2014/2

EEL 410038 – Sistemas Digitais e Dispositivos Lógicos Reconfiguráveis

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Trimestre 2014/2
Curso: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Código da disciplina: EEL 410038
Número de créditos: 3
Professor: Eduardo Augusto Bezerra

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Horário das aulas

• Seg 13:00-16:20

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Ementa

Conceitos introdutórios de sistemas digitais; Circuitos combinacionais e sequenciais; Projeto de sistemas digitais no nível de transferência entre registradores (RT); Modelo clássico de CPU com bloco de dados e bloco de controle; Dispositivos lógicos reconfiguráveis; Prototipação de sistemas digitais.

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Metodologia

• O conteúdo programático será desenvolvido por meio de aulas expositivas com auxílio de recursos multimídia.
• Aulas teóricas, expositivas, com slides preparados a partir do livro texto da disciplina.
• Exercícios teóricos a serem resolvidos em aula e extra-classe pelos alunos.
• Aulas práticas, em laboratório, onde os alunos seguirão tutoriais fornecidos pelo professor com instruções para utilização de ferramentas e placas de desenvolvimento.
• Leitura e discussão de artigos científicos clássicos e no estado da arte.
• Apresentação de seminários preparados pelos alunos.
• O material utilizado nas aulas práticas e teóricas será disponibilizado na página da disciplina e na plataforma Moodle.
• Ao longo do curso, far-se-á uso de HDLs para descrever os circuitos e sistemas digitais apresentados.

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Programa

1. Introdução
   • Circuitos combinacionais
   • Circuitos sequenciais
   • Lógica reconfigurável
   • Fluxo de projeto de sistemas digitais com ferramentas de EDA
2. Sistemas digitais e linguagens de descrição de hardware
   • Álgebra de Boole e funções booleanas
   • Codificadores, decodificadores, multiplexadores, demultiplexadores
   • Circuitos aritméticos, somadores, comparadores, contadores, deslocadores, multiplicadores
   • Unidade Lógico e Aritmética (ULA): síntese e simulação com uma linguagem de descrição de hardware
3. Circuitos sequenciais e controladores
   • Latches e flip-flops
   • Finite State Machines (FSMs)
   • Projeto de controladores utilizando FSMs
   • Síntese de FSMs com uma linguagem de descrição de hardware
4. Estudo de caso
   • Projeto do bloco de dados (data path) e do bloco de controle de uma unidade de processamento
   • Descrição no nível RTL (Register Transfer Level) de uma unidade de processamento utilizando uma linguagem de descrição de hardware
   • Simulação, síntese lógica, síntese física e prototipação em hardware da unidade de processamento

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Avaliação

• A média geral do trimestre (MT) é obtida a partir da média geométrica: MT = sqrt(T x S), onde T é a nota do trabalho teórico/prático, e S é a nota da preparação/apresentação dos seminários.
• Condições para a aprovação: freqüência > 75% e MS >= 6,0

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Bibliografia

• Frank Vahid, “Sistemas Digitais: projeto, otimização e HDLs”, Bookman, 2008.
• Frank Vahid, “Digital Design”, 1st ed., Wiley, 2007.
• Randy Katz, Gaetano Borrielo, “Contemporary Logic Design””, 2nd ed., Prentice Hall, 2005.
• John P. Uyemura, “Sistemas digitais: Uma abordagem integrada”, Thomson, 2002.
• John F. Wakerly, “Digital design: Principles and practices”, Prentice Hall, 2005.
• Volnei A. Pedroni, “Circuit Design with VHDL”, The MIT Press, 2004.
• Frank Vahid, “VHDL for Digital Design”, 1st ed., Wiley, 2007.
• Pong P. Chu, “FPGA Prototyping by VHDL Examples: Xilinx Spartan-3 Version”, Wiley-Interscience, 2008.
• David A. Patterson, John L. Hennessy, “Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface”, Morgan Kaufmann, 4th edition, 2008.
• “Advancing the SystemC Analog/Mixed-Signal (AMS) Extensions – Introducing Dynamic Timed Data Flow“; Martin Barnasconi, Karsten Einwich, Christoph Grimm, Torsten Maehne, Alain Vachoux; September 2011.
• “Electronic System Level Design: An Open-Source Approach“; Sandro Rigo, Rodolfo Azevedo, Luiz Santos.
• “SystemC Synthesizable Subset”
• “IP-XACT“
• “Open Verification Library (OVL)“

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Ferramentas e materiais

• Slides do Frank Vahid: página do autor e cópia local
• Exercícios do Frank Vahid: exercícios para fixação dos conteúdos
• Apostila de sistemas digitais do Prof. Güntzel do INE/UFSC: http://www.inf.ufsc.br/~guntzel/isd/isd.html
• Slides da disciplina de técnicas digitais do Prof. Güntzel do INE/UFSC: Página na UFPEL e versão local
• Software utilizado nas aulas práticas – “Quartus II Web Edition” da Altera. Para obter o software:
  1. Entrar no site da empresa Altera http://www.altera.com
  2. Entrar no “Download Center“, localizado no canto superior direito da página
  3. Na barra vertical do lado esquerdo, localizar o menu Archives e entrar no All Design Software
  4. Na tabela, coluna “Quartus II Web Edition”, selecionar “9.1 SP2“
  5. Opcionalmente, poderá ser utilizada a versão mais recente do Quartus II Web Edition
• Documentação e arquivos para o kit de ensino DE2 da Altera:
  • Introdução ao kit DE2
  • Manual do kit DE2
  • Arquivo com a pinagem do FPGA do kit – Pinos.csv
  • Exercícios de laboratório da Altera
  • Lab. 1 da Altera – ver Aula 4 a seguir
  • Lab. 2 da Altera – ver Aula 4 a seguir
• Ferramenta para ensino de sistemas digitais da UFRGS:
  • Karma – conjunto de ferramentas de síntese lógica incluindo mapas de Karnaugh, gerador de funções, …
  • Artigo descrevendo o ambiente Karma.
• Material sobre VHDL:
  • Exemplos de código
  • Tutorial
  • Cookbook (link para cópia local)

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Trabalho prático

• Especificação do Trabalho Final: “Projeto e implementação em VHDL/FPGA de arquitetura com conjunto super-reduzido de instruções“

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Organização das aulas

Aula	Data	Conteúdo
1	09/06	Apresentação da disciplina. Introdução aos dispositivos lógicos programáveis.  Material de apoio: [SLIDES LAB 1] – Fluxo Quartus II Esquemático [SLIDES LAB 2] – Introdução a VHDL Introdução FPGAs (slides) Capítulo 1, Tutorial esquemático detalhado Capítulo 2, Tutorial VHDL detalhado Manual DE2 – pinagem do FPGA Introdução DE2, Manual DE2 Pinos.qsf
2	16/06	Sistemas digitais e síntese em VHDL para FPGAs Slides da Altera (PDF) Enunciados dos exercícios (DOC) Templates Quartus II (VHDL) Soluções (VHDL)
3	23/06	Sistemas digitais e síntese em VHDL para FPGAs
4	30/06	Sistemas digitais e síntese em VHDL para FPGAs
5	07/07	Exercícios na DE2: Multiplicador dos slides da Altera; Controlador da vending machine; Photoshop em hardware. Descrição do funcionamento de uma arquitetura multiciclo. Descrição e início do desenvolvimento do trabalho final. Material para a aula: Slides Patterson e Hennessy (“Chapter 1 – slide 8“, “Chapter 2 – slides 1-36; 48-80“; “Chapter 4 – slides 1-29“);  Página Prof. Ney Calazans (ver BD_vhdl_exercicios.pdf e o_cleo.pdf); e Material Cleopatra. Arquitetura esperada para o circuito do trabalho final (memória, I/O, BD, BC). Descrição de memória em VHDL (RAM e ROM). Simulador da Cleopatra. Exercícios 1 e 2 pg. 15.
6	14/07	Djones Lettnin – C++  e SystemC – RTL
7	21/07	Djones Lettnin – SystemC – Transaction-level Modeling (TLM)
8	04/08	Djones Lettnin – Síntese de alto nível (HLS)
9	11/08	Djones Lettnin – Avaliação SystemC
10	18/08	Desenvolvimento do projeto final
11	01/09	Apresentações de seminários: 13:00-13:15 – Artigo 1 13:15-13:30 – Artigo 2 13:30-13:45 – Artigo 3 13:45-14:00 – Artigo 4 14:00-14:15 – Artigo 5 14:15-14:30 – Artigo 6 14:30-14:45 – Artigo 7 14:45-15:00 – Artigo 8 15:00-15:15 – Artigo 9 15:15-15:30 – Artigo 10 15:30-15:45 – Artigo 11 15:45-16:00 – Artigo 12 16:00-16:15 –
12	08/09	Entrega do trabalho final (Moodle) Apresentação do trabalho final (agendar data/hora com o professor)

Artigos selecionados (reservados) pelos alunos para apresentacao em 2014/2:

• Artigo 1 – 13:00-13:15 – Jacson Luis de Oliveira, Survey of New Trends in Industry for Programmable Hardware: FPGAs, MPPAs, MPSoCs, Structured ASICs, eFPGAs and New Wave of Innovation in FPGAs
• Artigo 2 – 13:15-13:30 – Willian Henrique, Convergence in Reconfigurable Embedded Systems
• Artigo 3 – 13:30-13:45 – Rafael Radin, Reconfigurable computing architecture survey and introduction
• Artigo 4 – 13:45-14:00 – Leonardo Slongo, An Analytical Model for Evaluating Static Power of Homogeneous FPGA Architectures
  
• Artigo 5 – 14:00-14:15 – Wilfried Zomagboguelou, Low power State Machine design on FPGAs
• Artigo 6 – 14:15-14:30 – Lisandra Ries, FPGA Design Methodology for Industrial Control Systems – A Review
  
• Artigo 7 – 14:30-14:45 – Mauro André Pagliosa, FPGA Based Five-Phase Sinusoidal PWM Generator
• Artigo 8 – 14:45-15:00 – Gean Jacques Maia de Sousa, An HIL-Based Reconfigurable Platform for Design, Implementation, and Verification of Electrical System Digital Controllers
  
• Artigo 9 – 15:00-15:15 – Marcelo Pedroso, VHDL-AMS—A Hardware Description Language for Analog and Mixed-Signal Applications
• Artigo 10 – 15:15-15:30 – Rogerio Paludo, SystemC-AMS based virtual prototyping of wireless body sensor network using compressed sensing
• Artigo 11 – 15:30-15:45 – Fabrizio Maziero, An assertion-based verification method for SystemC TLM
• Artigo 12 – 15:45-16:00 – Carla Mendes, Rapid prototyping of a portable HW/SW co-design on the virtual zynq platform using SystemC

• “FPGA architectural research: a survey“; Brown, S.; IEEE Design & Test of Computers; Vol 13; issue 4; pp. 9; 1996.

• “A guide to migrating from microprocessor to FPGA: coping with the support tool limitations“; E.A.Bezerra and M.P.Gough; Microprocessors and Microsystems; Vol 23; pp 561-572; March 2000.
• “A survey of dynamically reconfigurable FPGA devices“; Donthi, S. Haggard, R.L.; System Theory, 2003.; pp. 422; Mar. 2003.
• “Reconfigurable computing architecture survey and introduction“; Azarian, A. Ahmadi, M.; ICCSIT 2009; pp. 269; 8-11 Aug. 2009.
• “Convergence in reconfigurable embedded systems“; Valderrama, Carlos Jojczyk, Laurent Possa, Paulo; IEEE ICECS 2010; pp. 1144; 12-15 Dec. 2010.
• “Survey of New Trends in Industry for Programmable Hardware: FPGAs, MPPAs, MPSoCs, Structured ASICs, eFPGAs and New Wave of Innovation in FPGAs“; S.Z. Ahmed et. al.; FPL 2010; Aug. 31 2010-Sept 2 2010.
• “FPGA supercomputing platforms: A survey“; Awad, M.; FPL 2009; pp. 564; Aug. 2009.
• “Closing the SoC design gap“; Henkel, J.; Computer; Vol 36; issue 9; pp. 119-121; Sept. 2003.
• “HW acceleration for FPGA-based drive controllers“; S. Ben Othman et. al.; ISIE 2010; pp. 196; Jul. 2010.
• “A CubeSat design to validate the Virtex-5 FPGA for spaceborne image processing“; D. L. Bekker et. al.; IEEE Aerospace Conference; pp. 1; Mar. 2010.
• “Modern fault tolerant architectures based on partial dynamic reconfiguration in FPGAs“; Straka, M. Kastil, J. Kotasek, Z.; DDECS 2010; Apr. 2010.
• “Hardware design of independent experimental platform based on FPGA“; Hu Haoran Wu Jiani Zhang Fei; ICCSNA 2010; Jun. 2010.
• “FPGA Design Methodology for Industrial Control Systems—A Review“; Monmasson, E. Cirstea, M.N.; IEEE Transactions on Industrial Electronics; Vol. 54; Issue 4; Aug. 2007.
• “A modularized FPGA-based embedded system development platform“; Yu-Tsang Chang et. al.; IEEE IECON 2010; pp. 1697; Nov. 2010.
• “Creation of Partial FPGA Configurations at Run-Time“; Silva, M.L. Ferreira, J.C.; DSD 2010; pp. 80; Sept. 2010.
• “Low power State Machine design on FPGAs“; Saleem, A. Khan, S.A.; ICACTE 2010; Aug. 2010.
• “Design of high speed data acquisition system based on FPGA and DSP“; Zhang Baofeng Wang Ya Zhu Juncha ; ICAie 2010; pp. 132; Oct. 2010.
• “UCORE: Reconfigurable Platform for Educational Purposes“; F.J. Quiles et. al.; ReConFig 2010; Dec. 2010.
• “iBoard: A highly-capable, high-performance, reconfigurable FPGA-based building block for flight instrument digital electronics“; He, Yutao Ashtijou, Mohammad; NASA/ESA AHS 2010; pp. 73; June 2010.
• “Faults Coverage Improvement Based on Fault Simulation and Partial Duplication“; J. Borecky et. al.; DSD 2010; pp. 380; Sept. 2010.
• “Rapid development of space applications with responsive digital electronics board and LabVIEW FPGA“; M. McMickell et. al.; NASA/ESA AHS 2010; pp. 79; June 2010.
• “A biomimetic model for bats’ echolocation signal processing and it’s implementation on FPGA“; Binbin Cheng Fei Yang Jing Xu; ICSPS 2010; Jul. 2010.
• “Architecture of field-programmable gate arrays“; Rose, J. El Gamal, A. Sangiovanni-Vincentelli, A.; Proceedings of the IEEE; Vol. 81; Issue 7; Jul. 1993.
• “FPGA Design Methodology for Industrial Control Systems—A Review“; Monmasson, E. Cirstea, M.N.; IEEE Transactions on Industrial Electronics; Vol 54; Issue 4; Aug. 2007.
• “A Real/Complex Logarithmic Number System ALU“; Arnold, M.G. Collange, S.; IEEE Transactions on Computers; pp. 202; Vol. 60 Issue 2; Feb. 2011.
• “Design and Implementation of an Arithmetic Processor Unit Based on the Logarithmic Number System“; Carrillo, S. Carrillo, H. Viveros, F.; IEEE Latin America Transactions (Revista IEEE America Latina); Vol 8; issue 6; pp. 605; Dec. 2010.
• “An HIL-Based Reconfigurable Platform for Design, Implementation, and Verification of Electrical System Digital Controllers“; Karimi, S. Poure, P. Saadate, S.; IEEE Transactions on Industrial Electronics; pp. 1226; Vol. 57 Issue 4; Apr. 2010.
• “A direct bitstream manipulation approach for Virtex4-based evolvable systems“; Cancare, F. Santambrogio, M.D. Sciuto, D.; ISCAS 2010; pp. 853; Jun. 2010.
• “Design of combinational logic training system using FPGA“; Sothong, S. Chayratsami, P.; IEEE Frontiers in Education (FIE); Oct. 2010.
• “Design and Implementation of HDLC Protocol and Manchester Encoding Based on FPGA in Train Communication Network“; Guozheng Li Nanlin Tan; ICIC 2010; pp. 105; Jun. 2010.
• “Firmware Upgrade for the Data Acquisition System of the LabPET Small Animal PET Scanner“; M.A. Tetrault et. al.; IEEE Transactions on Nuclear Science; pp. 556; Apr. 2010.
• “Applying Model-Checking to Post-Silicon-Verification: Bridging the Specification-Realisation Gap“; Dahmoune, O. de B Johnston, R.; ReConFig 2010; Dec. 2010.
• “Area-efficient FPGA logic elements: Architecture and synthesis“; J.H. Anderson, Qiang Wang; Design Automation Conference (ASP-DAC), 2011 16th Asia and South Pacific; pp. 369-375; Jan. 2011
• “Efficient absolute difference circuits in Virtex-5 FPGAs“;S. Perri, P. Zicari, P. Corsonello; MELECON 2010 – 2010 15th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, pp. 309-313; Apr 2010
• “Roving STARs: an integrated approach to on-line testing, diagnosis, and fault tolerance for FPGAs in adaptive computing systems“; Abramovici, M.; Emmert, J.M.; Stroud, C.E.; The Third NASA/DoD Workshop on Evolvable Hardware, 2001, pp.73-92, 2001
• LEON3 ViP: A Virtual Platform with Fault Injection Capabilities
• SystemC Cosimulation and Emulation of Multiprocessor SoC Designs
• Transaction Level Modeling and Performance Analysis in SystemC of IEEE 802.15.4 Wireless Standard
• A SystemC-Based Transaction Level Modeling of On-Chip-Bus
• SystemC-AMS high-level modeling of linear analog blocks with power consumption information
• A Transaction Level Assertion Verification Framework in SystemC: An Application Study
• Induction-Based Formal Verification of SystemC TLM Designs
• SystemC-AMS model of a dynamic large-scale satellite-based AIS-like network
• Designing a Fault-Tolerant Satellite System in SystemC
• Formal Techniques for SystemC Verification
• to be defined…