طراحی کامپیوتری سیستم‌های دیجیتال

معرفی و اهداف درس

هدف از این درس، آشنایی با روش‌های خودکار طراحی و اشکال‌زدایی مدارها و سیستم‌های دیجیتال با رویکرد استفاده از ابزارهای طراحی خودکار مدارهای مجتمع است. دانشجویانی که این درس را با موفقیت پشت سر بگذارند بینش مناسبی در موارد زیر خواهند داشت:

1- مهارت توصیف و طراحی مدارها و سیستم‌های بزرگ سخت‌افزاری با زبان های توصیف سخت‌افزار با تأکید بر مهارت کنترل پیچیدگی.

2- آشنایی با ابزارهای طراحی خودکار مدارهای دیجیتال.

3- آشنایی با تراشه های برنامه‌پذیر ( FPGAو CPLD)، معماری داخلی و امکانات مفید آنها برای طراحی حرفه‌ای.

فهرست مطالب درسی

موارد ستاره‌دار به صورت اختیاری هستند.

1- مقدمات و مفاهیم اولیه

- تاریخچه سیستم‌های دیجیتال.

- بررسی روند رشد صنعت طراحی سیستم های دیجیتال.

- ابزارها و زبان های طراحی خودکار سخت افزار.

- چرخه های طراحی ASIC و FPGA و مقایسه آنها.

- سبک‌های طراحی سخت افزار.

- سطوح انتزاعی طراحی سخت افزار.

2- زبان‌های توصیف سخت‌افزار

- دلایل نیاز به زبان‌های توصیف سخت‌افزار در مقابل روش‌های شماتیکی.

- ویژگی‌های کلیدی یک زبان توصیف سخت‌افزار.

- همرندی به‌عنوان یک مشخصه بارز زبان‌های توصیف سخت افزار.

- زبان‌های توصیف سخت افزار مرسوم و مقایسه آنها ویژگیهای زبان Verilog/VHDL.

- مقایسه زبان VHDL/ Verilog با سایر زبان‌های توصیف سخت افزار.

- روش‌های شبیه‌سازی سخت‌افزار.

3- آموزش زبان توصیف VHDL/ Verilog

در این بخش، زبان مورد نظر تدریس می‌شود. مدت زمان در نظر گرفته شده برای این بخش حدود ۴-۶ هفته می باشد. پیشنهاد می‌شود که آموزش زبان توصیف همراه با مثال های روشنگر و کاربردی انجام شود. این بخش شامل موارد زیر است:

- مدل تأخیر در زبان مورد نظر .

- انواع داده ای زبان.

- روش توصیف سخت افزار در سطوح مختلف (رفتاری، جریان داده و ساختاری).

- ویژگی‌های خاص زبان توصیف مورد نظر.

- روش طراحی Testbench.

- طراحی بلوک‌های ترتیبی و ترکیبی کاربردی با زبان مورد نظر.

- طراحی بصورت پارامتریکی یا generic.

- روش‌های مدیریت پیچیدگی سخت افزارهای بزرگ.

- تکنیک‌های سازمان‌دهی توصیف.

- روش طراحی بالا به پایین و روش طراحی پایین به بالا.

- * انواع روشهای توصیف ماشین‌های حالت با زبان توصیف سخت‌افزار و روش‌های کدگذاری حالت (باینری، One- Hot ، کد گری و ...).

- * طراحی خط لوله‌ای و نحوه توصیف آن در سطح انتقال ثبات.

4- سنتز سخت افزار

- مفاهیم سنتز رفتاری، منطقی و فیزیکی.

- مراحل انجام سنتز منطقی.

- مرحله غیر وابسته به فناوری.

- مرحله وابسته به فناوری (نگاشت فناوری).

- مفهوم زیرمجموعه قابل سنتر و ملاحظات لازم در توصیف سنتزپذیر.

- شبیه‌سازی و تست پس از سنتز.

- * طراحی بر اساس محدودیت.

- * روش‌های تحلیل زمانی ایستا (STA) و معرفی پارامتر Slack.

- * نحوه بهینه‌سازی معیارهای طراحی (سرعت، مساحت و توان مصرفی) با استفاده از ابزارها.

- * مروری بر تکنیک های طراحی مدارهای پرسرعت و توان پایین.

- * مروری بر تکنیک‌های طراحی مدارهای آزمون‌پذیر.

5- طراحی سیستم های دیجیتال با PLD (حداقل ۶ هفته)

- مروری بر انواع PLDها، کاربردهای PLDها در تحقیقات و صنعت و ساختار داخلی‌PLDها (معماری بلوک های منطقی و بلوک IO، معماری اتصالات).

- منابع مفید در ساختار PLDهای موجود (DCM، Gigabit Transceiver، بلوک‌های DSP، پردازنده‌های نهفته و ...) و کاربرد آنها.

- SPLDها و CPLDها.

- FPGAها و ساختار آنها.

- روش های طراحی و سنتز سخت افزار برای نگاشت روی FPGAها.

نرم افزارهای مورد نیاز

ابزارهای ISE، Quartus، Leonardo و Modelsim که برای سنتز و شبیه سازی تراشه های ASIC و FPGA کاربرد دارند.

ارزشیابی

- میان‌ترم: 30%

- پایان‌ترم: 50%

- تکلیف‌ها: 5%

- پروژه پایانی: 15%