Systemy cyfrowe

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

SYCYF

1

Głównym celem przedmiotu jest zaznajomienie studentów z podstawami projektowania i realizacji sprzętowych systemów cyfrowych. Omówione zostaną metodyki projektowania takich systemów, ich optymalizacji i weryfikacji. Przedstawione zostaną sposoby modelowania kombinacyjnych i sekwencyjnych układów cyfrowych z użyciem języka HDL. Zaprezentowane zostaną zagadnienia związane z projektowaniem na poziomie RTL z użyciem metodyki ASM i z projektowaniem hierarchicznym.

Istotnym elementem przedmiotu jest projekt, w ramach którego zespoły projektowe będą miały za zadanie zaprojektowanie, weryfikację i uruchomienie na platformie prototypowej wyposażonej w układ programowalny sprzętowego systemu realizującego algorytm z dziedziny DSP (Digital Signal Processing), kryptologii, SDR (Software-Defined Radio), SDN (Software-Defined Networking). Projekt realizowany będzie etapowo, każdy etap zaliczany będzie na podstawie raportu.

Głównym celem przedmiotu jest zaznajomienie studentów z podstawami projektowania i realizacji sprzętowych systemów cyfrowych. Omówione zostaną metodyki projektowania takich systemów, ich optymalizacji i weryfikacji. Przedstawione zostaną sposoby modelowania kombinacyjnych i sekwencyjnych układów cyfrowych z użyciem języka HDL. Zaprezentowane zostaną zagadnienia związane z projektowaniem na poziomie RTL z użyciem metodyki ASM i z projektowaniem hierarchicznym.

Istotnym elementem przedmiotu jest projekt, w ramach którego zespoły projektowe będą miały za zadanie zaprojektowanie, weryfikację i uruchomienie na platformie prototypowej wyposażonej w układ programowalny sprzętowego systemu realizującego algorytm z dziedziny DSP (Digital Signal Processing), kryptologii, SDR (Software-Defined Radio), SDN (Software-Defined Networking). Projekt realizowany będzie etapowo, każdy etap zaliczany będzie na podstawie raportu.

Treść wykładu

1. Układy cyfrowe – klasyfikacja, technologie wytwarzania, specyfika projektowania. (2 godz.)
   Klasyfikacja układów cyfrowych (układy katalogowe, układy specjalizowane ASIC, układy programowalne (FPLD). Etapy procesu projektowego. Style projektowania układów cyfrowych. Przykład syntezy układu cyfrowego realizującego prosty algorytm. Porównanie metodologii projektowania układu cyfrowego z projektowaniem oprogramowania. Komputerowe projektowanie. Narzędzia CAD. Architektury nowoczesnych systemów cyfrowych: System on a Chip (SoC), Multiprocessor System on a Chip (MPSoC), Network on Chip (NoC).
2. Modelowanie systemów cyfrowych. (2 godz.)
   Sposoby reprezentacji liczb w zapisie binarnym (NKB, U2, zapis stałopozycyjny oraz zmiennopozycyjny). Podstawowe działania arytmetyczne na liczbach przedstawionych binarnie. Sposoby opisu i modelowania systemów cyfrowych. Diagram "Y". Cyfrowe kombinacyjne i sekwencyjne bloki funkcjonalne wykorzystywane w syntezie strukturalnej układów cyfrowych.
3. Zasady specyfikacji układów cyfrowych – języki opisu sprzętu. (2 godz.)
   Ograniczenia tradycyjnych języków programowania. Zastosowania języków HDL (Hardware Description Language). Cechy języków HDL. Podstawowe koncepcje na przykładzie języka VHDL. Opis strukturalny. Opis behawioralny. Testbench. Konfiguracja. Elementy języka VHDL. Różne sposobów opisu projektowanego systemu.
4. Modelowanie logiki kombinacyjnej. (4 godz.)
   Sposoby realizacji logiki kombinacyjnej z wykorzystaniem struktur języka VHDL. Sposoby implementacji podstawowych kombinacyjnych bloków funkcjonalnych, tj. multipleksery dekodery, moduły opisane tablicą prawdy i równaniami boolowskimi. Parametry czasowe układów kombinacyjnych. Pojęcie ścieżki krytycznej (topologicznej, rzeczywistej, fałszywej).
5. Modelowanie logiki sekwencyjnej. (4 godz.)
   Wykorzystanie elementów pamięciowych. Model układu sekwencyjnego. Sposoby opisu sekwencyjnych bloków funkcjonalnych. Liczniki. Sposoby realizacji logiki sekwencyjnej z wykorzystaniem struktur języka VHDL. Sposoby implementacji podstawowych sekwencyjnych bloków funkcjonalnych, tj. rejestry, automaty, liczniki.
6. Projektowanie układów synchronicznych z wykorzystaniem FSM i ASM. (4 godz.)
   Zastosowanie automatów FSM i diagramów ASM do projektowania synchronicznych układów cyfrowych. Pojęcia: ripple and/or gated clocks,clock skew, clock enable. Dystrybucja sygnału zegara. Synchronizacja międzysymbolowa. Synchronizacja międzyramkowa. Generacja sekwencji. Sposoby współdziałania automatów w systemie cyfrowym. Obsługa portów dwukierunkowych. Wykorzystanie specjalizowanych bloków na przykładzie pamięci RAM. Domeny zegarowe i komunikacja między nimi.
7. Projektowanie hierarchiczne i zaawansowane zagadnienia syntezy układów cyfrowych. (4 godz.)
   Przedstawienie metodologii projektowania hierarchicznego (bottom-up itop-down). Moduły parametryzowane. Wykorzystanie pakietów. Zaawansowane metody optymalizacji układów kombinacyjnych i sekwencyjnych FSM: dekompozycja, wykorzystanie pamięci ROM, układy modyfikacji adresu. Zjawisko wyścigów krytycznych - "szpilki".
8. Sprzętowa realizacja wybranych algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów i informacji. (4 godz.)
   Sprzętowa realizacja operacji MAC. Wyznaczanie wartości wybranych funkcji arytmetycznych na przykładzie pierwiastka kwadratowego. Modulacja i demodulacja cyfrowa. Kryptografia. Kody korekcyjne.
9. Zaawansowane metody projektowania. (4 godz.)
   Różne sposoby projektowania układów cyfrowych. Strukturalna realizacja przepływu danych. Rozwijanie pętli (loop unrolling). Układ sterujący -układ operacyjny. Diagramy ASM. Diagramy ASMD. Operacje RT realizowanew trybie Mealy'ego. Współdzielenie zasobów. Potokowanie. Synteza HLS (High-level synthesis). Kosynteza sprzętowo-programowa (Hardware/Software co-design).

Zakres laboratorium

Zajęcia laboratoryjne są wprowadzeniem do projektu realizowanego w ramach przedmiotu. Mają one za zdanie zapoznanie studentów z procesem projektowym z wykorzystaniem specjalistycznych narzędzi CAD i platform do prototypowania wyposażonych w układy programowalne FPGA. Przewidziano realizację 5 ćwiczeń obejmujących 3 części tematyczne:

1. Zapoznanie z projektowaniem sprzętowych systemów cyfrowych z wykorzystaniem narzędzi CAD. Zaprojektowanie prostego układu cyfrowego, przeprowadzenie weryfikacji funkcjonalnej z użyciem symulatora i uruchomienie na platformie do prototypowania.
2. Wykorzystanie metodyki ASM do sprzętowej realizacji algorytmów. Realizacja wybranego algorytmu z wykorzystaniem koncepcji ASMD. Realizacja układu sterującego, układu operacyjnego i ich integracja.
3. Sprzętowa realizacja algorytmu jako Custom Instruction i jego integracja w systemie mikroprocesorowym opartym na procesorze typu SoftCore.

Przewiduje się powiązanie zakresu poszczególnych ćwiczeń z tematyką projektów przewidywanych do realizacji w kolejnych semestrach.

Zakres projektu

W ramach projektu zespół 2-3 osobowy będzie miał za zadanie opracować sprzętową realizację algorytmu z obszaru DSP, kryptologii, SDR, SDN. Realizacja zadania będzie obejmowała 4 etapy: przeprowadzenie analizy literaturowej i opracowanie koncepcji rozwiązania, opracowanie modelu referencyjnego i modelu bit accurate, zaprojektowanie i weryfikację funkcjonalną modelu sprzętowego z analizą efektywności oraz realizację systemu z wykorzystaniem platformy sprzętowej wyposażonej w układ FPGA. Każdy etap zaliczany będzie na podstawie raportu. Istotne będzie prowadzenie dokumentacji projektu oraz przygotowanie prezentacji wyników projektu.

• Slajdy do wykładu, materiały uzupełniające w postaci zadań interaktywnych oraz demonstracji obrazujących omawiane zagadnienia.
• Książki
  1. Pong P. Chu, (2006) RTL Hardware Design Using VHDL: Coding for Efficiency, Portability, and Scalability, Wiley-IEEE Press.
  2. Uwe Meyer-Baese, (2007) Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays.
  3. Peter J. Ashenden, (2008) Digital Design: An Embedded Systems Approach Using Verilog. Elsevier Science.
  4. Richard S. Sandige, (2011) Fundamentals of Digital and Computer Design with VHDL. McGraw Hill Higher Education.
• Internet
• Oprogramowanie
  1. Oprogramowanie CAD do projektowania układów cyfrowych.
  2. Oprogramowanie do symulacji układów cyfrowych.
  3. Oprogramowanie do syntezy i optymalizacji.

Sprawdzanie założonych efektów kształcenia realizowane jest przez:

• ocenę wiedzy i umiejętności związanych z realizacją zadań laboratoryjnych – ocenę sprawozdań z realizacji zadań,
• ocenę wiedzy i umiejętności związanych z realizacją zadań projektowych - ocenę prezentacji i raportu z realizacji projektu;
• ocenę wiedzy i umiejętności wykazanych na sprawdzianie/sprawdzianach wykładowych.

103600 - Instytut Telekomunikacji

103600 - Instytut Telekomunikacji

103600 - Instytut Telekomunikacji

103600 - Instytut Telekomunikacji

103600 - Instytut Telekomunikacji

103600 - Instytut Telekomunikacji