Načrtovanje digitalnih vezij

Opis predmeta

VHDL: vedenjsko in strukturno modeliranje.
Načrtovanje na algoritemskem in registrskem nivoju (RTL).
Metode simulacije in "Testbench".
Modeliranje za sintezo.
Programabilna vezja PLD.
Osnove programabilnih vezij FPGA.
Kompleksna kombinacijska aritmetična vezja v VHDL: paralelni števniki, množilniki.
Načrtovanje končnih avtomatov z VHDL.
Različni načini implementacije končnih avtomatov – upoštevanje specifičnih lastnosti avtomatov.
Implementacija kompleksnega digitalnega sistema v jeziku VHDL.
Asinhronska sekvenčna vezja: sinteza, uporaba.
CORDIC algoritmi. Mikroprocesor.

Cilji in kompetence

Cilj predmeta je študentu predstaviti moderne postopke pri načrtovanju kompleksnejših digitalnih sistemov z uporabo programirljivih elementov (FPGA, CPLD). Prvi del predmeta vključuje segment analize in strukture kompleksnejših kombinacijskih vezij, medtem ko se drugi del predmeta osredotoča na analizo, opisu in načrtovanju sinhronskih vezij (števci, registri) ter algoritemskih avtomatov (ASM) ter zasnovo RISC mikroprocesorja in realizacijo mikroukazov zbirnem jeziku. Predmet daje teoretične in praktične osnove pri načrtovanju in uporabi kompleksnejših digitalnih sistemov z uporabo modernih orodij za sintezo vezij (VHDL).

Metode poučevanja in učenja

Na predavanjih so tako praktične kot tudi teoretično predstavljene osnove obravnavanih poglavij skupaj s prikazom rešitev enostavnih praktičnih primerov. Študentom je na voljo študijski material s podrobno vsebino.
Praktično delo poteka v okviru laboratorijskih vaj, ki se tesno prepletajo z obravnavano tematiko, v katerih se študentje postopoma seznanjajo z obravnavano programirljivo digitalno komponento (FPGA, CPLD)  in pripadajočim inštrumentarijem.

Predvideni študijski rezultati

Po uspešno opravljenem modulu naj bi bili študenti zmožni:

– Analizirati in strukturirati odločitvena vezja z uporabo elementov (npr. kodirnik, dekodirnik, primerjalnik) v npr. vzporedni sortirnik,

– Sintetizirati kompleksnejša aritmetična vezja (seštevalnik/odštevalnik, primerjalnik, CLA/RC/Carry Skip/Carry Select/ seštevalnik, aritmetično logična enota in vzporedni seštevalnik, drevesni množilnik),

– Realizirati shranjevalni/pomikalni/univerzalni register ter izvesti različne vezave za izvedbo pomnilnika FIFO/LIFO ter vezij za šifiriranje podatkov (LFSR),

– Realizirati sinhroni/asinhroni dvojiški/BCD/ternarni/kvinarni števec ter izvesti različne vezave modulov/smeri/zaporedij štetja

– Sintetizirati obnašanje kompleksnega Mooreovega avtomata stanj (> 100 stanj), izvesti klasično sintezo avtomata z uporabo RTL gradnikov.

– Sintetizirati algoritemski avtomat stanj (ASM) v HDL in avtomat končnih stanj (FSM), simulirati njegovo delovanje in implementirati v obravnavano programirljivo digitalno komponento (FPGA/CPLD).

– Sintetizirati asinhroni avtomat stanj, simulirati njegovo delovanje in implementirati z uporabo logičnih vrat.

– Sintetizirati in implementirati vgrajeni "soft-core" RISC mikroprocesor, načrtati in z njim  povezati periferno enoto in jo programirati v zbirnem jeziku.

Reference nosilca

1. RESNIK, Drago, KOVAČ, Janez, VRTAČNIK, Danilo, GODEC, Matjaž, PEČAR, Borut, MOŽEK, Matej. Microstructural and electrical properties of heat treated resistive Ti/Pt thin layers. Thin solid films, ISSN 0040-6090. [Print ed.], 2017, vol. 639, pp. 64-72
2. PEČAR, Borut, VRTAČNIK, Danilo, RESNIK, Drago, MOŽEK, Matej, DOLŽAN, Tine, BRAJKOVIČ, Robert, KRIŽAJ, Dejan. Micropump operation at various driving signals : numerical simulation and experimental verification. Microsystem technologies, ISSN 0946-7076, Jul. 2015, vol. 21, no. 7, pp. 1379-1384
3. RESNIK, Drago, MOŽEK, Matej, PEČAR, Borut, DOLŽAN, Tine, JANEŽ, Andrej, URBANČIČ-ROVAN, Vilma, VRTAČNIK, Danilo. Characterization of skin penetration efficacy by Au-coated Si microneedle array electrode. Sensors and actuators. A, Physical, ISSN 0924-4247, 1 Aug. 2015, vol. 232, pp. 299-309
4. DOLŽAN, Tine, PEČAR, Borut, MOŽEK, Matej, RESNIK, Drago, VRTAČNIK, Danilo. Self-priming bubble tolerant microcylinder pump. Sensors and actuators. A, Physical, ISSN 0924-4247, 2015, vol. 233, pp. 548-556
5. MOŽEK, Matej, VRTAČNIK, Danilo, RESNIK, Drago, PEČAR, Borut, AMON, Slavko. Adaptive calibration and quality control of smart sensors. V: IVANOV, Ognyan (ur.). Applications and experiences of qulity control. Rijeka: Intech, cop. 2011, pp. 645-662

Temeljni viri in literatura

1. Brown, Stephen D. Vranesic, Zvonko G. "Fundamentals of digital logic with VHDL design", 2005 McGraw-Hill, ISBN 007-246085-7  
2. Katz, Randy H., Borriello, Gaetano "Contemporary logic design", 2005,
   Upper Saddle River: Pearson Prentice Hall, ISBN 0-201-30857-6        
3. Mano, M. Morris, Kime, Charles R. "Logic and computer design fundamentals", 2008 Upper Saddle River : Pearson Prentice Hall, 978-0-13-206711-9     
4. Parhami, Behrooz "Computer architecture : from microprocessors to supercomputers", 2005, Oxford University Press, ISBN 0-19-515455-X    
5. Branko Šter, Ljubo Pipan: Digitalne strukture, Zapiski predavanj, 2008        
6. Domača stran predmeta / Course homepage: http://ndv.fe.uni-lj.si