Μάθημα : Λογική Σχεδίαση

Συμπληρωματικά Στοιχεία:

Όλες οι πληροφορίες που αφορούν το μάθημα βρίσκονται στην ιστοσελίδα του μαθήματος.

Περιεχόμενο μαθήματος

• Εισαγωγή, διαχείριση πολυπλοκότητας και τεχνολογία ψηφιακών συστημάτων.
• Αριθμητικά συστήματα, δεκαδικοί, δυαδικοί και δεκαεξαδικοί αριθμοί, αναπαραστάσεις θετικών και αρνητικών αριθμών, και αριθμητικές πράξεις.
• Λογικές πύλες, ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα και τεχνολογία CMOS.
• Αρχές συνδυαστικής λογικής, εξισώσεις Boole, άλγεβρα Boole και λογικά κυκλώματα δύο επιπέδων.
• Χρήση πυλών XOR, NAND, NOR και πολυεπίπεδη συνδυαστική λογική.
• Ελαχιστοποίηση εξισώσεων Boole με τη χρήση χαρτών Kaurnaugh και την αξιοποίηση αδιάφορων τιμών.
• Δομικά στοιχεία συνδυαστικής λογικής (πολυπλέκτες, αποπλέκτες, αποκωδικοποιητές, κωδικοποιητές).
• Χρονισμός συνδυαστικής λογικής (καθυστέρηση διάδοσης, καθυστέρηση μόλυνσης και μεταβατικοί παλμοί).
• Μανδαλωτές (latches), φλιπ-φλοπ (flip-flop) και καταχωρητές.
• Σχεδίαση σύγχρονης λογικής και μηχανές πεπερασμένων καταστάσεων Moore και Mealy.
• Απλή ανάλυση χρονισμού ψηφιακών συστημάτων.
• Γλώσσες περιγραφής υλικού (HDL) για προσομοίωση και σύνθεση.
• Κυκλώματα αριθμητικής (αθροιστές, αφαιρέτες, συγκριτές, μονάδα ALU, ολισθητές και περιστροφείς).
• Ακολουθιακά δομικά στοιχεία (μετρητές, καταχωρητές ολίσθησης, αλυσίδες σάρωσης).
• Διατάξεις μνήμης (ROM, RAM, DRAM, SRAM, αρχεία καταχωρητών).
• Διατάξεις λογικής (PLA, FPGA).

Μαθησιακοί στόχοι

Να μυηθούν βήμα-βήμα οι αμύητοι φοιτητές, χωρίς την αναγκαιότητα κάποιας πρότερης γνώσης, αρχικά στα αριθμητικά συστήματα και στις λογικές πύλες, κατόπιν στη συνδυαστική λογική και τέλος στην ακολουθιακή λογική με έμφαση στα ψηφιακά δομικά στοιχεία (αριθμητικές μονάδες, διατάξεις μνήμης και διατάξεις λογικής.

Η μύηση συμπεριλαμβάνει τη βασική ιδέα του προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού (HDL), που είναι σήμερα ο καθιερωμένος τρόπος σχεδίασης ψηφιακών συστημάτων.

Το ιδιαίτερο τελετουργικό μύησης στην ψηφιακή σχεδίαση, που ακολουθείται στο παρόν μάθημα, αφορά όλους τους φοιτητές που ενδιαφέρονται να εντρυφήσουν στην ανάπτυξη του υλικού και του λογισμικού υπολογιστικών συστημάτων, τηλεπικοινωνιακών και δικτυακών συστημάτων, και συστημάτων ψηφιακής επεξεργασίας σήματος και πληροφοριών, και γενικότερα στην επιστήμη και τεχνολογία των υπολογιστών.

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής/η φοιτήτρια θα είναι σε θέση να:

• περιγράφει τις αρχές και πρακτικές της συνδυαστικής και ακολουθιακής λογικής,
• σχεδιάζει όλες τις βασικές μονάδες ενός ψηφιακού συστήματος στο επίπεδο της λογικής σχεδίασης,
• αναλύει το συγχρονισμό των ψηφιακών συστημάτων στην απλοποιημένη του μορφή,
• περιγράφει τις σύγχρονες διατάξεις μνήμης και λογικής,
• εξηγεί τη βασική ιδέα του προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού (HDL).

Βιβλιογραφία

Με την έναρξη των μαθημάτων ο φοιτητής λαμβάνει σε ηλεκτρονική μορφή όλες τις διαφάνειες των παραδόσεων οργανωμένες κατά τέτοιον τρόπο, ώστε να μυηθεί όχι μόνο στη λογική σχεδίαση, αλλά και στη διαδικασία της μάθησης και στην ανάπτυξη συλλογισμών. Οι διαφάνειες των παραδόσεων χρησιμοποιούνται από τους φοιτητές κατά τη διάρκεια των παραδόσεων σαν "σημειωματάριο" στο οποίο μπορούν να σημειώνουν τυχούσες απορίες ή διευκρινίσεις καθώς και τη λύση επιλεγμένων ασκήσεων. Στο τέλος των παραδόσεων ο φοιτητής, που παρακολούθησε το μάθημα, θα έχει στα χέρια του ένα ολοκληρωμένο εκπαιδευτικό υλικό, που δημιουργήθηκε με τη δική του συμμετοχή και αυτενέργεια. Το υλικό αυτό θα είναι η βάση της προετοιμασίας του για την τελική αξιολόγησή του.

Η διδασκαλία του μαθήματος βασίζεται στο βιβλίο «Ψηφιακή Σχεδίαση και Αρχιτεκτονική Υπολογιστών, Έκδοση ARM», των Sarah L. Harris και David Money Harris, (επιστημονική επιμέλεια στα ελληνικά: Α. Πασχάλης), Κλειδάριθμος, 2019. (τίτλος πρωτοτύπου: “Digital Design and Computer Architecture, ARM Edition”, Elsevier/Morgan Kaufmann, 2016).

Διδάσκοντες

Βασίλειος Καρακώστας, Επίκουρος Καθηγητής (https://cgi.di.uoa.gr/~vkarakos/, Γραφείο Α43)

Διονύσης Βασιλόπουλος, Εργαστηριακό Διδακτικό Προσωπικό (Γραφείο Α33)

Ώρες Γραφείου

Τετάρτη 11:00-13:00