《物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計與實踐》課程教學(xué)大綱（本科）

1、物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計與實踐(Design and Practice of Hardware of Internet of Things)課程代碼：06410042學(xué) 分：L0學(xué) 時：32 （其中：講課學(xué)時：0 實驗學(xué)時：32 上機學(xué)時：0）先修課程：物聯(lián)網(wǎng)工程概論、通信電路基礎(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎(chǔ)適用專業(yè)：物聯(lián)網(wǎng)工程開課學(xué)院：計第機科學(xué)與通信匚程學(xué)院一、課程性質(zhì)與課程目標(biāo)（一）課程性質(zhì)配合物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容，通過實驗讓學(xué)生了解和熟悉數(shù)字 電路的邏輯設(shè)計方法和計算機各個功能單元的原理和設(shè)計技術(shù)，鞏固課堂教學(xué)的 理論知識，使物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生具備邏輯和計算機電路的基本設(shè)計能力。（-）課程目標(biāo)課程目標(biāo)1

2、：掌握可編程邏輯器件開發(fā)設(shè)計和驗證的方法和流程；課程目標(biāo)2：掌握硬件描述語言設(shè)計和描述數(shù)字系統(tǒng)的方法；課程目標(biāo)3：掌握計算機系統(tǒng)的邏輯設(shè)計方法；課程目標(biāo)4：初步具備邏輯電路和系統(tǒng)需求分析和設(shè)計的能力；課程目標(biāo)5：使學(xué)生具有撰寫設(shè)計分析報告的能力；（三）課程目標(biāo)與專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系本課程支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求指標(biāo)點10. 3. 11. io.畢業(yè)要求10.3：能夠就物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，運用恰當(dāng)專業(yè)術(shù)語與 他人進行有效交流和溝通。.畢業(yè)要求11.1：理解物聯(lián)網(wǎng)工程活動中涉及的重要經(jīng)濟與管理因素，并 能應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)工程問題的表述中。目標(biāo) 畢業(yè)要求指焉課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3課

3、程目標(biāo)4課程目標(biāo)5畢業(yè)要求10. 3V畢業(yè)要求11. 1-本課程開設(shè)的實驗項目編號實驗項目名稱學(xué)時類型要求支撐的課程目標(biāo)1全加器設(shè)計和驗證4綜合必做目標(biāo)1、4、52七段碼顯示譯碼器的設(shè)計4設(shè)計必做目標(biāo) 1、2、4、53同步十進制加法計數(shù)器的設(shè)計4設(shè)計必做目標(biāo) 1、2、4、54交通燈控制器的設(shè)計4設(shè)計必做目標(biāo) 1、2、4、55數(shù)據(jù)通路實驗4驗證必做目標(biāo) 1、2、3、4、56指令系統(tǒng)實驗4設(shè)計必做目標(biāo)1、3、57硬連線控制器實驗4設(shè)計必做目標(biāo) 1、2、3、4、58微程序控制器實驗4設(shè)計必做目標(biāo) 1、2、3、4, 5實驗1全加器的設(shè)計與驗證1、實驗?zāi)康?1)掌握用原理圖設(shè)計組合邏輯電路的方法；(2)

4、進一步加深對半加器、全加器的邏輯功能的理解。2、實驗主要內(nèi)容(1)根據(jù)半加器、全加器的真值表，求出輸出函數(shù)；(2)在設(shè)計軟件中將輸出函數(shù)轉(zhuǎn)換為電路原理圖；(3)分配引腳、編譯設(shè)計、下載到數(shù)字系統(tǒng)實驗箱的FPGA芯片中驗證邏 輯功能。3、設(shè)備要求(1) PC 機一臺;(2)安裝好Quartus II軟件。實驗2七段碼顯示譯碼器的設(shè)計1、實驗?zāi)康?1) 了解數(shù)碼管的工作原理；(2)學(xué)習(xí)七段數(shù)碼管顯示譯碼器的設(shè)計。2、實驗主要內(nèi)容(1)預(yù)習(xí)動態(tài)數(shù)碼管顯示的相關(guān)內(nèi)容，根據(jù)實驗內(nèi)容，寫出設(shè)計方案；(2)使用Verilog HDL語言完成代碼的設(shè)計；(3)使用四個開關(guān)作為四位二進制的輸入，選擇數(shù)字信號源模

5、塊的時鐘 頻率，下載電路到實驗開發(fā)系統(tǒng)驗證結(jié)果；(4)理解動態(tài)掃描的原理，改變掃描時鐘頻率會有什么變化，總結(jié)動態(tài) 掃描的頻率達到多少時會有穩(wěn)定的輸出。3、設(shè)備要求(1) PC 機一臺;(2)安裝好Quartus H軟件。實驗3同步十進制加法計數(shù)器的設(shè)計1、實驗?zāi)康?1)學(xué)會使用Verilog HDL語言設(shè)計時序電路;(2)用Verilog HDL語言設(shè)計同步十進制加法計數(shù)器功能模塊。2、實驗主要內(nèi)容(1)用Verilog 11DL設(shè)計一個具有復(fù)位、使能功能的同步十進制加法計 數(shù)器；(2)通過仿真驗證結(jié)果正確性；(3)并以原理圖設(shè)計方法調(diào)用所設(shè)計的計數(shù)器模塊、顯示輸出模塊，畫 出完整的計數(shù)器電路

6、。3、設(shè)備要求(1) PC 機一臺；(2)安裝好Quartus H軟件。實驗4交通燈控制器的設(shè)計1、實驗?zāi)康?1)學(xué)會使用Verilog HDL語言設(shè)計時序電路；(2)用Verilog HDL語言設(shè)計描述電路的頂層模塊。2、實驗主要內(nèi)容(1)用Verilog HDL設(shè)計一個具有復(fù)位、使能功能的交通燈控制器；(2)以Verilog HDL語言描述調(diào)用所用到的計數(shù)器模塊、時間顯示模塊, 畫出完整的計數(shù)器電路；(3)在實驗箱上驗證電路的功能。3、設(shè)備要求(1) PC 機一臺；(2)安裝好Quartus II軟件。實驗5數(shù)據(jù)通路實驗1、實驗?zāi)康?1)掌握數(shù)據(jù)通路的設(shè)計和HDL描述方法；(2) 了解處理

7、器數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)流；(3)通過控制信號觀察Simplest CPU的數(shù)據(jù)流動。2、實驗主要內(nèi)容(1)將數(shù)據(jù)通路的設(shè)計補充完整；(2)分配引腳、編譯設(shè)計、下載數(shù)據(jù)通路到實驗箱FPGA芯片；(3)運行PC端控制軟件，與芯片中的數(shù)據(jù)通路建立連接；(4)通過軟件端發(fā)出控制信號，觀察數(shù)據(jù)通路中數(shù)據(jù)的流動，并記錄結(jié) 果。3、設(shè)備要求(1) PC 機一臺；(2)安裝好Quartus II軟件。實驗6指令系統(tǒng)實驗1、實驗?zāi)康?I)加深對處理器指令系統(tǒng)的理解和認(rèn)識；(2)初步了解匯編語言程序設(shè)計。2、實驗主要內(nèi)容(1)編寫完成數(shù)列求和的匯編語言程序;(2)手工將程序轉(zhuǎn)變?yōu)榇鎯ζ髦械臋C器碼；(3)根據(jù)機器碼將存儲

8、器的描述補充完整；(4)編譯設(shè)計，下載到實驗箱上，觀察程序的結(jié)果。3、設(shè)備要求(1) PC 機一臺；(2)安裝好Quartus II軟件。實驗7硬連線控制器設(shè)計1、實驗?zāi)康?1)理解和掌握硬連線控制器的工作原理；(2)用Verilog HDL描述設(shè)計硬連線控制器。2、實驗主要內(nèi)容(1)打開提供的工程，閱讀理解硬連線控制器的已有代碼；(2)根據(jù)提供的代碼模版，用Verilog HDL代碼補充完成硬連線控制器 的其它部分；(3)編譯設(shè)計，下載到實驗箱上根據(jù)實驗表格，觀察記錄結(jié)果，驗證設(shè) 計的控制器是否完成了其邏輯功能。3、設(shè)備要求(1) PC 機一臺;(2)安裝好Quartus II軟件。實驗8微

9、程序控制器實驗1、實驗?zāi)康?1)理解微程序控制器工作原理；(2)掌握微程序控制器的設(shè)計和IIDL描述方法；(3)掌握指令系統(tǒng)的微程序?qū)崿F(xiàn)方法。2、實驗主要內(nèi)容(1)將微程序控制器的HDL描述代碼補充完整；(2)用Verilog HDL描述Simplest CPU的指令微程序;(3)分配引腳、編譯設(shè)計，下載到實驗箱FPGA芯片中，根據(jù)實驗表格的 測試項目，觀察和記錄結(jié)果，驗證設(shè)計是否正確。3、設(shè)備要求PC 機一臺；（2）安裝好Quartus 11軟件。三、考核與評定（-）實驗項目考核要求1、實驗評價內(nèi)容評分項 編號實驗評價內(nèi)容所占 比重要求備注1實驗方案設(shè)計能力10%透徹把握實驗任務(wù)，完成實驗

10、方案2問題分析和求解能力60%制定實驗方案或根據(jù)推薦實 驗方案開展實驗，對實驗結(jié)果 進行分析、研究。3開發(fā)工具應(yīng)用能力10%熟練掌握開發(fā)工具4實驗總結(jié)能力10%表述實驗得失成敗，收獲與不 足5報告認(rèn)真，按時提交10%書寫規(guī)范、清晰，按時提交2、實驗報告考核要求（每次實驗報告按100分計算）項目優(yōu)良中及格不及格實驗方案能夠根據(jù)計能透徹把握不能透徹把基本理解和不能把握實設(shè)計能力算機部件的實驗任務(wù)，方握實驗任務(wù)，把握實驗任驗任務(wù)，無（10 分）功能，透徹把 握實驗任務(wù)， 獨立、正確設(shè) 計實驗方案。（9-10 分）案設(shè)計完整， 有少許錯誤。 （8分）方案設(shè)計不 完整。（7分）務(wù)和方案設(shè) 計。（6分）法

11、獨立完成 實驗方案設(shè) 計。（6分以 下）問題分析實驗結(jié)果正有少許錯誤。錯誤較多。錯誤非常多。無法得到正和求解能力（60分）確，分析正 確。（54-60 分）（48-53 分）（42-47 分）（36-41 分）確的實驗結(jié) 果。（36分以 下）開發(fā)工具熟練并正確正確使用開能獨立使用協(xié)助下能使不能獨立完應(yīng)用能力使用開發(fā)工發(fā)工具。（8開發(fā)工具。（7用開發(fā)工具。成。（6分以（10 分）具。（9-10 分）分）分）（6分）下）實驗總結(jié)表述有條理，表述較有條表述條理基生搬硬套，語書寫隨意。能力（10 分）有獨立見解。（9-10 分）理，言之有 物。（8分）本清楚。（7 分）句空洞。（6 分）（6分以下）報

12、告認(rèn)真， 按時提交， 10分報告清楚，按 時提交。 （9-10 分）報告較清楚， 按時提交。（8 分）未按時提交， 但報告清楚。 （7分）未按時提交， 報告基本清 楚。（6分）未按時提 交，報告不 清楚。（6分 以下）（二）實驗課程成績評定.實驗課程考核方式包括實驗準(zhǔn)備和課外實驗、實驗成績和實驗報告成績。.課程成績二實驗準(zhǔn)備和課外實驗考核成績xl5%+實驗成績x50%+實驗報 告成績x35%。具體構(gòu)成如下:考核方式 或途徑考核要求考核權(quán)重對指標(biāo)點 支持備注實驗準(zhǔn)備 和課外實 驗成績實驗準(zhǔn)備:課外完成5-10個附加實驗, 主要考核學(xué)生對每次實驗的準(zhǔn)備情況， 以及實驗的理解和掌握程度，按10%計

13、入總成績。10%10.3點名及實驗課堂檢查：以隨機的形式， 根據(jù)回答的正確度給分,結(jié)合平時的點 名（缺一次扣一分），最后按5%計入課 程總成績。5%10.311. 1實驗成績完成16個實驗，主要考核學(xué)生利用實 驗設(shè)備設(shè)計、驗證邏輯電路的能力、掌 握EDA工具編程應(yīng)用的能力并對實驗 結(jié)果進行分析的能力，最后按50%計入 課程總成績。50%10.311. 1實驗報告 成績根據(jù)提交的實驗報告，按照報告格式、 內(nèi)容給出報告成績，計入課程總成績的 35%。35%10.3 （80% 左右）11. 1 （20% 左右）注：L考核形式包括實驗報告、平時表現(xiàn)（預(yù)習(xí)、操作）、實驗課程考試、答辯等;2.可根據(jù)專業(yè)課

14、程實際情況進行適當(dāng)調(diào)筆玄J或補充。四、大綱說明1、采用實踐教學(xué)，在實驗室完成所有的實驗。2、每次實驗課后布置一些課外實驗，主要是本次實驗的擴展和下次實驗內(nèi)容的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備。3、本課程結(jié)束后安排1.5周的課程設(shè)計，要求見物聯(lián)網(wǎng)硬件課程設(shè)計教學(xué) 大綱。4、參考書目及學(xué)習(xí)資料數(shù)字設(shè)計與計算機體系結(jié)構(gòu)（第二版），David Money Harris, SarahL.Harris著，陳俊穎譯，機械工業(yè)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，機械工業(yè)出版社，2008 年。Logic and Computer Design Fu