《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教學(xué)大綱

《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教學(xué)大綱課程編號(hào)：13220423英文名稱：DigitalSystemDesign學(xué)分：2學(xué)時(shí)：總學(xué)時(shí)40學(xué)時(shí)，其中理論24學(xué)時(shí)，實(shí)踐16學(xué)時(shí)先修課程：電路原理、數(shù)字電子技術(shù)課程類別：專業(yè)拓展課程授課對(duì)象：電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生教學(xué)單位：機(jī)械與電氣工程學(xué)院修讀學(xué)期：第6學(xué)期一、課程描述和目標(biāo)本課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)方向選修課。本課程以實(shí)際工程應(yīng)用為導(dǎo)向，介紹數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法，以及運(yùn)用相關(guān)理論和方法來解決工業(yè)實(shí)踐和科學(xué)研究中遇到的實(shí)際問題。目的是使學(xué)生掌握EDA工具、FPGA開發(fā)技術(shù)以及VHDL編程方法；能比較熟練地使用常用EDA軟件，基于FPGA解決各種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，特別是智能儀器儀表方向的實(shí)際工程問題。本課程擬達(dá)到的課程目標(biāo):課程目標(biāo)1掌握EDA/FPGA開發(fā)技術(shù)，掌握常見數(shù)字模塊的設(shè)計(jì)及調(diào)試方法，具備自動(dòng)化系統(tǒng)中數(shù)字部分的分析與歸納能力。課程目標(biāo)2掌握基于FPGA開發(fā)手段實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)技術(shù)，并且能根據(jù)特定需求，在智能儀器或機(jī)器人系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)中正確選擇和應(yīng)用各單元功能部件。課程目標(biāo)3理解數(shù)字設(shè)計(jì)工程師對(duì)公眾安全、環(huán)境保護(hù)等方面的社會(huì)責(zé)任，并能夠在數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域工程實(shí)踐中自覺履行簡(jiǎn)化復(fù)雜度、降低功耗和制作成本、提升IP復(fù)用和TTM方面的責(zé)任。二、課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)權(quán)重2.4能運(yùn)用相關(guān)基本原理，借助文獻(xiàn)研究，分析電氣工程實(shí)施過程中的影響因素，通過歸納總結(jié)獲得有效結(jié)論。課程目標(biāo)1H3.2能夠針對(duì)特定需求，完成輸電、變電、配電、拖動(dòng)等單元模塊的設(shè)計(jì)；課程目標(biāo)2M8.3理解工程師對(duì)公眾的安全、健康和福祉，以及環(huán)境保護(hù)的社會(huì)責(zé)任，并能夠在電氣工程相關(guān)領(lǐng)域的工程實(shí)踐中自覺履行責(zé)任。課程目標(biāo)3M（注：要求課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)應(yīng)是一一對(duì)應(yīng)支撐）教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配本課程課內(nèi)總學(xué)時(shí)為40學(xué)時(shí)，其中課堂理論講授和討論共24學(xué)時(shí)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。（1）理論部分教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排序號(hào)教學(xué)內(nèi)容基本要求及重、難點(diǎn)（含德育要求）學(xué)時(shí)教學(xué)方式對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1EDA技術(shù)及PLD基本要求：EDA的TOP-DOWN設(shè)計(jì)過程；SPLD的工作原理及存在的缺陷，CPLD和FPGA的工作原理和器件特點(diǎn)；重點(diǎn)和難點(diǎn)：數(shù)字系統(tǒng)層次化設(shè)計(jì)流程；德育要求：貫徹發(fā)展和創(chuàng)新理念。2集中講授課堂演示12QuartusII應(yīng)用基本要求：QuartusII軟件的使用方法，掌握基于該軟件設(shè)計(jì)數(shù)字電路的流程；重點(diǎn)和難點(diǎn)：QuartusII仿真，下載與調(diào)試；德育要求：技術(shù)革新的傳承和保障理念。4集中講授互動(dòng)驗(yàn)證13VHDL編程基本要求：VHDL的基本語法：數(shù)據(jù)對(duì)象、IF語句、進(jìn)程語句、并行語句等；重點(diǎn)和難點(diǎn)：組合模塊、時(shí)序模塊的實(shí)現(xiàn)；德育要求：貫徹應(yīng)用中合作與擔(dān)當(dāng)理念。6集中講授互動(dòng)驗(yàn)證1，24典型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求：掌握數(shù)字鐘、搶答器、頻率計(jì)、拔河游戲機(jī)、洗衣機(jī)控制器、密碼鎖、乘法器等數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；重點(diǎn)和難點(diǎn)：典型數(shù)字系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)；德育要求：貫徹設(shè)計(jì)中規(guī)范和法制理念。6集中講授互動(dòng)設(shè)計(jì)2，35復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求：Moore型狀態(tài)機(jī)和Mealy型狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方法；基于NiosII軟核及標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)和難點(diǎn)：有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)；NiosII軟核及HAL架構(gòu)；德育要求：貫徹應(yīng)用中包容與完美理念。4集中講授互動(dòng)設(shè)計(jì)2，36綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)基本要求：基于FPGA開發(fā)技術(shù)完成自選（或指定）綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)；重點(diǎn)和難點(diǎn)：在實(shí)踐中體現(xiàn)簡(jiǎn)化復(fù)雜度、降低功耗和成本、提升IP復(fù)用等方面的能力。德育要求：貫徹精益求精的工匠精神理念。2自主設(shè)計(jì)集中總結(jié)2，3合計(jì)24（2）實(shí)踐部分教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求學(xué)時(shí)類型對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1典型數(shù)字模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容：利用QuartusII實(shí)現(xiàn)編碼器、譯碼器和加減計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)；要求：熟悉QuartusⅡ的VHDL設(shè)計(jì)流程，掌握簡(jiǎn)單電路模塊的設(shè)計(jì)及層次化設(shè)計(jì)流程。4驗(yàn)證12四位數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容：用FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)四位數(shù)字頻率計(jì)，頻率測(cè)量范圍為0～9999Hz。設(shè)被測(cè)信號(hào)為方波，幅值已滿足要求。要求：掌握TOP-DOWN設(shè)計(jì)流程；掌握FSM設(shè)計(jì)方法。4設(shè)計(jì)2，33正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)內(nèi)容：完成正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)測(cè)，包括SignalTapII測(cè)試、FPGA中ROM的在系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀寫測(cè)試和利用示波器測(cè)試。要求：掌握LPM_ROM與FPGA硬件資源的使用方法。4設(shè)計(jì)2，34直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)內(nèi)容：完成基于NiosII軟核的直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，生成系統(tǒng)；完成速度反饋檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)。編制PID控制程序，控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、停止、加速和減速等功能。要求：掌握PID控制、NiosIDE設(shè)計(jì)方法。4設(shè)計(jì)2，3合計(jì)16注：實(shí)驗(yàn)要求包括必修、選修；實(shí)驗(yàn)類型包括演示、驗(yàn)證、綜合、設(shè)計(jì)等。四、課程教學(xué)方法1.課內(nèi)教學(xué)環(huán)節(jié)采用集中講授、課堂演示與反饋、集中討論與總結(jié)及分小組討論等教學(xué)方式。課外教學(xué)環(huán)節(jié)課外教學(xué)環(huán)節(jié)通過如下環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)：（1）預(yù)習(xí)與自學(xué)：要求自主完成預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)通相關(guān)資料及教學(xué)微視頻學(xué)習(xí)；（2）復(fù)習(xí)與練習(xí)：要求自主完成課后習(xí)題、階段模塊設(shè)計(jì)項(xiàng)目仿真和驗(yàn)證；（3）課外復(fù)雜項(xiàng)目：自由構(gòu)建學(xué)習(xí)小組，分小組定期討論，按進(jìn)度計(jì)劃完成復(fù)雜設(shè)計(jì)的調(diào)研、模塊設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證和硬件實(shí)現(xiàn)。五、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績(jī)構(gòu)成與要求課程考核注重形成性和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，考核內(nèi)容主要由平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、課程設(shè)計(jì)、期末考核組成，均按百分制計(jì)分，其中期末考核成績(jī)占50%、平時(shí)作業(yè)成績(jī)占15%、實(shí)驗(yàn)測(cè)試成績(jī)占20%、課程設(shè)計(jì)成績(jī)占15%。2.課程目標(biāo)達(dá)成考核與評(píng)價(jià)序號(hào)教學(xué)環(huán)節(jié)課程目標(biāo)1（分值）課程目標(biāo)2（分值）課程目標(biāo)3（分值）合計(jì)1平時(shí)作業(yè)1050152實(shí)驗(yàn)測(cè)試01010203課程設(shè)計(jì)0105154期末考試20201050課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)分值304525100（二）考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.平時(shí)成績(jī)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分作業(yè)按時(shí)完成，95%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握到位。能夠利用理論知識(shí)識(shí)別、分析數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問題。按時(shí)完成，90%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握到位。能夠利用理論知識(shí)識(shí)別、分析數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問題。按時(shí)完成，70%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握較到位。能夠較好利用理論知識(shí)識(shí)別、分析數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問題。延時(shí)完成，60%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握基本到位。利用理論知識(shí)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問題有一定的識(shí)別、分析。不交和補(bǔ)交，50%以下的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握有偏差。不能利用理論知識(shí)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問題進(jìn)行識(shí)別、分析。2.實(shí)驗(yàn)測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分實(shí)驗(yàn)態(tài)度20%按時(shí)出勤、認(rèn)真聽講解，并提出問題。按時(shí)出勤、認(rèn)真聽講解實(shí)驗(yàn)原理。遲到5分鐘以內(nèi)、基本能認(rèn)真聽講解。遲到5分鐘以內(nèi)、老師講解過程有走神。遲到、早退5分鐘以上，基本不聽。動(dòng)手能力50%能根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖灾魍瓿蓪?shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)、正確使用相關(guān)儀器，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并具備排查故障能力和探索精神。能在老師指導(dǎo)下自主完成實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)、正確使用相關(guān)儀器，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，具備一定的探究能力。完成老師講解操作、能在老師指導(dǎo)下完成相關(guān)儀器設(shè)備的操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。完成老師講解操作、相關(guān)儀器需要老師多次講解才能正確使用，基本實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹２荒馨凑諏?shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告30%實(shí)驗(yàn)報(bào)告版面整潔、內(nèi)容完整，問題剖析深刻。設(shè)計(jì)報(bào)告版面較為整潔、內(nèi)容完整，問題剖析較深刻。設(shè)計(jì)報(bào)告版面整潔度、內(nèi)容完整性一般，問題剖析不夠深刻。設(shè)計(jì)報(bào)告版面基本整潔、內(nèi)容基本完整，問題剖析簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)報(bào)告版面混亂、內(nèi)容不完整，無問題剖析。3.課程設(shè)計(jì)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分設(shè)計(jì)報(bào)告60%（1）理論分析和計(jì)算正確；結(jié)論正確；（2）報(bào)告結(jié)構(gòu)合理，文筆流暢。（1）理論分析和計(jì)算有少量錯(cuò)誤；但是結(jié)論正確；（2）報(bào)告結(jié)構(gòu)合理，文筆較流暢。（1）理論分析和計(jì)算錯(cuò)誤較多；結(jié)論正確；（2）報(bào)告結(jié)構(gòu)合理，文筆基本通暢。（1）理論分析和計(jì)算有明顯錯(cuò)誤影響，結(jié)論有瑕疵；（2）報(bào)告結(jié)構(gòu)合理，文筆流暢。（1）未完綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)；（2）報(bào)告潦草應(yīng)付。演示答辯40%（1）匯報(bào)時(shí)能清楚表述系統(tǒng)原理；（2）回答問題正確。（1）匯報(bào)時(shí)能較清楚表述系統(tǒng)原理；（2）回答問題正確。（1）匯報(bào)時(shí)能表述系統(tǒng)原理；（2）大部分問題回答正確。（1）匯報(bào)時(shí)能表述部分系統(tǒng)原理；（2）能回答部分問題。（1）匯報(bào)時(shí)清楚表述不清楚；（2）回答問題基本不正確。4.期末試卷考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)課程目標(biāo)及教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)期末考核試題，綜合檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程相關(guān)知識(shí)的掌握、綜合應(yīng)用及解決復(fù)雜問題的能力，根據(jù)考試題目設(shè)計(jì)相應(yīng)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。六、教材與參考書推薦教材：（1）《EDA技術(shù)及應(yīng)用》.孫宏