Digitālā projektēšana [M] (DIP)

LU DF maģistru un doktorantu studiju kurss DatZ7034, meklēt eStudijās.

Par kursu

Kursa mērķi ir iepazīstināt ar digitālo iekārtu projektēšanas aspektiem, darba plūsmu, problēmām un risinājumiem. Kursa ietvaros tiek apskatīti digitālu iekārtu un datoru arhitektūras pamata un arī sarežģītākas pakāpes elementi. Kursā studenti izstrādā praktiskos darbus un kursa projektu, kura rezultāts ir digitāla iekarta, piemēram procesors, mini dators, grafikas kontrolieris, kalkulators, paralēlas attēlu apstrādes iekārta un citas iekārtas.

Kursa sākumā jāpiesakās attiecīgajai google-grupai, lai varētu sekot kursa aktualitātēm un piedalīties (neklātienes) diskusijās.

Administratīvā informācija

Pasniedzējs: Leo Seļāvo (epasts: vards.uzvards @ gmail.com)
Vēstkopa komunikācijai par kursa aktualitātēm, uzdevumiem, termiņiem un problēmām:
- Google grupa lu-dip-m@googlegroups.com Lai pieteiktos, sekot http://groups.google.lv/group/lu-dip-m un pieslēgties ar savu google kontu, vai arī sūtīt epastu pasniedzējam.

Praktisko un mājas darbu iesniegšana izpildāma noteiktajos datumos un laikos elektroniski, e-studijās.

Iesniegšanas termiņa laiks ir 30 minūtes pirms lekcijas sākuma.
Iesniegto failu vārdam jābūt sekojošā formātā, ar _svītru tukšumu vietā, piemēram: "BST_MD1_Vards_Uzvards.pdf"
Ja iesniedzams teksts, piemēram, eseja vai apraksts, tad failam jābūt PDF formātā, ja vien nav prasīts citādi uzdevuma nosacījumos.
Ja iesniedzami vairāki faili, piemēram, programmas pirmkods, tad tie iepriekš arhivējami kā *.zip arhīvs ar tādu pat faila vārdu kā aprakstīts iepriekš: "BST_MD1_Vards_Uzvards.zip".
Ja darbs tiek iesniegts ar novēlošanos, rezultāts tiek samazināts par 50%. Ja darbs iesniegts vairāk kā nedēļu pēc termiņa, pasniedzējs darbu var nepieņemt.

Kalendārs

Datums, nedēļa	Kursa saturs	Uzdevumi un piezīmes
28.02.2013.	Digitālas iekārtas vispārējā arhitektūra un uzbūve. Digitālā projektēšana, ievads, darba plūsma. Map, place, route. Timing back annotation. Digitālo iekārtu pamatelementi, tranzistors, invertors, NAND un NOR elementi no tranzistoriem, to loģiskā uzbūve un īpašības. Loģiskie elementi, minimālā kopa. Pāreja no loģiskajām izteiksmēm un tabulām uz realizāciju ar loģiskajiem elementiem. Kombinētie loģiskie elementi. Dešifrātors, multipleksors, frekvences dalītājs un citi elementi. Atmiņas elementi, RS un D trigeris.	Pasludināts praktiskais darbs PD1.
07.03.2012.	Galīgie automāti un to pielietojumi un realizācija digitālajās iekārtās. Diagrammas, tabulas attēlojums. Realizācija uz loģiskajām izteiksmēm un shēmas elementiem. Pielietojumi.
14.03.2013.	Reģistri un uz tiem bazetas iekārtas. Bīdes reģistri. Skaitītaji. RS un D triggeri. Uzstādīšanas un noturēšanas laiku ierobežojumi.
21.03.2013.	Procesora arhitektūra. Daudz-takšu un konvejiera principi. Instrukciju dešifratora un skaitītaja reģistri. Reģistru fails. Aritmētiski loģiskā iekārta (ALU). Atmiņas saskarne. Instrukciju un datu kešatmiņa.	Mājas darba MD1 termiņš.
28.03.2013.	Programmējamās loģiskas iekārtas, CPLD un FPGA. FPGA uzbūve. Konfigurējami loģiskie elementi. Ievada un izvada elementi. Komunikācija, maģistrāles. Diskusija par kursa projektu - video kontrolieris ar OpenGL atbalstu.	Pasludināts praktiskais darbs PD2.
04.04.2013.	Virtuālā lekcija
11.04.2013.	Aparatūru aprakstošas valodas (HDL), Verilog. Valodas elementi simulācijai un sintēzei. Uzvedības un struktūras apraksts. Moduļi. Datu tipi, signāli un reģistri.	Mājas darba MD2 termiņš.
18.04.2013.	Procesora instrukciju arhitektūra. Instrukciju tipi un kodēšana. Operandi. RISC un CISC arhitektūras. DLX procesora instrukciju arhitektūra. Salīdzinoši piemēri no ARM instrukciju kopas.
25.04.2013.	Laika sinhronizācija. Takts ģenerators. Takts signālu nobīde un sadalījuma shēmas. H-koka sadalījums. Digitāli kontrolējami pulksteņi. PLL (phase lock loop). Enerģijas patēriņš, ārējā un čipa iekšējā takts frekvence un takts sadalījuma shēmas.
02.05.2013.	Digitālas projektēšanas metrikas. Funkcionalitāte. Izmaksas, fiksētās un mainīgās. Uzticamība, izturība. Trokšņu noturība un imunitāte. Veiktspēja. Ātrums un enerģijas patēriņš. Projektēšanas laiks.
09.05.2013.	Projekts - OpenGL kontrolieris
16.05.2013.	Projekts - OpenGL kontrolieris
23.05.2013.	Operatīvā atmiņa, statiskā un dinamiskā. Atmiņas matricas un uzbūve. Kešatmiņas. Saskarnes starp atmiņu un citām iekārtām.
30.05.2013.
20.06.2013.	12:00 Eksāmens - projektu demonstrācijas un plakāti.

PD - Praktiskie darbi

Praktiskie darbi.

PD1

Izveidot digitālu iekārtu, kas izmanto ievada elementus (slēdžus) un izvada elementus (LED).

Shēmas ievads
Kompilācija
Uzlādēšana uz reālas FPGA iekārtas
Pārbaude

Iekārtai jāveic sekojošas darbības:

SW1 slēdzis ieslēdz un izslēdz LED1 spīddiodi.
SW2 un SW3 slēdži veido ievaddatus XOR elementam, kura rezultats tiek izvadīts uz LED2.
Spīddiode LED3, kas ieslēdzas un izslēdzas reizi sekundē. SW4 to var apstādināt un iedarbināt.

Praktiskajā darbā izstrādātā iekārta jādemonstrē uz Spartan 3E FPGA iekārtas.

PD2

Izveidot iekārtu, kas uz monitora ekrāna attēlo 8x8 šaha lauciņu. Darba gaita iepazīties ar video signāla formu un laika parametriem. Darbu atļauts izpildīt daļēji vai pilnīgi Verilog valodā.

Praktiskajā darbā izstrādātā iekārta jādemonstrē uz Spartan 3E FPGA iekārtas, kam pieslēgts monitors.

MD - Mājas darbi

Mājas darbi.

MD1

Novērtēt Spartan 3E attīstītājrīka un FPGA iespējas. Atbildēt uz jautājumu: vai iespējams uz Spartan 3E realizēt datoru, kas varētu darbināt Linux klases operētājsistēmu? Atbildi pamatot, izvērtējot nepieciešamos un pieejamos resursus gan FPGA, gan perifērijas iekārtu kontekstā.

MD2

Uzzīmēt un aprakstīt video kontroliera shēmu, kas atbalsta minimālu OpenGL vai līdzīgu instrukciju kopu. Instrukcijas tiek nodotas no datora pa seriālo portu. Instrukcijas jāatkodē un jāizpilda, izmainot lokālu video buferi. No bufera attēls jāizvada uz iebūvēto VGA portu attēla izvadei.