Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων (VLSI) ΙΙ (ΑΜ)

Βασίλης Παλιουράς, Γεώργιος Θεοδωρίδης

Περιγραφή

Το μάθημα "Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων (VLSI) II" ασχολείται με τις διαφορετικές στρατηγικές και μεθοδολογίες για τον σχεδιασμό και την υλοποίηση VLSI κυκλωμάτων και συστημάτων καθώς και τη σχεδίαση ειδικών κυκλωμάτων για την αντιμετώπιση ειδικών σχεδιαστικών ζητημάτων. Περιλαμβάνει τον σχεδιασμό υποσυστημάτων χειρισμού δεδομένων και τη σχεδίαση μνημών με τεχνικές VLSI. Mέσα από τις εργαστηριακές ασκήσεις γίνεται εξοικείωση με τα βασικά εργαλεία σχεδιασμού σε επίπεδο πυλών και σε επίπεδο καταχωρητή με αποτέλεσμα την απόκτηση σχεδιαστικής εμπειρίας στον σχεδιασμό σύνθετων λογικών συναρτήσεων και κυκλωμάτων.

CC - Αναφορά Δημιουργού
Περιεχόμενο μαθήματος

Στρατηγικές Σχεδίασης Ψηφιακών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων: Εξατομικευμένος (full custom) και ημι-εξατομικευμένος σχεδιασμός. Σχεδιασμός με προσχεδιασμένα κύτταρα. Δομές τύπου πίνακα. Τεχνολογία FPGA. Σχεδιαστικές μεθοδολογίες και ροές σχεδιασμού.

Χρονισμός Ψηφιακών Κυκλωμάτων: Ταξινόμηση κυκλωμάτων ως προς το χρονισμό, Σύγχρονος σχεδιασμός, Αυτοχρονιζόμενα κυκλώματα, Διανομή ρολογιού.

Υποσυστήματα Χειρισμού Δεδομένων: Προσθετές/ αφαιρέτες, Ανιχνευτές «1»/«0», Συγκριτές, Μετρητές, Τελεστές Boolean λογικής, Κώδικες ανίχνευσης/διόρθωσης λαθών, Ολισθητές, Πολλαπλασιαστές, Παράλληλοι υπολογισμοί (Parallel-prefix computation).

Υποσυστήματα Μνημών και Δομές Τύπου Πίνακα: Στατική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (SRAM), Δυναμική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (DRAM), Μνήμη ανάγνωσης μόνο (ROM), Μνήμες σειριακής πρόσβασης, Μνήμες διεθυνσιοδοτούμενες από τα δεδομένα, Δομές προγραμματιζόμενης λογικής τύπου πίνακα.

Υποσυστήματα Ειδικού Σκοπού: Καταμερισμός κατανάλωσης ισχύος, Κυκλώματα ρολογιού & διανομή ρολογιού, Κυκλώματα Εισόδου/Εξόδου.

Γλώσσες Περιγραφής Υλικού: Περιγραφή ψηφιακών κυκλωμάτων με τη VHDL.

Μαθησιακοί στόχοι

Οι βασικοί στόχοι του μαθήματος είναι:

  • O VLSI σχεδιασμός υποσυστημάτων χειρισμού δεδομένων
  • H σχεδίαση μνημών με τεχνικές VLSI
  • Η σε βάθος κατανόηση των διαφορετικών στρατηγικών και μεθοδολογιών για το σχεδιασμό και υλοποίηση VLSI κυκλωμάτων και συστημάτων
  • Η σχεδίαση ειδικών κυκλωμάτων για την αντιμετώπιση ειδικών σχεδιαστικών ζητημάτων (καταμερισμός κατανάλωσης ισχύος, παραγωγή και διανομή ρολογιού, κυκλώματα εισόδου/εξόδου κλπ.)
  • Η απόκτηση σχεδιαστικής εμπειρίας μέσω της εργαστηριακής εκπαίδευσης στα παραπάνω θέματα
Προαπαιτούμενα

Βασική γνώση ηλεκτρονικής και σχεδίασης ψηφιακών κυκλωμάτων.

Βιβλιογραφία

Ενότητες

Στη συγκεκριμένη ενότητα εισάγονται οι βασικές έννοιες για την υλοποίηση αθροιστών σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Παρουσιάζονται οι αθροιστές διάδοσης κρατουμένου και οι αθροιστές παράλληλου προθέματος, δείχνεται η λειτουργία τους και αναλύονται τα χαρακτηριστικά τους. Τέλος, παρουσιάζονται οι αρχιτεκτονικές αθροιστών με σκοπό την άθροιση πολλαπλών τελεστέων.

Στη συγκεκριμένη ενότητα εισάγονται οι βασικές έννοιες για την υλοποίηση πολλαπλασιαστών σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Περιγράφεται η διαδικασία πολλαπλασιασμού αριθμών χωρίς πρόσημο και προσημασμένων σε συμπλήρωμα του δύο. Αναλύονται οι μέθοδοι που διευκολύνουν την άθροιση των προσημασμέων όρων. Τέλος, παρουσιάζεται ο αλγόριθμος πολλαπλασιασμού του Booth που μειώνει τον αριθμό των μερικών γινομένων μέσω της κωδικοποίησης των αριθμών.

Στη συγκεκριμένη ενότητα παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες της ακολουθιακής λογικής και αναλύονται τα διαγράμματα χρονισμού των ακολουθιακών κυκλωμάτων. Εισάγονται οι περιορισμοί που πρέπει να ικανοποιούνται ώστε το κύκλωμα να λειτουργεί ορθώς και παρουσιάζονται διαφορετικές μέθοδοι σχεδίαση ακολουθιακών κυκλωμάτων και τα πλεονεκτήματα της καθεμίας.

Στη συγκεκριμένη ενότητα παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία που επηρεάζουν τη σχεδίαση των ακολουθιακών κυκλωμάτων. Αναλύονται τα προβλήματα που παρατηρούνται κατά τη χρήση ακολουθιακών στοιχείων σε ό,τι αφορά τον χρονισμό του κυκλώματος και οι τρόποι αντιμετώπισής τους. Επίσης, περιγράφεται η λειτουργία και τα χαρακτηριστικά των δυναμικών κυκλωμάτων καθώς και η επίδραση της χρήσης ρολογιού δύο και τεσσάρων φάσεων. Τέλος, αναλύονται οι τεχνικές με στόχο τη σχεδίαση μονοτονικών κυκλωμάτων αλλά και αποφυγή της μετασταθερότητας.

Στη συγκεκριμένη ενότητα πραγματοποιείται εισαγωγή στους τύπους μνημών και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους. Περιγράφεται η δομή διαφόρων κυττάρων στατικής μνήμης καθώς και οι λειτουργίες εγγραφής και ανάγνωσης. Παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση των κωδικοποιητών της μνήμης και των κυκλωμάτων που επιτρέπουν την ανάγνωση στηλών της μνήμης.

Στη συγκεκριμένη ενότητα παρουσιάζονται τα υποσυστήματα διατάξεων που βασίζονται σε μνήμες ανάγνωσης. Αρχικά, παρουσιάζεται η δομή και οι λειτουργίες της μνήμης ROM, ενώ στη συνέχεια περιγράφονται οι μνήμες σειριακής προσπέλασης και οι μνήμες διευθυνσιοδοτούμενες από τα δεδομένα. Τέλος, παρουσιάζονται τα στοιχεία από τα οποία αποτελούνται οι πραγραμματιζόμενες λογικές διατάξεις.

Στην πρώτη εργαστηριακή άσκηση πραγματοποιείται εισαγωγή στη γλώσσα VHDL και στο περιβάλλον του εργαλείου Modelsim.

Στη δεύτερη εργαστηριακή άσκηση πραγματοποιείται η περιγραφή κυκλωμάτων με συντρέχουσες εντολές της VHDL.

Στην τρίτη εργαστηριακή άσκηση πραγματοποιείται η σχεδίαση και υλοποίηση μίας ALU δύο εισόδων με συντρέχουσες εντολές της VHDL.

Στην τέταρτη εργαστηριακή άσκηση πραγματοποιείται η περιγραφή κυκλωμάτων με χρήση ακολουθιακών εντολών της VHDL και ο σχεδιασμός μίας ALU τριών εισόδων με ακολουθιακά στοιχεία.

Ανοικτό Ακαδ. Μάθημα

Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα
Επίπεδο: A-

Αρ. Επισκέψεων :  3118
Αρ. Προβολών :  17557