fpga实验报告感想

fpga实验报告感想（精选6篇）

篇1：fpga实验报告感想

FPGA设计与应用实验指导书

实验三 分频器设计

一、实验目的

1.熟悉Quartus II 开发软件的基本使用方法 2.掌握用VHDL语言设计分频器的方法

二、实验内容

1.运用Quartus II 开发软件，完成工程创建、代码编写、程序调试、编译仿真等基本操作。2.用VHDL语言设计实现一个分频器，实现6分频，并进行功能仿真验证。3.使用DE2开发板设计计数器，并将计数器计数结果用数码管显示出来。

三、实验步骤

1.回顾时序逻辑电路的设计方法，设计6分频电路的VHDL程序。

2.参考实验一的步骤，完成6分频器工程的创建、代码的编写和程序编译及仿真。

3.使用DE2开发板的50MHz晶振作为输入时钟，分频得到1Hz信号，将1Hz信号进行10进制计数，计数结果显示在7段数码管中。

四、实验报告要求

1.给出6分频电路完整的VHDL程序实现代码；

2.给出6分频电路时序仿真波形图，并判断程序功能是否正确；

3.给出从50MHz晶振到1Hz信号的分频器程序以及相应的计数输出程序。4.实验心得体会。

篇2：fpga实验报告感想

1．引言

现 场 可 编 程 门 阵 列(Field programmable gatearrays，FPGA)是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过改变配置信息对其功能进行定义，以满足设计需求。与传统数字电路系统相比，FPGA 具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点，通过配置器件内部的逻辑功能和输入/输出端口，将原来电路板级的设计放在芯片中进行，提高了电路性能，降低了印刷电路板设计的工作量和难度，有效提高了设计的灵活性和效率。设计者采用 FPGA 的优点：

(1)减少对所需器件品种的需求，有助于降低电路板的体积重量；

(2)增加了电路板完成后再修改设计的灵活性；

(3)设计修改灵活，有助于缩短产品交付时间；

(4)器件减少后，焊点减少，从而可提高可靠度。尤其值得一提的是，在电路运行频率越来越高的情况下，采用 FPGA 实现的复杂电路功能减小了板级电路上 PCB 布线不当带来的电磁干扰问题，有助于保证电路性能。

FPGA 也 是 现 阶 段 航 天 专 用 集 成 电 路（ASIC, Application specific integrated circuit）的最佳实现途径。使用商用现货 FPGA 设计微小卫星等航天器的星载电子系统，可以降低成本。利用 FPGA 内丰富的逻辑资源，进行片内冗余容错设计，是满足星载电子系统可靠性要求的一个好办法。目前，随着对卫星技术的不断发展、用户技术指标的不断提高以及市场竞争的日益激烈，功能度集成和轻小型化已经成为星载电子设备的一个主流趋势。采用小型化技术能够使星载电子设备体积减小、重量减轻、功耗降低，提高航天器承载有效载荷的能力以及功效比。采用高功能集成的小型化器件，可以减小印制板的尺寸，减少焊盘数量，还有利于充分利用冗余技术提高系统的容错能力。星载数字电路小型化的关键是器件选用，包括嵌人式高集成度器件的选用，其中，高密度可编程逻辑器件 FPGA 的选用是一个重要的实现方式。

目前，在航天遥感器的设计中，FPGA 被广泛地应用于主控系统 CPU 的功能扩展CCD 图像传感器驱动时序的产生以及高速数据采集。本文回顾了 FPGA 的发展，分析了其主要结构，并对航天应用 FPGA 进行了综述。指出了航天应用对FPGA 及其设计的要求，重点分析了空间辐射效应对FPGA 可靠性的影响，并总结了提高 FPGA 抗辐照的可靠性设计方法。最后，对航天应用 FPGA 的发展进行了展望。

2.FPGA 航天应用

可编程逻辑器件以其设计方便、设计便于修改、功能易于扩展，在航天、空间领域中得到了越来越广泛的应用。一种是以 Actel 公司产品为代表的一次编程反熔丝型 FPGA，一种是以 Xilinx 公司产品为代表的基于 SRAM 的可重新配置的 FPGA。

2.1 航天应用 FPGA 的分类 FPGA 按其编程性，目前具有航天成功应用经验的 FPGA 主要有两类： 一类是只能编程一次的一次性编程 FPGA。另一类是能多次编程的可重编程 FPGA,如 SRAM 型 FPGA、Flash 型 FPGA，这类 FPGA 一般具有在系统编程(ISP, In system programming)能力。

2.1.1 一次性编程 FPGA 此类产品采用反熔丝开关元件，具有体积小、版图面积小、低抗辐射抗干扰、互连线特性阻抗低的特点，不需要外接 PROM 或 EPROM，掉电后电路的配置数据不会丢失，上电后即可工作，适用于航天、军事、工业等各领域。这类产品中，具有代表性并已取得航天应用成功经验的产品是 ACTEL 公司的抗辐射加固反熔丝型 FPGA。与传统 FPGA平面型散布 的 逻 辑 模 块、连 线、开关矩阵的布局不同，反熔丝型 FPGA 采用紧凑、网格化密集布局的平面逻辑模块结构。利用位于上下逻辑模块层之间、金属对金属的可编程反熔丝内部连接元件实现器件的连接，减小了通道和布线资源所占用的空间。在编程之前，该连接元件为开路状态，编程时，反熔丝结构局部的小区域内具有足够高的电流密度，瞬间产生较大的热功耗，融化绝缘层介质形成永久性通路。

2.1.2 可重编程 FPGA 此类产品采用 SRAM 或 Flash EPROM 控制的开关元件，其优点是可反复编程。配置程存放在 FPGA外的存储器中，系统上电时，配置程加载到 FPGA中完成硬件功能的定制化。其中，SRAM 型 FPGA 还可以在系统运行中改变配置，实现系统功能的动态重构。但是，此类 FPGA 掉电后存储的用户配置逻辑会丢失，只能上电后重新由外部存储器加载。FlashEPROM 型 FPGA 具 有 非 易 失 性 和 可 重 构 的 双 重 优点，但不能动态配置，功耗也比 SRAM 型 FPGA 高。此类 FPGA 由于配置数据存储在 FPGA 内 的 SRAM存储器中，可编程逻辑开关采用多路选择器实现，内部逻辑功能采用基于 SRAM 结构的查找表实现，这些部位都属于单粒子翻转效应敏感型半导体结构。因此，在航天应用中要特别注意。具有代表性的、并取得航天应用成功经验的产品是 Xilinx 公司的基于SRAM 型 Virtex 系列的 FPGA 产品。

2.2 FPGA 航天应用现状

FPGA 在国内外的航天、空间领域，特别是商用卫星得到了广泛的应用。据统计，在国内外深空探测、科学及商用卫星共 60 个项目中都用到了 FPGA，军用卫星项目中也有多个项目用到 FPGA。

2.2.1 Acte FPGA 的航天应用

Actel 的耐辐射和抗辐射 FPGA 自从在 1997 年火星探路者（Mars Pathfinder）以及随后的勇气号、机遇号任务中取得成功后，其 FPGA 继续用于 NASA、ESA 的火星探测任务。Actel 的耐辐射和抗辐射器件用于火星探测器的控制计算机，执行从地球到火星6 个月飞行的导航功能。在火星探索者漫游器（ExplorerRover）的照相机、无线通信设备中均采用了 Actel 器件。ESA 的火星快车轨道卫星中，固态记录器使用了 20 多个 Actel FPGA 器件。Actel 公 司 的 FPGA 器 件 已 用 于 德 国 航 天 领 域(DLR)双光谱红外探测(BIRD)卫星中。BIRD 是全球首个采用红外传感器技术的卫星，以探测和研究地球上的高温事件，如森林山火、火山活动、油井和煤层燃烧等。超过 20 个高可靠性 FPGA 用干卫星有效载荷数据处理、存储器管理、接口和控制、协处理以及红外摄影机的传感器控制等多个关键性功能中。

2.2.2 Xilinx FPGA 的航天应用

同 ACTEL 相比，Xilinx 公司用于航天、空间领域的产品研制较晚，但是，其功能强大、性能高、可重新配置的民用塑封产品向宇航级产品的过渡、全面提高抗空间辐射能力，逐渐成为空间电子产品设计中常用的 FPGA 产品，并将获得越来越广泛的应用。Xilinx 的 Virtex 耐辐射 FPGA 被用于 2003 年发射的澳大利亚的军民混用通信卫星 Optus CL，在卫星的 UHF 有效载荷中，Xilinx Virtex FPGA(XQVB300）用来实现地球数据的信号处理算法，并使用了 Xilinx提供的 IP 核。

Xilinx 的加固 FPGA XQR4062XL 被用于 2002 年发射的澳大利亚科学卫星 Fedsat（联合卫星，用于研究磁层）的高性能计算有效载荷。HPC-1 是第一例在星载计算机系统的标准运行中采用 FPGA 实现了可配置计算技术 RCT。目前正在开发的 RHC-II 将使用Xilinx FPGA 实现星上数据处理。

此 外，GRACE(NASA）的 敏 感 器 中 使 用 了XQR4O36XL 产品。

在火星探测漫游器 Discovery 和 Spirit 中都成功应用了 Xilinx FPGA 产品。两片宇航 FPGA VirtexTMFPGA XQVR100O 被用于火星漫游器车轮电机控制、机械臂控制和其他仪表中，4 片耐辐照 4000 系列的FPGA XQR4062XL 用于控制火星着陆器的关键点火设备，保证着陆器按规定程序下降及成功着陆。欧洲第一个彗星轨道器和着陆器 ROSETTA 上总共有 45 片 FPGA，都选用 ACTEL RT14I00A，承担了控制、数据管理、电源管理等重要功能，并且飞行中任何一片 FPGA 都不得断电。

Xilinx 最新发布的 Virtex-5QVFPGA 具有非常高的抗辐射性，TID 耐性为 700 kraD 以上，SEU（Sin-gle Event Upset，单粒子翻转）闩锁（Latch Up）耐性超过 100 MeV·cM2/Mg，主要面向人造卫星和宇宙飞船上的遥感处理、图像处理以及导航仪等用途。因此，基于 FPGA 系统构成无需为了辐射措施而增加冗余，可以削减系统开发所需要的时间和成本。其规模也达到了 13 万个逻辑单元，集成了最高速度为 3.125 Gbit/s的高速收发器，并强化了 DSP 功能，作为航天领域用 FPGA 中属业界最高水准。

3.辐射效应及其影响

航天、空间电子设备由于其所处的轨道以及使用环境的不同, 受到的辐射影响也不相同。从总体上来说，对 FPGA 影响比较大的辐射效应主要有: 总剂量效应(TID: Total ionizing Dose)、单粒子翻转(SEU: Single event upset)、单 粒 子 闩 锁(SEL: Single event latchup)、单粒子功能中断(SEFI: Single event func-tional interrupt)、单 粒 子 烧 毁(SEB: Single eventburnout)、单 粒 子 瞬 态 脉 冲(SET: Single event tran-射效应产生的机理不尽相同, 引起 FPGA 的失效形式也不同。总剂量效应： 光子或高能离子在集成电路的材料中电离产生电子空穴对，最终形成氧化物陷阱电荷或者在氧化层与半导体材料的界面处形成界面陷阱电荷，使器件的性能降低甚至失效。单粒子翻转： 具有一定能量的重粒子与存储器件或逻辑电路 PN 结发生碰撞, 在重粒子运动轨迹周围形成的电荷被灵敏电极收集并行成瞬态电流，如果电流超过一定值就会触发逻辑电路, 形成逻辑状态的翻转。单粒子翻转敏感区域是指 FPGA 中易于受到单粒子效应影响的区域，包括 FPGA 的配 置 存 储 器、DCM、CLB、块存储区域。

单粒子闩锁： CMOS 器件的 PNPN 结构成了可控硅结构。质子或重粒子的入射可以触发 PNPN 结导通, 进入大电流再生状态，产生单粒子闩锁。只有降低电源电压才能退出闩锁状态。单粒子功能中断： 质子或重粒子入射时引起器件的控制逻辑出现故障，进而中断正常的控制功能。FPGA 中单粒子功能中断的敏感部分为配置存储器、上电复位电路、SelectMAP 接口和 JATAG 接口。

单粒子烧毁： 入射粒子产生的瞬态电流导致敏感的寄生双极结晶体管导通。双极结晶体管的再生反馈机制造成收集结电流不断增大，直至产生二次击穿，造成漏极和源极的永久短路，烧毁电路。FPGA发生单粒子烧毁的概率较小。单粒子瞬态脉冲： 带电粒子入射产生的瞬态电流脉冲影响到下一级逻辑电路的输入，造成该逻辑电路输出紊乱。单粒子瞬态脉冲可能引起 FPGA 内部逻辑电路的短时错误。单粒子瞬态脉冲对于＜0.25 μM 工艺的 FPGA 影响较大。

位移损伤： 单粒子位移损伤是单个粒子入射引起晶格原子移位、形成缺陷群、引起的永久性损伤。

上述辐射效应对 FPGA 造成的影响有的是永久性的，如总剂量效应、单粒子烧毁、位移损伤； 有的是能够恢复的，如单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒 子 瞬 态 脉 冲。以 上 单 粒 子 效 应 中 SEL、SEB 和SEGR 均有可能对器件造成永久性损伤。因此，一般星上系统都会采用抗 SEL 的器件。SEU 和 SET 虽然是瞬时影响，但其发生率远高于以上 3 种，反而更应引起重视。接下来根据对上述辐射影响的分析，研究提高 FPGA 抗辐射效应的可靠性设计方法。

随着 SRAM 型的 FPGA 随 着 工 艺 水平的 提 高、规模的增大和器件核电压的降低，抗总剂量效应性能不断提高，但是更容易受 SEU 和 SET 的影响。针 对 单 粒 子 效 应 的 问 题，MAPLD、NSREC、RADECS 会议提交的报告认为，Virtex-II 系列产品抗总 剂 量 辐 射 能 力 达 到 200 krad，抗 SEL 的 能 力 为LET 160 MeV·cm /mg 以下无闩锁，同时，需要考虑SEU、SET、SEFL 等单粒子效应

4.航天应用 FPGA 的可靠性设计

在航天、空间电子设备中，FPGA 主要用于替换标准逻辑，还用于 SOC 技术，提供嵌人式微处理器、存储器、控制器、通信接口等。其中，可靠性是FPGA 设计的主要需求。

根据功能及其重要性的不同，空间电子系统设计分为关键与非关键两大类，航天器控制为关键类，科学仪表为非关键类。航天器控制系统对 FPGA 的一般需求： 高可靠、抗辐射加固和故障安全。科学仪器对 FPGA 的设计要求一般为高性能、耐辐射和失效安全，其可靠性则是由性能需求决定的，对 FPGA 的需求也因系统而异，如测量分辨率、带宽、高速存储、容错能力等。航天用 FPGA 的可靠性设计主要通过器件自身的硬件设计以及软件设计来实现。4.1 FPGA 的硬件可靠性设计

FPGA 的硬件可靠性设计主要是针对空间辐射效应的影响，借助制造工艺和设计技术较为彻底地解决了单粒子效应防护问题。一般从以下几个方面进行设计[6]： FPGA 整体设计加固、内部设计间接检测辐射效应的自检模块、引入外部高可靠性的监测模块。

整体加固设计是指在电子设备的外面采用一定厚度的材料进行整体辐射屏蔽，减少设备所受的辐射效应，经常采用的材料有铝、钽和脂类化合物等。这种方法在航天电子元器件中使用较多，也比较成熟。例如，作为美国军用微电子产品主要供应商的Honeywell，加固 ASIC 技术覆盖范围宽。Aeroflex 采用 “设计加固、商用 IC 工艺线流片” 的方式提供性能先进的加固 ASIC 产品，具备数模混合加固 ASIC的研制能力。这种采用商业线流片生产军用和加固微电子产品的技术线路，既有利于摆脱工艺加固对器件发展的约束，又有利于满足用户对先进加固器

件的需求，降低成本，缩短供货时间。Atmel 为用户提供了高性能、小尺寸、低功耗的各类器件的工艺资源，包括用于航天的耐辐照高速、低 功 耗 数 模 混 合 CMOS 工 艺 以 及 内 嵌 EEPROM 的CMOS 工艺。国内从事军用微电子器件研制的单位很多，包括国有科研单位和非国有 IC 研制公司。但是，能够完成抗辐照加固 IC 研制的单位并不多。国内自行研制的加固 ASIC 产品已经在卫星中得到了成功应用。采用体硅外延层，也可以防止发生 SEI。例如，Xilinx 的 virtex-II 耐辐射产品是在军品等级器件的基础上进一步采用外延衬底设计，抗总剂量电离效应能力按照 MIL-STD-883 Method 1019 进行批次采样考核。自检模块的目的是通过某些模块的正常运行来预测整个 FPGA 运行的正常性。自检模块由分布在FPGA 重要布线区域附近的简单逻辑电路实现，也可以由多模冗余模块表决结果或者余数检测法以及奇偶校验法等其他产生的结果直接提供输出。4.2 FPGA 的软件可靠性设计

航天应用 FPGA 的软件可靠性设计是指应用软件程序配置来屏蔽辐射效应造成的运行失常。其中，冗余设计方法是被公认为比较可靠的对付辐射效应的方法。常用的冗余设计有三模冗余法(TMR，Triplemodule redundancy)和部分三模冗余法(PTMR，Partialtriple module redundancy)。虽然 TMR 能够提高系统的可靠性，但也会使模块速度降低、占用资源和功率增加。综合考虑其他设计指标，可以根据实际情况对关键部分使用部分三模冗余法。冗余结构尽管可以保证系统可靠性，但却不能及时发现并纠正错误，或为发现错误而引入了过多的组合逻辑，当应用于 FPGA 时，增加了容错电路自身出错的可能性。除此之外，星载系统无人值守的运行特点使得系统重构与故障恢复也非常困难。

对配置存储器的回读校验和重配置[6](或局部重配置)是一种有效的抵抗辐射效应的方法，通过对部分配置的重加载能够修复 SEU 效应造成的影响，其频率应是最坏情况 SEU 效应发生率的 10 倍。在重加载逻辑设计中，需要对重加载的实现方式、加载内容进行仔细设计，并不是所有的内容都可以重加载，也不是所有的内容都需要重新配置。

在系统设计中，采用高可靠性的反熔丝 FPGA负责从非易失大容量存储器中读取 Xilinx FPGA 的配置数据对其进行配置。在运行期间，对最容易受辐射效应影响的配置存储器按列进行读操作，然后与标准数据进行比对，对出现错误的列进行局部重配置。FPGA的可编程IO也容易受到辐射粒子影响产生 SEU 和 SEL。对输入输出脚设计三模冗余设计方法是一种非常有效方法，但是这种方法将需要占用 3 倍的 I/O 资源。如果 SET 作用在时钟电路或者其他数据、控制线上容易产生短脉冲抖动，有可能会造成电路的误触发或者数据锁存的错误，在设计时可采用同步复位设计内部复位电路、控制线使能信号线，逻辑数据在锁存时尽可能配合使能信号。

5.FPGA 航天应用发展趋势

目前，在深微亚米半导体工艺下，传统的 FPGA设计技术在器件良率、功耗、互联线延时、信号完整性、可测性设计等方面面临挑战[9]。基于传统技术的 FPGA 仍然在向高密度、高性能、低功耗的方向发展，使得 FPGA 从最开始的通用型半导体器件向平台化的系统级器件发展。基于异步电路的 FPGA 设计、3D 集成技术、新型半导体结构的应用将是 FPGA 技术发展的热点。航天、空间应用方面，国外航天对 FPGA 空间应用的总结和预测分析表明，空间应用对 FPGA 选用呈现出以下趋势：

(1)器件工作电压从 5 V 变为 3.3 V、2.5 V 甚至l.8 V；（2）从使用总剂量加固 FPGA 发展到使用耐总剂量 FPGA 产品；

(3)从 SEU 敏感寄存器 FPGA 的应用发展为使用内建寄存器 TMR 结构的 FPGA；(4)从只使用一次编程的反熔丝型 FPGA 发展为使用基于 SRAM/EEPROM 的可重置型 FPGA。这种选用趋势带来的突出问题是： 从寄存器对SEU 敏感变为 FPGA 对 SEU 敏感； 配置存储 FPGA的设计复杂性已经同 ASIC 的复杂程度相当。

6.结论

篇3：fpga实验报告感想

高校计算机及其相关专业硬件课程实践教学的重要性不言而喻[1], 但长期以来, 各门课程的实验平台相对独立。如计算机组成原理TEC系列实验箱、微机原理与接口的TPC系列实验箱、数字逻辑电路的TPE和TDS系列实验箱、单片机和嵌入式系统的TEB系列实验箱等。这些箱式实验平台普遍存在以下几个方面的问题, 首先, 实验平台成本较高, 其控制电路由单片机和相关逻辑组成, 设计固定、控制复杂, 不便于实验系统的升级和功能扩展, 除非更换实验平台;其次, 一门课程一个平台, 开设了多少门课就可能需要多少个平台, 没有充分利用实验环境, 资源利用率低;另外, 对学生而言, 一门课需要学习一个新的平台, 课程结束这个平台也可能不会再用, 这样增加了学生负担, 也会造成了知识掌握不牢固、学艺不精的状况[2,3]。

为了改变这种状况, 国内一些高水平大学直接采用通用的FPGA开发板作为硬件课程的实验平台, 这些大学的数字逻辑、组成原理、接口技术及嵌入式系统等硬件实验都在FPGA开发板上设计实现, 如Xilinx Spartan系列开发板和ALTERA DE2系列开发板等。通用FPGA开发板方式解决了独立实验箱存在的问题, 降低了成本, 提高了实验资源利用率, 减轻了学生需要学习多个实验平台的负担, 但仍存在一些问题, 如实验现象不直观、实验调试不方便, 学生设计完成后, 除了通过仿真来检查实验设计的正确性外, 只能通过开发板开关输入信息、通过指示灯显示结果的方式来验证和判断设计的正确性[4]。

针对这些问题, 本文设计一种基于PC机和AL-TERA DE2-70教学开发板的三层构架的实验平台, 该平台面向设计性与综合性的硬件实验, 采用开放式结构, 实验内容灵活, 可以完成不同硬件课程的实验, 通过PC机实验软件以图形化的界面控制实验过程、完成实验的测试和验证, 操作方便、直观。

2 实验平台总体架构

实验平台以PC机和ALTERA DE2-70教育开发板为基础, 采用三层次结构, 总体框架如图1所示。

下层是基于FPGA的学生实验模块, 该模块提供了一系列的通用端口, 实验者用硬件描述语言完成实验设计, 通过通用端口以实现不同硬件课程对该部分的共享。上层为PC机实验软件, 该软件以导入或配置实验原理图和动态添加、配置观察信号相结合的方式达到与下层实验内容的一致性, 以图形化的界面直观的完成实验过程的控制;中间层是嵌入式实验控制器, 为上下层之间的数据通信提供服务, 本层是采用嵌入NIOS软核的SOPC系统, 其优势是易于系统功能扩充和升级, 弥补了传统实验箱采用单片机控制的缺陷[5]。平台利用FPGA的可编程性和大容量, 将嵌入式实验控制器和实验模块集成在一块FPGA内部;通过USB接口完成PC机和实验控制器之间的数据传输。

3 实验平台的设计与实现

3.1 嵌入式实验控制器设计

嵌入式实验控制器由SOPC系统、USB控制芯片、静态存储器和USB Blaster接口组成, 如图2所示。

SOPC硬件系统在DE2-70开发板的Altera Cyclone II 2C70 FPGA中实现, 如图2阴影部分, 由NIOS II处理器、实验模块控制器、USB控制器、SRAM控制器和JTAG控制器等组成, 各部件之间通过Avalon总线相连。

实验模块控制器是一个自定义组件, 实现学生实验模块与SOPC系统的连接。实验模块控制器包含两类接口信号, 一类是Avalon接口信号, 使其能集成到SOPC系统中;另一类是提供给实验者调用的通用接口信号, 连接学生实验模块, 实现对实验模块的读写。

NIOS II软核处理器执行NIOS程序, 一方面与PC机实验软件通信, 另一方面直接访问硬件, 通过实验模块控制器完成对实验模块的读写, 以实现PC机实验软件与实验模块的数据通信。

SRAM控制器将DE2-70开发板上的静态存储器SSRAM与SOPC系统相连, 为NIOS II CPU执行程序提供存储空间。

USB控制器连接DE2-70开发板上的USB接口控制芯片ISP1362, 以实现PC机实验软件和NIOS系统间的数据交换。

JTAG控制器由JTAG UART组成, 连接DE2-70开发板上的UBS Blaster接口。实验者在PC机上用QuartusⅡ完成硬件的设计, 通过此接口将设计下载到开发板的FPGA。

3.2 NIOS系统设计

实验平台上层PC机实验软件和下层实验模块间的数据通信是通过NIOS处理器执行NIOS程序实现的。为了实现方便、高效的数据通信, 本设计采用USB接口来完成数据传输。ALTERA DE2-70教育开发板USB接口控制芯片是ISP1362, 因此, NIOS系统设计主要是是通过NiosⅡIDE来完成ISP1362的固件编程。ISP1362的固件由主循环程序、中断服务程序和硬件抽象层等程序组成[7]。通信过程及模块间的关系如图3所示。

PC机实验软件通过调用ISP1362控制芯片驱动函数访问控制芯片, 向NIOS系统发出中断请求, NIOS系统响应中断, 执行中断服务程序, 该程序读取中断寄存器, 根据中断寄存器的值设置相应的事件标志, 由主循环函数循环检测事件标志, 有事件发生时转移到相应的子程序作进一步的处理。处理程序通过调用硬件抽象层定义的命令接口, 直接读写实验模块, 完成数据传输。

3.3 PC机实验软件设计

PC机实验软件主要完成实验数据的输入、实验过程的控制和实验结果的输出。为了保证平台的通用性, 使其不依赖于低层的实验内容, 本设计通过直接绘制或从外部导入实验原理图以达到与实验内容的一致, 采用在原理图上动态添加并配置文本框的方式来完成数据的输入和结果的显示。PC机软件与NIOS系统协同工作流程如图4所示。其中, 缓冲区的结构定义如表1所示。

缓冲区由头部和数据区两部分组成。头部占2个字节, 第一个字节Data Width是实验模块的数据宽度, 由实验者根据实验内容设定;第二个字节Num是需要传输的数据块的个数, 紧接着头部是数据区, 由Num个数据块组成, 每个数据块按"端口号+数据"的方式组织数据, Portx表示第x个数据块所对应的端口号, 占1个字节, Datax是相应的数据, 其宽度w由Data Width决定, 不足一个字节按一个字节处理。

4 实验平台测试

本文以数字逻辑电路部件实验和计算机组成原理整机实验为例测试实验平台的功能。测试时先通过QuartusⅡ完成硬件设计并下载到实验平台, 启动NIOS系统与PC机建立联系, 再运行PC机实验软件控制实验过程、验证实验结果。

4.1 数字逻辑电路运算器部件实验测试

按照实验软件提示的步骤分别导入实验原理图、根据需要添加并配置I/O观察信号、输入实验测试数据并下载到实验模块, 通过输出观察信号显示实验结果。测试界面如图5所示, 红色的为输入文本框, 蓝色的为输出文本框。

分别对实验内容的局部和整体进行了验证, 测试结果如表2所示。分析表2, 根据实验结果与理论是否一致, 可判定实验者的硬件设计是否正确, 如果不正确, 可以进一步的通过局部测试来定位和判断出错的部件和原因。测试表明, 本实验平台能完成数字逻辑电路实验任务, 不仅操作方便、直观, 还为实验者提供了快速排错的手段。

4.2 计算机组成原理16位微程序控制计算机测试

通过QuartusⅡ完成16位微程序控制计算机硬件设计并下载到实验平台, 启动NIOS系统, 运行PC机实验软件, 按软件提示分别向控存输入微程序、向主存输入测试程序, 用STEP控制微程序的单步执行, 然后分别通过分析微命令显示区、数据跟踪区和数据流的动态显示区完成微程序设计测试、微指令设计测试、数据跟踪测试和数据流动态显示测试。测试界面如图6所示。图中区域1是模型机内存和控制存储器的映像区, 其内容跟模型机存储器内容一致, 其数据可以以文件的方式导入, 也可以在该区相应的单元直接输入;区域2是控制区, 控制模型机的复位和微程序的单步执行;区域3是数据流的动态显示区, 显示执行每一条微指令时数据流动态变化;区域4是数据跟踪区, 显示每一条微指令执行结束, 各个部件的具体内容;区域5是微命令显示区, 显示当前正在执行的微指令所对应的微命令。

测试表明, 本实验平台能完成计算机组成原理实验任务, 并能以图形化的界面动态、直观的显示实验结果, 克服了通用开发板的实验现象不直观、实验调试不方便的缺点。

5 结束语

为了降低实验成本、提高实验资源利用率并为学生提供高效实用的实验系统, 本文提出了硬件课程共享实验平台的思想, 采用由PC机实验软件、嵌入式实验控制器和实验模块组成的三层次结构方案, 设计了基于PC机和ALTERADE2-70教育开发板的通用实验平台。通过下层实验模块提供通用端口与上层实验软件自适应性相结合的方法实现了实验内容的自定义, 使平台可以完成不同硬件课程的实验;以嵌入NIOS软核的SOPC系统作为实验控制逻辑为实验平台的功能扩充和升级提供了方便。用数字逻辑和计算机组成原理实验为例对平台进行了测试, 测试表明, 该平台能完成多门硬件课程的实验, 除了提供对实验整体方便、直观的测试手段之外, 还提供了对任意局部进行验证的功能, 为实验者提供了一种快速排错的机制, 这些都是传统实验平台很难做到的, 因此具有一定的实用价值。

参考文献

[1]姚爱红.计算机专业硬件课程实践教学研究[J].计算机教育, 2007, 12:29-30.

[2]纪金松.基于可编程器件的实验平台设计与实现[J].计算机工程与应用, 2006.34:86-88.

[3]张丽艳.基于FPGA平台的计算机硬件实践教学探索[J].计算机教育, 2010.7:113-115.

[4]陈文智.面向系统设计能力的递进式可扩展课程群的改革探索[R].浙江大学.2012.4.21.

篇4：新课改下物理实验教学几点感想

1.充分利用物理趣味实验，创设乐学情境。激发学生求知欲

兴趣是最好的老师。初中学生对生动形象的物理实验普遍怀有好奇心和神秘感，合适的实验不仅能帮助学生理解和掌握知识，而且能激起学生的兴趣，启迪其思维定向探究。

1.1可以利用惊奇实验导入新课

这是一种相当普遍的实验导入方法。利用学生意想不到的奇特现象，唤起学生的注意，引起学生思考，从而产生强烈的求知欲望而导入。例如：“大气压”是比较抽象的概念，新课引入先演示窄口瓶“吞”鸡蛋的实验，这奇迹般的现象一下子就吸引了学生们的注意力，我先把答案告诉学生，这就是大气压现象，那么什么是大气压呢?在学生兴趣被激发的情况下转入新课教学。当学生明白大气压的概念后，为了加深印象，我将一只玻璃杯灌满水，用一张塑料卡片盖在杯口上，再按住卡片把水杯倒过来。问，当把手移开后，会产生什么现象?松手后学生惊讶不已。纷纷议论，这大气压到底有多大?为了满足学生的好奇心和求知欲，我将抽去空气的马德堡半球示出，叫学生推选两个力气最大的男同学来拉，结果用尽力气也拉不开，再换四个不服气的同学，还是没有拉开，当我把进气阀门打开后，一个人就很轻松的把两半球拉开了。学生既惊奇又信服，对“大气压不但确实存在而且又很大”的结论深信不疑了。

1.2也可以在教学过程中利用实验引发新的问题

例如：我在浮力的授课中，为了引发浮力的产生是由于液体对物体上下表面的压力差而形成的，我设计了一个这样的实验：用一只塑料可乐瓶剪去底部(瓶颈的截面直径略小于乒乓球的直径)把一只乒乓球放入瓶内，从上面倒入水，观察到有少量水从乒乓球与瓶颈缝隙中流出，但乒乓球并不上浮，在这种情况下，老师设问：乒乓球是否受到了浮力?有的学生认为受到了浮力，有的认为没有受到浮力。这时我叫一位学生用手堵住瓶的下部流水处，可观察到乒乓球浮起，学生感到好奇，也坚信此时乒乓球受到了浮力，那第一次实验为什么没受到浮力?学生感到疑惑于是，我慢慢引导他们，学生很快理解了浮力产生的原因。这样通过实验情景，提出问题。使教学信息具有新奇性，从而使学生产生好奇心和求知欲，极大地激发了学生的探索动机和兴趣，有利于培养学生的创新意识和解决问题的能力。

2.培养学生的动手能力

有人曾总结过：对于事物的认识，听到不如见到，见到不如一做。这说明动手做的重要性。前苏联教育家苏霍姆林斯基说过：“学生的聪明才智来自他们的手指头”。他一针见血地点明了“动手”有着不可替代的作用。要培养学生的创造能力，就要培养学生的动手能力。

2.1让学生多动手

在物理教学中，只要能让学生动手的实验，就应该创造条件让学生动手做，让学生在动手中观察思考、讨论分析、推理、判断，自己去发现问题、解决问题和得出结论，使做实验的过程成为学生再发现的创新过程。比如学习“液化现象”时，课本上有压缩体积的演示实验，而没有降温液化的实验，我让学生每人手拿一块玻璃，并对玻璃呵气，让学生体会、研究实验现象，得出结论。

2.2让学生都动手

在上分组实验课时，秩序井然，实验结果(结论)正确，而在实验考查时，发现不少同学动手能力差，怎么回事呢?原来在分组实验的时候，大部分教师只注意小组的活动，如各小组是否动手、各组的实验数据、各组完成实验的情况等，而没有注意到组内每个人的活动，因此，出现了基础好的或动手能力强的学生次次做，其他同学坐着看，没有做到人人动手。针对上述情况，教师在分组实验时应强调：实验时，每次一人为主，其他为辅，轮流做主，使大家的动手能力都能提高。

3.培养学生的实验技能

初中物理实验是学生将来从事科学实验的起点。因此，在物理实验课的教学中，必须重视培养学生的实验技能和独立工作能力，使学生养成良好的实验习惯。每次做实验时，教师要指导学生弄懂实验原理，学会正确使用物理仪器，掌握计数、读数和处理实验结果的技巧，能够通过分析、推理得出正确结论。比如在电学实验中，教师要反复强调电流表、电压表的连接特点及“+”、“-”接线柱的接法，让学生学会用欧姆定律正确估算量程，避免量程过大使测量值的误差大，又避免量程过小而烧坏仪表。学生掌握了基本实验技能，就能独立动手操作，打好实验的基础，有了这种基础，学生就能自主地探究其它电学实验例如，探究水果电池的电压，探究串、并联电路的电流电压的规律等，这样通过实验，不仅有效地帮助学生领会物理知识，更重要的是通过观察实验现象，分析和解决实验中的问题，能够很好地培养学生的创造性思维能力。

鼓励学生做好课外小实验、小制作，促进学生对教学内容的学习。各种物理实验，从某种意义上说，都是一种特殊的、直观的实践，学生在动手完成各种小实验、小制作过程中，思维异常活跃，学习欲望高涨，参与意识增强，都迫切地希望进一步探索问题。通过实验，学生学习到的物理知识就比较深刻、牢固。例如，“估计大米的密度”一题，先让学生凭生活经验估计大米的密度大约是多大?接着让学生想出几种测大米密度的方法，然后实际做一做，最后做出评价，哪一种方法既简便易行而且误差又小。又如课本中“硬纸盒烧开水”、“电铃”、“楼梯开关”等小实验、小制作，有很强的趣味性和知识性，十分贴近学生的生活，符合初中学生好奇、好问、好动、好学的心理特征。教师要鼓励学生做好这些课外小实验、小制作，这样激发了学生动手做实验的兴趣，同时也推动物理教学向前发展，是实施创新教育的重要途径。

4.单纯的教师演示变为学生参与的合作演示实验

一个新的物理概念的形成和建立，是学生对这一认知客体的感知过程，能否化抽象的知识为具体而生动的形象知识，关键在于教师能否做好与这一概念密切相关的实验。就这点来说，教师往往在课前准备实验，然后课上演示，让学生通过观察，使学生在感性上对物理概念及现象有比较清楚的认识，这样的做法在教学中固然起到一定的效果。但是笔者认为，如果我们将有关的演示实验适当的让学生参与，那么学生的激情就会更加的高涨。由于是学生自己的参与而使问题得到解决，因此情绪就十分的亢奋，就能在愉悦欢乐的气氛中接受所学知识，取得理想的效果。

如：我在讲分子的热运动时，分别给相临座位的两个学生每人一杯热水和一杯冷水，让他俩同时往杯子里的水中注入一滴红色墨水，过一会儿，就观察到热水中的红色墨水很快地而且均匀地扩散开来，而冷水杯中的红色墨水却仍聚集一团，扩散缓慢，几乎没有动静。实验表明，温度越高，分子做无规则运动的速度就越大，所以大量分子做无规则运动的速度跟温度有关。实验中，通过自己动手做做，自己再进行分析、总结，学生能透过具体的物理现象，理解并总结出抽象的物质运动的规律，从而提高了逻辑思维能力。

在讲阿基米德定律时，先给学生讲讲阿基米德和王冠的故事，然后每人发给一个盛水的烧杯，一块小方木，一枚大头针，让学生自己体会F浮=p液gV排的实际意义。用大头针的尖端向下压木块，木块浸没于水中的体积越大，会感到用力越大，直到全部浸没为止。也就是说，在木块没有完全浸没之前，排开水的体积越大，水对木块向上的托力(即浮力)也越大。在这个实验中，学生通过亲自体验，亲身体会，自己验证阿基米德定律，实验为学生的认识发展提供了依据，学生在实验中得到了诸多能力的锻炼，同时也提高了观察事物的能力和逻辑思维能力。实验教学中，我们深深体会到，搞好实验教学，向教师提出了更高要求。自古有“名师出高徒”说法，虽然它的说法不是很科学，但也有一定的道理，一位“德才兼备、学识渊博、胸怀韬略”的教师，对于学生有着莫大的示范和模仿作用。这就要求教师必须提高自身的素质，才能更好地实现“三维”目标。

篇5：通信原理实验感想

郝昆 1243064

首先对这学期做的通信原理实验做一个总结。这学期我们做了模拟锁相环实验、CMI码型变换实验、验证抽样定理实验、2ASK系统调制与解调实验、2PSK系统解调实验等，通过实验，我们在理论和实际应用方面都有了一定的提高，我们了解了单极性码、双极性码、归零码等波形特点并掌握AMI、HDB3码的编码规则，我们掌握绝对码、相对码概念及它们之间的变换关系，掌握了相对波形与2PSK信号波形之间的关系、绝对码波形与2DPSK信号波形之间的关系，并对2ASK、2FSK、2DPSK信号有了进一步了解。通过模拟锁相环的实验，我们熟悉了模拟锁相环的基本工作原理，掌握模拟字锁相环的基本参数及设计。

在通信原理实验的学习中，我们也收获了很多。实验之前要做好预习工作，只有在课前充分了解了实验原理，才能在课上更好的学习，收获的更多、掌握的更多。实验培养了我们的动手能力。实验的每个步骤都必须亲自去做，亲自去调试，动手能力得到了很大提高。实验是检验理论正确与否的试金石，通过实验我们懂得了探索出真知，为了要使你的理论被人接受，你必须用实验来证明。虽然我们的通信原理实验基本上都是验证性实验，但是对于我们这些知识能力还不够的学生来说，这些探索也是很有价值的。对于这些实验，我们在探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。通信原理实验让我在探索、自我学习中获得知识。

当然，经过一学期通信原理实验课的学习，也发现了自身存在的很多不足。自己的理论知识并不是很强，有些实验结果无法得到透彻的解释；我的思维、思考方式还需要提高，一些复杂的实验时我还不能很快很好的完成，每个实验后相关的思考题也不能得到很好的解决。

篇6：实验随笔感想

我们刚上实验课时，最开始上的就是测量与误差。

当然，我想，这个不仅是我们测控专业菜上测量，任何专业都是要的，实验是检验理论的最好的办法，而其表现就是测量，当然，测量是范围很广的物理，化学生物，地质学都涉及测量，当然，不能忘记测量的重头戏，那就是天文学，几乎就可以讲那是测量学。我们在物理实验中几乎每一个实验都涉及测量，可见测量的重要性。在我们物理实验中，有很多手工测量的，但也有很多是直接用先进的自动化仪器测量的，虽然自动化仪器按钮比较多，有点看起来繁琐，但我还是挺喜欢自动化仪器的。但是很少有用自动化仪器测量的，像我们做的“李萨如图形”的就是几乎全部手动，那个按钮时多的不得了！还有一个就是测核质比的测定，不过这些实验都有些缺点，就是操作太少不太好玩！所以又觉得有点喜欢直接测量的实验了！这种实验一般都需要作比较久，测量比较麻烦！但是很能找到自己技术比较高的快乐（当然，我技术不太高），但动手之后，就是有种劳动的快感，而直接用自动化的仪器就没有这种感觉了！除了测量呢！误差的计算就是我们实验的重头戏了，我们很多同学都是不管为什么需要计算误差！更是不管哪种误差有什么作用，也不知道为什么需要那么计算误差，不知道精确度的用途，如果说，能过照旧做的，当然是还好，但是有很多是不能照旧的，就不能很好的用了，我就在做误差的时候有个同学请教了我很久，我用了很大的经历才算讲明白，不过还只是就例子说！他还是不要求知道为什需要计算误差，为什么要这样计算误差！但我觉得有必要搞清楚！下面是我对误差的理解！

在误差里面，首先就是要确定精确度的啦！这个好像记忆不是很难，但理解不是很容易！

首先，我们制定精确度的规则，比如说，一个精度为0.1的测量仪器，我们可以看出在每个0.1之间都有可以辨别的空隙，这个空隙就是我们赖以估读的空隙，像我们游标卡尺就没有这个空隙所以不估读，而千分尺，虽然精度为0.01但是还要估读，因为它每刻度间有空隙！

接着前面讲，我们借助这个空隙估读一位数！将这个空隙分成十等分，我们只能确定我们估读的数值更接近哪等分，比如说0.03，而精确值则是在这个数值附近的某个值，我们不确定有没有超过0.04，或者，小于0.02.这样的话，我们就不能将0.03后面再加上一个数值了，我们必须保证我们所估读的数值，不应该使得差值大于我们估读的数值，就像前面说对0.04的差值为0.01，是我们估读位次的一倍，而如果估读0.005的话，最小值为0.01，这样，如果精确值为0.04，则差值为0.001的5倍，而如果是0.02的话差值就是0.001的15倍，都很大，这个估值是个毫无意义的值！所以为了有效性起见，我们规定对于存在读值间隙的我们估读到精度的下一位。上面就是我所理解的估读数值！下面我们讲在这个规则下的估值应用！比如说两个精度的数值相加，一个是12.345，其中0.005是不精确的！另一个1.23，其中0.03是不精确的，我们知道，他们要求的精确的不一样！相加起来，我们得到数值13.575.向前进一位，为13.58。为什么要这样呢！也是像前面讲的，我们知道0.03是不确定的，假设误差为一倍，而0.05也是不确定的误差也为一倍这样我们可以得到1.23的精确值在1.22与1.24之间，而12.345精确值在12.344与12.346之间，二者相加必然在大加大，小加小之间，也就是1.22+12.344与1.24+12.346之间，为13.564与13.586之间，如果我们取13.575，则对13.564差值为0.001的11倍，对13.586也是一样，而取13.58，则对13.564只有1.6倍，13.586只有0.6倍！这样我们的有效性就出来了！而其中用的是我所谓的真值假设法！()在乘法里，这个显得给理解带来很大方便，比如说123.4，与1.2相乘，其中123.4中的0.4为估读，假设真值在123.5与123.3之间，而1.2的0.2是估读的，同样假设真值在1.3与1.1之间，通过相乘我们可以得出真值的范围！160.55与135.63之间，这里由于0.1x123带来了巨大的波动，值为12.3所以，这里，即使是十位都是不确定的，这点是我们同学理解的难点，我同学就是在这种地方问了我很久！看似适中的估读到十位没有根据，其实根据就是在这里！123.4x1.2=148.08,我们上面讲了那么多，就是为这里服务的，我们十位是不确定的，所以我们只要估读到十位，4+1=5，这里用科学计数法为1.5x10。我们这里看出了真值假设法的好处，当然，合理性就是我们一般认为估读差值与最小值的比不大于2倍！真值的假设在物理实验的数据处理中是应用非常广的！好像我们并没有看到真值假设，但是他的影子却在其中，一个很简单的例子，就是我们的不确定度的计算里面σ=，但由于其中真值不知道，我们用=表示，其中a为真值而就是替代，其实就是假设！