Σχεδιασμός Συστημάτων Υλικού
Δημήτριος Κοσμάνος
Ακαδημαϊκός Υπότροφος
Μαθησιακά Αποτελέσματα
Το μάθημα έχει ως στόχο να εμβαθύνει στην υλοποίηση των σύγχρονων ψηφιακών συστημάτων σε ολοκληρωμένα κυκλώματα πυριτίου, καλύπτοντας θέματα που αφορούν στη φυσική σχεδίαση, τον ωρολογιακό χρονισμό, και τα κυκλώματα μνημών και επεξεργασίας δεδομένων.
Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος, ο φοιτητής/τρια θα κατέχει τις παρακάτω γνώσεις, δεξιότητες και ικανότητες:
- Γνώση και κατανόηση της θεωρίας Σχεδίασης Ψηφιακών Κυκλωμάτων.
- Γνώση των πρακτικών βιομηχανικών εργαλείων και ροών FPGAs.
- Κατανόηση της ορθής διαδικασίας περιγραφής ψηφιακού κυκλώματος σε γλώσσα Verilog, ώστε να είναι συνθέσιμο από τα βιομηχανικά εργαλεία.
- Θα έχει εφαρμόσει τις γνώσεις του μαθήματος και την κατανόηση της διαδικασίας για την περάτωση των 4 Εργαστηριακών Εργασιών, υλοποιώντας μια πληθώρα από πρακτικά ηλεκτρονικά κυκλώματα στο εργαστήριο και επαληθεύοντας την ορθή λειτουργία τους. Για την επιτυχή υλοποίηση των εργασιών, απαιτείται ανάλυση των προδιαγραφών τους, σύνθεση των γνώσεων του, δηλ. των βασικών μονάδων υλοποίησης, αλλά και τέλος αξιολόγηση της καλύτερης σύνθεσης.
- Θα είναι σε θέση να περιγράψει υλοποιημένα κύκλωμα συγγράφοντας Τεχνική Αναφορά, η οποία περιγράφει της διαδικασία σχεδίαση, επαλήθευσης, δοκιμής
και τελικής υλοποίησης του κυκλώματος.
Ενδεικτικό Περιεχόμενο Μαθήματος
i. Επανάληψη Βασικών Εννοιών Ψηφιακής Σχεδίασης
- Δυαδικοί Αριθμοί, Ψηφιακή Λογική, Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά Κυκλώματος
- Δυαδική Άλγεβρα, Συνδυαστικές και Ακολουθιακές Πύλες
- Flip-Flop καί Latch, και Συνθήκες Ορθής Λειτουργίας
- Μηχανές Πεπερασμένων Καταστάσεων
- Είδη Κυκλωμάτων
ii. Τυπική Ροή Ηλεκτρονικού Σχεδιαστικού Αυτοματισμού
- Βασικά Στάδια Ροής Ηλεκτρονικού Σχεδιαστικού Αυτοματισμού
- Ιεραρχική Σχεδίαση
- Επίπεδα Αφαίρεσης στην Σχεδίαση – Γλώσσες Περιγραφής Υλικού
iii. H Γλώσσα Περιγραφής Υλικού Verilog
- Δυνατότητες της Γλώσσας, Αναπαράσταση και Υλοποίηση σε Verilog
- Μονάδες, Εμφανίσεις, Συντακτική Δομή, Χρόνος στην Verilog
- Θεμελιώδη Στοιχεία, Τύποι Μοντελοποίησης, Συμβάσεις της Γλώσσας
- Αναπαράσταση Αριθμών, Τελεστές, Τύποι Μεταβλητών
- Αναθέσεις, Θύρες και Συνδέσεις, Δίαυλοι (Busses)
- Συνθήκες if/else, case, Συνθεσιμότητα, Λειτουργικός Έλεγχος
- Λίστες Ευαισθησίας, Τμήματα initial/always, Συνένωση Σημάτων
- Βρόχοι for/while, Παράμετροι, Μνήμες, Συναρτήσεις, Διαδικασίες
- Γεγονότα, Καθυστερήσεις, Εξαρτήσεις Παράλληλων Τμημάτων
- Συνθέσιμες Δομές καί Κυκλωματική Απεικόνιση
- Flip-Flops, Μετρητές, Συσσωρευτής, Ολισθητές, Πολυπλέκτες
- Κωδικοποιητές, Απο-Κωδικοποιητές, Αθροιστές, Συγκριτές
- Ανιχνευτής Ακμής, D Latch, Σύγχρονη/Ασύγχρονη Μνήμη
- Περιγραφή ΜΠΚ σε Verilog
iv. Αριθμητικά Κυκλώματα
- Ημιαθροιστής καί Πλήρης Αθροιστής, Αθροιστής Σειριακού Κρατουμένου
- Αθροιστής Πρόγνωσης Κρατουμένου, Παραγωγή και Προώθηση Κρατουμένου
- Αλγόριθμος Πολλαπλασιασμού, Πολλαπλασιαστής Ολίσθησης-Πρόσθεσης
- Πολλαπλασιαστής με Πίνακα Αποτελεσμάτων, Πολλαπλασιαστής μερικών Παραγόντων
- Αλγόριθμος Διαίρεσης, Σύγκριση, Ολίσθηση καί Αφαίρεση
v. Συγχρονισμός και Μεταστάθεια
- Περιπτώσεις Συγχρονισμού, Καμπύλη Μεταβίβασης και Μηχανικό Ανάλογο
- Συγχρονισμός με Flip-Flop, Μεταστάθεια, Συγχρονιστής δυο Flip-Flop
- Πιθανότητα Μεταστάθειας, Μέσος Χρόνος μεταξύ Αποτυχιών
- Συγχρονισμός με Πρωτόκολλο Χειραψίας καί Ουρά
vi. Μηχανές Πεπερασμένων Καταστάσεων
- Ορισμός ΜΠΚ, Πίνακας Ροής, Γράφος Καταστάσεων
- Μηχανές Mealy/Moore, Κωδικοποίηση, Υλοποίηση ΜΠΚ σε Δυαδική Λογική
- Αρχικοποίηση, Ντετερμινισμός, Αδιάφορες Τιμές
- Διαδραστικές ΜΠΚ, Σύνθεση Πολλαπλών ΜΠΚ
- Ισοδύναμες Καταστάσεις, Κ-διάκριση, Κ-ισοδυναμία
- Ελαχιστοποίηση Πλήρως-Ορισμένων ΜΠΚ, Ελαχιστοποίηση με Αδιάφορες Τιμές
vii. Δυαδική Άλγεβρα, Δυαδική Βελτιστοποίηση
- Απεικόνιση Συναρτήσεων στον Πολυδιάστατο Δυαδικό Χώρο
- Θεώρημα Boole/Shannon, Κανονικές Μορφές, Ελαχιστόροι/Μεγιστόροι
- Ομοφωνία, Συνεπαγωγή, Πρόβλημα SAT, Αδιάφορες Τιμές SDC/ODC
- Ταυτολογία, Επάγοντες και Πρώτοι Επάγοντες Όροι
- Ουσιώδης Επάγοντες, Θεώρημα Quine/McCluskey
- Υπολογισμός Πρώτων με την μέθοδο Πίνακα, Μονόσημο Πρόβλημα Κάλυψης
- Αδιάφορες Τιμές, Συναρτήσεις Πολλαπλών Εξόδων
viii. Χρονισμός, Στατική Χρονική Ανάλυση
- Καθυστέρηση Συνδυαστικής, Ακολουθιακής Πύλης, Περιορισμοί Πρό-θεσης/Διατήρησης
- Μοντέλο Σύγχρονου Κυκλώματος – Είδη Μονοπατιών, Στατική Ανάλυση
- Ελάχιστη Περίοδος, Παραβιάσεις Διατήρησης, Σχεδίαση Δέντρων Ρολογιών
- Φραγή Ρολογιού