FPGA數字系統設計（FPGADigitalSystemDesign）課程基本信息課程編號：04021556課程總學時：48實驗學時：14學時課程性質：必修課程屬性:專業類開設學期：第7學期適用專業：電子信息工程對先修的要求：電路、數字電子技術對后續的支撐：FPGA數字系統課程設計，畢業設計一、課程的教學理念、性質、目標和任務現場可編程門陣列（FPGA）是主要的可編程硬件平臺之一，在工農業、國防、交通、民用等各個領域得到廣泛應用。《FPGA數字系統設計》是電子信息工程專業的必修專業課程，本課程以FPGA系列產品為對象，講授FPGA數字系統設計基本概念、常用EDA軟件及可編程邏輯器件、VHDL硬件描述語言的基本語法規則、基本數字電路的VHDL語言描述、基于VHDL語言的數字系統設計。通過本課程的學習，使學生熟悉基于FPGA的電子系統設計方法，掌握相關設計語言、開發流程及工具，獲得FPGA設計的基本知識和基本技能，培養學生利用FPGA進行電子系統設計和開發的能力，培養學生理論聯系實際的能力，培養學生的創新能力以及綜合運用基礎知識的實踐動手能力，為后續其它課程、畢業設計，以及將來工作奠定堅實的基礎。本課程的任務主要是通過理論教學和實驗教學相結合的方式，使學生熟悉基于FPGA設計數字硬件電路系統的相關概念、原理和技術，熟練掌握常用FPGA技術的設計思想和方法，并具有動手設計簡單數字電子系統的能力。二、課程目標及對畢業要求指標點的支撐序號課程目標支撐畢業要求指標點畢業要求1理解FPGA概念，掌握FPGA的結構和工作原理。熟悉FPGA目前主要技術的發展及其應用。指標點11.122掌握VHDL語言的基本架構、語法規則，學會使用VHDL語言設計基本數字電路。掌握基于QuartusII軟件的常用數字電路仿真及實現。指標點3.133掌握FPGA的開發與設計方法，掌握QuartusII等專業軟件的綜合運用，熟悉軟件的使用局限性。指標點4.144具備簡單FPGA數字應用系統設計能力。能根據具體指標要求，設計系統實現方案。指標點2.311三、教學內容及進度安排（一）理論教學序號教學內容學生學習預期成果課內學時教學方式支撐課程目標1FPGA技術的涵義、FPGA技術的發展歷程、FPGA技術的主要內容、FPGA軟件系統的構成、FPGA發展趨勢、FPGA的工程設計流程。了解可編程邏輯器件的發展歷程、應用領域、及未來發展方向；掌握FPGA基本概念和結構特點。4課堂教學和學生課外學習相結合，學生課外查閱資料，了解FPGA的最新技術，了解SoC、SOPC開發的基本概念。目標12可編程邏輯器件概述、CPLD、FPGA、ISP邏輯器件、FPGA和CPLD的開發應用選擇。熟悉FPGA器件的基本結構及主要性能指標。4課堂教學，PPT為主，結合各大主流公司網站材料講解目標13VHDL程序基本結構、VHDL語言要素掌握VHDL可編程邏輯設計的基本概念和方法。6課堂PPT講解+代碼演示目標24VHDL順序語句掌握VHDL硬件描述語言的基本語法結構。4課堂PPT講解+代碼演示目標25VHDL并行語句掌握VHDL硬件描述語言的基本語法結構。4課堂PPT講解+代碼演示目標26子程序、庫、程序包及其他、VHDL描述風格了解VHDL的描述風格，掌握VHDL的基本結構2課堂PPT講解+代碼演示目標27組合邏輯電路設計方法；典型組合邏輯電路的分析與設計；組合邏輯電路設計實例。理解組合邏輯電路的概念和特點；掌握典型組合邏輯電路的設計方法。3課堂案例教學，課后學生完成組合邏輯電路設計實驗內容的預習和VHDL程序編寫工作。目標28時序邏輯電路設計方法；典型時序邏輯電路的分析與設計；電路設計中的時序問題；時序邏輯電路設計實例掌握典型時序邏輯電路的設計方法；熟悉毛刺消除的方法。3課堂案例教學，課后學生完成時序邏輯電路設計實驗內容預習，完成實驗程序編寫和初步調試、仿真。目標29開發環境QuartusⅡ；仿真軟件ModelSim；采用QuartusⅡ進行系統設計的流程；QuartusⅡ的設計實例。熟悉QuartusⅡ開發環境和仿真工具；掌握基于QuartusⅡ進行系統設計的方法和流程。2課堂講解QuartusⅡ使用方法；學生課后練習使用QuartusⅡ，查閱資料了解ModelSim功能及使用方法。目標310FPGA綜合應用實例熟悉FPGA的綜合開發流程，能進行簡單系統的開發設計。2案例教學目標4（二）實驗教學序號實驗名稱學時實驗教學內容學習要求支撐課程目標1實驗1：FPGA工具基本操作與應用2運行QUARTUSII軟件，設計D觸發器通過D觸發器的設計，掌握QuartusII設計工具進行電子設計的基本流程；了解可編程器件設計的全過程。目標32實驗2：8位加法器的設計3設計并調試一個由兩個4位二進制并行加法器級聯而成的8位二進制并行加法器，并用實驗開發系統進行硬件驗證。學習QuartusⅡ軟件的基本使用方法；學習FPGA實驗開發系統的基本使用方法；了解VHDL程序的基本結構。目標43實驗3：序列檢測器的設計3設計一個8位的序列檢測器，在檢測過程中，任何一位不相等都將回到初始狀態重新開始檢測；當一串待檢測的串行數據進入檢測器后，若此數在每一位的連續檢測中都與預置的密碼數相同，則輸出“A”，否則輸出“B”。用EDA實驗開發系統進行硬件驗證。熟悉QuartusⅡ軟件的基本使用方法；掌握FPGA實驗開發系統的基本使用方法；學習VHDL程序中數據對象、數據類型、順序語句和并行語句的綜合使用。目標44實驗4：7段數碼顯示譯碼器設計3寫出七段譯碼器和具有清除端、使能端，計數范圍為0~999的計數器的VHDL源程序，編譯通過；進行波形仿真；選定器件、映射管腳、編譯、下載。掌握VHDL進行EDA設計的基本步驟；掌握用QuartusⅡ進行時序仿真；了解FPGA實驗箱的基本功能。目標45實驗5：數字秒表的設計3設計并調試好一個計時范圍為0.01?s～1?h的數字秒表，并用EDA實驗開發系統進行硬件驗證。熟悉QuartusⅡ軟件的基本使用方法；熟悉FPGA實驗開發系統的基本使用方法；掌握VHDL基本邏輯電路的綜合設計應用。目標4四、課程思政本課程融合課程思政內容，將德育內容融入課程體系。通過融入學科前沿信息和社會發展需求動態，培養學生的使命感和愛國主義精神。通過課程任務驅動項目化訓練，培養學生理論聯系實踐能力和實事求是、科學嚴謹的職業道德感。通過思政教育的有機融入，使學生在具備專業能力的基礎上，樹立正確的人生觀和價值觀，堅定積極健康的理想信念，不忘初心，為祖國科技發展而努力學習。主要從以下幾個方面開展課程思政教學：（1）FPGA的國產化能力介紹，與發達國家的差距，培養學生的愛國情報國心。（2）實驗數據的客觀記錄與分析，培養學生的實事求是科學態度。（3）計數器設計，去抖動電路的作用，在做學問過程中要慮除干擾，排除干擾。（4）數字時鐘設計，分頻電路的作用，分頻系數的合適值。欲速則不達。（5）常用電路設計，我國數據傳輸技術概況，與發達國家對比，文化自信、道路自信和制度自信。（6）交通燈設計，每年交通事故數據，遵守規則的重要性。五、教材及參考資料1.選用教材：（1）理論課教材：EDA技術及應用，第四版，譚會生編著，西安電子科技大學出版社，2023年，9787560642499（2）實驗課教材：自編2.參考書：（1）EDA技術及應用，第三版，朱正偉編著，清華大學出版社，2022年，9787302610458（2）深入淺出玩轉FPGA，第四版，吳厚航編著，\o"北京航空航天大學出版社"北京航空航天大學出版社，2023年，9787512435476（3）EDA技術實用教程-VHDL版，第六版，潘松編著，科學出版社，2018年，9787030579096（4）VHDL數字電路設計教程，佩德羅尼(VolneiA.Pedroni)，電子工業出版社，2013，97871211867213.推薦網站（線上資源）：（1）杭州電子科技大學EDA技術，/video/av64519516/（2）（3）/content/www/us/en/products/programmable.html六、教學條件計算機、FPGA開發板、編程下載器、QuartusII軟件等。七、課程考核、考核方式及成績評定序號課程目標（支撐畢業要求指標點）考核內容評價依據及成績比例(%)成績比例(%)課堂表現作業實驗期末考試1目標1：（支撐畢業要求指標點1.1）FPGA基本概念，FPGA的結構和工作原理。FPGA目前主要技術的發展及其應用。20013152目標2：（支撐畢業要求指標點3.1）VHDL語言的基本架構、語法規則，VHDL語言設計基本數字電路。基于QuartusII軟件的常用數字電路仿真及實現。410214303目標3：（支撐畢業要求指標點4.1）FPGA的開發與設計方法，QuartusII等專業軟件的綜合運用，軟件的使用局限性。25221304目標4：（支撐畢業要求指標點2.3）FPGA數字系統設計開發。2561225合計10201060100（1）課堂表現考核內容及評分標準課程目標考核內容評分標準90-100分80-89分70-79分60-69分<60分課程目標1（2%）考核學生預習、復習、課堂參與情況。遵守課堂紀律，積極參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于90%；或能回答老師提出的問題，準確率大于90%遵守課堂紀律，認真參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于80%；或能回答老師提出的問題，準確率大于80%；遵守課堂紀律，上課狀態一般，能回答老師提出的問題，準確率大于70%。遵守課堂紀律，上課狀態一般，能回答老師提出的問題，準確率大于60%。遵守課堂紀律，但不能正常參與課堂教學活動，不能回答老師提出的問題。課程目標2（4%）考核學生預習、復習、課堂參與情況。遵守課堂紀律，積極參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于90%；或能回答老師提出的問題，準確率大于90%遵守課堂紀律，認真參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于80%；或能回答老師提出的問題，準確率大于80%；遵守課堂紀律，上課狀態一般，能回答老師提出的問題，準確率大于70%。遵守課堂紀律，上課狀態一般，能回答老師提出的問題，準確率大于60%。遵守課堂紀律，但不能正常參與課堂教學活動，不能回答老師提出的問題。課程目標3（2%）考核學生預習、復習、課堂參與情況。遵守課堂紀律，積極參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于90%；或能回答老師提出的問題，準確率大于90%遵守課堂紀律，認真參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于80%；或能回答老師提出的問題，準確率大于80%；遵守課堂紀律，上課狀態一般，能回答老師提出的問題，準確率大于70%。遵守課堂紀律，上課狀態一般，能回答老師提出的問題，準確率大于60%。遵守課堂紀律，但不能正常參與課堂教學活動，不能回答老師提出的問題。課程目標4（2%）考核學生預習、復習、課堂參與情況。遵守課堂紀律，積極參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于90%；或能回答老師提出的問題，準確率大于90%遵守課堂紀律，認真參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于80%；或能回答老師提出的問題，準確率大于80%；遵守課堂紀律，上課狀態一般，能回答老師提出的問題，準確率大于70%。遵守課堂紀律，上課狀態一般，能回答老師提出的問題，準確率大于60%。遵守課堂紀律，但不能正常參與課堂教學活動，不能回答老師提出的問題。（2）作業評分標準成績課程目標優秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）課程目標2（10%）按時上交，書寫規范工整；運用所學理論知識和公式正確，計算步驟完整，計算結果正確。按時上交，書寫工整；運用所學理論知識和公式正確，計算步驟較完整，計算結果正確。按時上交，書寫較工整；運用所學理論知識和公式正確，計算步驟較完整，計算結果基本正確。按時上交，書寫潦草；運用所學理論知識和公式基本正確，計算步驟簡單，計算結果基本正確。不按時上交書寫潦草；運用所學理論知識和公式不正確，計算步驟較少，計算結果不正確。課程目標3（5%）按時上交，書寫規范工整；運用所學理論知識和公式正確，計算步驟完整，計算結果正確。按時上交，書寫工整；運用所學理論知識和公式正確，計算步驟較完整，計算結果正確。按時上交，書寫較工整；運用所學理論知識和公式正確，計算步驟較完整，計算結果基本正確。按時上交，書寫潦草；運用所學理論知識和公式基本正確，計算步驟簡單，計算結果基本正確。不按時上交書寫潦草；運用所學理論知識和公式不正確，計算步驟較少，計算結果不正確。課程目標4（5%）按時上交，書寫規范工整；運用所學理論知識和公式正確，計算步驟完整，計算結果正確。按時上交，書寫工整；運用所學理論知識和公式正確，計算步驟較完整，計算結果正確。按時上交，書寫較工整；運用所學理論知識和公式正確，計算步驟較完整，計算結果基本正確。按時上交，書寫潦草；運用所學理論知識和公式基本正確，計算步驟簡單，計算結果基本正確。不按時上交書寫潦草；運用所學理論知識和公式不正確，計算步驟較少，計算結果不正確。每次作業按百分制評分，以所有作業的平均成績計入總成績。（3）實驗環節評分標準成績課程目標優秀（90-100分）良好（80-89分）中等（70-79分）及格（60-69分）不及格（<60分）課程目標2（2%）實驗態度端正；實驗操作規范、實驗結果正確；考核中能準確地回答全部問題；實驗報告撰寫規范、整潔、全面。實驗態度端正；實驗操作規范、實驗結果正確；考核中能基本準確地回答全部問題；實驗報告撰寫規范整潔。實驗態度端正；實驗操作基本規范，實驗結果正確；考核中能準確地回答主要問題；實驗報告撰寫基本規范。實驗態度較端正；實驗操作基本規范，實驗結果基本正確；考核中能準確地回答部分問題；實驗報告撰寫基本規范。實驗態度不端正；無法獨立完成實驗操作，實驗結果不正確；考核中不能準確地回答主要問題；實驗報告書寫不規范。課程目標3（2%）實驗態度端正；實驗操作規范、實驗結果正確；考核中能準確地回答全部問題；實驗報告撰寫規范、整潔、全面。實驗態度端正；實驗操作規范、實驗結果正確；考核中能基本準確地回答全部問題；實驗報告撰寫規范整潔。實驗態度端正；實驗操作基本規范，實驗結果正確；考核中能準確地回答主要問題；實驗報告撰寫基本規范。實驗態度較端正；實驗操作基本規范，實驗結果基本正確；考核中能準確地回答部分問題；實驗報告撰寫基本規范。實驗態度不端正；無法獨立完成實驗操作，實驗結果不正確；考核中不能準確地回答主要問題；實驗報告書寫不規范。課程目標4（6%）實驗態度端正；實驗操作規范、實驗結果正確；考核中能準確地回答全部問題；實驗報告撰寫規范、整潔、全面。實驗態度端正；實驗操作規范、實驗結果正確；考核中能基本準確地回答全部問題；實驗報告撰寫規范整潔。實驗態度端正；實驗操作基本規范，實驗結果正確；考核中能準確地回答主要問題；實驗報告撰寫基本規范。實驗態度較端正；實驗操作基本規范，實驗結果基本正確；考核中能準確地回答部分問題；實驗報告撰寫基本規范。實驗態度不端正；無法獨立完成實驗操作，實驗結果不正確；考核中不能準確地回答主要問題；實驗報告書寫不規范。（4）期末考核內容及評分標準課程目標考核內容評分標準90-100分80-89分70-79分60-69分<60分課程目標1（13%）FPGA基本概念，FPGA的結構和工作原理。熟練掌握FPGA目前主要技術的發展及其應用。熟練掌握FPGA基本概念，FPGA的結構和工作原理。掌握FPGA目前主要技術的發展及其應用。掌握FPGA基本概念，FPGA的結構和工作原理。掌握FPGA目前主要技術的發展及其應用。基本掌握FPGA基本概念，FPGA的結構和工作原理。基本掌握FPGA目前主要技術的發展及其應用。了解FPGA基本概念，FPGA的結構和工作原理。了解FPGA目前主要技術的發展及其應用。不了解FPGA基本概念，FPGA的結構和工作原理。不了解FPGA目前主要技術的發展及其應用。課程目標2（14%）VHDL語言的基本架構、語法規則，VHDL語言設計基本數字電路。基于QuartusII軟件的常用數字電路仿真及實現。熟練掌握VHDL語言的基本架構、語法規則，熟練應用VHDL語言設計基本數字電路。熟練掌握基于QuartusII軟件的常用數字電路仿真及實現。掌握VHDL語言的基本架構、語法規則，