FPGA设计与VHDL实现-教学大纲、授课计划

《FPGA设计与VHDL实现》教学大纲课程信息课程名称：FPGA设计与VHDL实现课程类别：素质选修课/专业基础课课程性质：选修/必修计划学时：64计划学分：4先修课程：无选用教材：《FPGA设计与VHDL实现》，王金明主编，2021年，电子工业出版社教材。适用专业：本课程着眼于实用，紧密联系教学科研实际，实例丰富，配套电子课件、程序代码、习题参考答案等。本课程可作为电子、通信、集成电路、计算机、电路与系统、通信与信息系统、测控技术与仪器等专业本科生和研究生的课程，也可供从事电路设计和系统开发的工程技术人员学习参考。课程负责人：二、课程简介本课程根据EDA课程教学要求，以提高数字系统设计能力为目标，系统阐述FPGA数字开发的相关知识，主要内容包括EDA技术概述、FPGA/CPLD器件、QuartusPrime使用指南、VHDL设计初步、VHDL结构与要索、VHDL基本语句、VHDL设计进阶、VHDL有限状态机设计、VHDL数字设计与优化、VHDL的TestBench仿真、VHDL设计实例等。课程以QuartusPrime、ModelSimSE软件为工具，以VHDL为设计语言，以可综合的设计为重点，通过诸多精选设计案例，系统阐述数字系统设计方法与设计思想，由浅入深地介绍VHDL工程开发的手段与技能。三、课程教学要求序号专业毕业要求课程教学要求关联程度1工程知识1.掌握EDA技术概述、FPGA/CPLD器件、QuartusPrime使用指南、VHDL设计初步。2.了解FPGA设计与VHDL实现应用领域和市场需求，为产品设计和开发提供指导。L2问题分析1.学会对FPGA设计与VHDL实现中出现的问题进行分析和解决，包括硬件故障、软件错误、网络问题等。2.学会进行故障排除和维修和计算方法，以实现数据处理应用。H3设计/开发解决方案1.掌握数字系统设计方法与设计思想，能将FPGA设计与VHDL实现技术应用到工作和生活领域中。2.学会进行系统测试和验证，以确保系统的质量和性能符合要求。H4研究L5使用现代工具1.掌握FPGA设计与VHDL实现领域研发的现代工具，如仿真软件、调试工具等。2.学会使用现代工具进行数据分析和处理，提高工作效率和准确性。M6工程与社会1.了解FPGA设计与VHDL实现研发的产品对社会的影响和作用，以及相关的法律法规和标准。2.学会将相应技术应用于实际生产和社会服务中，为社会做出贡献。L7环境和可持续发展L8职业规范L9个人和团队1.学会个人发展和团队合作，提高个人和团队的综合素质。2.学会与他人合作和沟通，建立良好的人际关系和团队合作氛围。H10沟通1.学会进行有效的沟通和表达，与客户、同事和上级保持良好的沟通和协作。2.学会进行跨文化沟通和合作，提高国际化视野和跨文化交流能力。M11项目管理1.学会进行项目管理和组织，包括项目计划、进度控制、质量管理等。2.学会进行风险评估和管理，提高项目成功的概率和效率。L12终身学习1.学会进行自我学习和自我提升，不断提高自身的专业水平和创新能力。2.学会进行终身学习和职业发展规划，不断拓展职业领域和发展空间。H注：“课程教学要求”栏中内容为针对该课程适用专业的专业毕业要求与相关教学要求的具体描述。“关联程度”栏中字母表示二者关联程度。关联程度按高关联、中关联、低关联三档分别表示为“H”“M”或“L”。“课程教学要求”及“关联程度”中的空白栏表示该课程与所对应的专业毕业要求条目不相关。四、课程教学内容章节名称主要内容重难点关键词学时类型1EDA技术概述EDA技术及其发展Top-down设计与E核复用数字设计的流程常用的EDA工具软件EDA技术的发展趋势了解EDA技术及其发展；掌握数字设计的流程5理论2FPGA/CPLD器件PLD概述PLD的基本原理与结构低密度PLD的原理与结构CPLD的原理与结构FPGA的原理与结构FPGA/CPLD的编程元件边界扫描测试技术FPGA/CPLD的编程与配置Intel的FPGA/CPLDFPGA/CPLD的发展趋势掌握CPLD的原理与结构和FPGA的原理与结构11理论3QuartusPrime使用指南QuartusPrime原理图设计基于IP核的设计SignalTapII的使用方法QuartusPrime的优化设置与时序分析掌握SignalTapII的使用方法；掌握QuartusPrime的优化设置与时序分析4理论+实操4VHDL设计初步VHDL简介VHDL组合电路设计VHDL时序电路设计掌握VHDL组合和时序电路设计的原理4理论+实操5VHDL结构与要素实体结构体VHDL库和程序位配置子程序VHDL文字规则数据对象VHDL数据类型VHDL运算符掌握VHDL文字规则、数据类型和运算符8理论+实操6VHDL基本语句顺序语句并行语句属性说明与定义语句掌握顺序语句、并行语句等VHDL基本语句4理论+实操7VHDL设计进阶行为描述数据流描述结构描述三态逻辑设计分频器设计用锁相环IP核实现倍频和相移掌握用锁相环IP核实现倍频和相移的方法8理论+实操8VHDL有限状态机设计有限状态机有限状态机的描述方式状态编码有限状态机设计要点有限状态机应用实例理解有限状态机的描述方式；掌握有限状态机设计要点4理论+实操9VHDL数字设计与优化流水线设计资源共享4x4矩阵键盘字符液晶汉字图形点阵液晶VGA显示器音乐演奏电路掌握VHDL数字设计与优化的方法8理论+实操10VHDL的TestBench仿真VHDL仿真概述VHDL测试平台ModelSimSE仿真实例掌握VHDL测试平台ModelSimSE的使用方法4理论+实操11VHDL设计实例m序列产生器Gold码数字过零检测和等精度频率测量QPSK数字调制器小型神经网络数字AGC理解数字过零检测和等精度频率测量等案例的原理4理论五、考核要求及成绩评定序号成绩类别考核方式考核要求权重（%）备注1期末成绩期末考试大作业50百分制，60分为及格2平时成绩实践11次40优、良、中、及格、不及格3平时表现出勤情况10两次未参加课程则无法获得学分注：此表中内容为该课程的全部考核方式及其相关信息。六、学生学习建议学习方法建议1.依据专业教学标准，结合岗位技能职业标准，通过案例展开学习，将每个项目分成多个任务，系统化地学习。2.通过每个项目最后搭配的习题，巩固知识点。3.了解行业企业技术标准，注重学习新技术、新工艺和新方法，根据教材中穿插设置的智能终端产品应用相关实例，对已有技术持续进行更新。4.通过开展课堂讨论、实践活动，增强的团队协作能力，学会如何与他人合作、沟通、协调等等。学生课外阅读参考资料《FPGA设计与VHDL实现》，王金明主编，2021年，电子工业出版社教材。七、课程改革与建设（1）开放式、自主式学习已成为EDA教学的主流，而“口袋实验板”适应了教学的需要，受到越来越多师生的沥血。FPGA“口袋实验板”便携易用，资源幸言，学生可随时随地进行创新设计，非常有利于学生自主学习能力和创新实践能力的培养。（2）QuartusPrime为主要设计工具，以VHDL为设计语言，以IntelFPGA芯片为目标器件，选取C4_MB“口袋实验板”为目标开发板，结合大量精选设计案例，系统地介绍EDA开发的方法与技能。平时对学生的考核内容包括出勤情况、学生的学习成果、课堂讨论等方面，占期末总评的50%。期末考试成绩占期末总评的50%。制订人签字：教研室主任签字：院部负责人签字：修订时间：年月日教学日历（20xx～20xx学年第x学期）开课学院开课专业讲授学时32课程名称FPGA设计与VHDL实现授课教师实践/实验学时32授课年级授课班级总学时64使用教材《FPGA设计与VHDL实现》参考书目《FPGA设计与VHDL实现》校历周次授课内容分章节题目第1周第一章EDA技术概述（4学时）1.1EDA技术及其发展（1学时）1.2Top-down设计与E核复用（1学时）1.3数字设计的流程（1学时）1.4常用的EDA工具软件（1学时）第2周第一章EDA技术概述（1学时）1.5EDA技术的发展趋势（1学时）第二章FPGA/CPLD器件（3学时）2.1PLD概述（1学时）2.2PLD的基本原理与结构（2学时）第3周第二章FPGA/CPLD器件（4学时）2.3低密度PLD的原理与结构（1学时）2.4CPLD的原理与结构（1学时）2.5FPGA的原理与结构（1学时）2.6FPGA/CPLD的编程元件（1学时）第4周第二章FPGA/CPLD器件（4学时）2.7边界扫描测试技术（1学时）2.8FPGA/CPLD的编程与配置（1学时）2.9Intel的FPGA/CPLD（1学时）2.10FPGA/CPLD的发展趋势（1学时）第5周第三章QuartusPrime使用指南（4学时）3.1QuartusPrime原理图设计（1学时）3.2基于IP核的设计（1学时）3.3SignalTapII的使用方法（1学时）3.4QuartusPrime的优化设置与时序分析（1学时）第6周第四章VHDL设计初步（4学时）4.1VHDL简介（1学时）4.2VHDL组合电路设计（1学时）4.3VHDL时序电路设计（2学时）第7周第五章VHDL结构与要素（4学时）5.1实体（1学时）5.2结构体（1学时）5.3VHDL库和程序位（1学时）5.4配置5.5子程序（1学时）第8周第五章VHDL结构与要素（4学时）5.6VHDL文字规则（1学时）5.7数据对象（1学时）5.8VHDL数据类型（1学时）5.9VHDL运算符（1学时）第9周第六章VHDL基本语句（4学时）6.1顺序语句（1学时）6.2并行语句（1学时）6.3属性说明与定义语句（2学时）第10周第七章VHDL设计进阶（4学时）7.1行为描述（1学时）7.2数据流描述（1学时）7.3结构描述（2学时）第11周第七章VHDL设计进阶（4学时）7.4三态逻辑设计（1学时）7.5分频器设计（1学时）7.6用锁相环IP核实现倍频和相移（2学时）第12周第八章VHDL有限状态机设计（4学时）8.1有限状态机（1学时）8.2有限状态机的描述方式（1学时）8.3状态编码（1学时）8.4有限状态机设计要点8.5有限状态机应用实例（1学时）第13周第九章VHDL数字设计与优化（4学时）9.1流水线设计（1学时）9.2资源共享（1学时）9.34x4矩阵键盘（1学时）9.4字符液晶（1学时）第14周第九章VHDL数字设计与优化（4学时）9.5汉字图形点阵液晶（1学时）9.6