《FPGA结构原理与应用》课程教学大纲

《FPGA结构原理与应用》课程教学大纲课程编号：ABJD0532课程中文名称：FPGA结构原理与应用课程英文名称：FPGAarchitectureprincipleandapplication课程性质：选修课程学分数：3学分课程学时数：40学时授课对象：电子信息工程、电子科学与技术本课程的前导课程：电路、模拟电子技术、数字电子技一、课程简介《FPGA结构原理与应用》课程是电子科学与技术专业选修的技术基础课，具有非常重要的地位和作用。本课程的任务是使学生获得模拟电子技术方面的基础理论，基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，为以后深入学习有关电类课程打好基础。在数字电路技术理论知识基础上介绍了可编程逻辑器件的发展概况，内部组成原理，要求学生在了解基本原理的基础上重点掌握硬件描述语言VHDL的语法以及应用，要求会用硬件描述语言编写一定难度的程度，并在软件Quartus中调试、仿真、实现。要求学生掌握EDA技术和可编程逻辑器件的原理、开发流程、配置和下载电路，掌握用VerilogHDL语言和EDA设计软件设计基本数字电路和数字系统的方法。通过FPGA课程的学习，培养学生分析问题和解决问题的能力，在学习电子电路的基础上，了解可编程逻辑器件的基本原理，掌握硬件描述语言，分析用硬件描述语言编程程序的方法和思路，并掌握在软件中对程序调试和实现。本课程有48个课时，要求学生在掌握理路知识的基础上，重点提高学生的动手能力，并在此基础上，完成本课程的课程设计，学会设计具体电子电路并在FPGA上实现的能力。二、教学基本内容和要求（一）绪论课程教学内容：EDA技术的发展史。课程的重点、难点：重点：如何学习,FPGA有何用途;难点：EDA基本设计方法,FPGA设计流程。课程教学要求： 掌握：FPGA系统组成，系统分类； 理解：FPGA设计来源；FPGA器件编程时所用语言以及IP核的概念。了解：EDA技术的发展史。 （二）FPGA的内部结构课程教学内容：可编程逻辑器件(PLD)发展历程，与或阵列的表示方法。课程的重点、难点：重点：内部组成结构。；难点：各类器件的不同特点。课程教学要求： 掌握：PROM、PAL、PLA、GAL的功能及特点，CPLD基本原理图及使用特点； 理解：查找表LUT概念，FPGA典型结构、逻辑阵列块LAB结构；了解：FPGA使用上的特点，FPGA与CPLD区别。（三）硬件描述语言Verilog课程教学内容：硬件描述语言概念、硬件描述语言分类；课程的重点、难点：重点：结构、定义；如何用VHDL语言编写程序。难点：变量和信号的区别。。课程教学要求： 掌握：Verilog与C语言比较、分层次简化设计思想。 理解：D触发器描述、模块的基本结构。了解：标识符、数据类型、电路描述的3种抽象级别。（四）Verilog的语句、运算符与表达式课程教学内容：过程语句、块语句、赋值语句、条件语句、循环语句。课程的重点、难点：重点：逻辑运算符参数的计算。难点：关系运算符方式。课程教学要求： 掌握：逻辑运算符、关系运算符方式有和特点。 理解：位运算符、归约运算符、条件运算符的特点。了解：连接和复制运算符的概念。（五）基本组合时序电路设计课程教学内容：2选1多路选择器以及相关电路的设计。课程的重点、难点：重点：2选1多路选择器的特点，的作用、分类及计算。难点：寄存器电路的性能指标。课程教学要求：掌握：、2-4译码器、同步复位部分的作用；理解：设置异步复位D触发器、带使能端的D触发器了解：寄存器、计数器的性能，有哪些主要指标。（六）分频电路、状态机课程教学内容：分频电路的分类、用途，分频电路的结构。课程的重点、难点：重点：状态机的特性。难点：画状态转换图的具体方法。课程教学要求：掌握：Verilog语句描述的概念。理解：状态机的概念、有限状态机的标准模型等概念。了解：画状态转换图的步骤，用Verilog语言对状态机进行描述。（七）宏模块课程教学内容：ROM和宏的基本概念；分类及判别；性能的影响；课程的重点、难点：重点：宏概念的建立；难点：74161电路的分析估算。课程教学要求：掌握：常用存储器分类、方法；性能的影响； 理解：简单ROM建模、简单RAM建模的概念，知道一般表达式，并了解意义；了解：宏功能模块设计、计数器74161设计举例问题。（八）设计的优化课程教学内容：集成电路概述；集成电路的组成；如何进行设计优化。课程的重点、难点：重点：集成电路设计的基本组成部分；集成运放的优化概念析。难点：集成优化设计的主要技术指标。三、实验教学内容及基本要求从以下实验中做8学时实验：（一）一位半加器的设计（2学时）通过一个简单的一位半加器的设计，熟悉开发环境，掌握组合逻辑电路的设计方法，初步了解可编程器件设计的全过程。（二）触发器的设计（2学时）了解基本触发器的工作原理，并学习QuartusII中基于原理图设计的流程。以两个与非门组成的基本触发器为例，来分析其工作原理。根据与非逻辑关系，可以得到基本触发器的状态转移真值表及简化的真值表，利用QuartusII软件，新建一个工程，并仿真。（三）优先级8-3编器的设计（2学时）掌握EDA开发的基本流程，编码器、译码器的实现原理，熟练使用IF条件语句，注意If语句与case语句的区别，case语句中，表达式是没有优先级的，而多条件的If语句的条件是有优先级的，最前面的条件优先级最高。（四）七人表决器设计（2学时）掌握EDA开发的基本流程，熟悉EDA实验箱，并学习用VHDL编写复杂功能的代码。七人表决器顾名思义就是由七个人来投票，当同意的票数大于或者等于4人时，则认为同意；反之，当否决的票数大于或者等于4人时，则认为不同意。实验中用7个拨挡开关来表示七个人，当对应的拨挡开关输入为‘1’时，表示此人同意；否则若拨挡开关输入为‘0’时，则表示此人反对。表决的结果用一个LED表示，若表决的结果为同意，则LED被点亮；否则，如果表决的结果为反对，则LED不会被点亮。用数码管指示同意的投票数。按FPGA设计流程,利用EDA/SOPC-II+实验箱中的拨挡开关模块和LED及数码管来实现其功能。基本要求：1.训练实验操作技能，培养分析并解决工程实际问题的能力；2.掌握FPGA实验系统的使用方法，熟悉模拟电子实验设备；3.能组成简单的电子系统，能按电子系统接线和查线，能查找简单的实验故障并加以排除；4.培养学生的综合性与设计性实验能力。四、教学方法与手段在该门课程的教学过程中，从学生未来的职业能力出发，贯彻了项目式教学和“理实一体化”的教学理念和模式，以行动为导向，以实践为先导，让学生扎实掌握所学知识和技能。结合课程，应安排相应的课堂演示实验和实验室学生实验，在整门课程结束后，安排一次实训，以提高学生的实际技能和实践动手能力。教学过程中，可多在多媒体教室结合实物，多做演示实验，并适当采用多媒体投影系统来辅助教学。并结合课程建设，组织学生开展课外科技活动和科技服务，体现了对学生实践技能和综合素质的培养和锻炼。教学方法——讲授式教学法+四步教学法；教学手段——案例分析、小组式学习。五、各教学环节学时分配章节与内容课时作业量备注绪论2FPGA的内部结构6硬件描述语言Verilog82Verilog的语句、运算符与表达式42基本组合时序电路设计2分频电路、状态机2宏模块82设计的优化6总复习2合计40说明：实验安排可根据具体情况由教研室做适当调整。六、考核方式与成绩评定标准1、考核方法出勤30%，平时作业和平