《网络系统设计与实验》课程教学大纲.docx

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《网络系统设计与实验》课程教学大纲

课程教学大纲

《网络系统设计与实验》课程教学大纲

一、课程名称（中英文）

中文名称：

网络系统设计与实验

英文名称：

NetworkSystems:

DesignandExperiments

二、课程代码及性质

待定

专业选修课程

选修

三、学时与学分

总学时：

80（理论学时：

20学时，实验学时：

60学时）

学分：

5

四、先修课程

先修课程：

《C语言程序设计》、《模拟电路与数字系统III》、《计算机网络》、《计算机网络实验》

五、授课对象

本课程面向通信工程、电子信息工程专业、启明学院信息类数理提高班学生、电信卓越计划实验班、全英文授课留学生通信工程专业开设。

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）

计算机网络是计算机技术和通信技术密切结合而形成的技术领域，是当今信息与通信工程学科的重要技术之一，兼具理论基础知识和工程实践密切结合的特点。

本课程的教学设计和内容安排，培养学生具有设计一个通信系统、一个通信部件或一个通信过程的能力，建立以实践教学为主线的工科人才培养新模式。

本课程的教学目的与任务是：

1.从系统观点，理解多种计算机网络面临的问题和挑战，应用基本原理、方法和工具，设计基本网络协议，并基于XilinxZynq嵌入式开发板，实现网络协议和系统；

2.掌握基于ARM处理器的XilinxZynq嵌入式系统的配置和编程技术，掌握XilinxVivado等软件设计工具链，掌握软硬件协同设计方法；

3.理解和掌握关键嵌入式系统技术，应用于网络系统设计和实现，包括Zynq片上系统设计方法，FPGAIP核设计方法，AXI接口，嵌入式Linux系统等；

4.基于XilinxZynq嵌入式系统设计和实现数据链路层网络协议，应用软硬件协同设计方法，设计和实现交换机和路由器。

5.了解软件定义网络技术的新发展和趋势，基于XilinxZynq嵌入式系统设计和实现软件定义网络原型系统。

七、教学重点与难点：

课程重点：

XilinxVivado软件设计工具链，软硬件协同设计方法，基于XilinxZynq嵌入式Linux系统、嵌入式系统接口、FPGAIP核设计方法，驱动程序编程、中断程序编程、I2C控制器、软件定义网络技术

课程难点：

软硬件协同设计方法、嵌入式系统接口、FPGAIP核设计方法、驱动程序编程、中断程序编程、I2C控制器

八、教学方法与手段：

教学方法：

讲授法，提问法，课堂讨论法，演示法，实验法

教学手段：

采用电子教案，基于在线学习视频资源，实施混合式学习

九、教学内容与学时安排

理论部分：

20学时，具体内容如下

（一）片上系统简介（教师课堂教学学时（4小时）+学生实验学时（8小时））

教学内容：

了解XilinxZyboZynq-7000ARM/FPGASoC开发板系统架构和资源；了解XilinxVivado软件工具链，理解软硬件协同设计方法。

学生实验1：

使用Vivado创建嵌入式系统

学生实验2：

基于Zybo开发板设计IP核

课后文献阅读：

1.ZYBOReferenceManual,2014（pdf）

2.TheZynqBook（pdf）

3.Zynq-7000AllProgrammableSoC,TechnicalReferenceManual,2015

4.AMBA™3APBProtocoloCOverview

5.7SeriesFPGAsSelectIOResources,User’sGuide,2015

6.AXIReferenceGuide,Xilinx,2012

课后作业和讨论：

（二）Vivado与Zynq-7000系列片上系统（教师课堂教学学时（4小时）+学生实验学时（8小时））

教学内容：

Vivado软件工具组成部分，Zynq-7000系列片上系统设计流程，ZynqXC7Z010-1CLG400C芯片结构，处理系统（PS）及输入/输出接口，编程逻辑（PL）及输入/输出接口，PS和PL的接口，内存地图，时钟生成方法。

学生实验3：

基于Zybo开发板实现IP核

学生实验4：

基于Zybo开发板编写应用软件

课后文献阅读：

1.CreatingandAddingCustomIP,Zynq,Vivado2014.2Version,PPT

2.HowtoUsetheThreeAXIConfigurations,Xilinx,PPT

3.EmbeddedSystemDesignFlowonZynqusingVivado,XilinxUniversityProgramWorkshop

4.AXIReferenceGuide,UG761（v13.4）January18,201,Xilinx

5.ZYNQBookTutorials:

Tutorial4:

IPCreation;Exercise4A:

CreatingIPinHDL

6.TheZYNQBook–Chapter19,AXIInterfacing

7.ARMAMBAAXIProtocolv1.0:

Specification:

Chapter1:

Introduction;Chapter2:

SignalDescriptions;Chapter3:

ChannelHandshake;Chapter4:

AddressingOptions;Chapter9:

DataBuses

8.P.Schaumont,APracticalIntroductiontoHardware/SoftwareCodesign,2ndEd.Chapter10:

On-ChipBuses

9.M.S.Sadri,ZYNQTraining（presentationsandvideos）：

Lesson1:

WhatisAXI?

Lesson2:

WhatisanAXIInterconnect?

Lesson3:

AXIStreamInterface

课后作业和讨论：

（三）Zybo板卡资源、接口、外设、驱动（教师课堂教学学时（4小时）+学生实验学时（8小时））

教学内容：

Zybo板卡资源及管脚分配，Zybo板卡和Vivado软件接口文件、AXI接口，Zybo板卡输入/输出接口，XGIO驱动、定制IP核、中断机制、I2C控制器及驱动程序

学生实验5：

基于Zybo开发板编写中断软件

学生实验6：

基于Zybo开发板编写调试软件

课后文献阅读：

1.Xilinx:

Zynq-7000AllProgrammableSoC,TechnicalReferenceManual,UG585（v1.10）February23,2015

2.Altera:

SoCFPGAARMCortex-A9MPCoreProcessorAdvanceInformationBrief,aib-01020,February2012AlteraCorporation

3.Altera:

CycloneVDeviceHandbook,Volume3:

HardProcessorSystemTechnicalReferenceManual,November2012AlteraCorporation

4.XilinxProcessorIPLibrary–scutimerv2_0C:

\Xilinx\SDK\2014.4\data\embeddedsw\XilinxProcessorIPLib\drivers\scutimer_v2_0

5.HowtoUseInterruptsontheZynqSoC,XcellJournal87

6.ARM®GenericInterruptController,Architectureversion2.0,ArchitectureSpecification,2013

7.Chapter3InterruptController,Cortex™-A9MPCoreRevision:

r2p2,TechnicalReferenceManual,ARMDDI0407F

8.GeneralpurposeI/O（XGpio）devicedrivers,gpiov4_0,Xilinx.

9.xil_exception.c,standalone_v4_2,fromC:

\Xilinx\SDK\2014.4\data\embeddedsw\lib\bsp\standalone_v4_2\src\cortexa9

10.The_Zynq_Book_Tutorials,v1.2-September2014,UniversityofStrathclyde,Glasgow,Scotland,UK

11.Altera:

UsingtheARMGenericInterruptControllerForQuartusII14.0

12.AXIGPIOv2.0,LogiCOREIPProductGuide,VivadoDesignSuite,PG144November18,2015

13.AXITimerv2.0,LogiCOREIPProductGuide,VivadoDesignSuite,PG079November18,2015

14.TheZYNQBookChapter10.4Interrupts

15.ARMGenericInterruptController–ArchitectureSpecification:

Chapter1:

Introduction;Chapter2:

GICPartitioning;Chapter3:

InterruptHandlingandPrioritization;Chapter4:

Programmers’Model

课后作业和讨论：

（四）基于片上系统的嵌入式Linux（教师课堂教学学时（4小时）+学生实验学时（8小时））

教学内容：

VGA驱动，嵌入式Linux系统

学生实验7：

基于Zybo开发板编写VGA驱动程序

学生实验8：

基于Zybo开发板裁剪嵌入式Linux操作系统

课后文献阅读：

课后作业和讨论：

（五）ONetSwitch30板卡资源、接口、外设、驱动（教师课堂教学学时（4小时）+学生实验学时（8小时））

教学内容：

ONetSwitch30板卡资源及管脚分配，ONetSwitch30板卡和Vivado软件接口文件、AXI接口，ONetSwitch30板卡输入/输出接口，定制IP核、中断机制、I2C控制器及驱动程序

学生实验9：

基于ONetSwitch30开发板项目设计和开发流程

学生实验10：

基于ONetSwitch30开发板编写数据链路层协议

课后文献阅读：

课后作业和讨论：

（六）传统交换机和路由器设计与实现，以及软件定义网络技术简介（教师课堂教学学时（4小时）+学生实验学时（8小时））

教学内容：

传统交换机和路由器系统结构，基本原理和软硬件协同系统实现。

学生实验11：

基于ONetSwitch30开发板设计和实现交换机系统

学生实验12：

基于ONetSwitch30开发板设计和实现路由器系统

课后文献阅读：

课后作业和讨论：

（七）自选网络系统设计与实验（学生实验学时（8小时））

教学内容：

学生自由选题，基于ONetSwitch30开发板，设计和实现一个网络系统，并完成系统性能评测实验。

课后文献阅读：

课后作业和讨论：

十、教学参考书及文献

教学参考书：

[1]LouiseCrockettandRossElliotandMartinEnderwitzandBobStewart,TheZynqBook，StrathclydeAcademicMedia,2014.

[2]LouiseH.Crockett,TheZynqBookTutorialsforZyboandZedboard,StrathclydeAcademicMedia,2015.

[3]陆佳华,潘祖龙,彭竞宇，嵌入式系统软硬件协同设计实战指南:

基于XilinxZYNQ（第2版）,机械工业出版社，2014.

[4]何宾，张艳辉，XilinxZynq-7000嵌入式系统设计与实现:

基于ARMCortex-A9双核处理器和Vivado的设计方法,电子工业出版社,2016.

[5]符晓,张国斌,朱洪顺，XilinxZYNQ-7000APSoC开发实战指南，第1版，清华大学出版社，2016

[6]陆启帅,陆彦婷,王地，XilinxZynqSoC与嵌入式Linux设计实战指南:

兼容ARMCortex-A9的设计方法，第1版，清华大学出版社，2014.

[7]P.Schaumont,APracticalIntroductiontoHardware/SoftwareCodesign,2ndEd.,Springer,2013

课外文献阅读：

[1]ZYBOReferenceManual,2014

[2]Xilinx:

Zynq-7000AllProgrammableSoC,TechnicalReferenceManual,UG585（v1.10）February23,2015

[3]AMBA™3APBProtocolOverview

[4]7SeriesFPGAsSelectIOResources,User'sGuide,2015

[5]AXIReferenceGuide,Xilinx,2012

[6]ONetSwitch30ReferenceManual,2014

九、课程成绩评定与记载

课程成绩构成（建议增加形成性评价成绩所占比例）：

课程成绩=平时成绩（10%）+课后作业（20%）+实验成绩（70%）

大纲制定：

计算机网络课程组

审核：

黑晓军、程文青