FPGA系统设计-教学大纲-2022版

《FPGA系统设计》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称(中文)FPGA系统设计(英文)FPGAsystemdesign课程代码课程性质专业必修课开课院部物理与光电工程学院课程负责人课程团队授课学期第5学期学分/学时学分/32学时课内学时32理论学时32实验学时实训（含上机）实习其他适用专业电子科学与技术授课语言中文对先修的要求先修《数字电子技术》。对后续的支撑对《专业综合实验2》等后续课程提供工作基础。课程简介（中文）本课程是电子科学与技术专业基础课，主要介绍了常用EDA工具的使用方法以及典型目标器件的结构原理、FPGA技术以及VHDL编程语言。通过理论讲解和应用例子剖析的教学方式，使学生较好地掌握EDA基本技术，为今后从事电子设计和专用集成电路领域的研究打下扎实的基础。（英文）Thiscourseisabasiccourseofelectronicscienceandtechnologymajor.ItmainlyintroducestheusemethodofcommonEDAtools,thestructureprincipleoftypicaltargetdevices,FPGAtechnologyandVHDLprogramminglanguage.Thecoursewilladoptteachingmethodsofbasictheoryexplanation,applicationexampleanalysis.thestudentscanbettermasterthefundamentalEDAtechnologyandlayasolidfoundationforfutureresearchinthefieldofelectronicdesignandASIC.二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑序号课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求1目标1：掌握EDA有关的基本概念、基本设计理论常用EDA工具软件使用以及典型器件结构和原理，掌握利用VHDL语言在数字系统中的分析方法和设计方法（支撑毕业要求指标点2.3）。2.3能够运用电子科学技术的基本原理，通过查阅文献、借助仿真软件等手段，比较并论证电子器件和应用电子系统复杂工程问题的多种解决方案，获得有效结论。毕业要求22目标2：具备分析能力、树立理论联系实际的科学观点（支撑毕业要求指标点3.2）。3.2能够针对特定需求，完成单元（部件）的设计。毕业要求3三、教学内容及进度安排序号教学内容学生学习预期目标课内学时评价方式支撑课程目标1EDA技术的基本概念、发展历程、分类及各自特点。硬件描述语言VHDL的作用，EDA技术的特点及优势。FPGA的结构和工作原理常用EDA工具介绍以及EDA技术的发展趋势重点：CPLD和PFGA的结构和工作原理思政导入：介绍相关学科背景，激励学生努力学习的决心。了解EDA技术的基础知识、基本概念、以及发展趋势了解EDA设计的基本流程和常用开发工具了解可编程逻辑器件的种类以及常用制造厂商；能够掌握FPGA/CPLD的区别掌握CPLD和PFGA的结构和工作原理4作业：EDA技术的基本概念、简单PLD的原理、CPLD和PFGA的结构和工作原理目标12VHDL描述有关的基本概念，代码的基本结构包括库、程序包和配置等组合电路的VHDL描述、基本时序电路的VHDL描述计数器和分频器的VHDL描述重点：掌握常用组合电路和时序电路的VHDL描述，掌握并熟悉整数分频器的设计方法。难点：时序电路的VHDL描述，不同占空比分频器设计（1）理解VHDL描述的基本概念，包括文字规则、数据类型、VHDL操作符；（2）熟练掌握组合电路的VHDL描述（3）熟练掌握时序电路的VHDL描述；（4）掌握一般计数器的设计方法，各种整数分频器的设计方法。（5）了解小数分频器的原理8作业：组合电路的设计；时序电路的设计；计数器和分频器设计目标1，23EDA工具的应用，包括应用EDA软件对VHDL程序进行综合及仿真分析。重点：掌握文本输入和原理图输入两种基本输入方法掌握QuartusII的常用功能。难点：仿真波形的建立和仿真结果的分析掌握利用QuartusII进行工程设计的流程，熟悉文本输入和原理图输入方法，能对编写的代码进行编译、综合以及仿真测试并对结果进行分析（2）掌握开发板和仿真器的连接方法，并能通过开发板验证编写代码的正确性。2作业：文本输入和原理图输入两种基本输入方法,VHDL程序进行综合及仿真分析。目标1,24VHDL的数据对象和描述风格、VHDL描述的基本语句：顺序语句和并行语句、仿真测试文件重点：顺序语句和并行语句。难点：变量和信号的差别、顺序语句和并行语句的区别。（1）掌握VHDL的数据对象，了解VHDL的描述风格；（2）理解并熟练掌握常用的顺序语句和并行语句。（3）会编写简单的测试向量文件对所编写的VHDL进行仿真测试。8作业：顺序语句和并行语句,测试文件目标1,25宏功能模块应用以及相关语法重点：LPM_RAM以及LPM_ROM模块的设置和应用。难点：宏功能模块的正确调用及测试。思政导入：介绍常用一些具有影响力的IP核，激励学生努力向上。理解宏模块的功能和相关语法。掌握LPM_RAM以及LPM_ROM模块的设置和应用。3作业：LPM_RAM以及LPM_ROM宏模块功能，计数器LPM模块目标1,26数字系统的设计方法，数字系统的优化方法。重点：常用的资源优化和速度优化方法难点：合理利用QuartusII对代码进行资源和速度优化。熟悉资源优化、速度优化的常用方法，熟悉QuartusII中常用的优化设置与优化设计方法。3作业：VHDL描述中资源优化和速度的优化方法，QuartusII中常用的优化设置目标1,27VHDL设计简单逻辑电路的基本方法，状态机的实用程序设计、状态编码方法以及非法状态排除技术，。重点：moore型状态机的设计Mealy型状态机的设计。难点：状态机设计的安全性和可靠性1掌握简单逻辑电路的VHDL描述方法，3掌握moore型状态机以及Mealy型状态机的VHDL描述方法。4作业：moore型状态机以及Mealy型状态机的VHDL描述状态编码以及非法状态排除目标1，2课程考核序号课程目标（支撑毕业要求指标点）考核内容评价依据及成绩比例(%)成绩比例(%)考勤与平时作业考试1目标1：掌握EDA有关的基本概念、基本设计理论常用EDA工具软件使用以及典型器件结构和原理，掌握利用VHDL语言在数字系统中的分析方法和设计方法（支撑毕业要求指标点2.3）。(1)EDA技术的基本概念、CPLD和FPGA典型器件的结构和工作原理，常见厂商和开发工具并熟悉EDA设计的基本流程。(2)VHDL描述的基本概念和描述风格以及VHDL程序的基本结构包括库、实体、结构体、程序包和配置等（3）VHDL基本语法以及组合电路和时序电路的设计方法，并能利用VHDL描述一些简单的数字系统。60602目标2：具备分析能力、树立理论联系实际的科学观点（支撑毕业要求指标点3.2）。（1）常用数字逻辑功能部件的VHDL描述(2)状态机的多种VHDL描述方法，并能结合开发工具对相关的VHDL代码进行优化。（3)了解VHDL设计优化的意义，掌握常见的资源和速度优化方法；4040合计3070100注：各类考核评价的具体评分标准见《附录：各类考核评分标准表》五、教材及参考资料1.教材《EDA技术实用教程》（第六版），潘松、黄继业，科学出版社，2018。2.主要参考书[1]潘松编著，《EDA技术实用教程VHDL版》(第五版)，科学出版社，2015[2]姜雪松主编，《硬件描述语言VHDL教程》，西安交通大学出版社，2004[3]赵俊超编写，《集成电路设计VHDL教程》，北京希望电子出版社，2002六、教学条件多媒体教室大纲执笔人：审核人(专业负责人/系主任)：修定时间：2022年2月18日

附录：各类考核评分标准表作业考核评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1：掌握EDA有关的基本概念、基本设计理论常用EDA工具软件使用以及典型器件结构和原理，掌握利用VHDL语言在数字系统中的分析方法和设计方法（支撑毕业要求指标点2.3）。在作业中对EDA基本概念理解正确，正确掌握VHDL基本语法，能用VHDL语言完成给定考核任务。在作业中对EDA基本概念理解存在少量非原则性错误，基本掌握和理解了VHDL语言，能用VHDL语言完成大部分考核任务。在作业中对EDA基本概念理解存在不少错误，理解并掌握部分VHDL语法，能用VHDL语言完成少部分的考核任务。在作业中对EDA基本概念理解存在严重错误，完全不能掌握VHDL语法。60目标