FPGA设计与应用案例教程 教学大纲

《逻辑电路与FPGA应用》教学大纲一、教师或教学团队信息（填写说明：填入负责、参与教学大纲研制和承担课程教学的教师信息。）教师姓名所在学院或部门电话电子信箱二、课程基本信息课程名称（中文）：逻辑电路与FPGA应用课程名称（英文）：LogicCircuits&ApplicationofFPGA课程类别：□通识必修课□通识选修课□大类平台课□专业必修课■专业方向课□专业拓展课□实践性环节特殊课程类型：混合式课程周学时：3线上学时：15线下面授学时：33总学时：48学分：3先修课程：数字电子技术、C程序设计授课对象：大纲制定日期：预修要求：C语言、数字电路三、课程简介《逻辑电路与FPGA应用》是电子信息工程专业面向三年级本科生开设的一门核心专业必修课（48学时，3学分），采用线上线下混合式教学模式。课程以数字电子技术和C语言为基础，聚焦现代EDA设计方法，核心内容包括FPGA芯片基础、开发工具应用、VerilogHDL硬件描述语言、组合及时序电路设计实例以及工程探究实践，旨在培养学生运用FPGA工具设计复杂数字逻辑电路的能力，特别强调综合运用FPGA技术和AI技术解决实际工程问题的能力。课程遵循国际工程教育CDIO理念，践行“价值引领，工程育才，实践悟真”三位一体的教学理念，注重工程育人实效。在教学方法上，创新运用SOPE思政设计法规划工程探究CDIO-PBL项目，通过真实的工程项目实践，系统性锤炼学生的团队协作精神、工程开发与管理能力以及综合评价能力，强化其作为未来电子工程师的职业使命感与担当精神。四、课程目标课程目标分为三部分：价值目标、知识目标和能力目标。价值目标：通过FPGA学习，增强专业认同感和社会责任感；培养职业价值观与伦理意识，强化团队合作，提升AI素养。知识目标：能够描述FPGA的芯片结构；能够解释VerilogHDL编程语法和基本逻辑电路编程设计原理；能够正确操作FPGA软硬件开发工具；了解工程教育理念和复杂工程设计的一般性原则。能力目标：能够结合设计需求和可利用资源分析工程问题、制定设计方案；能够综合运用FPGA技术、AI工具和其他工程技术手段实现电路系统；能够以口头或书面汇报形式对复杂工程问题进行表述、沟通与评价。课程目标与毕业要求指标点高支撑的对应关系表毕业要求分解指标点课程目标毕业要求6工程与社会：能够基于电气工程相关背景知识进行合理分析，评价电气控制领域的工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。通过FPGA学习，增强专业认同感和社会责任感；培养职业价值观与伦理意识，强化团队合作，提升AI素养。毕业要求1

工程知识：能够将数学及电气、自动化、机器人技术等领域的基础理论知识用于解决电气控制领域中的复杂工程问题。能够描述FPGA的芯片结构；能够解释VerilogHDL编程语法和基本逻辑电路编程设计原理；能够正确操作FPGA软硬件开发工具；了解工程教育理念和复杂工程设计的一般性原则。毕业要求3设计/开发解决方案：能够设计针对复杂控制工程问题的解决方案，设计满足要求的电气控制系统、机器人系统，并能够在设计环节中体现创新意识，并考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。能够结合设计需求和可利用资源分析工程问题、制定设计方案；能够综合运用FPGA技术、AI工具和其他工程技术手段实现电路系统；能够以口头或书面汇报形式对复杂工程问题进行表述、沟通与评价。五、课程内容FPGA是一种高速运作的数字电路集成芯片，属于专用集成电路中的一种半定制电路，可以通过编写软件程序实现硬件的电路功能。根据专业培养目标和工程教育认证的指导思想，在整合中英文FPGA教材的基础上，从本专业学生的学情和FPGA技术的学习特点出发，同时结合线上平台和企业资源的运用，本课程制定了具有工程实践特色的《逻辑电路与FPGA应用》的内容体系。课程的知识模块和学时安排如图2所示。课程采用线上线下混合式教学，48课时中包含15个线上学时和33个线下学时。教学内容分为5个模块，包含理论教学和实践教学。线上学时以理论教学为主，线下学时以实践互动教学为主。图2课程知识体系理论教学主要讲授FPGA的发展历史和现状，FPGA开发所使用的硬件描述语言VerilogHDL的语法知识，以及数字逻辑电路的基本功能实现。学生可以通过学习通平台学习课程的SPOC视频，进行预习和测试，也可以进入企业平台观看企业项目案例，基础薄弱的学生也能够通过反复的线上学习掌握需要识记和理解的内容。实践教学主要对FPGA的软件开发平台和开发板进行不同程度的使用，分为编译级别、本地软件仿真级别、第三方软件仿真级别和板级仿真级别四个层次，设计的内容也从原理图、程序片段到单个模块，难度逐步上升，最终要求实现一个多模块多文件的工程系统。六、教学进度安排第1讲FPGA开发工具课时数3教学方法讲授法、练习法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：课程介绍第2章FPGA开发工具2.1FPGA开发流程2.3Quartus开发软件（3）：举例演示2.4Vivado开发软件（3）：举例演示重点：开发流程总览难点：理解FPGA开发流程中的适配原则学生学习任务通过3-8译码器设计熟悉Quartus软件操作课外学习要求作业：1）下载安装Quartus开发软件2）提交作业1：两家软件的比较第2讲芯片基础课时数3教学方法线上自学，练习法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：讲解FPGA的发展历史、芯片结构和应用前景。介绍FPGA主流芯片。重点：PLD的定义和分类；现场可编程特性；可编程通用架构难点：OLMC结构；Altera芯片型号组成学生学习任务第1章芯片基础1.1FPGA发展历史1.2FPGA芯片结构1.3FPGA的应用第2章FPGA开发工具2.2FPGA主流芯片介绍2.3开发软件（1-2）：安装与主菜单课外学习要求作业：1）学习《FPGA学习，从这里开始》章节，全面了解课程情况。2）完成第1-2章自测：Quiz1和Quiz2开发工具进行知识巩固下节课预习：阅读DE0-CV用户手册第3讲编译、仿真与测试课时数3教学方法讲授法、任务驱动法、练习法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：以3线-8线译码器为例，对照FPGA的设计流程，认识软件集成环境；绘制译码器原理图，运用波形图进行电路功能仿真，并烧写到FPGA开发板上检测结果。第4章编译、仿真与测试4.1程序编译4.2波形与文本仿真（1）：波形仿真4.3功能与时序仿真4.4程序烧写第3章硬件描述语言VerilogHDL引言3.6电路描述方式重点：软件编译流程总览；波形仿真；QuartusPrime烧写流程；三种描述方式的区别难点：模块化设计思想体现学生学习任务1.认识FPGA开发的软件集成环境；掌握FPGA开发流程。2.完成实验一，绘制译码器原理图，烧写程序，进行硬件仿真并分析结果。3.了解HDL描述电路的方式课外学习要求作业：提交实验报告一下节课预习：阅读教材第3章第4讲VerilogHDL的基本语法课时数3教学方法线上自学、练习法、文献阅读法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：讲解VerilogHDL语言基础语法知识重点：模块首行；关键字；标识符；线网型变量特性；寄存器变量特性难点：寄存器变量特性；非阻塞性过程赋值学生学习任务登录“学习通”平台，学习以下内容，完成视频课中的练习。第3章硬件描述语言VerilogHDL3.1硬件描述语言简介3.2模块与端口3.3数值与变量3.4赋值语句3.5运算符课外学习要求作业：完成第3章：Quiz3和Quiz4，进行知识巩固下节课预习：学习原版教材《DigitalDesignandVerilogHDLFundamentals》P3284.4BehavialModeling第5讲VerilogHDL的建模方式-行为建模课时数3教学方法阅读指导法、讲授法、演示法、练习法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：讲解VerilogHDL行为建模中initial和always过程块的特性和要求、VerilogHDL中的时间控制及敏感事件的格式，通过讲解过程块的重要性提升学生的创新意识。重点：always过程块特性；always过程块的敏感事件列表；同步/异步控制信号区别；if和case描述电路的区别难点：并发性定义；always过程块的敏感事件列表；同步/异步控制信号区别；学生学习任务第3章硬件描述语言VerilogHDL3.9行为级描述课外学习要求作业：1）完成第3章：Quiz7，进行知识巩固2）提交作业2：行为建模的软硬件仿真下节课预习：学习原版教材《DigitalDesignandVerilogHDLFundamentals》P232/P289第6讲VerilogHDL的建模方式-门级建模和数据流建模课时数3教学方法线上自学、练习法、互助阅读讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：讲解VerilogHDL门级建模和数据流建模的语句格式、程序要求并举例说明。通过大国工匠的案例说明精益求精、反复检查对书写数据流语句格式的重要性。重点：原语例化语句；数据流描述语句难点：无学生学习任务登录“学习通”平台，学习以下内容。第3章硬件描述语言VerilogHDL3.7结构化描述（1）：门级描述3.8数据流描述3.10编程规范课外学习要求作业：1）完成第3章：Quiz5和Quiz8，进行知识巩固2）进行结对阅读，提交作业3：编程规范实践作业下节课预习：学习原版教材《DigitalDesignandVerilogHDLFundamentals》P379第7讲VerilogHDL的建模方式-例化语句课时数3教学方法讲授法、练习法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：讲解VerilogHDL自顶向下的设计和结构化建模中例化语句，强化团队合作的理念。以翻转课堂的形式开展习题课。重点：模块的例化语句的格式难点：模块的例化语句的位置关联学生学习任务第3章硬件描述语言VerilogHDL3.7结构化建模（3-4）：模块例化门级建模和数据流建模线下练习课外学习要求作业：完成第3章：Quiz6，进行知识巩固第8讲编译、仿真与测试（进阶）课时数3教学方法线上自学讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：练习VerilogHDL的三种基本建模方式——原语建模、数据流建模和行为建模重点：比较三种不同建模方式的特点难点：总结三种不同建模方式的特点重点：工程理念难点：testbench文件格式学生学习任务登录“学习通”平台，学习以下内容。4.2波形与文本仿真（2-4）：文本仿真*逻辑工程技术（企业导师谈工程）*CDIO工程教育理念课外学习要求作业：总结三种不同建模方式的特点1）完成第4章：Quiz9，进行知识巩固2）提交作业4：提交文本仿真结果下节课预习：翻转课堂准备，预先完成教师在“学习通”布置的三种建模方式习题第9讲翻转课堂课时数3教学方法小班翻转课堂；讲授法、案例法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：练习VerilogHDL的三种基本建模方式——原语建模、数据流建模和行为建模重点：比较三种不同建模方式的特点难点：总结三种不同建模方式的特点学生学习任务1.学生上台演示习题讲解、小组讨论，教师总结2.理解工程师的社会责任课外学习要求作业：提交作业5：课堂作业的硬件仿真下节课预习：阅读教材5.1节，预习组合逻辑电路设计第10讲基本逻辑电路设计——组合逻辑课时数3教学方法讲授法、课堂讨论法、练习法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：讲解多路选择器、编码器、译码器、码制转换和加法器等常用的组合逻辑电路的Verilog编程设计方法，并通过科学家事迹讲解实干精神。重点：七段译码显示器；加法器难点：码制转换电路学生学习任务5.1基本组合逻辑电路1）多路选择器2）编码器和译码器3）码制转换电路4）加法器5）七段码显示器课外学习要求作业：1）完成第5章：Quiz10，进行知识巩固2）完成随堂练习中对基本组合逻辑电路的编程改造，进行软件仿真下节课预习：阅读教材5.2节，预习时序逻辑电路设计第11讲基本逻辑电路设计——时序逻辑课时数3教学方法讲授法、课堂讨论法、案例法、练习法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：讲解移位寄存器、计数器等时序逻辑电路的Verilog设计。通过FPGA招聘岗位数据让学生了解行业缺口，增加学习动力。重点：移位寄存器；计数器难点：计数器；分频器学生学习任务5.2基本时序逻辑电路1）寄存器2）移位寄存器3）计数器4）分频器课外学习要求作业：1）完成第5章：Quiz11，进行知识巩固2）完成随堂练习中对基本时序逻辑电路的编程改造，进行软件仿真第12讲结构化建模之二十四进制计数器课时数3教学方法小组讨论法、任务驱动法、探究法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：描述二进制加减计数器的计数规则，用行为建模方式进行设计二进制计数器；再使用结构化建模的方式编写二十四进制计数器的源程序并仿真。重点：用元件例化的方式实现结构化建模难点：二十四进制计数器的实现逻辑学生学习任务第5章逻辑电路设计5.3综合逻辑电路（1）使用低级模块例化的方式编写二十四进制计数器程序课外学习要求作业：提交实验报告2下节课预习：登录“学习通”平台，加入PBL任务，根据项目任务书完成预习第13讲项目顶层设计与子模块实现（工程实践项目）课时数3教学方法情境教学法，小组讨论法，合作探究法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：学习工程实践CDIO的理念，熟悉工程项目的设计流程，了解行业规范，观看产品演示；秉持“开放包容、互学互鉴”的思想展开小组讨论和分享活动。按照“自顶向下”的设计流程，先绘制实践项目的软件模块图；小组代表向全体分享软件模块图的规划，教师和企业导师进行点评，小组之间通过学习通平台进行互评和自评；小组内部分工，学生独立进行各模块的VerilogHDL程序设计。重点：制作软件模块结构图；制作团队分工表；子模块通信链路检验难点：制作软件模块结构图学生学习任务1.领会“开放包容、互学互鉴”的思想，以此开展小组合作；2.学会绘制设计方案（软件模块图）；3.小组内部分工设计各个子模块，并验证通过。课外学习要求作业：1）完成软件模块图和小组分工表2）所有子程序完成编程、仿真第14讲状态机课时数3教学方法线上自学、练习法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：讲解摩尔状态机和米利状态机的Verilog实现方法重点：状态图；二段式与三段式的区别难点：状态转移逻辑学生学习任务第6章状态机6.1有限状态机6.2状态机设计举例（2）课外学习要求作业：完成第6章自测：Quiz12，进行知识巩固第15讲项目顶层程序与硬件实现（工程实践项目）课时数3教学方法情境教学法，小组讨论法，合作探究法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：运用结构建模思想设计顶层程序，以及开展通用化设计。以反面案例说明求真求是的重要性。重点：系统测试分析难点：多系统协同设计（多组合作任务）学生学习任务1.互换子模块程序，验证程序的通用性；2.设计游戏顶层程序，进行硬件仿真，完成整个项目的既定要求。3.领会求真求是的工作精神。课外学习要求作业：1）完成小组任务的顶层设计与仿真实现2）有条件的完成多组合作任务的设计与仿真实现第16讲项目路演与总结课时数3教学方法演示法、小组讨论法、讲授法讲授内容或训练技能，重点、难点讲授内容：点评各组展示情况，引导组间互评；总结工程探究实践过程和收获。学生学习任务进行路演策划与展示课外学习要求作业：1）提交项目论文与反思2）完成期末调查问卷七、考核方案课程目标、考核内容和评价依据对应表课程目标考核内容考核形式评价标准通过对FPGA技术发展和国产芯片现状的了解，提升专业认同感，增强未来工程师的职业意识，激发社会责任感。对职业意识、团队合作、工程规范和社会责任的认识与反思1、写作反思2、考勤1、项目小论文（评价细则3）2、测验、讨论中的的反馈3、上课出勤能够使用Verilog硬件描述语言编程实现数字逻辑功能，能够运用合适的FPGA下载、仿真和分析工具进行电路设计、开发逻辑系统。线上考核：自主学习的自觉性、持续性和有效性线下考核：编程能力和其它优秀表现线上：在线学习平台数据反馈线下：课堂表现记录1、自主学习表现（评分细则1）2、单项成绩最高或课堂积极性最高能够结合项目需求和电路条件分析工程项目的实际问题，制定项目方案，综合运用FPGA和其它技术手段实现数字逻辑系统；能够以口头、文字或规范图表等形式，对工程设计中的观点进行表述和评价；能够强化团队合作和责任意识，推动合作项目顺利开展。1、规划项目方案，实现项目设计2、规范的工程表述的能力3、与团队合作的能力1、教师评价、小组评价和自我评价2、优秀表现记录3、论文反馈1、PBL任务表现（评分细则2）2、优秀表现（评分细则4）3、项目小论文（评分细则3）课程总评成绩由平时成绩、期末考试成绩和日常考勤成绩三部分组成，比例分配如下：考核模块考核内容占比