《FPGA数字系统设计》课程教学大纲

FPGA数字系统设计（FPGADigitalSystemDesign）课程基本信息课程编号：04021556课程总学时：48实验学时：14学时课程性质：必修课程属性:专业类开设学期：第7学期适用专业：电子信息工程对先修的要求：电路、数字电子技术对后续的支撑：FPGA数字系统课程设计，毕业设计一、课程的教学理念、性质、目标和任务现场可编程门阵列（FPGA）是主要的可编程硬件平台之一，在工农业、国防、交通、民用等各个领域得到广泛应用。《FPGA数字系统设计》是电子信息工程专业的必修专业课程，本课程以FPGA系列产品为对象，讲授FPGA数字系统设计基本概念、常用EDA软件及可编程逻辑器件、VHDL硬件描述语言的基本语法规则、基本数字电路的VHDL语言描述、基于VHDL语言的数字系统设计。通过本课程的学习，使学生熟悉基于FPGA的电子系统设计方法，掌握相关设计语言、开发流程及工具，获得FPGA设计的基本知识和基本技能，培养学生利用FPGA进行电子系统设计和开发的能力，培养学生理论联系实际的能力，培养学生的创新能力以及综合运用基础知识的实践动手能力，为后续其它课程、毕业设计，以及将来工作奠定坚实的基础。本课程的任务主要是通过理论教学和实验教学相结合的方式，使学生熟悉基于FPGA设计数字硬件电路系统的相关概念、原理和技术，熟练掌握常用FPGA技术的设计思想和方法，并具有动手设计简单数字电子系统的能力。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理解FPGA概念，掌握FPGA的结构和工作原理。熟悉FPGA目前主要技术的发展及其应用。指标点11.122掌握VHDL语言的基本架构、语法规则，学会使用VHDL语言设计基本数字电路。掌握基于QuartusII软件的常用数字电路仿真及实现。指标点3.133掌握FPGA的开发与设计方法，掌握QuartusII等专业软件的综合运用，熟悉软件的使用局限性。指标点4.144具备简单FPGA数字应用系统设计能力。能根据具体指标要求，设计系统实现方案。指标点2.311三、教学内容及进度安排（一）理论教学序号教学内容学生学习预期成果课内学时教学方式支撑课程目标1FPGA技术的涵义、FPGA技术的发展历程、FPGA技术的主要内容、FPGA软件系统的构成、FPGA发展趋势、FPGA的工程设计流程。了解可编程逻辑器件的发展历程、应用领域、及未来发展方向；掌握FPGA基本概念和结构特点。4课堂教学和学生课外学习相结合，学生课外查阅资料，了解FPGA的最新技术，了解SoC、SOPC开发的基本概念。目标12可编程逻辑器件概述、CPLD、FPGA、ISP逻辑器件、FPGA和CPLD的开发应用选择。熟悉FPGA器件的基本结构及主要性能指标。4课堂教学，PPT为主，结合各大主流公司网站材料讲解目标13VHDL程序基本结构、VHDL语言要素掌握VHDL可编程逻辑设计的基本概念和方法。6课堂PPT讲解+代码演示目标24VHDL顺序语句掌握VHDL硬件描述语言的基本语法结构。4课堂PPT讲解+代码演示目标25VHDL并行语句掌握VHDL硬件描述语言的基本语法结构。4课堂PPT讲解+代码演示目标26子程序、库、程序包及其他、VHDL描述风格了解VHDL的描述风格，掌握VHDL的基本结构2课堂PPT讲解+代码演示目标27组合逻辑电路设计方法；典型组合逻辑电路的分析与设计；组合逻辑电路设计实例。理解组合逻辑电路的概念和特点；掌握典型组合逻辑电路的设计方法。3课堂案例教学，课后学生完成组合逻辑电路设计实验内容的预习和VHDL程序编写工作。目标28时序逻辑电路设计方法；典型时序逻辑电路的分析与设计；电路设计中的时序问题；时序逻辑电路设计实例掌握典型时序逻辑电路的设计方法；熟悉毛刺消除的方法。3课堂案例教学，课后学生完成时序逻辑电路设计实验内容预习，完成实验程序编写和初步调试、仿真。目标29开发环境QuartusⅡ；仿真软件ModelSim；采用QuartusⅡ进行系统设计的流程；QuartusⅡ的设计实例。熟悉QuartusⅡ开发环境和仿真工具；掌握基于QuartusⅡ进行系统设计的方法和流程。2课堂讲解QuartusⅡ使用方法；学生课后练习使用QuartusⅡ，查阅资料了解ModelSim功能及使用方法。目标310FPGA综合应用实例熟悉FPGA的综合开发流程，能进行简单系统的开发设计。2案例教学目标4（二）实验教学序号实验名称学时实验教学内容学习要求支撑课程目标1实验1：FPGA工具基本操作与应用2运行QUARTUSII软件，设计D触发器通过D触发器的设计，掌握QuartusII设计工具进行电子设计的基本流程；了解可编程器件设计的全过程。目标32实验2：8位加法器的设计3设计并调试一个由两个4位二进制并行加法器级联而成的8位二进制并行加法器，并用实验开发系统进行硬件验证。学习QuartusⅡ软件的基本使用方法；学习FPGA实验开发系统的基本使用方法；了解VHDL程序的基本结构。目标43实验3：序列检测器的设计3设计一个8位的序列检测器，在检测过程中，任何一位不相等都将回到初始状态重新开始检测；当一串待检测的串行数据进入检测器后，若此数在每一位的连续检测中都与预置的密码数相同，则输出“A”，否则输出“B”。用EDA实验开发系统进行硬件验证。熟悉QuartusⅡ软件的基本使用方法；掌握FPGA实验开发系统的基本使用方法；学习VHDL程序中数据对象、数据类型、顺序语句和并行语句的综合使用。目标44实验4：7段数码显示译码器设计3写出七段译码器和具有清除端、使能端，计数范围为0~999的计数器的VHDL源程序，编译通过；进行波形仿真；选定器件、映射管脚、编译、下载。掌握VHDL进行EDA设计的基本步骤；掌握用QuartusⅡ进行时序仿真；了解FPGA实验箱的基本功能。目标45实验5：数字秒表的设计3设计并调试好一个计时范围为0.01 s～1 h的数字秒表，并用EDA实验开发系统进行硬件验证。熟悉QuartusⅡ软件的基本使用方法；熟悉FPGA实验开发系统的基本使用方法；掌握VHDL基本逻辑电路的综合设计应用。目标4四、课程思政本课程融合课程思政内容，将德育内容融入课程体系。通过融入学科前沿信息和社会发展需求动态，培养学生的使命感和爱国主义精神。通过课程任务驱动项目化训练，培养学生理论联系实践能力和实事求是、科学严谨的职业道德感。通过思政教育的有机融入，使学生在具备专业能力的基础上，树立正确的人生观和价值观，坚定积极健康的理想信念，不忘初心，为祖国科技发展而努力学习。主要从以下几个方面开展课程思政教学：（1）FPGA的国产化能力介绍，与发达国家的差距，培养学生的爱国情报国心。（2）实验数据的客观记录与分析，培养学生的实事求是科学态度。（3）计数器设计，去抖动电路的作用，在做学问过程中要虑除干扰，排除干扰。（4）数字时钟设计，分频电路的作用，分频系数的合适值。欲速则不达。（5）常用电路设计，我国数据传输技术概况，与发达国家对比，文化自信、道路自信和制度自信。（6）交通灯设计，每年交通事故数据，遵守规则的重要性。五、教材及参考资料1.选用教材：（1）理论课教材：EDA技术及应用，第四版，谭会生编著，西安电子科技大学出版社，2023年，9787560642499（2）实验课教材：自编2.参考书：（1）EDA技术及应用，第三版，朱正伟编著，清华大学出版社，2022年，9787302610458（2）深入浅出玩转FPGA，第四版，吴厚航编著，\o"北京航空航天大学出版社"北京航空航天大学出版社，2023年，9787512435476（3）EDA技术实用教程-VHDL版，第六版，潘松编著，科学出版社，2018年，9787030579096（4）VHDL数字电路设计教程，佩德罗尼(VolneiA.Pedroni)，电子工业出版社，2013，97871211867213.推荐网站（线上资源）：（1）杭州电子科技大学EDA技术，/video/av64519516/（2）（3）/content/www/us/en/products/programmable.html六、教学条件计算机、FPGA开发板、编程下载器、QuartusII软件等。七、课程考核、考核方式及成绩评定序号课程目标（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(%)课堂表现作业实验期末考试1目标1：（支撑毕业要求指标点1.1）FPGA基本概念，FPGA的结构和工作原理。FPGA目前主要技术的发展及其应用。20013152目标2：（支撑毕业要求指标点3.1）VHDL语言的基本架构、语法规则，VHDL语言设计基本数字电路。基于QuartusII软件的常用数字电路仿真及实现。410214303目标3：（支撑毕业要求指标点4.1）FPGA的开发与设计方法，QuartusII等专业软件的综合运用，软件的使用局限性。25221304目标4：（支撑毕业要求指标点2.3）FPGA数字系统设计开发。2561225合计10201060100（1）课堂表现考核内容及评分标准课程目标考核内容评分标准90-100分80-89分70-79分60-69分<60分课程目标1（2%）考核学生预习、复习、课堂参与情况。遵守课堂纪律，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%；或能回答老师提出的问题，准确率大于90%遵守课堂纪律，认真参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于80%；或能回答老师提出的问题，准确率大于80%；遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于70%。遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于60%。遵守课堂纪律，但不能正常参与课堂教学活动，不能回答老师提出的问题。课程目标2（4%）考核学生预习、复习、课堂参与情况。遵守课堂纪律，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%；或能回答老师提出的问题，准确率大于90%遵守课堂纪律，认真参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于80%；或能回答老师提出的问题，准确率大于80%；遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于70%。遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于60%。遵守课堂纪律，但不能正常参与课堂教学活动，不能回答老师提出的问题。课程目标3（2%）考核学生预习、复习、课堂参与情况。遵守课堂纪律，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%；或能回答老师提出的问题，准确率大于90%遵守课堂纪律，认真参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于80%；或能回答老师提出的问题，准确率大于80%；遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于70%。遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于60%。遵守课堂纪律，但不能正常参与课堂教学活动，不能回答老师提出的问题。课程目标4（2%）考核学生预习、复习、课堂参与情况。遵守课堂纪律，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%；或能回答老师提出的问题，准确率大于90%遵守课堂纪律，认真参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于80%；或能回答老师提出的问题，准确率大于80%；遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于70%。遵守课堂纪律，上课状态一般，能回答老师提出的问题，准确率大于60%。遵守课堂纪律，但不能正常参与课堂教学活动，不能回答老师提出的问题。（2）作业评分标准成绩课程目标优秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）课程目标2（10%）按时上交，书写规范工整；运用所学理论知识和公式正确，计算步骤完整，计算结果正确。按时上交，书写工整；运用所学理论知识和公式正确，计算步骤较完整，计算结果正确。按时上交，书写较工整；运用所学理论知识和公式正确，计算步骤较完整，计算结果基本正确。按时上交，书写潦草；运用所学理论知识和公式基本正确，计算步骤简单，计算结果基本正确。不按时上交书写潦草；运用所学理论知识和公式不正确，计算步骤较少，计算结果不正确。课程目标3（5%）按时上交，书写规范工整；运用所学理论知识和公式正确，计算步骤完整，计算结果正确。按时上交，书写工整；运用所学理论知识和公式正确，计算步骤较完整，计算结果正确。按时上交，书写较工整；运用所学理论知识和公式正确，计算步骤较完整，计算结果基本正确。按时上交，书写潦草；运用所学理论知识和公式基本正确，计算步骤简单，计算结果基本正确。不按时上交书写潦草；运用所学理论知识和公式不正确，计算步骤较少，计算结果不正确。课程目标4（5%）按时上交，书写规范工整；运用所学理论知识和公式正确，计算步骤完整，计算结果正确。按时上交，书写工整；运用所学理论知识和公式正确，计算步骤较完整，计算结果正确。按时上交，书写较工整；运用所学理论知识和公式正确，计算步骤较完整，计算结果基本正确。按时上交，书写潦草；运用所学理论知识和公式基本正确，计算步骤简单，计算结果基本正确。不按时上交书写潦草；运用所学理论知识和公式不正确，计算步骤较少，计算结果不正确。每次作业按百分制评分，以所有作业的平均成绩计入总成绩。（3）实验环节评分标准成绩课程目标优秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）课程目标2（2%）实验态度端正；实验操作规范、实验结果正确；考核中能准确地回答全部问题；实验报告撰写规范、整洁、全面。实验态度端正；实验操作规范、实验结果正确；考核中能基本准确地回答全部问题；实验报告撰写规范整洁。实验态度端正；实验操作基本规范，实验结果正确；考核中能准确地回答主要问题；实验报告撰写基本规范。实验态度较端正；实验操作基本规范，实验结果基本正确；考核中能准确地回答部分问题；实验报告撰写基本规范。实验态度不端正；无法独立完成实验操作，实验结果不正确；考核中不能准确地回答主要问题；实验报告书写不规范。课程目标3（2%）实验态度端正；实验操作规范、实验结果正确；考核中能准确地回答全部问题；实验报告撰写规范、整洁、全面。实验态度端正；实验操作规范、实验结果正确；考核中能基本准确地回答全部问题；实验报告撰写规范整洁。实验态度端正；实验操作基本规范，实验结果正确；考核中能准确地回答主要问题；实验报告撰写基本规范。实验态度较端正；实验操作基本规范，实验结果基本正确；考核中能准确地回答部分问题；实验报告撰写基本规范。实验态度不端正；无法独立完成实验操作，实验结果不正确；考核中不能准确地回答主要问题；实验报告书写不规范。课程目标4（6%）实验态度端正；实验操作规范、实验结果正确；考核中能准确地回答全部问题；实验报告撰写规范、整洁、全面。实验态度端正；实验操作规范、实验结果正确；考核中能基本准确地回答全部问题；实验报告撰写规范整洁。实验态度端正；实验操作基本规范，实验结果正确；考核中能准确地回答主要问题；实验报告撰写基本规范。实验态度较端正；实验操作基本规范，实验结果基本正确；考核中能准确地回答部分问题；实验报告撰写基本规范。实验态度不端正；无法独立完成实验操作，实验结果不正确；考核中不能准确地回答主要问题；实验报告书写不规范。（4）期末考核内容及评分标准课程目标考核内容评分标准90-100分80-89分70-79分60-69分<60分课程目标1（13%）FPGA基本概念，FPGA的结构和工作原理。熟练掌握FPGA目前主要技术的发展及其应用。熟练掌握FPGA基本概念，FPGA的结构和工作原理。掌握FPGA目前主要技术的发展及其应用。掌握FPGA基本概念，FPGA的结构和工作原理。掌握FPGA目前主要技术的发展及其应用。基本掌握FPGA基本概念，FPGA的结构和工作原理。基本掌握FPGA目前主要技术的发展及其应用。了解FPGA基本概念，FPGA的结构和工作原理。了解FPGA目前主要技术的发展及其应用。不了解FPGA基本概念，FPGA的结构和工作原理。不了解FPGA目前主要技术的发展及其应用。课程目标2（14%）VHDL语言的基本架构、语法规则，VHDL语言设计基本数字电路。基于QuartusII软件的常用数字电路仿真及实现。熟练掌握VHDL语言的基本架构、语法规则，熟练应用VHDL语言设计基本数字电路。熟练掌握基于QuartusII软件的常用数字电路仿真及实现。掌握VHDL语言的基本架构、语法规则，