《物联网硬件设计与实践》课程教学大纲（本科）.docx

物联网硬件设计与实践(Design and Practice of Hardware of Internet of Things)课程代码：06410042学 分：L0学 时：32 （其中：讲课学时：0 实验学时：32 上机学时：0）先修课程：物联网工程概论、通信电路基础、物联网硬件基础适用专业：物联网工程开课学院：计第机科学与通信匚程学院一、课程性质与课程目标（一）课程性质配合物联网硬件基础课程的教学内容，通过实验让学生了解和熟悉数字 电路的逻辑设计方法和计算机各个功能单元的原理和设计技术，巩固课堂教学的 理论知识，使物联网专业学生具备逻辑和计算机电路的基本设计能力。（-）课程目标课程目标1：掌握可编程逻辑器件开发设计和验证的方法和流程；课程目标2：掌握硬件描述语言设计和描述数字系统的方法；课程目标3：掌握计算机系统的逻辑设计方法；课程目标4：初步具备逻辑电路和系统需求分析和设计的能力；课程目标5：使学生具有撰写设计分析报告的能力；（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求指标点10. 3. 11. io1 .毕业要求10.3：能够就物联网领域复杂工程问题，运用恰当专业术语与 他人进行有效交流和沟通。2 .毕业要求11.1：理解物联网工程活动中涉及的重要经济与管理因素，并 能应用于物联网工程问题的表述中。目标 毕业要求指焉课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4课程目标5毕业要求10. 3V毕业要求11. 1-本课程开设的实验项目编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程目标1全加器设计和验证4综合必做目标1、4、52七段码显示译码器的设计4设计必做目标 1、2、4、53同步十进制加法计数器的设计4设计必做目标 1、2、4、54交通灯控制器的设计4设计必做目标 1、2、4、55数据通路实验4验证必做目标 1、2、3、4、56指令系统实验4设计必做目标1、3、57硬连线控制器实验4设计必做目标 1、2、3、4、58微程序控制器实验4设计必做目标 1、2、3、4, 5实验1全加器的设计与验证1、实验目的(1)掌握用原理图设计组合逻辑电路的方法；(2)进一步加深对半加器、全加器的逻辑功能的理解。2、实验主要内容(1)根据半加器、全加器的真值表，求出输出函数；(2)在设计软件中将输出函数转换为电路原理图；(3)分配引脚、编译设计、下载到数字系统实验箱的FPGA芯片中验证逻 辑功能。3、设备要求(1) PC 机一台;(2)安装好Quartus II软件。实验2七段码显示译码器的设计1、实验目的(1) 了解数码管的工作原理；(2)学习七段数码管显示译码器的设计。2、实验主要内容(1)预习动态数码管显示的相关内容，根据实验内容，写出设计方案；(2)使用Verilog HDL语言完成代码的设计；(3)使用四个开关作为四位二进制的输入，选择数字信号源模块的时钟 频率，下载电路到实验开发系统验证结果；(4)理解动态扫描的原理，改变扫描时钟频率会有什么变化，总结动态 扫描的频率达到多少时会有稳定的输出。3、设备要求(1) PC 机一台;(2)安装好Quartus H软件。实验3同步十进制加法计数器的设计1、实验目的(1)学会使用Verilog HDL语言设计时序电路;(2)用Verilog HDL语言设计同步十进制加法计数器功能模块。2、实验主要内容(1)用Verilog 11DL设计一个具有复位、使能功能的同步十进制加法计 数器；(2)通过仿真验证结果正确性；(3)并以原理图设计方法调用所设计的计数器模块、显示输出模块，画 出完整的计数器电路。3、设备要求(1) PC 机一台；(2)安装好Quartus H软件。实验4交通灯控制器的设计1、实验目的(1)学会使用Verilog HDL语言设计时序电路；(2)用Verilog HDL语言设计描述电路的顶层模块。2、实验主要内容(1)用Verilog HDL设计一个具有复位、使能功能的交通灯控制器；(2)以Verilog HDL语言描述调用所用到的计数器模块、时间显示模块, 画出完整的计数器电路；(3)在实验箱上验证电路的功能。3、设备要求(1) PC 机一台；(2)安装好Quartus II软件。实验5数据通路实验1、实验目的(1)掌握数据通路的设计和HDL描述方法；(2) 了解处理器数据通路的数据流；(3)通过控制信号观察Simplest CPU的数据流动。2、实验主要内容(1)将数据通路的设计补充完整；(2)分配引脚、编译设计、下载数据通路到实验箱FPGA芯片；(3)运行PC端控制软件，与芯片中的数据通路建立连接；(4)通过软件端发出控制信号，观察数据通路中数据的流动，并记录结 果。3、设备要求(1) PC 机一台；(2)安装好Quartus II软件。实验6指令系统实验1、实验目的(I)加深对处理器指令系统的理解和认识；(2)初步了解汇编语言程序设计。2、实验主要内容(1)编写完成数列求和的汇编语言程序;(2)手工将程序转变为存储器中的机器码；(3)根据机器码将存储器的描述补充完整；(4)编译设计，下载到实验箱上，观察程序的结果。3、设备要求(1) PC 机一台；(2)安装好Quartus II软件。实验7硬连线控制器设计1、实验目的(1)理解和掌握硬连线控制器的工作原理；(2)用Verilog HDL描述设计硬连线控制器。2、实验主要内容(1)打开提供的工程，阅读理解硬连线控制器的已有代码；(2)根据提供的代码模版，用Verilog HDL代码补充完成硬连线控制器 的其它部分；(3)编译设计，下载到实验箱上根据实验表格，观察记录结果，验证设 计的控制器是否完成了其逻辑功能。3、设备要求(1) PC 机一台;(2)安装好Quartus II软件。实验8微程序控制器实验1、实验目的(1)理解微程序控制器工作原理；(2)掌握微程序控制器的设计和IIDL描述方法；(3)掌握指令系统的微程序实现方法。2、实验主要内容(1)将微程序控制器的HDL描述代码补充完整；(2)用Verilog HDL描述Simplest CPU的指令微程序;(3)分配引脚、编译设计，下载到实验箱FPGA芯片中，根据实验表格的 测试项目，观察和记录结果，验证设计是否正确。3、设备要求PC 机一台；（2）安装好Quartus 11软件。三、考核与评定（-）实验项目考核要求1、实验评价内容评分项 编号实验评价内容所占 比重要求备注1实验方案设计能力10%透彻把握实验任务，完成实验 方案2问题分析和求解能力60%制定实验方案或根据推荐实 验方案开展实验，对实验结果 进行分析、研究。3开发工具应用能力10%熟练掌握开发工具4实验总结能力10%表述实验得失成败，收获与不 足5报告认真，按时提交10%书写规范、清晰，按时提交2、实验报告考核要求（每次实验报告按100分计算）项目优良中及格不及格实验方案能够根据计能透彻把握不能透彻把基本理解和不能把握实设计能力算机部件的实验任务，方握实验任务，把握实验任验任务，无（10 分）功能，透彻把 握实验任务， 独立、正确设 计实验方案。（9-10 分）案设计完整， 有少许错误。 （8分）方案设计不 完整。（7分）务和方案设 计。（6分）法独立完成 实验方案设 计。（6分以 下）问题分析实验结果正有少许错误。错误较多。错误非常多。无法得到正和求解能力（60分）确，分析正 确。（54-60 分）（48-53 分）（42-47 分）（36-41 分）确的实验结 果。（36分以 下）开发工具熟练并正确正确使用开能独立使用协助下能使不能独立完应用能力使用开发工发工具。（8开发工具。（7用开发工具。成。（6分以（10 分）具。（9-10 分）分）分）（6分）下）实验总结表述有条理，表述较有条表述条理基生搬硬套，语书写随意。能力（10 分）有独立见解。（9-10 分）理，言之有 物。（8分）本清楚。（7 分）句空洞。（6 分）（6分以下）报告认真， 按时提交， 10分报告清楚，按 时提交。 （9-10 分）报告较清楚， 按时提交。（8 分）未按时提交， 但报告清楚。 （7分）未按时提交， 报告基本清 楚。（6分）未按时提 交，报告不 清楚。（6分 以下）（二）实验课程成绩评定1 .实验课程考核方式包括实验准备和课外实验、实验成绩和实验报告成绩。2 .课程成绩二实验准备和课外实验考核成绩xl5%+实验成绩x50%+实验报 告成绩x35%。具体构成如下:考核方式 或途径考核要求考核权重对指标点 支持备注实验准备 和课外实 验成绩实验准备:课外完成5-10个附加实验, 主要考核学生对每次实验的准备情况， 以及实验的理解和掌握程度，按10%计 入总成绩。10%10.3点名及实验课堂检查：以随机的形式， 根据回答的正确度给分,结合平时的点 名（缺一次扣一分），最后按5%计入课 程总成绩。5%10.311. 1实验成绩完成16个实验，主要考核学生利用实 验设备设计、验证逻辑电路的能力、掌 握EDA工具编程应用的能力并对实验 结果进行分析的能力，最后按50%计入 课程总成绩。50%10.311. 1实验报告 成绩根据提交的实验报告，按照报告格式、 内容给出报告成绩，计入课程总成绩的 35%。35%10.3 （80% 左右）11. 1 （20% 左右）注：L考核形式包括实验报告、平时表现（预习、操作）、实验课程考试、答辩等;2.可根据专业课程实际情况进行适当调笔玄J或补充。四、大纲说明1、采用实践教学，在实验室完成所有的实验。2、每次实验课后布置一些课外实验，主要是本次实验的扩展和下次实验内容的预习和准备。3、本课程结束后安排1.5周的课程设计，要求见物联网硬件课程设计教学 大纲。4、参考书目及学习资料（1） 数字设计与计算机体系结构（第二版），David Money Harris, SarahL.Harris著，陈俊颖译，机械工业出版社，2016年4月Digital Design and Computer Architeclureh 英文第 1 版影印版，David Money Harris 和 Sarah L. Harris 著，机械工业出版社，2008 年。（2） Logic and Computer Design Fundamentals，英文第 4 版影印版， M.Morris Mano 和 Charles R. Kime 著，机械工业出版社，2（） 10 年。（3） 计算机结构与逻辑设计，黄正谨编著，高等教育出版社，2001年。（4） 数字逻辑电路设计，第二版，鲍可进、赵念强、赵不贿编著，清华大学出版社，2010。（5） 计算机组成原理，肖铁军主编，清华大学出版社，2010年。（6） 计算机组成原理，蒋本珊编著，清华大学出版社，2008年9月第二版。审定人：熊书明2017年8月29日