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计算机EDA设计

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About This Course

本课程是计算机专业的专业基础课,也可以作为电子工程、自动控制等电类专业的选修课。EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)是在计算机的辅助下完成电子产品设计的一种先进的硬件设计技术,本课程以应用为主,讲述EDA技术和数字系统设计方法、可编程逻辑器件(PLD)的体系结构、硬件设计描述语言Verilog HDL和常用EDA开发工具的使用,典型数字电路的设计方法,以及复杂数字系统设计方法。通过理论学习和实验,使学生掌握现代数字系统的设计思想、设计方法和仿真验证方法,培养学生的计算机硬件设计能力、动手解决实际问题的能力和自主创新意识,为后续专业课程打下坚实的基础。

Prerequisites

数字逻辑:你需要掌握数字逻辑的基本知识、理论和方法,如数制、编码、逻辑代数等,包括逻辑关系的描述方法(逻辑函数表达式、真值表、逻辑图),逻辑函数的表示方法等。需要掌握数字逻辑电路基本器件(门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路)的电路结构、工作原理和逻辑功能。还需了解半导体存储器(ROM和RAM)的电路结构和工作原理。

Course Staff

Course Staff Image #1

艾明晶

博士,副教授。北京航空航天大学计算机学院教学实验中心副主任、虚拟现实技术与系统国家重点实验室研究人员。主要研究方向为视频编码与图像处理、EDA设计和嵌入式系统等。主持并完成国家重要科研项目如国家863计划课题、总装预研项目等多项。

主讲本科生专业方向课程《计算机EDA设计》、全校非计算机专业大类平台课程《大学计算机基础》和研究生课程《数字系统设计》。主编出版教材5部,参与出版译著3部。从事EDA教学和研究十余年,潜心教学改革研究,具有丰富的教学经验。组织本科生和研究生开发了40余个实验项目,独立编写并出版了普通高等教育“十一五”国家级规划教材《EDA设计实验教程》。

曾获得学校成飞奖教金、西飞奖教金、Nokia-北航奖教金、优秀班主任一等奖等奖励,先后获得北航优秀教学成果奖一等奖2项、二等奖2项、三等奖6项。

Course Staff Image #2

傅翠娇

在读博士,实验师。北京航空航天大学计算机学院教学实验中心青年骨干教师。主要研究方向为高性能体系结构、嵌入式系统等。主讲本科生专业方向课程《计算机组成设计》、全校非计算机专业大类平台课程《大学计算机基础》。主编出版教材3部。从事EDA技术相关教学和研究十年,教学经验丰富。组织本科生开发了30余个实验项目,编写并出版了普通高等教育“十一五”国家级规划教材《计算机接口与通信实验教程》。

Frequently Asked Questions

1.本课程的教学目标是什么?

本课程的教学目标是,培养学生的计算机硬件设计能力、动手解决实际问题的能力和自主创新意识。通过理论学习,使学生掌握EDA技术的重要概念,掌握现代数字系统的设计思想、设计方法和仿真验证方法;拓宽学生知识面,进一步深化其对数字逻辑和计算机接口与通信技术等知识的理解。通过实验,使学生熟练掌握HDL语言和EDA工具的使用,能熟练应用EDA技术进行复杂数字系统的设计与开发。为将来从事电子工程设计和相关专业的工作打下坚实的基础。

本课程设计了趣味性及应用性强的多个实验,涉及常用数字电路、计算机接口电路、自动控制电路等不同的应用,包括设计型、综合型、自主型3种类型。通过设计型实验培养学生的数字电路基本设计能力;通过综合型实验培养学生的大规模数字系统的综合设计能力;通过自主型实验激发学生的创新意识,培养学生的自主设计能力。

2.本课程的学习强度是否很大?

本课程包括理论教学知识体系和实验教学体系两大部分。理论教学以应用为主,包括“技术→器件→语言→工具→电路→系统”等内容。为了掌握这些知识,你必须完成我们设置的一系列实验。实验环节在本课程中更为重要!

为了有效启发和引导学生综合运用现有的知识,甚至自学一些新技术,来完成实验任务,我们按照“提出任务分析问题解决问题总结方法”的思路设计每一个实验。虽然我们给出了原理分析、程序框架或部分源代码,并对关键环节和难点部分,给出较详细的思路和必要的提示,但仍然需要你通过自己的思考和自主设计、编程、仿真、调试,完成实验。因此,要学好本课程,真正掌握EDA设计方法,仍然具有一定的学习强度。

我我们提供了实验安排建议方案,包括5次实验(每次4学时)和一个Project(8学时)。这只是你在线进行实验的时间。实验之前,你必须做好充分的预习。每个实验都有“预习要求”,其中针对实验原理和实验内容提出了若干思考题和预习要求,你需要在弄通实验原理的基础上做好充分的准备工作,如模块划分、编写程序、进行仿真等,以保障在线实验效果。

3.有哪些教学参考书?

本课程采用2本教学参考书:

【1】理论教材:王金明. 数字系统设计与Verilog HDL(第4版). 北京: 电子工业出版社, 2011年1月。

该教材系统阐述了基于EDA技术的数字系统设计的相关技术,如EDA技术、FPGA/CPLD器件、Quartus II集成开发工具、Verilog HDL语言、Verilog设计、Verilog仿真与验证等。书中提供了丰富的数字设计实例,包括完整的源代码和仿真波形,对于初学者具有很好的参考价值。

【2】实验教材:艾明晶. EDA设计实验教程. 北京: 清华大学出版社, 2014年1月。

《EDA设计实验教程》为普通高等教育“十一五”国家级规划教材,提供了不同层次、不同类型的多个实验,包括常用数字电路和数字系统实验、复杂数字系统实验、自主设计实验3个层次。本课程中的大部分实验,均在该教材中。学有余力的同学,还可以选做其中的其他实验。

4.还可以阅读哪些材料?

教学参考书只介绍了数字系统设计的主要概念、原理和方法,但不可能涵盖全部知识体系。为了拓展知识面,以及更加全面深入地掌握Verilog HDL的语法和应用,更好地完成实验,你还可以阅读下列参考书:

【1】潘松等. EDA技术实用教程——Verilog HDL版(第4版). 北京: 科学出版社, 2010。

该教材深入浅出地对EDA技术、Verilog HDL、FPGA开发应用及相关知识做了系统和完整的介绍。各章都安排了习题或针对性较强的实验与设计。全书包含数十个实验项目,涉及的技术领域款、知识密集、针对性强,而且自主创新意识的启示性好。每个实验项目都含2~5个子项目或子任务,层层递进,难度和要求逐层提高,可以满足不同层次、不同水平和能力学生的不同需求,其中最高层次的自主设计子任务有利于激发学生的自主创新意识,培养学生的创新能力。

【2】夏宇闻. Verilog数字系统设计教程(第3版). 北京: 北京航空航天大学出版社, 2013

该教材为普通高等教育“十一五”国家级规划教材,从算法和计算的基本概念出发,讲述如何用硬线逻辑电路实现复杂数字逻辑系统的方法。全书共分三部分。第一部分内容共18章;第二部分共12个上机练习实验范例;第三部分是Verilog硬件描述语言参考手册,可供读者学习、查询之用。该教材在第2版后,在语法篇中增加了IEEE Verilog1364-2001标准简介,以反映Verilog语法的最新变化。

5.需要学习哪些实验开发工具与环境?

本课程包括一系列实验。为了完成这些实验,你主要需要掌握2个工具软件:

(1)ISE

ISE(Integrated Software Environment,集成软件环境),是美国Xilinx(赛灵思)公司研发的PLD集成开发工具,利用它可以完成设计输入、综合、仿真、引脚锁定、实现、生成编程文件和下载的全过程。

该软件自带仿真工具ISim Simulator,提供了强大的仿真功能,使用者编写测试文件后,即可在ISE中运行仿真,启动ISim,产生仿真波形。

ISE支持以下器件系列及其之前系列器件: Spartan-6、Virtex-6、和 Coolrunner。

ISE目前常用版本:14.2、14.4、14.7(最新)。

(2)硬件描述语言模拟器

你也可以使用其他仿真工具对设计进行仿真。任何一款支持Verilog HDL的模拟器都可以满足本课程的实验需求,如ModelSim,它是美国Mentor Graphics公司的子公司Model Technology(http://www.model.com)开发的仿真工具,属于编译型仿真器,仿真速度快,功能强大。

ModelSim目前最新版本:14.0。对于初学者,使用ModelSim SE PLUS 6.0以上版本即可。

6. 都需要做哪些实验呢?

实验教学28学时,共要求完成5个平时实验和1个Project。每次实验预计4学时,Project预计8学时。为保证教学效果,实验教学与理论教学穿插进行。强烈建议你按我们推荐的进度安排进行实验,即在学完相应的理论课程知识后,再去完成配套实验。

由于每位同学的学习基础、投入时间、领悟能力等不同,其完成一个实验的时间具有较大的差异。为了使每位同学都有信心学完本课程,我们为每次平时实验提供了两个实验项目,其中后一个实验较前一个实验难度稍大一些,你可以根据自己的兴趣和能力选择合适的实验完成。

平时实验:(1)优先编码器(或算术逻辑运算单元);(2)电子秒表电路(或卡式电话计费器);(3)乘法器;(4)计数器;(5)交通灯控制器(或自动售货机)。

此外,提供了难度递进的3个Project:全自动洗衣机控制器、电子日历和电子时钟、电梯控制器。在学完整个课程后,你可以根据自己的实际情况任选其中的一个完成。

  1. 课程代码

    M_F06D4310
  2. 课程开始

    2017/02/24
  3. 课程结束

    2017/06/30
  4. 总计选修人数

    343
  5. 预期课程目标

    03:00
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