《物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)踐》課程教學(xué)大綱（本科）

1、物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)踐(Design and Practice of Hardware of Internet of Things)課程代碼：06410042學(xué) 分：L0學(xué) 時(shí)：32 （其中：講課學(xué)時(shí)：0 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：32 上機(jī)學(xué)時(shí)：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(jì)第機(jī)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(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解和熟悉數(shù)字 電路的邏輯設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)各個(gè)功能單元的原理和設(shè)計(jì)技術(shù)，鞏固課堂教學(xué)的 理論知識(shí)，使物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生具備邏輯和計(jì)算機(jī)電路的基本設(shè)計(jì)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(jì)和驗(yàn)證的方法和流程；課程目標(biāo)2：掌握硬件描述語言設(shè)計(jì)和描述數(shù)字系統(tǒng)的方法；課程目標(biāo)3：掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)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(jì)的能力；課程目標(biāo)5：使學(xué)生具有撰寫設(shè)計(jì)分析報(bào)告的能力；（三）課程目標(biāo)與專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系本課程支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)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(yùn)用恰當(dāng)專業(yè)術(shù)語與 他人進(jìn)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(dòng)中涉及的重要經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱學(xué)時(shí)類型要求支撐的課程目標(biāo)1全加器設(shè)計(jì)和驗(yàn)證4綜合必做目標(biāo)1、4、52七段碼顯示譯碼器的設(shè)計(jì)4設(shè)計(jì)必做目標(biāo) 1、2、4、53同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)4設(shè)計(jì)必做目標(biāo) 1、2、4、54交通燈控制器的設(shè)計(jì)4設(shè)計(jì)必做目標(biāo) 1、2、4、55數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)4驗(yàn)證必做目標(biāo) 1、2、3、4、56指令系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)4設(shè)計(jì)必做目標(biāo)1、3、57硬連線控制器實(shí)驗(yàn)4設(shè)計(jì)必做目標(biāo) 1、2、3、4、58微程序控制器實(shí)驗(yàn)4設(shè)計(jì)必做目標(biāo) 1、2、3、4, 5實(shí)驗(yàn)1全加器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握用原理圖設(shè)計(jì)組合邏輯電路的方法；(2)

4、進(jìn)一步加深對(duì)半加器、全加器的邏輯功能的理解。2、實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)、下載到數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的FPGA芯片中驗(yàn)證邏 輯功能。3、設(shè)備要求(1) PC 機(jī)一臺(tái);(2)安裝好Quartus II軟件。實(shí)驗(yàn)2七段碼顯示譯碼器的設(shè)計(jì)1、實(shí)驗(yàn)?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(jì)。2、實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容(1)預(yù)習(xí)動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示的相關(guān)內(nèi)容，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，寫出設(shè)計(jì)方案；(2)使用Verilog HDL語言完成代碼的設(shè)計(jì)；(3)使用四個(gè)開關(guān)作為四位二進(jìn)制的輸入，選擇數(shù)字信號(hào)源模

5、塊的時(shí)鐘 頻率，下載電路到實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果；(4)理解動(dòng)態(tài)掃描的原理，改變掃描時(shí)鐘頻率會(huì)有什么變化，總結(jié)動(dòng)態(tài) 掃描的頻率達(dá)到多少時(shí)會(huì)有穩(wěn)定的輸出。3、設(shè)備要求(1) PC 機(jī)一臺(tái);(2)安裝好Quartus H軟件。實(shí)驗(yàn)3同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)學(xué)會(huì)使用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)時(shí)序電路;(2)用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器功能模塊。2、實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容(1)用Verilog 11DL設(shè)計(jì)一個(gè)具有復(fù)位、使能功能的同步十進(jìn)制加法計(jì) 數(shù)器；(2)通過仿真驗(yàn)證結(jié)果正確性；(3)并以原理圖設(shè)計(jì)方法調(diào)用所設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器模塊、顯示輸出模塊，畫 出完整的計(jì)數(shù)器電路

6、。3、設(shè)備要求(1) PC 機(jī)一臺(tái)；(2)安裝好Quartus H軟件。實(shí)驗(yàn)4交通燈控制器的設(shè)計(jì)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)學(xué)會(huì)使用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)時(shí)序電路；(2)用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)描述電路的頂層模塊。2、實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容(1)用Verilog HDL設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)數(shù)器模塊、時(shí)間顯示模塊, 畫出完整的計(jì)數(shù)器電路；(3)在實(shí)驗(yàn)箱上驗(yàn)證電路的功能。3、設(shè)備要求(1) PC 機(jī)一臺(tái)；(2)安裝好Quartus II軟件。實(shí)驗(yàn)5數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)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(hào)觀察Simplest CPU的數(shù)據(jù)流動(dòng)。2、實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容(1)將數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)補(bǔ)充完整；(2)分配引腳、編譯設(shè)計(jì)、下載數(shù)據(jù)通路到實(shí)驗(yàn)箱FPGA芯片；(3)運(yùn)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(hào)，觀察數(shù)據(jù)通路中數(shù)據(jù)的流動(dòng)，并記錄結(jié) 果。3、設(shè)備要求(1) PC 機(jī)一臺(tái)；(2)安裝好Quartus II軟件。實(shí)驗(yàn)6指令系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?I)加深對(duì)處理器指令系統(tǒng)的理解和認(rèn)識(shí)；(2)初步了解匯編語言程序設(shè)計(jì)。2、實(shí)驗(yàn)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?chǔ)器中的機(jī)器碼；(3)根據(jù)機(jī)器碼將存儲(chǔ)

8、器的描述補(bǔ)充完整；(4)編譯設(shè)計(jì)，下載到實(shí)驗(yàn)箱上，觀察程序的結(jié)果。3、設(shè)備要求(1) PC 機(jī)一臺(tái)；(2)安裝好Quartus II軟件。實(shí)驗(yàn)7硬連線控制器設(shè)計(jì)1、實(shí)驗(yàn)?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(jì)硬連線控制器。2、實(shí)驗(yàn)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(bǔ)充完成硬連線控制器 的其它部分；(3)編譯設(shè)計(jì)，下載到實(shí)驗(yàn)箱上根據(jù)實(shí)驗(yàn)表格，觀察記錄結(jié)果，驗(yàn)證設(shè) 計(jì)的控制器是否完成了其邏輯功能。3、設(shè)備要求(1) PC 機(jī)一臺(tái);(2)安裝好Quartus II軟件。實(shí)驗(yàn)8微

9、程序控制器實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)?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(jì)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(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容(1)將微程序控制器的HDL描述代碼補(bǔ)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(jì)，下載到實(shí)驗(yàn)箱FPGA芯片中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)表格的 測(cè)試項(xiàng)目，觀察和記錄結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確。3、設(shè)備要求PC 機(jī)一臺(tái)；（2）安裝好Quartus 11軟件。三、考核與評(píng)定（-）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考核要求1、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容評(píng)分項(xiàng) 編號(hào)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容所占 比重要求備注1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力10%透徹把握實(shí)驗(yàn)任務(wù)，完成實(shí)驗(yàn)

10、方案2問題分析和求解能力60%制定實(shí)驗(yàn)方案或根據(jù)推薦實(shí) 驗(yàn)方案開展實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 進(jìn)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(shí)驗(yàn)總結(jié)能力10%表述實(shí)驗(yàn)得失成敗，收獲與不 足5報(bào)告認(rèn)真，按時(shí)提交10%書寫規(guī)范、清晰，按時(shí)提交2、實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核要求（每次實(shí)驗(yàn)報(bào)告按100分計(jì)算）項(xiàng)目?jī)?yōu)良中及格不及格實(shí)驗(yàn)方案能夠根據(jù)計(jì)能透徹把握不能透徹把基本理解和不能把握實(shí)設(shè)計(jì)能力算機(jī)部件的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，方握實(shí)驗(yàn)任務(wù)，把握實(shí)驗(yàn)任驗(yàn)任務(wù)，無（10 分）功能，透徹把 握實(shí)驗(yàn)任務(wù)， 獨(dú)立、正確設(shè) 計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。（9-10 分）案設(shè)計(jì)完整， 有少許錯(cuò)誤。 （8分）方案設(shè)計(jì)不 完整。（7分）務(wù)和方案設(shè) 計(jì)。（6分）法

11、獨(dú)立完成 實(shí)驗(yàn)方案設(shè) 計(jì)。（6分以 下）問題分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果正有少許錯(cuò)誤。錯(cuò)誤較多。錯(cuò)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(shí)驗(yàn)結(jié) 果。（36分以 下）開發(fā)工具熟練并正確正確使用開能獨(dú)立使用協(xié)助下能使不能獨(dú)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(shí)驗(yàn)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(dú)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(bào)

12、告認(rèn)真， 按時(shí)提交， 10分報(bào)告清楚，按 時(shí)提交。 （9-10 分）報(bào)告較清楚， 按時(shí)提交。（8 分）未按時(shí)提交， 但報(bào)告清楚。 （7分）未按時(shí)提交， 報(bào)告基本清 楚。（6分）未按時(shí)提 交，報(bào)告不 清楚。（6分 以下）（二）實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)?cè)u(píng)定.實(shí)驗(yàn)課程考核方式包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和課外實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)。.課程成績(jī)二實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和課外實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)xl5%+實(shí)驗(yàn)成績(jī)x50%+實(shí)驗(yàn)報(bào) 告成績(jī)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(duì)指標(biāo)點(diǎn) 支持備注實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 和課外實(shí) 驗(yàn)成績(jī)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:課外完成5-10個(gè)附加實(shí)驗(yàn), 主要考核學(xué)生對(duì)每次實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備情況， 以及實(shí)驗(yàn)的理解和掌握程度，按10%計(jì)

13、入總成績(jī)。10%10.3點(diǎn)名及實(shí)驗(yàn)課堂檢查：以隨機(jī)的形式， 根據(jù)回答的正確度給分,結(jié)合平時(shí)的點(diǎn) 名（缺一次扣一分），最后按5%計(jì)入課 程總成績(jī)。5%10.311. 1實(shí)驗(yàn)成績(jī)完成16個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要考核學(xué)生利用實(shí) 驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)、驗(yàn)證邏輯電路的能力、掌 握EDA工具編程應(yīng)用的能力并對(duì)實(shí)驗(yàn) 結(jié)果進(jìn)行分析的能力，最后按50%計(jì)入 課程總成績(jī)。50%10.311. 1實(shí)驗(yàn)報(bào)告 成績(jī)根據(jù)提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，按照?qǐng)?bào)告格式、 內(nèi)容給出報(bào)告成績(jī)，計(jì)入課程總成績(jī)的 35%。35%10.3 （80% 左右）11. 1 （20% 左右）注：L考核形式包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告、平時(shí)表現(xiàn)（預(yù)習(xí)、操作）、實(shí)驗(yàn)課程考試、答辯等;2.可根據(jù)專業(yè)課

14、程實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)筆玄J或補(bǔ)充。四、大綱說明1、采用實(shí)踐教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)室完成所有的實(shí)驗(yàn)。2、每次實(shí)驗(yàn)課后布置一些課外實(shí)驗(yàn)，主要是本次實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展和下次實(shí)驗(yàn)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(jì)，要求見物聯(lián)網(wǎng)硬件課程設(shè)計(jì)教學(xué) 大綱。4、參考書目及學(xué)習(xí)資料數(shù)字設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（第二版），David Money Harris, SarahL.Harris著，陳俊穎譯，機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社，2008 年。Logic and Computer Design Fu