Проектирование систем на кристалле

Бакалавриат 2019/2020

Статус: Курс по выбору (Информатика и вычислительная техника)

Направление: 09.03.01. Информатика и вычислительная техника

Кто читает: Департамент компьютерной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 3-й курс, 3, 4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Американов Александр Александрович, Лежнев Евгений Владимирович, Романов Александр Юрьевич

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 86

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Курс «Проектирование систем на кристалле» позволит студентам приобрести теоретические и практические навыки по разработке, проектированию и программированию цифровых систем (портативные системы, системы управления и контроля, видео-/аудио-системы и т.д.), а также обеспечит освоение новых САПР (таких, как: Altera Quartus II, ModelSim, DSP Builder в связке с САПР MatLab Simulink) и языка программирования (проектирования цифровых систем) Verilog. Курс расширяет знания, которые студенты получают в рамках дисциплин, связанных с проектированием программного обеспечения, а также программированием микропроцессоров/микроконтроллеров/одноплатных компьютеров; является одним из базовых для работы над ВКР и прохождения производственной практики на предприятиях с конструкторским уклоном.

Цель освоения дисциплины

Приобретение теоретических и практических навыков по разработке, проектированию и программированию цифровых систем (портативных системы, систем управления и контроля, видео-/аудио-систем и пр.).
Обучение цифровому синтезу с использованием таких САПР, как Altera Quartus II, Logic Friday и ModelSim.
Изучение языка программирования (проектирования цифровых систем) Verilog.
Знакомство с архитектурой MIPS процессоров.

Планируемые результаты обучения

Знать подходы к описанию цифровых систем
Уметь представить цифровую систему в виде иерархической системы отдельных модулей
Знать основные методы математического анализа и моделирования и синтеза цифровых систем
Уметь описать модули цифровой системы в виде цифровых автоматов; вести разработку аппаратной части цифровой системы
Знать теоретические основы и аппаратное устройство ПЛИС и систем на кристалле
Иметь навыки проектирования в специализированном программном обеспечении Altera Quartus II; работы в среде моделирования ModelSim и проектирования цифровых систем на языке HDL Verilog.

Содержание учебной дисциплины

Проектирование ASIC
1. Основные концепции ASIC. Закон Мура. Устройство к/нМОП транзистора. Устройство логического элемента на транзисторном уровне. Стадии проектирования ASIC. Стадия спецификации. Планирование проекта. 2. Стадия проектирования ASIC. Блочная организация ASIC на уровне RTL. Анализ временных характеристик проектируемого устройства. Анализ критических путей. Понятие IP ядра. Примеры IP ядер. Разработка высокочастотных и аналоговых блоков ASIC. 3. Стадия верификации. Методы верификации проекта. Функциональное моделирование. Контроль верификации. Проверка эквивалентности. Аппаратная эмуляция. Верификация высокочастотных и аналоговых блоков ASIC. 4. Стадия имплементации. Финальный логический синтез. Размещение проекта на кристалле. Трассировка проекта. Анализ соответствия проекта требованиям целостности сигналов и временным требованиям. Физическая верификация. Формат GDSII. 5. Стадия производства ASIC. Изготовление масок и фотошаблонов. Перенос рисунка проекта на кристалл. Этапы производства кремниевых пластин. Основы технологии производства полупроводниковых устройств. Разрезка пластин. 6. Окончательная стадия производства ASIC. Корпусирование кристалла. Тестирование и отбраковка готовых изделий ASIC. Линии встроенного самотестирования кристалла. Приемочные испытания. 7. Ограничения планарной технологии кМОП. нМОП плавниковые транзисторы (FinFET). Двойная литография.
Выполнение домашнего задания
Функционально логическое проектирование
1. Основной цикл проектирования систем на кристалле. Понятие ASIC, FPGA, CPLD, HDL, SoC, NoC, НейроБИС. Основные производители и семейства FPGA. Области применения FPGA. 2. Системы счисления, булева алгебра, базовые логические элементы, законы алгебры логики, термы, анализ и минимизация логических функций, минимизация не полностью определенных функций, теория цифровых автоматов. Logic Friday. 3. Потенциальные и импульсные сигналы, переходные процессы в цифровых схемах, комбинационные, синхронные, асинхронные схемы. Простейшие цифровые устройства (триггеры, компараторы, мультиплексоры/демультиплексоры, шифраторы/дешифраторы, регистры, счетчики и т.д.).
Программируемые логические устройства
1. Программируемые логические матрицы. Сложные программируемые логические интегральные схемы. Базовые матричные кристаллы. 2. Программируемые пользователем вентильные матрицы. Аппаратная структура системы на кристалле. Программируемые аналоговые интегральные схемы. Программируемые матрицы смешанной архитектуры.
Введение в MIPS и RISCV архитектуру
Софт-процессорное ядро. Память данных, память команд, АЛУ, счетчик команд. Понятие тракта данных. Однотактный процессор, многотактный и конвейерный. Типы команд. Добавление новых команд.
Подготовка к экзамену (итоговому контролю)

Элементы контроля

Домашнее задание
Экзамен
Экзамен проводится в соответствии с доведенным заранее регламентом (SoC_Exam_2020, SoC_Automat_2020). Экзамен проводится на платформе discord (jitsi – резервный). К экзамену необходимо подключиться согласно расписанию. Компьютер студента должен удовлетворять требованиям: наличие рабочей камеры и микрофона, поддержка discord (jitsi). Для участия в экзамене студент обязан: задать корректные ФИО, явиться на экзамен согласно точному расписанию, при ответе включить камеру и микрофон. Кратковременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение связи менее минуты. Долговременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение минута и более. При долговременном нарушении связи студент не может продолжить участие в экзамене. Процедура пересдачи подразумевает использование усложненных заданий.
Лабораторный практикум
Контроль на лекциях

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (4 модуль)
0.12 * Домашнее задание + 0.12 * Контроль на лекциях + 0.56 * Лабораторный практикум + 0.2 * Экзамен

Программа дисциплины