Σχεδίαση Επαναπροσδιοριζόμενων Ψηφιακών Συστημάτων (FPGA)

Γενικά

• Κωδικός Μαθήματος: 1714
• Εξάμηνο: 7ο
• Τύπος Μαθήματος: Εξειδίκευσης - Ανάπτυξης Δεξιοτήτων (ΕΞ-ΑΔ)
• Είδος Μαθήματος: Επιλογής (ΕΠ)
• Γνωστική Περιοχή: Ενσωματωμένα - Υπολογιστικά Συστήματα (ΕΥΣ)
• Διδασκαλία Θεωρίας: 2 ώρες/εβδομάδα
• Διδασκαλία Εργαστηρίου: 2 ώρες/εβδομάδα
• Πιστωτικές μονάδες ECTS: 6
• Γλώσσα διδασκαλίας και Εξετάσεων: Ελληνικά
• Το μάθημα προσφέρεται σε φοιτητές Erasmus
• Προτεινόμενα προαπαιτούμενα μαθήματα: (1504) Ηλεκτρονικές Διατάξεις, (1204) Σχεδίαση Ψηφιακών Συστημάτων
• Συντονιστής: Παπακώστας Δημήτριος

Μαθησιακά Αποτελέσματα

Σκοπός του μαθήματος είναι η κατανόηση της μεθοδολογίας σχεδιασμού ψηφιακών κυκλωμάτων με τις γλώσσες VHDL/ Schematic και Verilog με προγραμματισμό FPGA σε επαναπροσδιοριζόμενες πλατφόρμες καθώς και των γενικών αρχών της αρχιτεκτονικής τους. Το μάθημα θα δώσει στους φοιτητές θεωρητικές γνώσεις και πρακτική εργαστηριακή εμπειρία στον σχεδιασμό ενσωματωμένων συστημάτων. Το μάθημα δίνει έμφαση στο σχεδιασμό συστημάτων hardware και software σε διατάξεις FPGA (επαναπρογραμματιζόμενη λογική, reconfigurable logic). Στα εργαστηριακά μαθήματα οι φοιτητές θα χρησιμοποιούν συστήματα FPGA και εργαλεία σχεδιασμού hardware και sοftware για να σχεδιάσουν, υλοποιήσουν και να βελτιστοποιήσουν συστήματα Systems On Chip για κάποια εφαρμογή. Το μάθημα έχει εργασία στην οποίο οι φοιτητές δουλεύοντας σε ομάδες καλούνται να υλοποιήσουν ένα ενσωματωμένο σύστημα που οι ίδιοι θα επιλέξουν. To project περιλαμβάνει επίδειξη (demo) του συστήματος στην τάξη, παρουσίαση και report. Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής / τρια θα είναι σε θέση να:

• Χρησιμοποιεί τη μεθοδολογία σχεδιασμού ψηφιακού κυκλώματος με τη γλώσσα VHDL/Schematic και προγραμματισμός του FPGA
• Χρησιμοποιεί τη μεθοδολογία σχεδιασμού ψηφιακού κυκλώματος με τη γλώσσα Verilog και προγραμματισμός του FPGA
• Κατανοεί τη δομή και τη λειτουργικότητα ενός πολύπλοκου System On Chip
• Κατανοεί και να χρησιμοποιεί την δυνατότητα του reconfigurability
• Αποκτήσει νέες γνώσεις στον σχεδιασμό υλικού και λογισμικού για ένα τέτοιο υπολογιστικό σύστημα.
• Εργαστεί και να κατανοήσει σε πρακτικό επίπεδο έννοιες όπως hardware design, systems software, system on chips.

Γενικές Ικανότητες

• Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
• Λήψη αποφάσεων
• Αυτόνομη εργασία
• Ομαδική εργασία
• Εργασία σε διεθνές περιβάλλον
• Άσκηση κριτικής και αυτοκριτικής
• Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης

Περιεχόμενο Μαθήματος

Η διάρθρωση της ύλης φαίνεται παρακάτω:
Δομή και Λειτουργία FPGΑ
Εισαγωγή στην υλοποίηση ψηφιακών συστημάτων με FPGA
Μοντελοποίηση – Εισαγωγή στη σχηματική γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL
Εισαγωγή στη γλώσσα περιγραφής υλικού Verilog
Οντότητες και Αρχιτεκτονική της γλώσσας VHDL
Τρόποι περιγραφής με VHDL: συμπεριφοράς, ροής δεδομένων, δομική
Τύποι δεδομένων, δήλωση στοιχείων κυκλώματος
Δημιουργία υποπρογραμμάτων, πακέτων, βιβλιοθηκών, διατάξεων
Χειρισμός χρονικής ροής – Ακολουθιακές και Συντρέχουσες προτάσεις
Περιγραφή εργαστηριακού αναπτυξιακού συστήματος
Χρήση εξειδικευμένου λογισμικού – Βοηθητικά εργαλεία
Ενσωματωμένα συστήματα
Μεθοδολογία σχεδιασμού συστημάτων FPGA
Τεχνολογία και αρχιτεκτονική μοντέρνων FPGA
Virtex και Spartan FPGAs ως παραδείγματα μοντέρνων αναδιατασόμενων αρχιτεκτονικών.
Synthesis, placement, routing σε FPGAs
Ενσωματωμένοι επεξεργαστές (παράδειγμα επεξεργαστή Microblaze της Xilinx)
Αρχιτεκτονική System on chip βασισμένα στον επεξεργαστή Microblaze
Matlab – Simulink – Xilinx System Generator – Xilinx ISE

Διδακτικές και Μαθησιακές Μέθοδοι - Αξιολόγηση

Τρόπος Παράδοσης

• Πρόσωπο με πρόσωπο θεωρητική διδασκαλία.
• Εργαστηριακή εκπαίδευση.

Χρήση Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνιών

• Χρήση λογισμικού παρουσιάσεων διαφανειών (Power point presentations).
• Ηλεκτρονική επικοινωνία με τους φοιτητές/τριες.
• Χρήση τεχνολογίας ασύγχρονης εκπαίδευσης.

Οργάνωση Διδασκαλίας

Αξιολόγηση φοιτητών

Η βαθμολογία του μαθήματος προκύπτει από την τελική εξέταση του εξαμήνου και από την εργασία που εκπονούν και παρουσιάζουν οι φοιτητές. Ο βαθμός του μαθήματος πρέπει να είναι τουλάχιστον πέντε (5).
Η εργασία αφορά σε θέματα που σχετίζονται με τις πρόσφατες εξελίξεις στον προγραμματισμό επαναπροσδιοριζόμενων ψηφιακών κυκλωμάτων και παρουσιάζεται από τους φοιτητές σε ομάδες των δύο (συνήθως) ατόμων. Βασίζεται σε πρόσφατη και αξιόπιστη βιβλιογραφία και περιλαμβάνει περιγραφή με κείμενο περίπου 2000 λέξεων και αρχείο παρουσίασης με περίπου 25 διαφάνειες. Η παρουσίαση των εργασιών (διάρκειας 20΄- 30΄) γίνεται κατά τη διάρκεια των ωρών διδασκαλίας και η παρακολούθηση είναι υποχρεωτική για όλους τους φοιτητές.
Τα κριτήρια αξιολόγησης είναι προσβάσιμα στους φοιτητές από την ηλεκτρονική σελίδα του μαθήματος.

Συνιστώμενη Βιβλιογραφία

Συγγράμματα μέσω του συστήματος "Εύδοξος"

1. P.J. Ashenden, Morgan Kaufmann, 2008. (Μεταφρασμένη έκδοση Ψηφιακή Σχεδίαση: Ενσωματωμένα Συστήματα με VHDL, Εκδόσεις Νέων Τεχνολογιών, 2010).

Συμπληρωματική ελληνόγλωσση βιβλιογραφία

1. Kang Sung - Mo (Steve), Leblebici Yusuf, Ανάλυση και σχεδίαση ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS, Εκδ. Τζιόλα.
2. P.R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, R.G. Meyer, Ανάλυση και Σχεδίαση Αναλογικών Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων, Εκδ. Κλειδάριθμος.

Συμπληρωματική ξενόγλωσση βιβλιογραφία

1. "Embedded Computing, A VLIW Approach to Architecture, Compilers and Tools,"
2. by Josh Fisher, Paolo Faraboschi, Cliff Young, Morgan Kaufmann Publishers, 2005
3. Digital design: an embedded systems approach using VHDL

Συναφή επιστημονικά περιοδικά

1. ACM Transactions on Reconfigurable Technology and Systems (TRESTS)
2. International Journal of Reconfigurable Computing
3. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems