《可编程器件与硬件描述语言》课程教学大纲.docx

可编程器件与硬件描述语言课程教学大纲课程编号：ABJD0522课程名称：可编程器件与硬件描述语言英文名称：Programmab1eDevicesandHardwareDescription1anguage课程性质：选修课程学分数：4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：模拟电子、数字电子一、课程简介可编程逻辑器件是电子科学与技术专业的一门重要的专业基础选修课，又是一门发展迅速、工程性强、须紧密结合技术发展前沿的现代电子设计技术课程。它主要是介绍现代数字集成电路的设计方法即EDA技术。课程在专业培养目标中起着具有承上启下的桥梁作用，通过本课程的学习可以激发学生学习先进的电子电路设计技术的兴趣，培养学生主动探索、努力进取、团结协作的精神。课程的具体目标是通过本课程及其它相关课程的学习，使学生能够掌握常用的MAX+p1usI1、Quartus11和ispEXPERT等EDA开发软件，及时将学科的最新成果引入教学中，将HD1硬件描述语言编程方法和FPGA的开发技术及符合工程规范的系统设计技术有机地融合在一起，强调理论和实际的联系，培养学生的创新能力和实验动手能力。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。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(-)绪论课程教学内容：了解自底向下的传统数字系统设计方法；熟悉基于CP1D/FPGA现代数字系统设计流程,以及可编程逻辑器件的发展概况课程的重点、难点：重点：如何学习可编程逻辑器件的基本原理难点：可编程逻辑器件的分类。课程教学要求：掌握：简单P1D的基本结构；理解：EP1D和CP1D的基本结构的区别和关系；了解：现场可编程门阵列主要性能指标。（-）可编程逻辑器件的设计课程教学内容：了解可编程逻辑器件的发展历程，基本结构与分类；掌握两类可编程逻辑器件即复杂可编程逻辑器件CP1D与现场可编程门阵列FPGA的基本结构以及发展趋势。课程的重点、难点：重点：可编程逻辑器件的设计流程；难点：在系统可编程技术。课程教学要求：掌握：设计准备，设计输入，设计处理，设计校验，器件编程；理解：在系统编程的基本原理；在系统编程方法；在系统可编程技术的优越性；了解：边界扫描技术。（三）AItera可编程逻辑系列器件课程教学内容：熟悉A1tera公司的CYC1ONEII系列器件的主要特点及性能。课程的重点、难点：重点：MAX架构及器件系列；MAXI1系列器和F1EX架构及器件难点:F1EX架构及器件系列；APEX架构及器件系列。课程教学要求：掌握：MAX7000系列器件概述和MAX7000系列器件结构；MAX7000系列器件配置要点。理解：APEX架构及器件系列和Cyc1one架构及器件系列简介。了解：StratiX架构及器件系列和StratiXGX架构及器件系列简介。（四）A1tera可编程逻辑器件开发软件课程教学内容：掌握MAX+p1us11软件使用,包括设计输入、综合、适配、仿真测试和编程下载等方法。课程的重点、难点：重点：MAX+p1usI1基本操作。难点：多级放大电路中的互补输出级。课程教学要求：掌握：设计环境与设计方法；设计输入；设计项目的处理；设计项目的验证器件编程。理解：使用MAX÷p1us11符号库和创建用户符号库，使用波形编辑器设计项目。了解：编译控制和器件编程与配置。（五）QuartusII软件开发和应用课程教学内容：QuartusI1是AItera公司的综合性P1D/FPGA开发软件,支持原理图、VHDJVeriIogHD1以及AHD1（A1teraHardwareDescription1anguage）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整P1D设计流程。课程的重点、难点：重点：完全集成且与电路结构无关的开发包环境。难点：利用原理图、结构框图、VeriIogHD1sAHD1和VHD1完成电路描述，并将其保存为设计实体文件。课程教学要求：掌握：芯片（电路）平面布局连线编辑；理解：1ogiC1oCk增量设计方法，用户可建立并优化系统，然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块；功能强大的逻辑综合工具；完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具；了解：定时/时序分析与关键路径延时分析；可使用SignaITapI1逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析。（六）ispEXPERT开发和应用课程教学内容：ispEXPERT是美国DataI/O公司推出的一个世界级的强有力的用于可编程逻辑器件的数字系统设计软件，它是一种基于WindoWS的设计工具，是一套完整的EDA软件。设计输入可采用原理图、硬件描述语言、混合输入三种方式。能对所设计的数字电子系统进行功能仿真和时序仿真。课程的重点、难点：重点：输入方式有原理图输入；ABE1-HD1输入；VHD1输入；VeriIog-HD1输入。难点：逻辑模拟，功能模拟，时序模拟，静态时序分析。课程教学要求：掌握：编译器里的结构综合、映射、自动布局和布线。理解：支持的器件含有宏库，有500个宏元件可供调用，支持所有ISP器件。了解：下载软件为ISP菊花链下载软件。（七）硬件描述语言VHD1初步课程教学内容：熟练掌握VHD1程序的基本结构。包括实体和结构体的语法结构，库的概念和的使用以及元件的配置和程序包的使用各种顺序语句在程序设计中的灵活应用，熟练掌握信号赋值、变量赋值和多输入条件，单输出语句、单输入条件，单输出语句、进程语句等并行语句的应用；各种并行语句在程序设计中的灵活应用；掌握并行语句和顺序语句的区别和联系；掌握组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计；熟练掌握仿真以及综合的概念，延时模型。课程的重点、难点：重点：VHD1程序的基本结构，包括实体和结构体的语法结构；难点：仿真以及综合的概念，延时模型。课程教学要求：掌握：标识符、对象、数据类型、类型转换、词法单元和运算操作符等各种常用的词法基础单元；理解：赋值语句、条件语句和选择语句，掌握循环语句、等待语句、子程序调用语句等顺序语句；了解：了解使用VHD1设计有限状态机一般性程序结构以及状态机的实用程序设计、状态编码方法和非法状态排除技术。三、实验教学内容及基本要求从以下实验中做10学时实验：（-）用硬件描述语言的方法设计一个4位加法器（2学时）掌握4位加法器的功能和设计方法厚握用硬件描述语言的方法设计组合逻辑电路一4位加法器C设计一个4位的全加器，全加器的9个输入所对应的管脚同9位拨码开关相连，将设计好的逻辑功能转为硬件描述语言的描写，将设计好的硬件描述语言进行仿真,将仿真好的硬件描述语言下载到可编程逻辑逻辑器件中。（-）用硬件描述语言的方法设计一个分频器2学时）掌握各种分频器的设计思路;掌握用硬件描述语言的方法设计各种分频器。计偶数分频器、奇数分频器、半整数分频器和大数目分频器的逻辑功能，即输入输出的关系,将设计好的逻辑功能转为硬件描述语言的描写,将设计好的硬件描述语言进行仿真。（）用硬件描述语言的方法设计一个M（X）RE状态机（2学时）掌握MOORE状态机的功能和设计方法。以一个存储控制器状态机的设计过程来介绍MOOre机的设计。设计要求：设计一个存储控制器状态机。能够根据微处理器的读写周期，分别对存储器输出写使能WE和读使能OE信号。（四）用硬件描述语言的方法设计一个MEA1Y状态机（2学时）掌握MEA1Y状态机的功能和设计方法。MeaIy型状态机和其等价的Moore型状态机相比，其输出变化要领先一个时钟周期。下面我们以一个实例来介绍Mea1y机的设计过程。Mea1y机的输出既和当前状态有关，又和所有输入信号有关。也就是说，一旦输入信号发生变化或状态发生变化，输出信号立即发生变化，因此在状态图中，一般把输出信号值画在状态变迁处。（五）组合逻辑电路的设计（2学时）掌握在QuartusI1开发环境下，运用硬件描述语言输入法对8线-3线优先编码器74148电路进行编译、调试和仿真的方法。在QUartUS11开发环境下，建立工程，并将8线-3线优先编码器74148电路的硬件描述语言程序输入；完成编译、调试和仿真，分析实验仿真结果，判断其正确性。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 .掌握实验系统的使用方法，熟悉电子实验设备；3 .能组成简单的可编程电子系统，能按硬件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；教学手段一案例分析、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结论2可编程逻辑器件的设计62A1tera可编程逻辑系列器件4A1tera可编程逻辑器件开发软件2QuartusII软件开发和应用82ispEXPERT开发和应用8硬件描述语言VHD1初步82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20%,平时作业和平时实践作业50%,实验30%2、成绩评定按照等级制来评定课程成绩。七、推荐教材和教学参考书教材：（1）可编程逻辑器件原理开发与应用赵曙光，西安电子科技大学出版社，2006（2）可编程逻辑器件与VHD1语言程云长编著，科学出版社，2005（3）可编程逻辑器件P1D实验讲义董艳燕、孙一翎、陈亮编著，中国计量学院,2008主要参考书：（1）VHD1程序设计教程（第3版）刑建平编著，清华大学出版社，2005（2）EDA技术实用教程（第二版），潘松、黄继业编著，科学出版社,2005