该课程是电子信息类专业的专业基础课程,是一门使用“硬件”思维的课程,具有很强的理论性和实践性。该课程以数字逻辑基本理论和基本电路为基础,以美国Xilinx公司和美国Intel公司的软件和硬件为载体,系统讲授了基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的复杂数字系统设计理论和设计方法。
随着大数据、人工智能、云计算和物联网技术的发展,人类需要处理的数据量不断增加,传统基于CPU、GPU的处理方法远远不能满足处理海量数据的要求,因此人们将目光越来越多的转向了基于FPGA的硬件处理。FPGA本身具有配置灵活、高度并行处理和整体功耗低的特点,因此称为未来解决大数据处理的重要硬件平台。
系统学习复杂数字系统设计理论和设计方法,将帮助你学习后续的单片机和嵌入式系统的课程,将极大地降低这些课程地学习难度,帮助你建立“软件”和“硬件”之间的有机联系。
很多学生在学习FPGA的时候反映比较”吃力“,其实并不是FPGA本身难学,而是你在学习先导课程数字电路/数字逻辑的时候,没有理解数字世界的本质特点,因此在本课程开始部分,重新系统讲解了相关知识,使得你真正理解数字世界的本质。当你理解这些本质时,你会发现学习FPGA真的没有你想象的那么吃力。
这门课程得到Xilinx大学计划和Intel大学计划的支持和帮助,它们提供了很多教学素材、软件的授权和硬件的支持,使得这门课程的内容可以比较全面的反映出目前基于FPGA复杂数字系统的最新发展潮流。
通过该课程内容的学习,学生不但掌握在Vivado和Quartus集成开发环境下通过使用Verilog HDL(VHDL)在Xilinx和Intel FPGA内构建复杂数字系统的能力,并且进一步加深对先修课程数字逻辑/数字电子技术知识点的理解。
此外,该课程将为学生后续在FPGA上实现数字信号处理、异构计算、人工智能、云计算、物联网等新信息技术打下坚实的基础。
第1章 数字逻辑基础(1)
1.3 开关系统
1.4 半导体数字集成电路
1.1 数字逻辑发展史
1.2 Multisim spice仿真介绍和操作
第1章 数字逻辑基础(2)
1.5 基本逻辑门电路分析
1.6 逻辑代数理论和表达式的化简
1.7 毛刺产生和消除
1.8 数字码制表示和转换
第2章 数字逻辑电路(1)
2.1 组合逻辑电路
2.2 时序逻辑电路
第2章 数字逻辑电路(2)
2.3 存储器分类及原理
2.4 有限自动状态机
综合设计作业(一)
学生讲解设计实验题(一)
信工1702班黄玥讲解设计实现题(一)
第3章 可编程逻辑器件工艺和结构
3.1 可编程逻辑器件发展历史
3.2 可编程逻辑器件工艺
3.3 简单可编程逻辑器件结构
3.4 CPLD原理及结构(含Xilinx和Intel CPLD的结构)
3.5 FPGA原理及结构(含Xilinx和Intel FPGA的结构)
第4章 Vivado/Quartus集成开发环境IP核设计流程
4.1 IP核基本概念
4.2 Vivado/Quartus工具设计流程
4.3 Vivado/Quartus IP数字系统的设计与实现(一)
4.4 Vivado/Quartus IP数字系统的设计与实现(二)
第5章 Vivado/Quartus集成开发环境Verilog HDL设计流程(一)
5.1 Vivado/Quartus集成开发环境介绍
5.2~5.3 创建新工程和添加Verilog HDL设计文件
5.4~5.5 详细描述和行为级仿真
第5章 Vivado/Quartus集成开发环境Verilog HDL设计流程(二)
5.6~5.7 设计综合和设计约束
5.8~5.9 设计实现和时序仿真
5.10 生成比特流和下载设计
第6章 Verilog HDL语言规范(一)
6.2 Verilog HDL程序结构
6.3 Verilog HDL描述方式
6.4 Verilog HDL语言要素
6.5 Verilog HDL数据类型
第6章 Verilog HDL语言规范(二)
6.5 Verilog HDL数据类型
6.6 Verilog HDL表达式
6.7 Verilog HDL分配
6.8 Verilog HDL门级和开关级描述
6.10 Verilog HDL行为描述语句
第6章 Verilog HDL语言规范(三)
6.10 Verilog HDL行为描述语句
6.11 Verilog HDL任务和函数
6.12 Verilog HDL层次化结构
6.17 Verilog HDL系统任务和函数
熟悉Vivado设计流程,并使用Verilog HDL完成设计目标
学生讲解第二次作业
信工1702班李天凌讲解第二次作业
信工1702班黄玥讲解第二次作业
第7章 基本逻辑单元Verilog HDL描述
7.1 组合逻辑电路Verilog HDL描述
7.2 数据运算操作Verilog HDL描述
7.3 时序逻辑电路Verilog HDL描述
7.4 存储器Verilog HDL描述
7.5 有限自动状态机Verilog HDL描述
第8章 Verilog HDL复杂数字系统设计实例
8.1 梦幻呼吸灯的设计和演示(学生讲解)
8.2 七段数码管的驱动和演示(学生讲解)
8.3 七段数码管上贪吃蛇的实现和演示(学生讲解)
8.4 数学运算及七段数码管显示的实现和演示(学生讲解)
8.5 计数器、移位寄存器在LED显示的设计和演示(学生讲解)
第8章 Verilog HDL复杂数字系统设计(二)
8.4 VGA驱动原理
8.5 VGA上显示彩条的实现
8.6 VGA上显示动态图像的实现
8.7 VGA上显示运动图片的实现
8.8 动态视频的捕获和图像处理的实现(学生讲解)
第9章 IP核封装原理和实现
9.1 Vivdo定制IP流程导论
9.2 IP核封装的实现
9.3 IP核调用的实现
第10章 FPGA调试原理和调试实现
10.1 设计调试原理和方法
10.2 FIFO IP的生成和调用
10.3 网表插入探测流程方法及实现
第11章 数字系统高级设计方法
11.1 数字系统设计目标
11.2 时序的基本概念
11.3 逻辑复制和复用
11.4 并行和流水线
11.5 同步和异步单元
学习该课程可先修《数字电路》或《数字逻辑》课程,需要掌握的知识点包括:
1)开关系统
2)半导体数字集成电路
3)基本逻辑门电路分析
4)逻辑代数理论
5)逻辑表达式化简
6)数字码制表示和转换
7)组合逻辑电路
8)时序逻辑电路
为积极响应国家低碳环保政策, 2021年秋季学期开始,中国大学MOOC平台将取消纸质版的认证证书,仅提供电子版的认证证书服务,证书申请方式和流程不变。
电子版认证证书支持查询验证,可通过扫描证书上的二维码进行有效性查询,或者访问 https://www.icourse163.org/verify,通过证书编号进行查询。学生可在“个人中心-证书-查看证书”页面自行下载、打印电子版认证证书。
完成课程教学内容学习和考核,成绩达到课程考核标准的学生(每门课程的考核标准不同,详见课程内的评分标准),具备申请认证证书资格,可在证书申请开放期间(以申请页面显示的时间为准),完成在线付费申请。
认证证书申请注意事项:
1. 根据国家相关法律法规要求,认证证书申请时要求进行实名认证,请保证所提交的实名认证信息真实完整有效。
2. 完成实名认证并支付后,系统将自动生成并发送电子版认证证书。电子版认证证书生成后不支持退费。
[1] 何宾。Intel Quartus Prime数字系统设计权威指南:从数字逻辑、Verilog HDL到复杂数字系统的实现。北京:电子工业出版社。2020.07(课程教材)
[1] 何宾。EDA原理及Verilog HDL实现(第一版)。北京:清华大学出版社。2017.1。(课程教材)
[2] 何宾。Xiinx Vivado数字设计权威指南。北京:电子工业出版社。2019.06(参考书)
[3] 何宾。EDA原理及VHDL实现(第一版)。北京:清华大学出版社。2016.12。(课程教材)
1。该课程的学习难点是什么?
主要集中在对传统数字电路的理解和认识,因为对于这些知识的理解,会直接影响到学生对verilog HDL和FPGA内部结构的理解和认识。因此,在课程中在对传统数字电路知识讲解时,引入了Multisim的spice仿真工具,通过虚实结合的方式,使得学生能真正理解数字电路中的关键知识点。
2。Veilog HDL和VHDL的理解难点?
对于Verilog HDL和VHDL的理解,绝不能以学习C语言的思维来理解它,这是因为Verilog HDL和VHDL是对数字系统中组合逻辑和时序逻辑的高层次抽象描述,需要从硬件的角度理解它。
3。如何在短时间内掌握该课程的内容?
需要通过在实际的FPGA芯片上通过Verilog HDL/VHDL构建数字系统来理解和掌握课程内容,因此课程中设置了一些实验内容帮助学生的学习。
4。学完这门课程后有什么用?
一方面,可以帮助学生学习后续的计算机硬件课程,包括计算机组成原理、微机原理及接口技术、单片机原理及应用等。
另一方面,FPGA在人工智能(AI)、大数据、云计算,以及物联网中都有重要的应用。全球知名的亚马逊、阿里、华为等所构建的云计算平台都会使用FPGA作为加速处理数据的手段。
5。FPGA内部结构有时听上去比较抽象?
在课程中,通过使用Vivado和Quartus集成开发工具再现FPGA内部的结构细节,直观的给出FPGA内部结构与Verilog HDL(VHDL),以及组合逻辑和时序逻辑之间的关系。
6。课程如何反映最新的FPGA设计技术?
课程会根据FPGA技术的发展,不断更新课程内容,课程将全球最新的FPGA设计技术带给国内广大的学习者,保持与全球的同步。课程内容的任何更新,都会第一时间内通过公告的形式发布。
7。课程内容如何满足不同使用者的需求?
为了满足使用Xilinx FPGA平台和Intel FPGA平台的高校教师和学生的不同需求,课程在国内首次覆盖了Xilinx的FPGA硬件和软件以及Intel FPGA硬件和软件,这样能基本满足90%的国内学习者的需求。