Μάθημα : Σχεδίαση Ψηφιακών Συστημάτων

Το μάθημα αυτό είναι απόλυτα συνδεδεμένο με την αγορά εργασίας στο γνωστικό αντικείμενο της σχεδίασης ψηφιακών συστημάτων (digital design) με γλώσσα περιγραφής υλικού σε τεχνολογία FPGA και στοχεύει στην πρακτική εκμάθηση όλων των φάσεων της υλοποίησης ενός σύνθετου ψηφιακού συστήματος. Η υλοποίηση ξεκινάει με την ορθή σχεδίαση, ώστε να προκύψει η κατάλληλη σύνθεση, και συνεχίζει με την επαλήθευση της ορθής σχεδίασης. Δίδεται έμφαση στη σχεδίαση ενός απλοποιημένου πυρήνα αρχιτεκτονικής ARM καθώς και στη σχεδίαση ψηφιακών συστημάτων και επιταχυντών υλικού σε τεχνολογία FPGA για διαστημικές εφαρμογές.

Ο φοιτητής, αρχικά, διδάσκεται εν συντομία, υπό μορφή επανάληψης, θέματα που αφορούν στις αρχές και πρακτικές της ψηφιακής σχεδίασης. Έμφαση δίδεται σε θέματα, όπως α) η ανάλυση χρονισμού των ψηφιακών συστημάτων, μελετώντας τη μετασταθερότητα και πώς αυτή αντιμετωπίζεται με τη χρήση των συγχρονιστών, β) τα αριθμητικά συστήματα σταθερής υποδιαστολής, και γ) ο χωρικός και χρονικός παραλληλισμός για την αύξηση των επιδόσεων ενός ψηφιακού συστήματος.

Στη συνέχεια ο φοιτητής διδάσκεται τη γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL με πλήρη λίστα κωδίκων (ιδιωματισμών) για  προσομοίωση και ορθή σύνθεση μέσα από τα ψηφιακά κυκλώματα της διαδρομής δεδομένων (datapath) και της μονάδας ελέγχου (control unit) ενός επεξεργαστή αρχιτεκτονικής ARM v7 και τα απαιτούμενα προγράμματα δοκιμής (testbenches).  Αρχικά, δίδεται η περιγραφή απλών συνδυαστικών και ακολουθιακών κυκλωμάτων (π.χ. αποκωδικοποιητές, πολυπλέκτες, καταχωρητές, μέτρητές), στη συνέχεια δίδεται η περιγραφή κυκλωμάτων αριθμητικής (αθροιστές, αφαιρέτες, συσσωρευτές, συγκριτές, μονάδα ALU, ολισθητές και περιστροφείς, πολλαπλασιαστές), κατόπιν δίδεται η περιγραφή μηχανών πεπερασμένων καταστάσεων (ιδιαίτερα χρήσιμη για μικροαρχιτεκτονικές πολλών κύκλων) και τέλος δίδεται η περιγραφή διατάξεων μνήμης (ROM, RAM και αρχεία καταχωρητών).

Τέλος, ο φοιτητής διδάσκεται την αρχιτεκτονική του επεξεργαστή ARM (εντολές, συμβολική γλώσσα, προγραμματισμός, γλώσσα μηχανής) και μαθαίνει τις λεπτομέρειες της πραγματικής σχεδίασης ενός επεξεργαστή αρχιτεκτονικής ARM και για τις δύο βασικές μικροαρχιτεκτονικές του (ενός κύκλου και πολλών κύκλων), οι οποίες υιοθετούν διαφορετικούς συμβιβασμούς μεταξύ επιδόσεων και κόστους. Οι συμβιβασμοί αναλύονται σε βάθος, ώστε να κατανοήσει ο φοιτητής τη χρησιμότητα των βασικών μικροαρχιτεκτονικών στην πράξη.

Στο εργαστήριο του μαθήματος οι φοιτητές χρησιμοποιούν τα εργαλεία λογισμικού της XILINX (WebPACK edition του Vivado Design Suite) για να σχεδιάζουν, να επαληθεύουν την ορθή σχεδίαση με προσομοίωση  (γράφοντας τα απαραίτητα testbenches), να συνθέτουν και να υλοποιούν συνδυαστικά και ακολουθιακά κυκλώματα και τελικά έναν πυρήνα επεξεργαστή αρχιτεκτονικής ARM με μικροαρχιτεκτονική: αρχικά, απλού κύκλου και στη συνέχεια πολλών κύκλων (είναι προαιρετικό για προπτυχιακούς φοιτητές).