电子设计自动化-新教学大纲

电子设计自动化A课程代码：课程中英文名称：电子设计自动化A/ Electronic Design Automation A开课学期：4学分/学时：3/48（理论学时：36；实验学时：12）课程类別：专业选修课适用专业/开课对象：自动化专业/二年级本科生先修课程：大学计算机基础、计算机程序设计基础开课单位：自动化学院团队负责人：责任教授：执笔人：核准院长：一、课程性质、目的和任务电子设计自动化是自动化专业选修课程。通过本课程的学习，使学生能够较快的掌握使用计算机进行电子设计自动化的能力，理解数字系统的设计流程，能够根据项目需求对系统功能进行描述，并设计总体方案。掌握VHDL或Verilog HDL语言，学习使用硬件描述语言以及EDA仿真软件进行数字系统设计、验证等工作，为今后设计复杂数字系统奠定坚实的基础。本课程支持以下毕业要求指标点：1.4掌握专业知识，以用于解决自动化专业领域的复杂工程问题体现在学生掌握控制系统的基本概念，理解和正确运用本课程控制系统的知识，能够使用仿真软件进行测试、分析。3.3信息处理方案或技术在多个层次上理解信息系统的设计方法，能够独立设计方案，并对不同方案的性能、成本、可靠性等方面进行综合考虑。5.1能够选择与使用恰当的控制系统分析根据（matlab等）、电子设计与嵌入式设计工具（altiumdesigner、Quartus、MDK等）、电气自动化设计工具（AutoCAD Electrical 、IEC61131兼容语言等）、网络组态和SCADA工具等进行包括预测与模拟的自动化专业领域复杂工程问题的分析、开发与研究工作，并能够理解其局限性；通过课程的学习，能够通过Quartus等电子设计工具，进行系统模型设计，并实现与其它工业标准的设计输入，综合与校验工具相连接，根据电路描述级别不同，完成或综合完成系统级、行为级、RTL级和门级时序仿真。6.1能够应用工程相关背景知识，合理分析自动化专业工程实践和复杂工程问题解决方案与社会、健康、安全、法律以及文化的关系；体现在通过本课程的案例设计与分析教学环节，使学生认识并考虑到环境、安全等因素的条件下，设计满足特定需求的系统组成和算法。课程实验教学环节支撑以下毕业要求指标点：4.1能够基于科学原理并采用科学方法，对自动化专业领域的复杂工程问题设计合理的实验方案。通过课程设计性实验环节，使学生具有综合本课程学习的知识，达到设计实验方案，完成实验要求的目的。5.2理解和掌握计算机软件开发的基础知识、能够选择与使用恰当的程序设计语言、数据结构和算法等信息技术工具，进行自动化专业领域复杂信息问题的分析、开发与研究工作，并能够理解其局限性。通过本课程设计性实验环节，学生学会使用Quartus等电子设计自动化软件对典型电路进行建模、仿真和测试，并对实验结果进行分析和研究。10.2能够撰写实验报告、设计报告、总结报告，就自动化专业领域的复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通、交流和反应。通过对实验数据的分析和总结，形成实验报告，使得学生具备撰写实验报告的能力。二、教学内容、基本要求及学时分配1. 绪论（2学时）教学内容及学时分配：1）数字系统设计的基本概念（0.2学时）2）数字系统设计方法简介（0.3学时）3）可编程逻辑器件简介（0.1学时）4）EDA软件种类及各自特点（0.2学时）5）硬件描述语言简介（0.2学时）教学基本要求：了解数字系统的组成部分及设计流程，对可编程控制器及EDA软件的种类有清晰的概念，能够正确理解下列基本概念和它们之间的内在联系：逻辑器件，逻辑功能部件，数字系统，过程，进程，块，程序包，设计库，实体，结构体，传输延迟，惯性延迟，信号，变量。了解硬件描述语言的发展历史。重点支持毕业要求指标点1.4。2. QUARTUSII使用练习（8学时）1）Quartus II使用概述，基于Quartus II的电路设计过程（2学时）2）计数器设计（2学时）3）扫描显示电路（2学时）4）数字系统设计实例（2学时）教学基本要求：熟练掌握QUARTUSII软件的使用方法、下载箱的特点，能使用该软件进行原理图输入和硬件描述语言输入，能进行简单的电路设计、编译、仿真、底层编辑及PLD编程校验，初步掌握设计数字系统的方法。重点支持毕业要求指标点1.4，3.3，6.1。3. VHDL硬件描述语言（10学时）1）VHDL概述（2学时）2）VHDL的数据类型和数据对象（2学时）3）VHDL设计的基本语句（2学时）4）VHDL的高级语句（2学时）5）常见的组合逻辑和时序逻辑设计（2学时）教学基本要求：熟练掌握VHDL语言的程序结构、基本数据类型和数据对象定、基本语法结构、基本语句和VHDL的程序设计特点。能使用VHDL语言在QUARTUSII开发环境中实现电路设计。其中各部分教学内容的具体要求如下：VHDL概述：了解VHDL的特点，基本结构，理解实体的概念和语句格式、结构体的概念和语句格式以及程序包、库和USE的概念和语句格式。VHDL 的数据类型和数据对象：掌握VHDL语言中的标识符、保留字、界符和注释符，对VHDL的几种数据类型和自定义数据类型以及数组的定义有一定的了解，对数据类型的转换、VHDL程序中常用的三种数据类型、传输延迟的概念、惯性延迟的概念、传输延迟和惯性延迟的区别等建立清晰的概念。VHDL 设计的基本语句：掌握并行语句的概念和常用的4种并行语句，掌握顺序语句的概念和常用的4种顺序语句。VHDL高级语句：掌握进程语句概念和语句格式，元件例化语句和语句格式，建立生成语句的概念和语句格式、子程序的概念和子程序的语句格式、函数首和函数体的语句格式。能够进行VHDL 设计实例：如3线8线译码器的设计，8线3线编码器的设计，数据选择器的设计，七段显示译码器的设计，三态门输出设计，计数器设计等。重点支持毕业要求指标点3.3，5.1，6.1。4. Verilog HDL硬件描述语言（10学时）1）Verilog HDL概述（2学时）2）Verilog HDL语言要素（2学时）3）Verilog HDL 基本语句（2学时）4）Verilog HDL门电路和结构描述（2学时）5）仿真验证及可综合描述（2学时）教学基本要求：熟悉Verilog HDL语言的程序结构、基本数据类型和数据对象、基本语法结构、基本语句和Verilog HDL的程序设计特点。能使用Verilog HDL语言在QUARTUSII开发环境中实现电路设计。其中各部分教学内容的具体要求如下：Verilog HDL概述：了解Verilog HDL的特点，掌握Verilog HDL的基本结构。Verilog HDL语言要素：掌握基本语法定义、数据类型的种类、系统任务和系统函数的概念及语句格式、编译向导Verilog HDL基本语句：掌握过程语句种类和每种的格式、赋值语句的格式、块语句格式、条件语句格式、循环语句格式、任务与函数语句格式，能够正确使用基本语句描述系统功能。Verilog HDL仿真验证：掌握仿真验证方法。Verilog HDL可综合性描述：了解根据厂家提供的单元库，将源代码转换成网表的过程。Verilog HDL设计实例：能够进行译码电路、编码电路、数据分配器、同步计数器、移位寄存器、有限状态机的设计、复杂逻辑电路的设计工作。重点支持毕业要求指标点5.1，6.1。5. 数字系统设计题目（6学时）1）多功能数字钟主控电路（2学时）2）洗衣机控制器主控电路（2学时）3）交通灯控制器主控电路（2学时）教学基本要求：进一步掌握VHDL以及Verilog HDL语言的程序结构、基本数据类型和数据对象、基本语法结构、基本语句和两种语言程序设计特点。能使用VHDL和Verilog HDL语言在QUARTUSII开发环境中实现简单数字系统的设计、仿真、验证等工作。三、教学方法本课程主要有课堂教学和实验教学两个教学环节。课堂教学主要采用理论授课、程序分析、实例编程三种教学模式。实验教学主要由设计性实验组成。通过理论与实验相结合的方式增强学生对于本课程知识点的掌握程度，以到达符合毕业要求指标点的教学目的。（1）理论教学主题：通过课堂讲解EDA设计的基本概念、VHDL和Verilog HDL语言设计、QuartusII软件的使用方法等，结合典型控制系统案例，使学生系统地掌握数字系统设计的基本流程、方法，培养分析与综合问题的能力，学会使用数学和仿真工具分析和解决数字系统的一些实际问题。重点支持毕业要求指标点3.3、4.1，5.2。（2）实验课教学主题：通过设计性实验，学会使用QuartusII等工具进行简单数字系统的设计、仿真、验证，提高学生对于分析和设计数字系统的实践能力。重点支持毕业要求指标点4.1，10.2。四、课内外教学环节及基本要求本课程理论环节共32个学时，讲授16周（每周2学时）；实验环节12个学时，包含4个必做实验。课内外教学安排及实践环节教学安排要求见表1-1。表1 课内外教学安排序号教学内容理论学时实验学时小计课外学时1EDA概述（绪论）212QUARTUSII使用练习8443VHDL硬件描述语言1054Verilog HDL硬件描述语言1055数字系统设计题目686合计36124821表2-2实践环节教学安排及要求序号教学内容教学基本要求重点支持毕业要求指标课内学时备注1QuartusII基础实验掌握仿真软件的使用方法4.1，5.2，10.2428-3编码器设计实验掌握简单数字模块的设计方法4.1，5.2，10.2434x4矩阵键盘控制设计实验掌握简单数字系统的设计流程4.1，5.2，10.24五、考核内容及方式本课程成绩由平时成绩，期中考试，实验报告、期末考试和实验成绩组合而成，采用百分计分制。各部分所占比例如下：平时成绩占10%，主要通过考勤考纪、作业和研讨报告考查学生各章知识点的理解程度，学习态度，自主学习能力，利用电子设计自动化软件进行数字系统设计的能力；重点支持毕业要求指标点1.4，3.3，5.1。实验成绩占20%，主要考察学生实验预习及态度、实验操作与规范、分析研究和报告撰写。报告中要采用硬件描述语言建立正确的数字系统模型，对仿真及实验结果进行分析说明，图表规范，论述清楚。重点支持毕业要求指标点4.1,5.2，10.2。期末成绩占70%，闭卷考试。题型为填空题、判断题、简答题、程序设计题、综合应用题等。填空题占期末考核总分的10%，重点支持毕业要求指标点1.4；选择题占期末考核总分的10%，重点支持毕业要求指标点1.4；简答题占期末考核总分的30%，重点支持毕业要求指标点3.3，程序设计题占期末考核总分的30%，重点支持毕业要求指标点3.3，综合应用题占期末考核总分的20%，重点支持毕业要求指标点3.3，5.1，6.1。六、持续改进本课程根据学生对程序语言及仿真软件的掌握情况，实验完成情况，平时考核情