Λογική Σχεδίαση Εισαγωγή

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων Λογική Σχεδίαση Εισαγωγή Μανόλης Καλλίγερος

2 Βιβλία Μ. Morris Mano, Michael D. Ciletti Ψηφιακή Σχεδίαση, 6η Έκδοση Μ. Ρουμελιώτης, Σ. Ι. Σουραβλάς Ψηφιακή Σχεδίαση - Αρχές και Εφαρμογές John F. Wakerly Ψηφιακή Σχεδίαση - Αρχές και Πρακτικές Πληροφορίες μαθήματος και εργαστηρίου (διαφάνειες, ανακοινώσεις, φυλλάδιο ασκήσεων,...) e-class: Επικοινωνία Βιβλία - πληροφορίες - επικοινωνία Γραφείο Α3 (κτήριο Λυμπέρη, 1ος όροφος) kalliger@aegean.gr Θέματα εργαστηρίου: tleoutsakos@aegean.gr Εισαγωγή 2

3 Βαθμολογία μαθήματος Βαθμός γραπτής εξέτασης: 65% Βαθμός εργαστηρίου: 35% Προκύπτει από το μέσο όρο των 4 καλύτερων ασήσεων (όλες οι ασκήσεις είναι 5) Είναι υποχρεωτικά και τα δύο Πρέπει Βαθμός γραπτής εξέτασης 5 ΚΑΙ Βαθμός εργαστηρίου 5 για να περάσετε το μάθημα Εισαγωγή 3

4 Ζούμε στην ψηφιακή εποχή ενός αναλογικού κόσμου Ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές Ψηφιακοί βιντεοδίσκοι (DVD, Blu-ray) Όμως το φως είναι αναλογικό Ψηφιακός ήχος (CD, MP3, AAC, Surround) Όμως η ένταση και η συχνότητα είναι αναλογικά μεγέθη Ψηφιακά ελεγχόμενα αυτοκίνητα (ABS, TCS, ESP,...) Όμως η ταχύτητα και η γωνία περιστροφής είναι αναλογικά Ψηφιακή τηλεφωνία Σε τι κόσμο ζούμε; (!!) Όμως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι αναλογικά Εισαγωγή 4

5 Αναλογικό vs. Ψηφιακό Αναλογικό είναι ένα μέγεθος (σήμα) όταν μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή από ένα συνεχές διάστημα τιμών Η πλειοψηφία των μεγεθών στον κόσμο μας είναι αναλογικά Ψηφιακό είναι ένα μέγεθος (σήμα) όταν παίρνει διακριτές τιμές Φωτεινοί σηματοδότες, διακόπτες είναι παραδείγματα ψηφιακών μεγεθών Εισαγωγή 5

6 Γιατί όμως μιλάμε για ψηφιακή εποχή; Το αναλογικό σήμα μετατρέπεται σε ψηφιακό Η όλη επεξεργασία γίνεται στον ψηφιακό κόσμο Ακολουθεί μετατροπή πάλι σε αναλογικό Για την περίπτωση του ήχου, το 1ο βήμα γίνεται από τη δισκογραφική εταιρεία που μας δίνει το CD H επεξεργασία του CD γίνεται από το CD player το οποίο λειτουργεί στον ψηφιακό κόσμο Ο ενισχυτής και τα ηχεία αναλαμβάνουν το 3ο βήμα Εισαγωγή 6

7 Γιατί όχι αναλογική επεξεργασία; Θα μπορούσε να γίνει αν δεχόμασταν: Το CD player μας να είναι όσο η αίθουσα Το CD player μας να κοστίζει όσο ένα ιδιωτικό νησί Το CD player μας να λειτουργεί σπανιότατα Το CD player μας να είναι το ίδιο για καμιά 20αριά χρόνια Εισαγωγή 7

8 Τα ψηφιακά συστήματα προσφέρουν... Ακριβώς τα ίδια αποτελέσματα σε όσα αντίτυπα κατασκευαστούν Πολύ ευκολότερο σχεδιασμό Ευελιξία και επεκτασιμότητα Περιγραφή των λειτουργιών τους με γλώσσα προγραμματισμού Διαρκή εξέλιξη Διαρκώς μεγαλύτερη ταχύτητα εκτέλεσης Εισαγωγή 8

9 ... και κυρίως... Διαρκώς μειούμενο μέγεθος Εισαγωγή 9

10 Πώς έγιναν εφικτά τόσο μικρά μεγέθη; Το πρώτο μισό του 20ου αιώνα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα αποτελούνταν από λυχνίες κενού Μεγάλες, ακριβές, ενεργοβόρες, αναξιόπιστες 1947: Η εφεύρεση του πρώτου transistor στα Bell Labs από τους John Bardeen και Walter Brattain (Nobel Φυσικής το 1956 μαζί με τον William Shockley) Εισαγωγή 10

11 Το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα (1958) Jack Kilby Texas Instruments (Nobel Φυσικής, 2000) 1,1 εκ. Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα αποτελείται από πολλαπλά κυκλωματικά στοιχεία (κυρίως τρανζίστορ) τα οποία μαζί µε τις διασυνδέσεις τους (καλώδια) έχουν κατασκευαστεί σε ένα και µόνο κοινό υπόστρωμα Εισαγωγή 11

12 Κατηγοριοποίηση κυκλωμάτων βάσει μεγέθους Μικρής κλίμακας ολοκλήρωσης (SSI): > 10 τρανζίστορ Μεσαίας κλίμακας ολοκλήρωσης (MSI): > 100 τρανζίστορ Υψηλής κλίμακας ολοκλήρωσης (LSI): > 1000 τρανζίστορ Πολύ υψηλής κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI): > τρανζίστορ 2008: Intel Core i7 μprocessor (731 εκατομμύρια τρανζίστορ) 2018: Qualcomm Snapdragon 8cx/SCX8180 (8,5 δις τρανζίστορ!) Εισαγωγή 12

13 Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής Intel 4004 (1971) Χρησιμοποιήθηκε σε calculator 2300 τρανζίστορ KHz Εισαγωγή 13

14 Μικροεπεξεργαστής Intel Core i7 (2008) 731 x 10 6 τρανζίστορ GHz Εισαγωγή 14

15 O νόμος του Moore (1965) Πηγή: Intel Ο αριθμός των τρανζίστορ ενός ολοκληρωμένου διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες περίπου Εισαγωγή 15

16 Ελάχιστο μήκος καναλιού τρανζίστορ (feature size) Εισαγωγή 16

17 Μέσο ετήσιο κόστος ανά τρανζίστορ Εισαγωγή 17

18 Πλήθος παραγόμενων τρανζίστορ ανά έτος Εισαγωγή 18

19 Έσοδα βιομηχανίας ημιαγωγών Εισαγωγή 19

20 Οι διάφορες μορφές ενός ψηφιακού κυκλώματος Wafer Die Εισαγωγή 20

21 Επίπεδα αφαίρεσης και σχεδίασης ενός κυκλώματος Το δικό μας επίπεδο Εισαγωγή 21

22 Και ο πραγματικός κόσμος που αντιπροσωπεύει Κάθε πύλη υλοποιεί (εκτελεί) μία «λογική συνάρτηση», δηλαδή μία συνάρτηση που επιδρά σε δυαδικές (λογικές) εισόδους (μεταβλητές) Εισαγωγή 22

23 Το μάθημα της Λογικής Σχεδίασης στοχεύει... Να σας μάθει τις βασικές (θεωρητικές) αρχές των δυαδικών ψηφιακών συστημάτων Να σας μάθει τις βασικές αρχές σχεδίασης των ψηφιακών συστημάτων Εισαγωγή 23

24 Λογική Σχεδίαση και ο ρόλος του μηχανικού Η Λογική Σχεδίαση θα σας φανεί χρήσιμη σε ό,τι και να κάνετε αφού σας μυεί με έναν πρακτικό τρόπο στον κόσμο των δυαδικών ψηφιακών συστημάτων Ο μηχανικός πατά στη θεωρία για να εφαρμόσει στην πράξη Χαρακτηριστικά ενός καλού μηχανικού, ανεξάρτητα από το αντικείμενο με το οποίο ασχολείται, είναι: Ικανότητα επικοινωνίας Ικανότητα ανακάλυψης λαθών Επιχειρηματικό πνεύμα Στάθμιση κινδύνων Η σχεδίαση κυκλωμάτων είναι προσοδοφόρα; Έχει τις δυσκολίες της (προθεσμίες, λάθη, κόστη) Όμως Το υλικό, σε αντίθεση με το λογισμικό, δεν αντιγράφεται εύκολα Στο υλικό πληρώνει κάνεις κάθε αντίγραφο Οι σχεδιαστές ψηφιακών κυκλωμάτων απολαμβάνουν εξαιρετικά μεγάλους μισθούς Εισαγωγή 24