Digitale Elektronica en Processoren

1
Digitale Elektronica en Processoren

• Luc Van Eycken
• Luc.VanEycken_at_esat.kuleuven.be

2
Waar hebben we hardware nodig?

• Doelstellingen
• Praktische informatie

• Uiteenlopende toepassingen
• Krachtige computersystemen
• Multimedia, spelen
• Draagbare telecommunicatie
• Intelligente kledij
• Huishoudapparatuur
• Afhankelijk van de toepassing kan het volgende
  belangrijk zijn
• Hoge verwerkingskracht(voor ingewikkelde
  algoritmen)
• Zeer laag vermogenverbruik
• Zeer compacte implementatie
• Goedkoop (voor massaproducten)

3
Wat zullen we hiervoor nodig hebben?

• Doelstellingen
• Praktische informatie

• System on Chip
• combinatie (op een chip) van één of meerdere
• programmeerbare processoren
• zeer flexibel
• goedkoop qua ontwerp
• niet-programmeerbare processoren
• hoge verwerkingskracht
• compacte implementatie
• goedkoop qua componenten vermogen
• kan (beperkt) reconfigureerbaar zijn in sommige
  implementaties
• controle-eenheden om alles aan te sturen

4
Voorbeeld de Cell-processor

• Doelstellingen
• Praktische informatie

5
Hoe ontwerpen we dit?
Gedragsniveau (algoritmen)

• Doelstellingen
• Praktische informatie

Software
Hardware
Digitaal
in deze cursus
6
Wat leren we in deze cursus?

• Doelstellingen
• Praktische informatie

• Inzicht verwerven in het ontwerp van digitale
  elektronische systemen oppoort- en RTL-niveau
• Alle bouwblokken (inclusief processoren) leren
  kennen die nodig zijn om complexe digitale
  schakelingen te bouwen
• De basisconcepten van programmeertalen voor de
  beschrijving en ontwerp van digitale hardware
  (zoals VHDL) leren kennen
• Ervaring opdoen met moderne ontwerp-omgevingen
  (voor FPGA)

7
Inhoudstafel

• Doelstellingen
• Praktische informatie

1. Inleiding
2. De basis van digitaal ontwerp
3. Combinatorische schakelingengeheugenloze
   schakelingen
4. Sequentiële schakelingenschakelingen met
   geheugen
5. Niet-programmeerbare processoren
6. Programmeerbare processoren
7. Hardware-beschrijvingstalen (VHDL)

8
Inleiding

• Doelstellingen
• Praktische informatie

• Doelstellingen van de cursus
• Praktische informatie
• Cursustekst
• Oefeningen labos
• Examen

9
Cursusmateriaal

• Doelstellingen
• Praktische informatie

• Verplicht materiaal
• transparanten (ook beschikbaar via Toledo)
• Zeer sterk aangeraden materiaal
• Principles of Digital Design, Daniel D.
  Gajski,Prentice Hall, 1997, ISBN 0-13-301144-5
• Topics uit andere boeken
• Digital Design principles practices, John F.
  Wakerly,Prentice Hall, 2000, ISBN 0-13-769191-2
• asynchrone sequentiële schakelingen VHDL
• Digital System Design with VHDL, Mark
  Zwolinski,Prentice Hall, 2000, ISBN
  0-201-36063-2
• metastabiliteit CPLD FPGA VHDL
• Andere referentiewerken
• The Designers Guide to VHDL, Peter J.
  Ashenden,Morgan Kaufmann, 2002, ISBN
  1-55860-674-2

10
Oefeningen labos

• Doelstellingen
• Praktische informatie

• Traditionele oefeningen over
• ontwerp combinatorische schakelingen
• ontwerp synchrone sequentiële schakelingen
• ontwerp niet-programmeerbare processoren
• begrijpen VHDL-beschrijvingen van hardware
• Volledig hardware-ontwerp gebruik makend van
  Xilinx FPGA-hardware en ontwikkelomgeving
• Vertaling van een probleem in schemas
• Simulatie van het ontwerp
• Uitvoering op de FPGA-hardware

11
Examen

• Doelstellingen
• Praktische informatie

• Mondeling gesloten boek met schriftelijke
  voorbereiding
• Drie soorten vragen
• Vertaling van een algoritme naar een hardware
  blokschema
• Ontwerp van een FSM
• Theorievragen
• Voorbeelden van vragen zijn te vinden verderop en
  op Toledo
• Aan het einde van het semester is een extra les
  als vragenuurtje voorzien

12
Vertaling van een algoritme naareen hardware
blokschema

• Doelstellingen
• Praktische informatie

• Ontwerp een FSMD die volgende functie uitvoert
• entity fsmd is
• port(i in integer range 0 to 255 clk,
  start in bit
• o out integer range 0 to 4095)
• end entity fsmd
• architecture behav of fsmd is begin
• process is
• variable a,b,c integer
• begin
• wait until clk '1' if start '0' then o
  lt 0 else
• a i wait until clk '1'
• b i wait until clk '1'
• c i wait until clk '1'
• while abs(b-c) lt abs(a-b) loop
• o lt 5 abs(a-b)
• c i wait until clk '1'
• end loop
• o lt 3 c 1
• end if

13
Ontwerp van een FSM

• Doelstellingen
• Praktische informatie

• Maak de goedkoopst mogelijke IC-realisatie van
  volgende FSM met JK-flip-flops en NAND-poorten

00 01 11 10
S0 S0/10 S0/00 S7/00 S2/01
S1 S0/11 S4/11 S4/11 S5/11
S2 S1/01 S2/00 S2/10 S7/10
S3 S0/10 S3/00 S1/00 S2/01
S4 S5/00 S5/11 S2/01 S7/10
S5 S5/00 S4/11 S6/01 S1/10
S6 S7/01 S2/00 S2/10 S7/10
S7 S0/11 S4/11 S5/11 S4/11
14
Enkele theorievragen

• Doelstellingen
• Praktische informatie

• Beschrijf het IEEE-formaat voor getallen met
  enkelvoudige precisie vlottende komma
  voorstelling. Geef ook aan welke getallen
  hiermee kunnen voorgesteld worden.
• Geef de realisatie en bespreek de werking van een
  prioriteitsencoder.
• Wat zijn de verschillende stappen in het ontwerp
  van een CISC-computer?
• Wat zijn de belangrijkste voordelen van het
  gebruik van VHDL?