Μαθήματα

Προηγμένα Ψηφιακά Συστήματα

Γενικά

Περιεχόμενα μαθήματος

  • Θέματα σχεδίασης VLSI. Εμβάθυνση στο MOSFET και στις τεχνολογίες κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS και TTL.
  • Παρουσίαση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων της τυπικής λογικής και εφαρμογές: Αποκωδικοποιητές, πολυπλέκτες, συγκριτές, Αριθμητικές και Λογικές Μονάδες, καταχωρητές, απαριθμητές. Δημιουργία διαύλων. Απλά υπολογιστικά συστήματα.
  • Μνήμες ROM, μνήμες SRAM, DRAM. Επέκταση μνήμης υπολογιστικού συστήματος.
  • Αρχιτεκτονική διαμορφούμενων λογικών διατάξεων. Σχεδίαση με λογικούς πίνακες Διατάξεις PLD, PAL, CPLD, FPGAs.
  • Σύνθεση και σχεδίαση ψηφιακών κυκλωμάτων με χρήση εργαλείων λογισμικού CAD. Παρουσίαση του λογισμικού Quartus II.
  • Αναλυτική παρουσίαση της γλώσσας VHDL για τη περιγραφή και προσομοίωση ψηφιακών συστημάτων. Σύνθεση κυκλωμάτων.
  • Περιγραφή προηγμένων συστημάτων. Σχεδίαση και υλοποίηση ψηφιακών φίλτρων.
  • Σχεδίαση και βασικών ελεγκτών με τη μεθοδολογία των μηχανών καταστάσεων σε VHDL.
  • Σχεδίαση απλών επεξεργαστών τύπου MIPS
  • Συστήματα σε τσιπ (SoC). Επεξεργαστές λογισμικού (soft processors). Σχεδίαση συστήματος Nios II.

Μαθησιακοί Στόχοι

Παρουσιάζονται προηγμένες τεχνικές σχεδίασης και υλοποίησης ψηφιακών συστημάτων. Το μάθημα αποτελεί τη φυσική συνέχεια της εισαγωγής στα Ψηφιακά Κυκλώματα, που διδάσκονται οι φοιτητές στο Γ΄ εξάμηνο. Η ύλη στοχεύει να διευρύνει τις γνώσεις και την κατανόηση που αποκτούν οι φοιτητές για τα κυκλώματα και τις τεχνικές σχεδίασης, ώστε να είναι σε θέση να σχεδιάζουν σύνθετες εφαρμογές σε επίπεδο ψηφιακών συστημάτων. Δίνεται έμφαση στις τεχνολογίες και τις εφαρμογές των μνημών (RAM, ROM) και των προγραμματιζόμενων λογικών διατάξεων (CPLDs, FPGAs). Επίσης, παρουσιάζονται σύγχρονα εργαλεία ψηφιακής σχεδίασης συστημάτων και αναλύεται η γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL. Τέλος, περιγράφονται τεχνικές σχεδίασης ψηφιακών φίλτρων, ψηφιακών ελεγκτών και απλών επεξεργαστών.  Στο εργαστήριο, οι φοιτητές εξοικειώνονται με τη χρήση εργαλείων ψηφιακής σχεδίασης CAD.

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής / τρια θα είναι σε θέση να:

  • Κατανοεί τις τεχνολογικές διαφορές ανάμεσα σε οικογένειες ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (TTL, CMOS) καθώς και θέματα χρήσης τους σε πρακτικά κυκλώματα (τροφοδοσία, προστασία, λογικά επίπεδα εισόδων/εξόδων και οδήγηση φορτίων).
  • Κατανοεί το ρόλο των βασικών συνδυαστικών και ακολουθιακών κυκλωμάτων της τυπικής λογικής σε πρακτικές εφαρμογές.
  • Συνδυάζει διαφορετικά ολοκληρωμένα κυκλώματα στο πλαίσιο ενός συστήματος, ώστε να υλοποιεί βασικές αριθμητικές/λογικές λειτουργίες.
  • Έχει γνώση σύγχρονων εργαλείων και τεχνικών ψηφιακής σχεδίασης (λογισμικό CAD και λογισμικό προσομοίωσης της λειτουργίας των κυκλωμάτων).
  • Είναι σε θέση να περιγράψει απλά ψηφιακά συστήματα με τη γλώσσα περιγραφής υλικού VHDL (αριθμητικές και λογικές μονάδες, μνήμες, μηχανές πεπερασμένων καταστάσεων, φίλτρα).
  • Είναι σε θέση να δημιουργήσει μια πρότυπη υλοποίηση του συστήματος που περιγράφει, με βάση μια προγραμματιζόμενη λογική διάταξη τύπου FPGA.
  • Έχει επαρκή εξοικείωση με συστήματα σε τσιπ (SoC), τη σχεδίαση και τις εφαρμογές τους.

Γενικές Ικανότητες

  • Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών.
  • Αυτόνομη και Ομαδική εργασία.
  • Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης.
  • Σχεδιασμός και Διαχείριση Έργων.

Μέθοδοι Διδασκαλίας

  • Θεωρητική διδασκαλία, με χρήση του πίνακα και διαφανειών σε power point.
  • Εργαστηριακές ασκήσεις με χρήση λογισμικών Quartus Prime, Vivado, Multisim. Χρήση αναπτυξιακών κυκλωμάτων.

Χρήση Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνιών

  • Χρήση εξειδικευμένου λογισμικού ψηφιακής σχεδίασης CAD.
  • Υποστήριξη της μαθησιακής διαδικασίας μέσω της ιστοσελίδας του μαθήματος.

Οργάνωση Διδασκαλίας

ΔραστηριότηταΦόρτος εργασίας εξαμήνου
Διαλέξεις39
Εργαστηριακές Ασκήσεις13
Συγγραφή εργαστηριακών αναφορών26
Αυτοτελής Μελέτη72
Σύνολο150

Αξιολόγηση Φοιτητών

Ο τελικός βαθμός του μαθήματος διαμορφώνεται από την επίδοση του φοιτητή στη αξιολόγηση του θεωρητικού μέρους και σε αυτόν μπορεί να έχει συμβολή και η επίδοση στο εργαστηριακό μέρος. Σημειώνεται ότι ο φοιτητής θα πρέπει να έχει παρακολουθήσει επιτυχώς το εργαστηριακό μέρος για να έχει δικαίωμα εξέτασης στο θεωρητικό μέρος.

1. Ο βαθμός του θεωρητικού μέρους διαμορφώνεται από γραπτή τελική εξέταση, που μπορεί να περιλαμβάνει:

  • Ανάπτυξη θεωρητικών θεμάτων.
  • Επίλυση προβλημάτων εφαρμογής των γνώσεων που αποκτήθηκαν.
  • Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής.
  • Ερωτήσεις σύντομης απάντησης.

2. Η εξέταση των ασκήσεων του εργαστηρίου περιλαμβάνει:

  • Αξιολόγηση των γραπτών εργαστηριακών αναφορών.
  • Τελική εξέταση που περιλαμβάνει επίλυση προβλήματος με χρήση του λογισμικού ψηφιακής σχεδίασης.

Συνιστώμενη Βιβλιογραφία

Προτεινόμενη Βιβλιογραφία μέσω Ευδόξου:

  1. John Wakerly, Ψηφιακή Σχεδίαση-Αρχές και Πρακτικές, Εκδόσεις Παπασωτηρίου, 2001.
  2. St. Brown, Zvonko Vranesic, Σχεδίαση Ψηφιακών Συστημάτων με την γλώσσα VHDL, Εκδόσεις Τζιόλα, 3η Έκδοση, 2011.
  3. Volnei Pedroni, Σχεδιασμός Κυκλωμάτων με τη VHDL, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, 2008.

Προτεινόμενη Βιβλιογραφία μέσω εκδόσεων του Ιδρύματος ή της ηλεκτρονικής σελίδας του μαθήματος:

  1. Ι. Καλόμοιρου, Εισαγωγή στη γλώσσα VHDL, Σημειώσεις, Τ.Ε.Ι. Kεντρικής Μακεδονίας, 2012.
  2. Ι. Καλόμοιρου, Διαφάνειες Παραδόσεων για τα Προηγμένα Ψηφιακά Συστήματα, ΤΕΙ Σερρών (Αναμόρφωση Σπουδών Πληροφορικής), 2009.

Προτεινόμενη Βιβλιογραφία για το Εργαστήριο:

  1. Ι. Καλόμοιρου, Εργαστηριακές Σημειώσεις στα Προηγμένα Ψηφιακά Συστήματα (με τη συνεργασία του Ι. Μαδεμλή), ΤΕΙ Κ. Μακεδονίας, 2010.