计和仿真、验证上，使本实践环节更好地达到教学目的。软件设计调试阶段完成后的硬件下载和测试，又使学生能够学习硬件环境下的调试方法。实验教学的实践表明，新的实验模式激发了学生学习的积极性，加深了对本课程的掌握程度，同时还能够学到先进的设计技术，学生普遍欢迎这种改革新的实验模式，有效地锻炼了学生的设计能力和实践能力，为学生提供了充分的创造空间，收到了传统实验方法难以获得的效果。