南方医科大学本科专业教学大纲

EDA技术与应用

Electronic Design Automation

适用专业：电子信息工程

生物医学工程（影像工程方向）本科

 

 

              

 

 

 

 

 

执笔人：刘娅琴

审定人：李伟鹏

学院负责人：陈武凡

 

 

 

南方医科大学教务处

二○○六年十二月

课程编号：B030005

一、课程简介

本课程是电子信息等专业的一门重要的专业技术必修课程。现代电子设计技术的核心是EDA(Electronic Design Automation)技术，而EDA的技术基础是PLD（Programmable Logic Device）和EDA软件平台。通过本课程的学习使学生基本掌握在EDA软件平台上，利用硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)进行数字系统设计，完成系统的逻辑描述，完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合以及逻辑优化和仿真测试，下载到PLD中，实现既定的逻辑电子线路系统功能。

通过学习这门课程，使学生掌握利用软件设计开发硬件电路的基本技能，为以后在论文设计和科学研究工作中的应用打下良好基础。

课程性质：专业基础课

先修课程：数字电子技术、模拟电子技术、单片机、VB或VC等

后续课程：嵌入式系统、DSP处理器及应用、电子产品设计等

总学时：54学时，其中理论课36学时；实验课18学时。总学分2.5分。

 

Introduction

This course is important for the undergraduate students majored in electronic information and so on. It is the primary purpose to design digital system with HDL by EDA software platform in this course. The student can design digital hardware circuit with HDL after studying this course. An understanding of this course is fundamental to the design and research for the future.

Total class-hour: 54
Theoretical teaching: 36
Experimenting teaching: 18

 

 

二、教学内容与要求

本课程主要内容：

EDA技术与应用概述、EDA设计流程及其工具、FPGA/CPLD结构与应用、原理图输入设计方法、VHDL语言、有限状态机设计、设计优化和设计方法、EDA工具软件接口、电子系统设计实践。

教学要求：

1．了解EDA技术的发展、可编程逻辑器件的发展历程、传统的电子线路设计与EDA技术的区别及联系，了解FPGA/CPLD结构、特点、功能描述、输出配置、一般性测试等，为掌握EDA技术打下坚实的基础。

2．掌握MAX+PLUSⅡ的安装，掌握在MAX+PLUSⅡ的软件平台上进行逻辑设计的几种输入方法，掌握设计项目的编译、仿真、定时分析、器件编程等。了解设计过程中出现的竞争-冒险现象及采取的措施。

3、掌握硬件描述语言VHDL的程序结构、语言要素、VHDL的描述风格、仿真、综合等。会利用VHDL语言进行简单的电路设计。

4、掌握Moore型三进程有限状态机的设计，了解Mealy型有限状态机的设计。

理解面积优化和速度优化的含义，了解MAX+plusII的优化设计、MAX+plusII与第三方的接口技术。

5、掌握电子系统的一般设计步骤。通过EDA设计综合实验，熟悉电子系统层次化设计与基本设计全过程，初步具备解决实际问题的综合能力。

 

第一部分 概述

一、目的和要求：

    EDA技术是现代电子设计技术的核心，而EDA的技术基础是PLD（Programmable Logic Device）和EDA软件平台。要求学生了解EDA技术的发展、VHDL语言的用途和特性、传统的电子线路设计与EDA技术的区别及联系。

二、主要内容：

EDA技术及其发展；EDA技术实现目标；硬件描述语言VHDL介绍；VHDL综合介绍；基于VHDL的自顶向下设计方法；EDA与传统电子设计方法的比较；EDA的发展趋势。

三、学习重点和难点：

重点：基于VHDL的自顶向下设计方法；EDA与传统电子设计方法的比较。

难点：VHDL综合。

四、教学方法：

课堂讲授2学时。

 

第二部分 EDA设计流程及其工具

一、目的和要求：

EDA的技术基础之一就是EDA软件平台，熟悉EDA设计流程及其工具是必需的。要求学生掌握FPGACPLD设计流程，熟练使用MAX+plusII。了解常用EDA工具和IP核。熟悉EDA设计流程中硬件设备的正确使用，从而能完成更多的实验和开发项目。  

二、主要内容：

FPGACPLD设计流程：设计输入（原理图HDL文本编辑）；VHDL综合流程学习（适配；时序仿真与功能仿真；编程下载；硬件测试等）；ASIC及其设计流程（ASIC设计方法；一般ASIC设计的流程）；常用EDA工具（设计输入编辑器；HDL综合器；仿真器；适配器(布局布线器)；下载器）； MAX+plusII概述；IP核介绍。

三、学习重点和难点：

重点：FPGACPLD设计流程；MAX+plusII操作界面及熟练使用；EDA设计流程中硬件设备的正确使用。

难点：IP核。

四、教学方法：

课堂讲授2学时，实验3学时。

 

第三部分  FPGA/CPLD结构与应用

一、目的和要求：

EDA的另一个技术基础是PLD（Programmable Logic Device），熟悉可编程逻辑器件是必需的。要求学生了解可编程逻辑器件的发展历程、了解FPGA/CPLD结构、特点、功能描述、输出配置、一般性测试等，为掌握EDA技术打下坚实的基础。   

二、主要内容：

简单PLD原理；CPLD 结构与工作原理；FPGA结构与工作原理；FPGACPLD测试技术；FPGA/CPLD测试技术； CPLD和FPGA的编程与配置。

三、学习重点和难点：

重点：FPGA/CPLD测试技术；CPLD和FPGA的编程与配置方法。

难点：CPLD/FPGA 结构与工作原理。

四、教学方法：

课堂讲授4学时。

 

第四部分 原理图输入设计方法

一、目的和要求：

原理图输入设计方法是MAX+PLUSⅡ的输入方法之一。要求学生掌握MAX+PLUSⅡ的安装、在MAX+PLUSⅡ的软件平台上进行原理图输入设计，掌握设计项目的编译、仿真、定时分析、器件编程等。了解设计过程中出现的竞争—冒险现象及采取的措施。   

二、主要内容：

1位全加器设计向导；2位十进制数字频率计设计（设计有时钟使能的两位十进制计数器；频率计主结构电路设计；测频时序控制电路设计；频率计顶层电路设计）；参数可设置LPM兆功能块（基于LPM_COUNTER的数控分频器设计；基于LPM_ROM的4位乘法器设计）；波形输入设计方法。

三、学习重点和难点：

重点：1位全加器原理图输入设计；参数可设置LPM兆功能块的设计方式；2位十进制数字频率计设计。

难点：2位十进制数字频率计设计。

四、教学方法：

课堂讲授3学时，实验3学时。

 

第五部分 VHDL语言

一、目的和要求：

VHDL文本输入设计方法是MAX+PLUSⅡ的另一种输入方法。要求学生掌握硬件描述语言VHDL的程序结构、语言要素、VHDL的描述风格、仿真、综合等，会利用VHDL语言进行简单的电路设计。   

二、主要内容：

VHDL设计初步：多路选择器VHDL描述；寄存器描述及其VHDL语言现象；1位二进制全加器的VHDL设计；VHDL文本输入设计方法初步。

VHDL设计初步进阶：4位加法数器的VHDL描述；不同工作方式的时序电路设计；数据对象DATA OBJECTS；双向电路和三态控制电路设计；进程语句结构；仿真延时。

VHDL结构与要素：实体；结构体；子程序；VHDL库；VHDL程序包；配置；VHDL文字规则；数据类型；VHDL操作符。

VHDL基本语句：顺序语句；并行语句；属性描述与定义语句。

三、学习重点和难点：

重点：VHDL硬件描述语言的基本语句和语法；2选1多路选择器的VHDL描述程序设计；D触发器VHDL描述程序设计；全加器描述和例化语句；4位加法数器的VHDL描述。

难点：异步时序电路设计；进程语句结构。

四、教学方法：

课堂讲授14学时，实验6学时。

 

第六部分 有限状态机设计

一、目的和要求：

有限状态机及其设计技术是实用数字系统设计中的重要组成部分，也是实现高效率高可靠逻辑控制的重要途径。要求掌握Moore型三进程有限状态机的设计，了解Mealy型有限状态机的设计。

二、主要内容：

一般有限状态机的设计，Moore型有限状态机的设计，Mealy型有限状态机的设计。

三、学习重点和难点：

重点：Moore型有限状态机的设计。

难点：Mealy型有限状态机的设计。

四、教学方法：

课堂讲授4学时，实验3学时。

 

第七部分 设计优化和设计方法

一、目的和要求：

面积优化和速度优化影响到FPGA/CPLD的资源利用和性能，它们是EDA设计中的设计技巧。要求学生理解面积优化和速度优化的含义，了解MAX+plusII的优化设计。

二、主要内容：

面积优化；速度优化；MAX+plusII的优化设计。

三、学习重点和难点：

重点：面积优化和速度优化的含义。

难点：MAX+plusII的优化设计。

四、教学方法：

课堂讲授2学时。

 

第八部分 EDA工具软件接口

一、目的和要求：

通过在不同的综合与模拟层次上选用更适合的EDA工具进行系统设计可以提高项目的设计效率和质量。要求学生了解MAX+plusII与第三方的接口技术。

二、主要内容：

EDA软件接口流程；Synplify与MAX+plusII的接口；ModelSim与MAX+plusII的接口。

三、学习重点和难点：

重点：MAX+plusII与第三方的接口技术。

难点：MAX+plusII与第三方的接口技术。

四、教学方法：

课堂讲授2学时。

 

第九部分 电子系统设计实践

一、目的和要求：

电子系统设计实践具有一定的综合性。要求学生掌握电子系统的一般设计步骤。通过EDA设计综合实验，熟悉电子系统层次化设计与基本设计全过程，初步具备解决实际问题的综合能力。

二、主要内容：

高速A/D采样控制设计（结合学生实际情况也可选用其它电子系统的设计）。

三、学习重点和难点：

重点：电子系统的一般设计实践。

难点：电子系统的测试。

四、教学方法：

实验3学时，实验3学时。

 

 

三、实验内容与要求

实验一 KHF—IV型CPLD/FPGA实验开发系统使用说明

掌握MAX+plusII设计平台软件常用工具的使用。理解实验开发系统原理。了解实验电路结构图。

 

实验二 原理图输入设计方法

熟悉原理图输入设计的用户界面。熟练使用原理图输入设计1位全加器，用参数可设置LPM兆功能块。

 

实验三 VHDL入门

熟悉VHDL设计的用户界面。熟练使用VHDL输入设计2选1多路选择器，1位全加器VHDL文本输入设计。

 

实验四 VHDL深入

加强对VHDL语言基本语句的理解，进一步学习进阶设计。

 

实验五 有限状态机设计技术

掌握用VHDL设计有限状态机的方法。

 

实验六  电子系统设计实践

使用EDA开发设计工具进行综合设计，提高学生应用水平。

 

说明：还可以根据实际情况从以下实验内容中选做实验。

1.   原理图输入方法练习：

1.1  简单电路的设计

1.2  利用宏功能模块的设计

2.   VHDL语言练习：

2.1  用VHDL语言设计移位寄存器

2.2  用VHDL语言设计高速A/D采样控制

2.3  用VHDL语言设计实时时钟

2.4  汽车尾灯设计

2.5  序列检测器的设计

2.6  正负脉宽数控调制信号发生器的设计

2.7  数字频率计的设计

2.8  秒表的设计

2.9  MCS–51单片机与FPGA/CPLD总线接口逻辑设计

2.10交通灯信号控制器的设计

2.11语音信箱控制系统的设计

2.12  PID控制器的设计

2.13  空调系统有限状态自动机的设计

2.14  闹钟系统的设计

 

 

四、基本技能要求

基本技能项目	要     求
1、会用工具	掌握在MAX+PLUSⅡ的软件平台上进行逻辑设计的几种输入方法，掌握设计项目的编译、仿真、定时分析、器件编程等。
2、熟悉语言	掌握硬件描述语言VHDL的程序结构、语言要素、VHDL的描述风格、仿真、综合等。会利用VHDL语言进行简单的电路设计。
3、设计电路	掌握电子系统的一般设计步骤。熟悉电子系统层次化设计与基本设计全过程，初步具备解决实际问题的综合能力。

 

 

五、教材与教学资源

一、选用教材：《EDA技术实用教材》（第二版），潘松、黄继业编著，科学出版社，2005

二、参考书名称

1、潘松、黄继业编著，《EDA技术与VHDL》，清华大学出版社，2005

2、边计年主编，《用VHDL设计电子线路》，清华大学出版社，2000

3、江国强编著，《EDA技术与应用》，电子工业出版社，2004

三、相关学科网址

可编程逻辑器件中文网站：

http://www.fpga.com.cn

 

 

六、考核

一、考核种类：有理论考试、实验考核和平时考核。

二、考核命题：理论考试命题为教学大纲中内容，实验考核依据为考勤、实验态度、实验动手能力、实验报告；平时考核依据为考勤、学习态度、课堂表现、作业情况（数量、质量）。

三、考试时间：理论考试时间为120分钟。

四、计分方法：理论考试以手工改题、记分,实验成绩以实验考核计分，平时成绩以平时考核计分。

五、课程成绩组成：理论考试成绩占60%，实验考核成绩占30%；平时考核成绩占10%。

 

 

七、教学时数分配

(一)理论课学时分配 

 

(二)实验课学时分配 

 

 

八、课程实施要求及相关说明

（一）教学组的组成：EDA技术与应用的理论教学与实验教学均为电子技术系老师。

（二）教学方法的要求：

课堂教学与实验教学相结合：在课堂讲授中要突出重点和难点，将理论知识融合到电子设计自动化（EDA）开发设计实例中，使学生在学习了相关知识后能够立即动手具有一定应用价值的电路，真正做到学以致用。

充分利用其它的教学辅助手段和方式：结合课后作业开展答疑辅导；可以在一些学生中开展一定的教学科研活动。

（三）本课程要求学生自己在课后花一定的时间练习，学完本课程后，应能较系统地了解并掌握EDA技术的基本理论和工程开发实用技术，能够利用VHDL语言设计中小规模电路,并能独立完成上机调试仿真。

（四）实验内容及方法

实验课安排6次，每次3学时，安排时要考虑到和理论课的进度一致。

（五）其他

本课程作为必修课在我校还是刚起步，教学过程中可以根据实际情况对本教学大纲进一步修订。