1、PAGE PAGE - 5 -本科生課程大綱課程名稱FPGA原理及應用Principles and Application of FPGA課程代碼082302101237課程屬性學科基礎課時/學分44/2課程性質選修實踐學時24責任教師 課外學時20課程屬性：公共基礎/通識教育/學科基礎/專業知識/工作技能，課程性質：必修、選修課程介紹課程描述： FPGA原理及應用是自動化專業本科生的一門重要專業選修課程，是目前實現可編程數字電子系統設計的前沿技術。該課程與本科生的許多專業課（SOPC原理及應用、數字電子技術、計算機控制技術、機器人技術基礎、檢測技術及海洋智能儀器等）有著較強的聯系。FPGA原

2、理及應用課程將為自動化、計算機科學與技術、電子信息等專業的學生，提供較為系統的FPGA原理構造分析和數字電子系統設計方法。此課程將為后續基于FPGA的SOPC原理及應用課程和其他相關專業課程的學習和實踐設計環節打下良好的并行數字邏輯設計基礎。課程主要內容包括，EDA技術基礎與可編程邏輯器件概述、CPLD/FPGA器件結構及其硬件系統設計、CPLD/FPGA可編程開發工具及Altera Quartus II軟件、VHDL硬件描述語言及系統設計初步、FPGA數字邏輯設計方法、SOPC技術引論等內容。設計思路： 根據自動化專業教育教學中的重點前沿技術需求，對教學計劃進行不斷的調整，面相自動化及相關專

3、業開設FPGA原理及應用課程是十分重要的。FPGA原理及應用課程的章節編排順序為：（1）EDA技術概述；（2）CPLD/FPGA可編程邏輯器件概論；（3）CPLD/FPGA可編程開發工具；（4）VHDL硬件描述語言；（5）VHDL基礎語法與組合邏輯電路建模；（6）VHDL基礎語法與時序邏輯電路建模；（7）有限狀態機設計；（8）FPGA數字邏輯測試方法；（9） SOPC技術引論。課程與其他課程的關系：本課程是針對數字電子系統設計開設的高階課程, 其先修課包括電路原理、模擬電子技術、數字電子技術。后續課程中電子技術課程設計、SOPC原理及應用與之有緊密關系，也作為檢測技術與海洋智能儀器、計算機控制

4、技術、測控系統實訓等課程的基礎。二、課程目標了解EDA技術的概念、特點及發展現狀，對傳統分立式數字電子系統設計自下而上和可編程邏輯器件自上而下的設計方法有更直觀的理解和認識，掌握FPGA技術相對于傳統數字電子系統的主要優點，掌握FPGA技術同計算機技術的區別。了解CPLD/FPGA可編程數字電子技術的歷史沿革和最新發展趨勢，理解CPLD/FPGA器件的硬件體系結構及相應邏輯單元的功能和原理，能夠準確的理解CPLD和FPGA在結構和功能上的異同，掌握CPLD/FPGA器件最小系統的基本設計方法。了解可編程邏輯設計軟件Quartus的基本結構和功能，理解分析、綜合、適配、下載等步驟的物理意義，熟練

5、掌握使用Quartus進行CPLD/FPGA工程設計的操作流程，掌握使用原理圖設計輸入、文本設計輸入和波形圖設計輸入進行層次化邏輯設計和測試的基本方法。掌握硬件描述語言VHDL的基本語法和FPGA數字邏輯設計的基本方法，通過編程實踐掌握VHDL語言的各種語句結構和語句要素的作用，準確理解順序語句和并行語句的使用方法和基本區別，了解使用層次化設計方法解決復雜數字電子系統設計的基本思路。掌握使用VHDL語言進行組合邏輯電路建模的基本方法，掌握使用VHDL語言進行時序邏輯電路建模的基本方法，熟練使用有限狀態機設計建立基于FPGA的復雜數字電子系統。了解片上系統概念，了解SOPC技術初步，能夠在編程實

6、踐中，綜合運用FPGA技術的基本知識完成復雜數字系統設計。三、學習要求課前預習講義PPT。授課過程中，分小組圍繞教師給定的問題進行討論，積極參與課堂提問和討論。獨立完成課后設置的綜合設計作業，并及時提交完整的、規范的設計報告。學有余力的同學可以進一步深入學習Altera 公司的CPLD/FPGA元器件的使用說明文檔，閱讀Quartus II軟件的使用說明及應用范例，通過編程實踐強化學習。四、教學進度序號專題或主題計劃課時主要內容概述實驗實踐內容或課外練習等1EDA技術概述2EDA技術的概念、特點及發展現狀FPGA的應用背景、FPGA技術相對于傳統數字電子系統的主要優點FPGA技術同計算機技術的

7、區別。分立式數字電子系統設計自下而上和可編程邏輯器件自上而下設計方法的區別2CPLD/FPGA可編程邏輯器件概述2CPLD/FPGA可編程數字電子技術的歷史沿革和最新發展趨勢CPLD/FPGA器件的硬件體系結構及相應邏輯單元的功能和原理CPLD/FPGA器件最小系統的基本設計方法。3CPLD/FPGA可編程開發工具2/2可編程邏輯設計軟件Quartus的基本結構和功能使用Quartus進行CPLD/FPGA工程設計的操作流程。分析、綜合、適配、下載等關鍵步驟的物理意義。使用原理圖設計輸入、文本設計輸入和波形圖設計輸入進行層次化邏輯設計和測試的基本方法及現場操作演示。利用圖形化輸入方法設計并仿真

8、測試由T觸發器組成的二分頻器（需提交電子學習報告）4VHDL硬件描述語言基礎2/2VHDL語言的基本語法結構VHDL語言的語法要素VHDL語言的基本語句：并行、順序VHDL語言的層次化設計現場演示FPGA文本化數字邏輯設計VHDL層次化數字邏輯設計綜合應用編程題（需提交電子學習報告）5VHDL硬件描述語言與組合邏輯電路建模2/2VHDL語言的基本語法VHDL語句的并行設計分析現場演示VHDL語言的組合邏輯電路設計范例VHDL語言的組合邏輯設計編程題（需提交電子學習報告）6VHDL硬件描述語言與時序邏輯電路建模2/4VHDL語言的基本語法VHDL語句的順序設計分析現場演示VHDL語言的時序邏輯電

9、路設計范例VHDL語言的時序邏輯設計編程題（需提交電子學習報告）7VHDL硬件描述語言與有限狀態機設計2/4VHDL語言的基本語法有限狀態機原理現場演示VHDL語言的有限狀態機設計范例 VHDL語言的有限狀態機設計編程題（需提交電子學習報告）8FPGA數字邏輯設計與測試方法4/10FPGA自上而下層次化設計方法復雜數字電子系統的FPGA設計范例演示FPGA數字電子系統綜合設計題（需提交電子設計報告及相關源代碼）9SOPC技術引論2SOPC技術、片上系統概念簡介Nios II CPU簡介五、參考教材與主要參考書王傳新. FPGA設計基礎(第一版),高等教育出版社,2007.9.曾繁泰,陳美金.VHDL程序設計(第二版),清華大學出版社,2001.1.六、成績評定（一）考核方式 A ：A.閉卷考試 B.開卷考試 C.論文 D.考查 E.其他（二）成績綜合評分體系： 成績綜合評分體系比例%1.課堂討論及平常表現102.