《FPGA技术及应用》教学大纲

《FPGA技术及应用》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：06150671课程性质：专业选修课学分：2学分学时：32学时（理论24学时，实验8学时）先修课程：电路、模拟电子技术、数字电子技术后续课程：毕业设计适用专业：电气工程及其自动化开课单位：电子信息工程学院一、课程说明《FPGA技术及应用》是电气工程及其自动化专业的一门专业选修课，主要是为学生毕业后从事与集成电路相关的工作打好基础，考核方式为考查。该课程所传授的EDA相关概念、CPLD/FPGA原理及架构、VHDL语法、Quartus软件操作、实验开发系统的使用以及综合性复杂数字系统的设计等知识和技能，可以帮助学习者逐步具备应用EDA技术设计综合性复杂数字系统的能力，为毕业后从事FPGA设计与开发、SOPC设计与开发、ASIC前端设计等相关领域的工作打好基础，同时培养学生较强的专业实践能力和创新能力。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：理解EDA技术的内涵、意义、设计流程、学习内容以及学习方法，培养学生的探索精神、钻研精神、敬业精神和家国情怀。课程目标2：了解CPLD/FPGA芯片的组成原理、工作原理、性能指标、选用方法。课程目标3：能够熟练操作Quartus及其它相关开发软件进行全流程设计。课程目标4：初步掌握VHDL的基本语法知识，并能够用VHDL描述各种常规数字电路。课程目标5：理解和掌握实验箱的结构组成、工作原理以及使用方法。能够综合运用各种软硬件工具，以层次化、模块化思想构思和设计较为复杂的数字系统，并在实验箱上验证和实现，培养学生熟练准确的操作技能和耐心细致的良好品格。三、课程目标与毕业要求《FPGA技术及应用》课程教学目标对电气工程及其自动化专业毕业要求的支撑见表1所示。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识1.4能够将电气工程及其自动化专业知识用于复杂电气工程问题解决方案的比较与优化。课程目标1：理解EDA技术的内涵、意义、设计流程、学习内容以及学习方法。课程目标2：了解CPLD/FPGA芯片的组成原理、工作原理、性能指标、选用方法。M3.设计/开发解决方案3.2能够根据特定需求，完成对复杂电气工程系统与单元（部件）的设计、调试与优化。课程目标3：能够熟练操作Quartus及相关软件进行全流程设计。课程目标4：初步掌握VHDL的基本语法知识，并能够用VHDL描述各种常规逻辑电路。M5.使用现代工具5.2能够选择与使用恰当的现代仪器、工程工具、信息资源、信息技术工具对复杂电气工程问题进行分析、计算和设计。课程目标3：能够熟练操作Quartus及相关软件进行全流程设计。课程目标5：理解和掌握实验箱的结构组成、工作原理以及使用方法。能够综合运用各种软硬件工具，以层次化、模块化思想构思和设计数字系统，并在实验箱上验证和实现。H注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.EDA技术概述1.1EDA技术的内涵、意义及设计流程1.2EDA技术的学习内容和学习方法教学要求：使学生了解EDA技术的内涵、意义、设计流程、学习内容以及学习方法。重点：EDA技术的内涵及设计流程难点：EDA技术的设计流程2012.CPLD/FPGA芯片的结构设计原理和工作原理2.1CPLD的结构及工作原理；2.2FPGA的结构及工作原理教学要求：使学生了解CPLD/FPGA的结构及工作原理；了解CPLD/FPGA的引脚分类及工作电平。重点：CPLD/FPGA的结构及工作原理难点：CPLD/FPGA的结构及工作原理2023.Quartus软件使用3.1Quartus环境下原理图输入法及程序输入法的设计和操作流程3.2宏功能模块的定制教学要求：使学生熟练掌握Quartus环境下设计输入（含原理图输入法和程序文本输入法）、项目建立、项目编译、项目仿真（功能仿真、时序仿真）、引脚锁定、下载调试等全过程操作；掌握常用宏功能模块的定制方法；重点：Quartus环境下设计输入、项目建立、项目编译、项目仿真（功能仿真、时序仿真）、引脚锁定、下载调试等操作全过程难点：仿真设置2034.VHDL程序设计4.1VHDL语言基础4.2简单组合逻辑电路设计4.3简单时序逻辑电路设计教学要求：使学生逐步学习和掌握VHDL的基本语法知识，并通过常用组合逻辑电路及时序逻辑电路的设计练习，巩固所学语法知识。重点：VHDL基本语法知识难点：VHDL的特殊语句使用10045.数字系统设计5.1计数器设计5.2分频器设计5.3频率计设计5.4数字钟设计教学要求：使学生掌握任意进制BCD计数器及自然二进制计数器的设计；掌握任意整数分频器的设计；掌握频率计的相关知识和设计构思；掌握全功能数字钟的设计。重点：计数器、分频器、频率计、数字钟等数字系统的设计难点：频率计设计885合计2482.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.BCD计数器设计实验内容：学习实验箱使用，然后设计一个365进制BCD计数器并在实验箱上验证。实验要求：理解实验箱结构组成、工作原理和使用方法，完成程序输入、建立项目、编译。仿真、引脚锁定、程序下载等全程操作。22、3、4、52.分频器设计实验内容：设计一个任意整数倍分频器。实验要求：完成程序输入、建立项目、编译。仿真、引脚锁定、程序下载等全程操作。22、3、4、53.频率计设计实验内容：设计一个测频上限为100MHz的频率计，用8个数码管显示频率值。实验要求：完成程序输入、建立项目、编译。仿真、引脚锁定、程序下载等全程操作。22、3、4、54.数字钟设计实验内容：设计一个全功能电子钟。实验要求：完成程序输入、建立项目、编译。仿真、引脚锁定、程序下载等全程操作。22、3、4、5合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，辅之以实验教学。同时，开设有线上课程，线上和线下教学相结合。课堂教学部分：对不同的教学章节采用适当的方法。对EDA技术介绍、CPLD/FPGA基本结构和工作原理等章节，采用PPT讲解、视频播放、课堂讨论等方法；对VHDL语法知识章节，采用PPT集中讲解语法，同时结合一个个小的实例对语法知识点进行逐个消化吸收的方法；对Quartus软件操作章节，采用课堂演示、实验强化的方法；对数字系统设计章节，采用项目化教学方式，以一个一个专题的方式，进行教学。实验教学环节：着重训练运用Quartus软件和VHDL语言进行数字系统的设计。每个实验项目都包含了设计文件输入、设计文件保存、项目建立、项目编译、项目仿真、锁定引脚以及程序下载等操作。学生通过全流程的操作实践和强化，可以更深刻地理解和掌握层次化的设计方法。实验课采用教师讲授和学生动手实践的方法；在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用仪器；实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。线上课程建设方面：教学大纲、教学参考书、理论教学PPT、项目化开发流程及相关资料、实验指导书、实验操作视频等相关资料，全部上网供学生学习。同时，课堂表现、作业、章节测验等过程化考核环节均以学习通线上方式进行。六、课程资源1.推荐教材：（1）张瑾.EDA技术及应用(第二版)[M].北京:清华大学出版社,2018.（2）潘松.EDA技术实用教程-VHDL版(第六版)[M].北京:科学出版社,2018.（3）谢海霞,孙志雄.EDA技术与应用(第二版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2019.（4）陈福彬,王丽霞.EDA技术与VHDL实用教程[M].北京:清华大学出版社,2021.2.参考书：（1）李莉.深入理解FPGA电子系统设计-基于QuartusPrime与VHDL的AlteraFPGA设计[M].北京:清华大学出版社,2020.（2）梅雪松等.FPGA设计与验证[M].北京:北京航空航天大学出版社,2021.（3）李德明.FPGA设计与项目化开发实战[M].武汉:华中科技大学出版社,2021.（4）石侃.详解FPGA:人工智能时代的驱动引擎[M].北京:清华大学出版社,2021.（5）何宾.XilinxFPGA权威设计指南:基于Vivado2018集成开发环境[M].北京:电子工业出版社,2018.（6）吴厚航.FPGA/CPLD边练边学-快速入门Verilog/VHDL(第二版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2017.（7）赵艳华.实例讲解-基于QuartusII的FPGA/CPLD数字系统设计快速入门[M].北京:电子工业出版社,2017.（8）孙其功.深度神经网络FPGA设计与实现[M].西安:西安电子科技大学出版社,2020.3.期刊：（1）中国集成电路,国家工业和信息化部（2）电子技术应用,华北计算机系统工程研究所（3）电子测量技术,北京无线电技术研究所（4）自动化与仪表,天津市工业自动化仪表研究所（5）现代电子技术,陕西电子杂志社,陕西省电子技术研究所（6）ScienceChinaTechnologicalSciences,中国科学院4.网络资源：（1）英特尔官网FPGA页面./content/www/cn/zh/products/overview.html（2）莱蒂斯官网./（3）赛灵思中国网站./七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标12345过程性考核课堂表现8（1）根据出勤情况及课堂表现进行考核，满分100分；（2）以该项成绩乘以20%，计入过程性考核成绩；（3）以该项成绩乘以20%再乘以40%，计入总成绩。√√√√√11132实验12（1）根据每次实验的预习情况、操作情况和结果分析情况进行评分，每次实验的满分为100分；（2）取各次实验成绩的平均值作为实验成绩；（3）以实验成绩乘以30%，计入过程性考核成绩；（4）以实验成绩乘以30%再乘以40%，计入总成绩。√√√√√12243作业12（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩；（3）以作业成绩乘以30%，计入过程性考核成绩；（4）以作业成绩乘以30%再乘以40%，计入总成绩。√√√√1254章节测验8（1）主要考核学生对各章节知识综合应用和掌握的程度，满分100分；（2）每次测验单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩；（3）以测验成绩乘以20%，计入过程性考核成绩；（4）以测验成绩乘以20%再乘以40%，计入总成绩。√√53期末考核60（1）期末考核满分为100分；（2）视大作业、论文或上机考试等考核方式的具体完成情况，参考评分标准进行评分；（3）以期末考核成绩乘以60%后，计入总成绩。√√√√√3692715合计：100分611124427八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程为专业选修课，考核方式为考查，考核包括过程性考核和期末考核两个方面。考核要求：过程性考核包括课堂表现、实验、作业、章节测验等环节；期末考核则可以采用大作业、论文或者上机考试等多种方式。每学期具体采用何种考核方式，由任课教师视学校要求及实际情况酌情而定，不管采用何种考核方式，考核文档及相关材料均应按学校要求齐备。成绩评定：课程总成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分组成。其中：过程性考核成绩满分为100分，共包含课堂表现、实验、作业、章节测验四项，每项满分100分，分别按照各自占比：课堂表现（20%）、实验（30%）、作业（30%）、章节测验（20%），计入过程性考核成绩。过程性考核成绩计算出来以后，再按照其在课程总成绩中的占比（40%）计入课程总成绩。期末考核部分满分为100分，在课程总成绩中占比为60%，期末考核成绩乘以该系数后，计入课程总成绩。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100＞x≥9090＞x≥8080＞x≥7070＞x≥60x＜60课堂表现20课堂纪律非常好；学习积极性非常高；学习通出勤率≥90%；由以上三方面综合评定课堂纪律良好；学习积极性很高；90%＞出勤率≥80%；由以上三方面综合评定课堂纪律较好；学习积极性较高；80%＞出勤率≥70%；由以上三方面综合评定课堂纪律一般；学习积极性一般；70%＞出勤率≥60%；由以上三方面综合评定课堂纪律较差；学习积极性较低；出勤率＜60%；由以上三方面综合评定作业30作业完整，准确率≥90%作业完整，90%＞准确率≥80%不交作业2次以内，准确率≥70%不交作业4次以内，准确率≥60%不交作业5次以上，准确率＜60%实验30实验预习