资源描述
东北石油大学
课程设计
课 程 硬件课程设计
题 目 数字时钟设计
院 系 计算机与信息技术学院
专业班级 计算机科学与技术 班
学生姓名 XXXX
学生学号
指导教师 XXXX
2012年7月8日
东北石油大学课程设计任务书
课程 硬件课程设计
题目 数字钟设计
专业 计算机科学与技术 姓名 》》〉〉学号1121212 主要内容、基本要求等 一、主要内容:
利用EL教学实验箱、微机和Quartus II软件系统,使用VHD印言输入方法 设计数字钟。可以利用层次设计方法和 VHDL®言,完成硬件设计设计和仿真。 最后在EL教学实验箱中实现。
二、基本要求:
1 .具有时,分,秒,计数显示功能,以 24小时循环计时。
2 .具有清零功能。
三、扩展要求
1 .调节小时、分钟功能。
2 .整点报时功能,整点报时的同时 LEW花样显示。
四、参考文献
[1]徐志军.大规模可编程逻辑器件及其应用[M].成都:电子科技大学出版社. 2000
[2]李国丽,朱维.电子技术实验指导书[M].合肥:中国科技大学出版社,2000
[3]杨恒.FPGA/CPLDft新实用技术指南[M].北京:清华大学出版社,2005
[4]张昌凡,龙永红,彭涛.可编程逻辑器件及 VHDL设计技术[M].广州:华 南工学院出版社,2001
完成期限 第19-20周
指导教师 ? ? ?
专业负责人 袁满
2012年6月25日
东北石油大学本科生硬件课程设计
目录
第1章概述 1
1.1 EDAW念: 1
1.2 EDAK术的应用及发展 2
第2章QUARTUS II软件 4
2.1 QjartuS I 概述 4
2.2 QUARTUSI 7.2 软件界面 5
第3章数字时钟的设计 6
3.1 数字时钟的设计原理 6.
3.2 数字时钟模块化设计 6.
3.3 数字时钟的仿真 12.
3.4 数字时钟的合成图 12
结论.
3.5 程序的下载 1.3
错误!未定义书签。
参考文献 16
I
东北石油大学本科生硬件课程设计
第1章概述
1.1 EDA勺概念:
EDA!电子设计自动化(Electronic Design Automation) 的缩写。EDA支术
是在电子CA酸术基础上发展起来的通用软件系统,是指以计算机为工作平台, 融合了应用电子技术、计算机技术、 信息处理及智能化技术的最新成果, 进行电 子产品的自动设计。在EDAT具软件平台上,对以硬件描述语言HDL为系统逻辑 描述手段完成的设计文件,自动的完成逻辑编译、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,直至实现既定的电子线路系统功能。 即利用硬件描述语言和EDAJC件来完成对系统硬件功能的实现。利用EDA工具, 电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以 通过计算机完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出 IC版
图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。
硬件描述语言:硬件描述语言(HDL)是一种用于进行电子系统硬件设计 的计算机高级语言,它采用软件的设计方法来描述电子系统的逻辑功能、电路结 构和连接形式。 常用硬件描述语言有HDL Verilog和VHDLS言。
EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。物理级设计主要指 IC版图 设计,一般由半导体厂家完成;系统级设计主要面对大型复杂的电子产品; 而一 般民用及教学所涉及基本是电路级设计[1]。我们常用的EDAa件多属于电路级设 计。
电路级设计工作,是在电子工程师接受系统设计任务后,首先确定设计方案, 并选择合适的元器件,然后根据具体的元器件设计电路原理图, 接着进行第一次
仿真。其中包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态 分析等。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。
仿真通过后,根据原理图产生的电气连接网络表进行 PCB板的自动布局布
线,有条件的还可以进行PCB后分析。其中包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁 兼容分析、可靠性分析等,并可将分析后的结果参数反馈回电路图, 进行第二次 仿真,也称作后仿真。后仿真主要是检验 PCBK在实际工作环境中的可行性。
1.2 EDA技术的应用及发展
EDAft教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。
在教学方面,几乎所有理工科(特别是电子信息)类的高校都开设了 EDA
课程。主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、 掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDAX具进行电子电路课程的实验并从事简单 系统的设计。一般学习电路仿真工具(如 EWB PSPICE和PLD开发工具(如A ltera/Xilinx 的器件结构及开发系统),为今后工作打下基础。
科研方面主要利用电路仿真工具(EWB£ PSPICE进行电路设计与仿真; 利用虚拟仪器进行产品测试;将 CPLD/FPG祷件实际应用到仪器设备中;从事 P CB设计和ASIC设计等[2]。
在产品设计与制造方面,包括前期的计算机仿真,产品开发中的EDAX具 应用、系统级模拟及测试环境的仿真,生产流水线的EDAU术应用、产品测试等 各个环节。如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、 ASIC的流 片过程等。
从应用领域来看,EDAK术已经渗透到各行各业,如上文所说,包括在机 械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有 EDAt应用。另外,EDA软件的功能日益强大,原来功能比较单一的软件,现在 增加了很多新用途。如AutoCADt件可用于机械及建筑设计,也扩展到建筑装璜 及各类效果图,汽车和飞机的模型、电影特技等领域。
从目前的EDAft术来看,其发展趋势是政府重视、使用普及、应用文泛、工 具多样、软件功能强大。
在信息通信领域,要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型 元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术, 积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品,发展新兴产业, 培育
新的经济增长点。要大力推进制造业信息化,积极开展计算机辅助设计( CAD、 计算机辅助工程(CAE、计算机辅助工艺(CAPP、计算机机辅助制造(CAM、 产品数据管理(PDM、制造资源计划(MRPII)及企业资源管理(ERP等。有 条件的企业可开展“网络制造”,便于合作设计、合作制造,参与国内和国际竞 争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术发展趋势的测试 技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合,形成测量、控制、通信与 计算机(M3c结构。在ASIC和PLD设计方面,向超高速、高密度、低功耗、低 电压方向发展[3] o
外设技术与ED'程相结合的市场前景看好,如组合超大屏幕的相关连 接,多屏幕技术也有所发展。
中国自1995年以来加速开发半导体产业,先后建立了几所设计中心,推 动系列设计活动以应对亚太地区其它 EDA^f场的竞争。
在EDA®C件开发方面,目前主要集中在美国。但各国也正在努力开发相应 的工具。日本、韩国都有ASIC设计工具,但不对外开放。中国华大集成电路设 计中心,也提供IC设计软件,但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更 好的设计工具有各地开花并结果。 据最新统计显示,中国和印度正在成为电子设 计自动化领域发展最快的两个市场,年复合增长率分别达到了 50%%口 30喏。
EDA技术发展迅猛,完全可以用日新月异来描述。 EDAK术的应用广泛,
现在已涉及到各行各业。EDAK平不断提高,设计工具趋于完美的地步。EDAH 场日趋成熟,但我国的研发水平沿很有限,需迎头赶上。
16
第2章Quartus II 软件
2.1 Quartus II 概述
Quartesll是Altera公司的CPLD/FPGA设计工具软件,Quartesll是适合单 芯片可编程系统(SOPC)的最全面的设计环境。
QuartusII是 Altera公司的综合性 PLD开发软件,支持原理图、 VHDL、
VerilogHDL 以及 AHDL (Altera Hardware Description Language 等多种设计输入 形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整 PLD设计流程。Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用,除了可以使用 Tcl脚本完成设计流程外,提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度 快,界面统一,功能集中,易学易用等特点。 Quartus II支持Altera的IP核,包
含了 LPM/MegaFunction宏功能模块库,使用户可以充分利用成熟的模块,简化 了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方 EDA工具的良好支持也使用户可
以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方 EDA工具。止匕外,Quartus II通过
和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合,可以方便地实现各种 DSP应用 系统;支持Altera的片上可编程系统(SOPC)开发,集系统级设计、嵌入式软 件开发、可编程逻辑设计于一体,是一种综合性的开发平台 [3]。Maxplus II作为
Altera的上一代PLD设计软件,由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目 前Altera已经停止了对 Maxplus II的更新支持,Quartus II与之相比不仅仅是 支持器件类型的丰富和图形界面的改变。 Altera在Quartus II中包含了许多诸
如 SignalTap II、Chip Editor 和 RTL Viewer 的设计辅助工具,集成了 SOPC和 HardCopy设计流程,并且继承了 Maxplus II友好的图形界面及简便的使用方
法。Altera QuartusII作为一种可编程逻辑的设计环境,由于其强大的设计能力 和直观易用的接口。
Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代 PLD开发平台。该平台支 持一个工作组环境下的设计要求,其中包括支持基于Internet的协作设计。Quartus 平台与 Cadence ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和 Synplicity 等 EDA 供应商的开发工具相兼容。改进了软件的 LogicLock模块设计功能,增添 了
FastFit编译选项,推进了网络编辑性能,而且提升了调试能力。支持
MAX7000/MAX3000 等乘积项器件。
2.2 Quartus II 7.2 软件界面
QuartusII 7.2 软件界面如图2-1所示:
图2-1 QuartusII 7.2 软件界面
Quartus II 7.2 软件的默认启动界面如下图所示,由标题栏、菜单栏、常
用工具栏、资源管理窗口、程序编译或仿真运行状态的显示窗口、 程序编译或仿
真的结果显示窗口和工程编辑工作区组成。
第3章数字时钟设计
3.1 数字时钟的设计原理
采用自顶向下的方法,层次化设计,将此程序分成若干模块,设计时首先用 VHDL语言编写各个功能模块,在 quartusll环境下分别进行编译、仿真,然后 用顶层文件将各模块连接起来。根据设计要求可以把整体设计分为:计秒模块、 计分模块、计小时模块、扫描电路模块和顶层文件。然后对各模块进行设计、仿 真和下载。
计数模块由两个六十进制计数器和一个二十四进制计数器组成,分别对秒、 分、小时进行计数。整个计数模块从 00: 00:00开始计时,当计数到23:59:59 的时候一天结束,计数器清零,新的一大重新开始计数。要设计一个同时显示时、 分、秒6个数字的数字时钟,需要6个七段数码显示管。我用一个扫描电路通过 产生一个扫描信号来控制6个七段显示管,依次点亮。
3.2 数字时钟模块化设计
计数模块,可以实现RST复位,SEL2调时,SEL3调分,反抖动电路集成到 相应的模块中
Set1是进行调时调分的输入端口,高电平有效。
3.2.1 SECONE 模块
其实质为一个60进制计数器。输入管脚clk为时钟脉冲,rst为高电平有 效的清零复位信号。输出管脚 co为进位,x,y为秒低位高位的输出。当秒低位 小于9时计数累加,当等于9后低位清零,进位ce为1.如果进位为1,秒高位 累加,当累加到5时计数清零,此时秒高位秒低位都为 0,进位co为1。
entity SECOND is
port(
clk,rst:in std_logic; ---- 输入时钟脉冲/高电平有效的清零复位信号
co:out std_logic;
x,y:out std_logic_vector(3 downto 0)---- 秒高位、低位
);
end entity;
architecture a of SECOND is
signal qn,qo:std_logic_vector(3 downto 0); —— 计数
signal ce:std_logic; ---- 进位
begin
process(clk,rst)
begin
if rst='1'then qn<="0000"; ---- 清零
elsif (clk'event and clk='1')then
if(qn="1001")then qn<="0000";ce<='1';
else qn<=qn+1;ce<='0'; ---- 低位小于9时,低位记数累加
end if;
end if;
x<=qn;
end process;
process(ce,rst)
begin
if rst='1'then qo<="0000";
elsif (ce'event and ce='1')then
if(qo="0101")then qo<="0000";co<='0';
else qo<=qo+1;co<='0';
end if;
end if;
y<=qo;
end process;
end architecture ;
3.2.2 MINUTE 模块
输入端口 clk为时钟脉冲,sel2/set1为位选信号,rst为清零信号。输出端口 speaker为报警端口,x、y为分钟的低位、高位。当时钟脉冲处于高电平时,当 分低位小于9时计数累加,当等于9后低位清零,进位ce为1.如果进位为1, 分高位累加,当累加到5时计数清零,此时分高位秒低位都为 0,进位co为1.
entity MINUTE is port(clk,sel2,set1,rst:in std_logic; ---- 输入时钟 /位选信号 // 清零信号
speaker:out std_logic; ---- 报警
x,y:out std_logic_vector(3 downto 0)); —— 分低位 / 高位
end entity MINUTE;
architecture a of MINUTE is
signal qn,qo:std_logic_vector(3 downto 0);
signal ce,clk1,q1,q2,q3,q4,co,sel1:std_logic;
begin
clk1<=clk when set1='1'else sel1;
process(clk,rst)
begin
if rst='1'then qn<="0000";---- 清零
elsif(clk'event and clk='1')then
if(qn<="1001")then qn<="0000";ce<='1';
else qn<=qn+1;ce<='0'; ---- 当低位小于 9时开始计数
end if;
end if;
x<=qn;
end process;
process(ce,rst)
begin
if rst='1'then qo<="0000";
elsif (ce'event and ce='1')then
if(qo<="0101")then
qo<="0000";co<='1';
else qo<=qo+1;co<='0';
end if;
end if;
y<=qo;
end process;
process(clk)
begin
if clk'event and clk='1'then
q2<=q1;
q1<=co;
end if;
end process;
speaker<=q1 and not q2;
process(clk) ---- 防抖动调分功能
begin
if clk'event and clk='1'then
q4<=q3;
q3<=sel2;
end if;
end process;
sel1<=q3 and not q4;
end a;
3.2.3 CLOCK 模块
其实质为一个24进制计数器.当时钟呈现上升沿计数大于23时,计数清零 否则一直累加。部分程序如下:
begin
clk2<=clk when set1='1'else sel2;
process(clk2)
begin
if(rst='1')then
ce<="00000000”;
elsif(clk2'event and clk2='1')then
if(ce<="00100011")then
ce<="00000000”;
elsif(ce(3 downto 0)="1001")then
ce(7 downto 4)<=ce(7 downto 4)+1;
ce(3 downto 0)<="0000";
else ce<=ce+1; —— 记数累加
end if;
end if;
x<=ce(3 downto 0);
y<=ce(7 downto 4);
end process;
process(clk)
begin
if clk'event and clk='1'then ---上升沿触发
q2<=q1;
q1<=sel3;
end if;
end process;
sel2<=q1 and not q2; end ab;
3.2.4 COMM模块(扫描分时显示、译码模块)
扫描和译码模块,分别把seconds、minutes、clock个位十位分别扫描给译 码模块的七段译码;其实 COM牌一个6选1的计数器,在进行快速的计数从而 实现快速扫描,使显示不闪烁。Speaker是报时,整点时实现嘟的一声响,S是 扫描输出的接口,Y是七段译码管的输入接口。这是扫描和译码的源程序,扫描 是6选1计数扫描,七段译码则根据1高电平点亮,0熄灭原理显示数字。
entity COMM is
port(a,b,c,d,e,f:in std_logic_vector(3 downto 0);
s:out std_logic_vector(2 downto 0);
y:out std_logic_vector(6 downto 0); cp:in std_logic);
end COMM;
architecture abc of COMM is
signal z:std_logic_vector(3 downto 0);
begin
process(cp)
variable sn:std_logic_vector(2 downto 0);
begin
if cp'event and cp='1'then
if(sn="101")then
snk"000”;
else
sn:=sn+1;
end if;
case sn is
when "000"=>z<=a;
when "001"=>z<=b;
when "010"=>z<=c;
when "011"=>z<=d;
when "100"=>z<=e;
when "101"=>z<=f;
when others=>null;
end case;
end if;
s<=sn;
end process;
process(z)
begin
case z is
when "0000"=>y<="1111110";-- 显示 0
when "0001"=>y<="0110000";-- 显示 1
when "0010"=>y<="1101101";-- 显示 2
when "0011"=>y<="1111001";-- 显示 3
when "0100"=>y<="0110011";-- 显示 4
when "0101"=>y<="1011011";-- 显示 5
when "0110"=>y<="1011111";-- 显示 6
when "0lll"=>y<="lll0000";-- 显示 7
when "1000"=>y<="1111111";-- 显示 8
when others=>y<="1111011";-- 显示 9
end case;
end process;
end abc;
3.2.5 顶层文件
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity zhy is
port ( clk1,ret11,set10,sel20,sel30:in std_logic;
speaker1,ss,yy: out std_logic;
cp1: in std_logic);
end entity zhy;
architecture sz of zhy is
component SECOND
port(
clk,rst:in std_logic; ---- 时钟 / 清零信号
co:out std_logic;
x,y:out std_logic_vector(3 downto 0)
);
end component;
component MINUTES
port(clk,sel2,set1,rst:in std_logic;
speaker:out std_logic;
x,y:out std_logic_vector(3 downto 0));
end component;
component CLOCK
port(clk,rst,set1,sel3:in std_logic;
x,y :out std_logic_vector(3 downto 0));
end component;
component COMM
port(a,b,c,d,e,f:in std_logic_vector(3 downto 0);
s:out std_logic_vector(2 downto 0);
y:out std_logic_vector(6 downto 0);
cp:in std_logic);
end component;
signal a1,b1,c1,d1,e1,f1: std_logic_vector(3 downto 0);
signal cc1: std_logic;
begin
u1: SECOND port map(clk=>clk1,rst=>rst11,co=>cc1,x=>a1,y=>b1); u2:MINUTE port map(clk=>cc1,sel2=>sel20,set1=>set10,rst=>rst11, speaker=>speaker1,x=>c1,y=>d1);
u3: CLOCK port map(clk=>speaker1,sel3=>sel30, set1=>set10,rst=>rst11,x=>e1,y=>f1);
u4: COMM port map(a=>a1,b=>b1,c=>c1,d=>d1,e=>e1,f=>f1, cp=>cp1,s=>ss,y=>yy);
end sz;
3.3 数字时钟的仿真
数字时钟的仿真图如图3-1所示:
图3-1数字时钟的仿真图
3.4 数字时钟的合成图
数字时钟的合成图如图3-2所示:
SECONDS:u1 COMM:u4
clkl
rstll
Clk
-st
sel20
set10
sel30 cp1
MINUTES:u2
a[3..0]
sel2
setl
speaker
x[3..0
y[3..0
CLOCK:u3
b[3..0]
Illi
c[3..0]
d[3..0]
e[3..0]
f[3..0]
s[2..0]
y[6..(
ss[2..0]
yy[6..0]
^^ke speakerl
图3-2数字时钟的合成图
3.5程序的下载
数字时钟的引脚配置界面如图 3-3所示:
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图3.3数字时钟的引脚配置界面
数字时钟的下载界面如图3-4所示:
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图3.4数字时钟的下载界面图
程序编好后,利用实验箱进行外部电路的连接来测试。
其电路连接如下:
1 .代表清零、调时、调分的信号rst、sel2、sel3分别连接按键开关。
2 .输入脉冲clk同1HZ的时钟源相连。
3 . 7段字码驱动信号端口分别同扫描数码管的段输入 a,b,Gd,e,f,g相连。
4 .扬声器驱动信号speaker同扬声器驱动接口相连。
5 .花样LED灯显示信号同3个LED灯相连
结论
本设计对EDA技术进行了简明的阐述,叙述了 VHDL语言的设计特点,主 要论述了一个以VHDL语言为输入的数字时钟系统。该系统可以在数码管上显 示小时、分钟和秒,可以使用复位开关使系统时间清零。 可以在时间不准的时候 调节时间。本设计模块全部采用 VHDL语言输入。另外,顶层文件也可以用原 理图方式输入。通过本次实习,我充分的体会到了 EDA技术的先进性,用VHDL 语言设计的方法,和quartusll软件的强大功能。掌握了数字时钟设计的开发原 理和基本思想,由此进一步的扩展了我的思维,加深了对电子设计自动化的认识。
这次课程设计,我学到了许多软硬件的知识。 EDA技术有很大的发展前景,
我会继续努力学习相关知识,增强自己的专业技能,为以后的学习打下基础。
参考文献
[1]徐志军.大规模可编程逻辑器件及其应用[M].成都:电子科技大学出版社. 2000
[2]李国丽,朱维.电子技术实验指导书[M].合肥:中国科技大学出版社.2000
[3]杨恒.FPGA/CPLDt新实用技术指南[M].北京:清华大学出版社.2005
[4]张昌凡,龙永红,彭涛.可编程逻辑器件及 VHDL设计技术[M].广州:华南
工学院出版社,2001
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
硬件课程设计
题目名称
数字时钟设计
学生姓名
心口 指导教
子万 师姓名
职称
副教授
在舁 厅P
评价项目
指 标(优秀)
满分
评分
1
选题难度
选题难度较高,或者对原题目进行了相当程度的 改进。
10
2
工作量、工作态
度和出勤率
工作量饱满,工作努力,遵守纪律,出勤率高, 工作作风严谨,善于与他人合作。
10
3
课程设计质量
按期圆满的完成了规定的任务,方案设计合理, 思考问题全面,系统功能完善。
40
4
报告质量
问题论述思路清晰,结构严谨,文理通顺,撰写 规范,图表完备正确。
30
5
回答问题
在进行课程设计程序系统检查时,能正确回答指 导教师所提出的问题。
10
6
创新(加分项)
工作中启创新思识,对前人工作后改进或侣应用 价值。在进行系统检查时能对创新性进行说明, 并在报告中有相应的论述。
+5
总分
评语:
指导教师:
月
日
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