Detail předmětu

Seminář VHDL

FIT-IVHAk. rok: 2017/2018

Předmět je koncipován tak, aby si student osvojil principy paralelního popisu hardware a prakticky zvládnul techniky umožňujících tvorbu syntetizovatelného hardware. Jazyk VHDL bude probírán z dvou rovin - VHDL jako modelovací prostředek a VHDL jako jazyk pro popis hardware. V první části budou zopakovány nezbytné pojmy z číslicové techniky a představen detailně jazyk VHDL. V druhé části předmětu budou rozebrány techniky popisu hardware (strukturní, dataflow, behaviorální), popisu kombinačních obvodů a následně sekvenčních obvodů. Dále bude diskutováno modelování a simulace číslicových systémů a jejich následná syntéza v FPGA. V závěru bude ukázán návrh několika systémů od jednodušších (řízení LED displeje) po komplexní obvody jako je např. procesor.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

4

Garant předmětu

doc. Ing. Zdeněk Vašíček, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav počítačových systémů (UPSY)

Výsledky učení předmětu

Student bude schopen pomocí jazyka VHDL popsat komplexní číslicové systémy tak, aby systém bylo možné fyzicky implementovat. Předmět je vhodnou korekvizitní podporou předmětu INC v 1BIT, a také podporuje předmět INP ve 2BIT.

Prerekvizity

Základy programování. Základy týkající se Boolovy algebry.

Způsob a kritéria hodnocení

Pro získání zápočtu je nutné odevzdat projekt a projekt vypracovat tak, aby byl hodnocen alespoň 50 body.

Osnovy výuky

    Osnova přednášek:
    1. Moderní návrh hardware (design flow), jazyky pro popis hardware (VHDL, Verilog), FPGA, úvod do číslicových systémů.
    2. Základní konstrukce jazyka VHDL, lexikální popis, zdrojový text ve VHDL.
    3. Datové typy, datové objekty, třídy objektů, deklarace datových objektů.
    4. Příkazy jazyka VHDL
    5. Pokročilé vlastnosti jazyka VHDL, zpoždění a plánování času.
    6. Popis kombinačních obvodů, třístavové obvody.
    7. Popis synchronních sekvenčních obvodů, popis konečných automatů, asynchronní sekvenční obvody.
    8. Modelování obvodů a událostně řízená simulace, testování obvodů a návrh testů, funkční simulace (ModelSIM), co-simulace.
    9. Syntéza obvodů, omezení (constraints), syntéza pro FPGA, časová simulace.
    10. Pokročilé techniky (pipelining, retiming, sdílení komponent, flattening a strukturování)
    11. Příkladová studie komplexních obvodů: řízení maticového LED displeje, UART, ETHERNET
    12. Příkladová studie komplexních obvodů: RISC procesor
    13. Obvody FPGA, využití masivního paralelismu v kryptografii (RC4, DES), DNA-alignment

    Osnova ostatní - projekty, práce:
    Individuální projekt.

Učební cíle

Seznámit studenty se syntaxí a sémantikou jazyka pro popis hardware (VHDL), s jeho využitím nejen pro modelování a simulaci ale především jako popisného jazyka využívaného při vytváření a syntéze komplexních číslicových systémů. Součástí předmětu bude představení programovacích technik umožňujících efektivní návrh hardware za pomocí profesionálních vývojových prostředků (ModelSIM, XILINX ISE), které se staly defacto průmyslovým standardem.
Doporučení / motivace:
Seminář VHDL slouží jako podpora výuky VHDL v předmětech INC a INP a je doporučen k prohloubení znalosti jazyka a problematiky moderního návrhu hardware. Studenti získají podrobnější znalost jazyka VHDL nejen po teoretické stránce ale i po stránce praktické - k praktickému ověření lze využít přípravku FITkit, který obsahuje moderní programovatelné hradlové pole FPGA firmy XILINX. Zvládnutí jazyka pro popis hardware je klíčovým prvkem pro úspěšný a efektivní návrh systémů na bázi FPGA, které zaujímají dominantní postavení především v oblasti vysoce náročných výpočtů (akcelerace síťových operací, akcelerace zpracování číslicových jednorozměrných a vícerozměrných dat, akcelerace bioinformatických úloh, kryptografických aplikací apod.), kde akcelerační platformy využívající FPGA dosahují výrazného urychlení a minimálních hodnot příkonu oproti běžných softwarovým technikám paralelizace. Znalost technik popisu syntetizovatelného hardware dává možnost se aktivně zapojit do řady výzkumných projektů v oblasti zpracování síťových dat a bezpečnosti, ve kterých se spolupracuje např. s firmou Seznam.cz, sdružením Cesnet či správcem domény NIC. Oproti návrhu software je oblast hardware poměrně specifickou doménou umožňující stále nacházet inovativní řešení a algoritmy, což dokazuje řada prestižních ocenění, které získali studenti v posledních letech za své bakalářské či diplomové práce.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vypracování a obhájení projektu včetně odevzdání technické zprávy.

Doporučená literatura

Přednáškové materiály v elektronické podobě. (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-BC-3 bakalářský

    obor BIT , 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
    obor BIT , 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Cvičení odborného základu

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Zdeněk Vašíček, Ph.D.

Projekt

13 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Zdeněk Vašíček, Ph.D.