前言
計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)系列實(shí)驗(yàn)是信息類專業(yè)配套開設(shè)的必修實(shí)驗(yàn)課。此類實(shí)驗(yàn)課能夠幫助學(xué)生從物理芯片層、數(shù)字邏輯層、體系結(jié)構(gòu)層了解數(shù)字系統(tǒng)硬件邏輯設(shè)計(jì)，有利于進(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、嵌入式技術(shù)等高級(jí)應(yīng)用，也有利于提升學(xué)生的實(shí)踐能力。1999年，在以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)專門人才的學(xué)院教育指導(dǎo)思想的指引下，以提高學(xué)生的綜合能力、培養(yǎng)創(chuàng)新人才為主線，結(jié)合課程自身的特點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)室開展了一系列的硬件技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。歷經(jīng)15年，探索出一條適合信息專業(yè)學(xué)生加強(qiáng)綜合能力的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)鏈條式教育培養(yǎng)模式，獲得了廣大教師和學(xué)生的認(rèn)可。借此我們把多年的教學(xué)研究總結(jié)歸納并重新整合，編寫出實(shí)驗(yàn)教材與廣大教師和學(xué)生分享。全書共6章，簡(jiǎn)單介紹如下：第1章主要從硬件技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題及解決思路入手，闡述了硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)設(shè)備研發(fā)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)化設(shè)定，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究，綜合考核與測(cè)試制度的制定等方面的教學(xué)實(shí)施方案。第2章分3個(gè)層次介紹了基礎(chǔ)電路的相關(guān)實(shí)驗(yàn)及綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，學(xué)生能掌握物理層面的相關(guān)知識(shí)（元器件、集成電路的認(rèn)識(shí)、基本原理、性能測(cè)試、性能分析），掌握常用電子儀器與儀表的使用技能。第3章介紹自制硬件數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)以及相關(guān)軟件的使用，將FPGA開發(fā)與應(yīng)用的相關(guān)知識(shí)循序漸進(jìn)地融合到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，學(xué)生能掌握邏輯層面的相關(guān)知識(shí)（數(shù)字部件、組件的認(rèn)識(shí)、基本原理、性能測(cè)試、性能分析），初步學(xué)會(huì)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和初步的FPGA開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)：用硬件描述語(yǔ)言VHDL描述硬件內(nèi)部的邏輯關(guān)系；數(shù)字系統(tǒng)性能測(cè)試與邏輯分析技能；軟件工具使用中的技巧，軟硬件調(diào)試的方法與技巧等。第4章以CPU為典型案例，分7大部分（總線、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通路、時(shí)序電路、微程序控制器、模型機(jī)與程序運(yùn)行）設(shè)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，且每個(gè)模塊又分別設(shè)計(jì)了幾個(gè)小實(shí)驗(yàn)，并可依據(jù)原理框圖用圖形法或硬件描述語(yǔ)言等方法實(shí)現(xiàn)，學(xué)生能掌握復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、設(shè)計(jì)原理、性能測(cè)試、性能分析，進(jìn)一步掌握FPGA開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)。
第5章講述單片機(jī)系統(tǒng)全過程以8位RISC式AVR CPU軟核為中心，首先從單片機(jī)系統(tǒng)程序處理角度入手，借助原型芯片行為模型，方便完成軟件編程與硬件邏輯設(shè)計(jì)； 其次，案例設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)虛擬平臺(tái)從仿真上展示了單片機(jī)周邊必不可少的數(shù)據(jù)輸入與輸出； 最后，自然過渡至創(chuàng)客硬件開發(fā)板，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)智能硬件構(gòu)件裝配、應(yīng)用開發(fā)與調(diào)試實(shí)踐。第6章通過展示自制數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的通信功能，介紹基于FT245BM和FPGA的USB接口設(shè)計(jì)實(shí)例。該教材是我們15年改革的歸納總結(jié)，現(xiàn)有的課程內(nèi)容安排、教學(xué)組織、教學(xué)方法以及考核模式極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)硬件知識(shí)以及硬件實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)積極性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的精心設(shè)計(jì)解決了硬件實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)缺乏系統(tǒng)性的問題，同時(shí)，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中應(yīng)用摸索總結(jié)了多種適用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，結(jié)合綜合考核與測(cè)試制度，通過鏈條式教育，強(qiáng)化學(xué)生做中學(xué)并掌握相關(guān)知識(shí)與技能，更深層次、更大范圍地激發(fā)和挖掘?qū)W生的潛能，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的人才。在本書的編寫及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院的李仁發(fā)教授、徐成教授及信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的老師們給予了極大的幫助和支持。李仁發(fā)教授任院長(zhǎng)期間大力支持硬件技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。徐成教授設(shè)計(jì)了DDA系列數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資料。劉三一、錢彭飛老師設(shè)計(jì)了HBE硬件基礎(chǔ)電路實(shí)驗(yàn)箱和低頻電路實(shí)驗(yàn)箱并提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資料。在此，編者對(duì)他們表示衷心的感謝。如果您對(duì)本書有任何疑問或希望獲取相關(guān)幫助，可以通過以下方式聯(lián)系到我們：fangkq601@sina.com。由于編者水平有限，書中難免存在不足，敬請(qǐng)各位讀者批評(píng)指正。
編者2016年10月