《数字系统设计及实践》教学大纲

发布部门：学院发布时间：2022-10-31浏览次数：10

《数字系统设计及实践》教学大纲

课程英文名	Design of Digital System and Practice
课程编号	N1G00130	课程类别	核心课程	课程性质	必修
学分	3	理论+实验	1.5+1.5	总学时数	24+24
先修课程	C语言程序设计、数字电子技术及实践
开课学院	信息与智能工程学院		开课系部	电子信息工程系
面向专业	电子信息工程专业		开课学期	5
教学团队	数字系统设计及实践课程组
团队负责人	谢智波		团队成员	谢智波

注：课程类别是指基础课程/核心课程/模块课程/素质拓展课程；

课程性质是指必修/限修/选修

一、课程简介

现场可编程门阵列/复杂可编程逻辑器件（FPGA/CPLD）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。《数字系统设计及实践》是电子信息工程专业核心课程，本课程以ALTERA公司的FPGA/CPLD系列产品为对象，讲授FPGA/CPLD的基本概念、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，使学生了解FPGA/CPLD的基本结构，掌握FPGA/CPLD的一般设计流程；掌握VHDL语言的语法与简单程序设计，掌握基本数字电路的VHDL语言实现；熟悉数字系统设计的流程，掌握基于VHDL语言的FPGA/CPLD简单开发与设计，使学生初步具备数字应用系统的设计和开发能力。课程核心目标是培养学生应用FPGA/CPLD设计电子系统或电子产品能力，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。

二、课程目标

通过教学活动，达到以下课程目标：

课程目标1.理解FPGA/CPLD概念，掌握FPGA/CPLD的结构和工作原理。熟悉FPGA/CPLD目前主要技术的发展及其应用。

课程目标2.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QUARTUS II软件的常用数字电路仿真及实现。

课程目标3.掌握FPGA/CPLD的其它开发与设计方法，学会基于LPM的FPGA/CPLD开发与设计。掌握MATLAB、QUARTUS II等专业软件的综合运用，熟悉软件的使用局限性。

课程目标4.初步具备简单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。

课程目标支撑的毕业要求指标点如表1所示。

表1 课程目标与毕业要求指标点对应关系表

毕业要求	指标点	课程目标
毕业要求	指标点	1	2	3	4
毕业要求1：工程知识	1.4能够将数学、自然科学、工程基础和电子信息领域专业知识，用于电子信息领域复杂工程问题解决方案的比较、评价与综合。	0.7			0.3
毕业要求4：研究	4.2能够基于电子信息领域专业知识，针对研究对象选择研究线路，设计实验方案，选用或搭建实验装置或仿真系统，采用科学的实验方法，安全地开展实验。		0.6	0.4
毕业要求 5 ：使用现代工具	5.1：了解电子信息工程专业常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和模拟软件的使用原理和方法，并理解其局限性。		0.3	0.3	0.4

三、课程教学内容和方法

本课程实施项目化教学，将理论内容和实验内容紧密结合，全程实验室上课。将理论教学内容整合成十个项目，每个项目的结果都可以用感官直接感受得到，难度逐渐递增。

课程项目化教学内容设计的详细内容与要求如下：

项目	理论教学内容	实验教学内容	教学重难点	学生要达到的基本要求	学时	支撑课程目标
项目一简单门电路设计	FPGA/CPLD概述、VHDL语言架构	与、或、非门电路的VHDL语言实现，QUARTUS II软件使用。	FPGA与CPLD的区别	熟练使QUARTUS II软件；理解功能仿真与时序仿真的区别；理解芯片的门级延时。	理论2学时+实践2学时	课程目标1、2、
项目二四位全加器设计	元件例化语句；信号的定义与使用；并行语句的特点。	四位二进制加法的实现	元件例化语句的使用	掌握元件例化语句的语法规则。	理论2学时+实践2学时	课程目标2
项目三十进制计数器设计	变量的定义与使用；顺序语句的语法规则；进程的定义及使用	实现对输入信号的十进制计数，并在LED数码管上显示。	变量与信号的区别	掌握变量与信号的区别；掌握进程的定义及使用。	理论2学时+实践2学时	课程目标2
项目四六十进制计数器设计	多进程的定义与使用；信号量的参数传递；顺序语句的语法规则。	基于计数器的分频电路实现；十进制计数器的进位；多位LED数码管的静态显示。	多进程间的信号量参数传递	理解信号与变量的区别，并能正常使用信号与变量；掌握多进程的定义与工作原理。	理论2学时+实践2学时	课程目标2
项目五任意整数分频器设计	常数的定义与使用；计数器实现原理；多进程语句的实现。	嵌入式软探针的使用；示波器的使用；	基于嵌入式软探针的信号波形抓取	学会常数的定义；掌握不同模值计数器的设计模版；掌握嵌入式软探针的使用。	理论2学时+实践2学时	课程目标2、3
项目六常用电路设计	Case语句的语法规则；if语句的语法规则；loop语句的语法规则；	数据选择器的实现原理；奇偶校验的应用背景及实现原理；特殊字符串在数据传输中的应用。	常用顺序语句的语法规则	掌握三种常用顺序语句的语法规则并能熟练使用；熟悉异步传输中的相关技术参数含义。	理论2学时+实践2学时	课程目标2、3
项目七基于状态机的模拟交通灯设计	状态机的定义、分类、使用场合、语法规则	QUARTUS II软件的高级使用；状态机的观察。	状态机概念的理解	掌握状态机的概念，在时序电路中熟练使用状态机实现逻辑功能。	理论2学时+实践2学时	课程目标2、3
项目八可编程信号源设计	DDS技术；	基于LPM的宏定制；QUARTUS II的高级使用；MATLAB软件使用。	DDS技术的原理	理解DDS技术的实现原理；掌握基于LPM的可编程信号源设计。	理论2学时+实践2学时	课程目标2、3
项目九可编程信号源的在线测试	DDS技术；	基于LPM的宏定制；QUARTUS II的高级使用；MATLAB软件使用；嵌入式软探针的使用。	可编程信号源的技术参数计算及调整。	理解DDS技术的实现原理；掌握基于LPM的可编程信号源设计与在线测试；修改参数，实现信号源的幅度、相位和频率的调整。	理论2学时+实践2学时	课程目标2、3
典型FPGA作品设计	VHDL语言的综合运用	QUARTUS II软件的高级应用、嵌入式软探针的使用、MATLAB的使用、示波器的使用	CPLD/FPGA的综合开发	熟悉CPLD/FPGA的综合开发流程以，能进行简单的开发设计。	理论6学时+实践6学时	课程目标2、3、4

各个项目的课程思政融入内容见下表：

表3 实验教学目的、内容与课程目标的支撑关系表

项目	课程思政融入内容
项目一简单门电路设计	CPLD/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。
项目二四位全加器设计	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。
项目三十进制计数器设计	去抖动电路的作用，在做学问过程中要虑除干扰，排除干扰。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。
项目四六十进制计数器设计	分频电路的作用，分频系数的合适值。欲速则不达。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。
项目五任意整数分频器设计	分频与倍频的实现难度对比，相关芯片国产化水平介绍。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。
项目六常用电路设计	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。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。
项目七基于状态机的模拟交通灯设计	每年交通事故数据，遵守规则的重要性。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。
项目八可编程信号源的设计	DDS芯片生产能力介绍。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。
项目九可编程信号源的在线测试	我国示波器生产能力介绍。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。
典型FPGA作品设计	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。

四、课程考核方式

（一）课程成绩评定办法

课程综合成绩由随堂测试成绩、作业成绩、实验操作成绩、实践项目报告成绩、期末理论考试成绩等综合组成。具体占比见下表。

表4 课程成绩评定办法

成绩组成

分值

考核/评价细则

对应的

课程目标

随堂测试

(10%)

课前10分钟，通过moodle平台的测试系统进行，目的是监督检查学生每一次课结束后的知识点复习掌握情况，也给教学调整提供反馈。

计算全部测试的平均成绩再按10%计入综合成绩。

课程目标1

课程目标2

作业成绩

(10%)

每次课结束后会布置1-3道题左右的对应教学内容的作业让学生课后完成，督促学生课后复习，检验学生对知识点的掌握。

计算全部作业的平均成绩再按10%计入综合成绩。

课程目标1

课程目标2

课程目标3

实验操作成绩

(15%)

学生在实践项目中完成的电路的工艺水平、实现的功能和达到的性能指标，制作调试阶段和验收演示过程中所表现出的仪器设备使用，以及其它发现问题解决问题的等能力综合评定。

计算10个项目操作的平均成绩再按15%计入综合成绩。

课程目标2

课程目标3

实践项目

报告成绩

(15%)

根据每个项目报告中对设计方案选择的说明、关键参数的计算、实验数据的分析、以及结论等内容的完整性与质量来评分。

计算10个项目报告的平均成绩再按10%计入综合成绩。

课程目标3课程目标4

期末理论

考试成绩

(50%)

主要考核学生对课程全部关键知识点的理解和掌握情况。考试组织方式为开卷笔试。

计算卷面成绩再按50%计入综合成绩。

课程目标1课程目标2

课程目标3

综合成绩

100

随堂测试（10%）+作业成绩（10%）+实验操作成绩（15%）+实践项目报告成绩（15%）+期末理论考试成绩（50%）

课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4

（二）考核方式与课程目标

课程目标达成度评价方式如表5所示。

表5 课程目标达成度评价表

课程目标	考核方式					权重小计
课程目标	随堂测试	作业	实践操作	实验项目报告	期末考试
课程目标1：理解FPGA/CPLD概念，掌握FPGA/CPLD的结构和工作原理。熟悉FPGA/CPLD目前主要技术的发展及其应用。	0.04	0.06			0.1	0.2
课程目标2：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QUARTUS II软件的常用数字电路仿真及实现。	0.06	0.04	0.05		0.15	0.3
课程目标3：掌握FPGA/CPLD的其它开发与设计方法，学会基于LPM的FPGA/CPLD开发与设计。掌握MATLAB、QUARTUS II等专业软件的综合运用，熟悉软件的使用局限性。			0.10	0.05	0.25	0.4
课程目标4：初步具备简单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。				0.10		0.1
权重合计	0.1	0.1	0.15	0.15	0.5	1

（三）评分标准

本课程的课后作业、随堂测试和期末卷面考试都有标准答案和评分标准，下表给出实践项目报告评分标准。

表6实践项目报告评价标准

序号	评价内容	权重	优秀	良好	中等	及格	不及格
1	实践内容	0.8	方案选择与设计描述详实；数据分析正确；问题分析与结论理论联系实际。	方案选择与设计描述较为详实；数据分析较为正确；问题分析与结论理论联系实际。	方案选择与设计描述基本详实；数据分析较为正确；问题分析与结论不够深入。	方案选择与设计描述欠详实；数据分析基本正确；问题分析与结论不够深入。	方案选择与设计描述简单；数据分析存在较多错误。
2	报告撰写	0.2	书写顺畅、叙述清楚、逻辑性强，格式规范。	叙述清楚、较有逻辑性，格式较规范。	存在很少叙述不清楚的地方，格式较规范。	存在一些叙述不清楚的地方，格式不够规范。	通篇叙述不清楚，格式不规范。

注：优秀：100≥X≥90；良好：90>X≥80；中等：80>X≥70；及格：70>X≥60；不及格： X<60

五、教材与参考书

1.教材：

徐向民主编， VHDL数字系统设计，电子工业出版社 2015年8月

2.参考书：

（1）潘松主编，EDA技术实用教程（第4版），科学出版社，2013年10月

（2）郑燕主编，基于V HDL与Quartus II软件的可编程逻辑器件应用与开发，国防工业出版社，2011年4月

六、说明

本课程大纲仅适用于已修读过先修课《C程序设计基础》、《数字电子技术基础》课程的学生，其他学生需自学C语言程序设计基础、数字电子技术基础知识，或者选修相关课程。

运用课程大纲实施教学活动时，理论教学应与实践课程紧密结合，使学生在理解单片机原理的同时，通过实验与设计，产生更深刻的认识。

执笔人：谢智波

审核人：课程组全体教师