ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, «Ενίσχυση Σπουδών Πληροφορικής», ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ Ιωάννη Καλόμοιρου, Προηγμένα Ψηφιακά Συστήματα ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών ΕΞΑΜΗΝΟ ΣΤ΄ Διδάσκων: Ιωάννης Καλόμοιρος, Επίκ. Kαθηγητής

ΕΝΟΤΗΤΑ 1Η ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, «Ενίσχυση Σπουδών Πληροφορικής», ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ Ιωάννη Καλόμοιρου, Προηγμένα Ψηφιακά Συστήματα ΕΝΟΤΗΤΑ 1Η ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Αντικείμενο του μαθήματος-βασικές ενότητες Ιεραρχικά επίπεδα σχεδίασης ψηφιακών κυκλωμάτων Αναφορά σε αριθμητικά συστήματα και πράξεις Κώδικες

ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αντικείμενο του μαθήματος: Η εξοικείωση με τις βασικές αρχές σχεδίασης λογικών κυκλωμάτων, σύνθετων ψηφιακών συστημάτων και ολοκληρωμένων VLSI. Κύριες Ενότητες: 1. Βασικές ημιαγωγικές διατάξεις στη σχεδίαση VLSI. Δίοδοι, τρανζίστορ, MOSFET. Βασικές τεχνολογίες κατασκευής απλών και σύνθετων κυκλωμάτων: CMOS και TTL. Hλεκτρικά χαρακτηριστικά. 2. Σχεδίαση σε επίπεδο μεταφοράς καταχωρητών: Αποκωδικοποιητές, πολυπλέκτες, συγκριτές, αθροιστές αφαιρέτες, καταχωρητές, απαριθμητές. Σχεδίαση με βασικά ολοκληρωμένα κυκλώματα της τυπικής λογικής. 3. Σχεδιασμός σύνθετων συστημάτων σε επίπεδο συμπεριφοράς: μνήμες, ALUs, επεξεργαστές. Πρωτοτυποποίηση με PLDs. Επίσης, παρουσιάζονται βασικές αρχές σχεδίασης με χρήση γλώσσας περιγραφής υλικού VHDLκαι λογισμικού σχεδίασης CAD.

ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Εξάπλωση και πλεονεκτήματα ψηφιακών συστημάτων Εφαρμογές στις παρακάτω τεχνολογίες: Τεχνολογία Εικόνας (Επεξεργασία Εικόνας, Ψηφιακή φωτογραφία) Τεχνολογία Video (DVD, DV) Τεχνολογία Ήχου (CD, SACD, DSPs). Επικοινωνίες (τηλέφωνα, κινητά, δορυφορική τηλεόραση, ψηφιακές εκπομπές TV, ραδιόφωνο) Χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα των ψηφιακών τεχνολογιών: Αξιοπιστία και επαναληψιμότητα, ευελιξία και πολλές ευκολίες, ευκολία στον σχεδιασμό (απλές λογικές αρχές, απλά κυκλώματα), Ταχύτητα, Οικονομία χώρου, χαμηλό κόστος, ταχύτατα εξελισσόμενη τεχνολογία.

Υπενθύμιση: Στην εισαγωγή στα Ψηφιακά κυκλώματα (Γ’ εξάμηνο) διδάχτηκε η απλή σχεδίαση με: α. Συνδυαστικά κυκλώματα (απλές και σύνθετες πύλες) β. Ακολουθιακά κυκλώματα (flip-flops) και μηχανές καταστάσεων Στα Προηγμένα Ψηφιακά Συστήματα μελετούμε α. Σχεδίαση σε επίπεδο Μετφοράς καταχωρητών. (βαθμίδες πολυπλεκτών αποκωδικοποιητών, συγκριτών, αριθμητικών κυκλωμάτων, απαριθμητών, καταχωρητών κλπ). Χρήση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων της τυπικής λογικής (CMOS και TTL) β. Σχεδίαση σύνθετων συστημάτων σε επίπεδο συμπεριφοράς (ALU, μνήμες, επεξεργαστές). Χρήση γλώσσας περιγραφής υλικού VHDL. Σχεδίαση με χρήση κατάλληλου λογισμικού ψηφιακής σχεδίασης (Quartus II)

Λογισμικό που χρησιμοποιούμε στη ψηφιακή σχεδίαση: Εξομοιωτές, όπως το MultiSim 7 Γλώσσες Περιγραφής Υλικού (HDLs), όπως η VHDL Εργαλεία προσομοίωσης κώδικα HDL, όπως το ModelSim Εργαλεία Σχεδίασης και Σύνθεσης (όπως το QUARTUS II)

Παράδειγμα λογισμικού εξομοίωσης: MultiSim 7

Παράδειγμα λογισμικού εξομοίωσης: MultiSim 7 (συνέχεια)

Κλίμακες ολοκλήρωσης: SSI: Απλές πύλες, όπως ο εξαπλός αντιστροφέας (7404), η τετραπλή NAND (7408) κλπ. MSI: Ολοκληρωμένα κυκλώματα που περιλαμβάνουν μερικές εκατοντάδες πύλες. Τέτοια είναι κυκλώματα αθροιστών, λογικοί πίνακες (PAL, PLDs) κ.α. LSI: μερικές χιλιάδες έως εκατό χιλιάδες πύλες. (Μικροί επεξεργαστές, απλές αριθμητικές και λογικές μονάδες). VLSI: Σύγχρονοι επεξεργαστές με εκατοντάδες χιλιάδες πύλες ή εκατομμύρια τρανζίστορ. ULSI: Πρόκειται για τα μελλοντικά κυκλώματα που θα περιλαμβάνουν μέχρι και ένα δισεκατομμύριο τρανζίστορ.

Ιεραρχικά επίπεδα στη σχεδίαση ψηφιακών κυκλωμάτων Σχεδίαση σε επίπεδο τρανζίστορ Σεδίαση σε επίπεδο πυλών Σχεδίαση σε επίπεδο Μεταφοράς Καταχωρητών (R-T). Χρήση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων της τυπικής λογικής Σχεδίαση σε επίπεδο συμπεριφοράς και συστήματος. Χρήση ειδικών VLSI ή εξειδικευμένων ASICs

Παράδειγμα μελέτης συστήματος σε διάφορα επίπεδα σχεδίασης: Πολυπλέκτης δύο εισόδων Α,Β, με μια είσοδο επιλογής S και έξοδο Ζ Διάγραμμα πολυπλέκτη 2:1 Α. Σχεδίαση σε επίπεδο τρανζίστορ CMOS:

Β. Λογικός σχεδιασμός σε επίπεδο πυλών: Για απλά κυκλώματα χρησιμοποιούμε πίνακες αληθείας, πύλες και τεχνικές απλοποίησης: Λογική εξίσωση: Z=S’A+SB Γ. Για πιο σύνθετες σχεδιάσεις χρησιμοποιούμε ολοκληρωμένα κυκλώματα της «τυπικής λογικής» και βαθμίδες σχεδίασης σε επίπεδο μεταφοράς καταχωρητών.

Δ.Για σύνθετα συστήματα χρησιμοποιούμε περιγραφή σε επίπεδο συμπεριφοράς και γλώσσες HDL, όπως η VHDL. Μπορούμε να σχεδιάσουμε έναν πολυπλέκτη προγραμματίζοντας ένα PLD, γράφοντας κώδικα σε γλώσσα VHDL. LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; --simple example 2-to-1 multiplexer ENTITY mux2to1 IS PORT(x, y, s :IN STD_LOGIC; m:OUT STD_LOGIC); END mux2to1; ARCHITECTURE Behavior OF mux2to1 IS BEGIN m<=(NOT(s) AND x) OR (s AND y); END Behavior

Σχεδιασμός σύνθετου Συστήματος: Ένας μικρός Επεξεργαστής Να ταυτοποιήσετε τα διάφορα κυκλώματα και να σχολιάσετε τη σημασία τους.