[发明专利]一种用于计算机硬件实验的信息传递装置

说明书

技术领域

本发明属于计算机教学实验仪器技术领域，具体涉及一种用于计算机硬件实验的信息传递装置，主要面向计算机组成原理、计算机系统结构的教学实验，也可用于数字逻辑电路、计算机接口技术等计算机硬件系列课程的实验。

背景技术

计算机硬件实验的信息传递主要有两种，一种是采用按键、拨动开关、发光二极管、七段数码管等机械、电子元件（CN1312526，CN101059920），主要采用中小规模数字集成电路构成实验电路，实验者直接在实验装置上操作，不需要通过电脑操作，这种方法提供给实验者的输入、输出数量受到实验装置的设计限制，从而限制了实验者设计的灵活性和设计规模，也不能支持远程实验。另一种是通过实验装置上的控制台与电脑通信，实验电路通常由FPGA（大规模现场可编程门阵列）担当，控制台可以是单片机（CN1741094）或专门设计的FPGA（CN101290724），控制台通过特定的逻辑与实验电路交换信息，并通过RS232或USB通信接口与电脑传递输入输出信息，实验者可以在电脑上操作，因此也有可能为远程实验提供支持（CN101814248A），由于采用FPGA作为实验芯片，实验设计灵活性和规模与第一种方法相比有较大提高；但是控制台与实验电路之间的信息传递只能按照预先设计的方式，通常要求实验电路内部寄存器以总线的形式连接到FPGA引脚，能够传递的信息有限，对实验电路的结构也有一定的要求，甚至控制芯片内的代码是针对特定实验量身定做（CN101290724），在一定程度上限制了实验者的设计和创新能力；另外，附加的控制台电路也增加了成本。发明人曾提出采用边界扫描测试技术作为实验装置信息传递的手段（赵蕙、肖铁军，边界扫描测试技术在硬件实验中的应用，微计算机信息(嵌入式与SOC)，2007年第23卷第8-2期p279-281），利用实验FPGA芯片本身的边界扫描电路与实验电路交换信息，不需要单片机等作为控制台，简化了硬件连接，有效地降低了硬件成本，但是这种方法要求FPGA的边界扫描电路支持INTEST指令，并且其边界扫描结构通常都是固定，只能对芯片本身的引脚进行扫描访问，不便于对自主设计的实验电路内部节点进行访问，限制了其应用范围。综上所述，采用FPGA作为实验芯片、通过电脑进行实验操作，是目前较好的计算机硬件实验装置设计方式，为实验者提供了较大的设计空间，理论上支持创新型实验，但是为了与实验电路的内部逻辑传递信息，需要将内部逻辑引出到芯片的外部引脚上，按照控制台预先设定的总线方式传递信息，对实验电路的结构造成了一定的约束，限制了设计的自由度，不利于创新型实验的开展。

发明内容

针对上述现有技术中计算机硬件实验装置在信息传递方法上存在的局限和不足，本发明设计了一种信息传递装置，该装置能够与实验电路内部逻辑传递信息，并且只需要4个引脚，不需要单片机等附加芯片构成的控制台，硬件连接简单，成本低廉，通用性好，可以适用于任何FPGA；实验电路设计的自由度只受实验FPGA芯片自身规模的限制，信息传递方法对实验电路内部结构没有任何要求，有利于创新型实验的开展。

为了实现上述目的，本发明提出了一种用于计算机硬件实验的信息传递装置，具体技术方案如下：一种用于计算机硬件实验的信息传递装置，包括计算机、USB-JTAG协议转换器、信息传递模块和实验电路，所述计算机安装有实验系统调试程序，实验者可通过调试程序进行调试操作，并显示实验者想要观察的操作结果；所述USB-JTAG协议转换器与计算机通过USB接口相互连接，USB-JTAG协议转换器接收计算机发送的串行数据，解码后发送到信息传递模块，同时接收信息传递模块的数据，并发送到计算机，完成信息传递模块与计算机之间的通信；所述信息传递模块位于FPGA内部，并与USB-JTAG协议转换器之间通过I/O信号线构成的JTAG标准四线接口相连；其中一条为JTAG时钟信号线，一条为JTAG控制信号线，另外两条分别为JTAG数据输入输出信号线。所述实验电路与信息传递模块位于同一个FPGA内部，并与信息传递模块相连，接收信息传递模块送来的激励信号，并将实验电路的输出响应送给信息传递模块。

进一步地，上述信息传递模块由TAP控制器、指令寄存器、指令译码器、数据寄存器组成；其中：

TAP控制器用来产生对指令寄存器和数据寄存器进行操作的控制信号；

指令寄存器和数据寄存器以扫描链的形式存在，完成数据串行的移入移出；