Σχεδίαση μονάδας αριθμητικής – λογικής (ALU) σε HDL

Abstract

Τα τελευταία χρόνια η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας έχει οδηγήσει στην πραγμάτωση όλο και πολυπλοκότερων συστημάτων σε διάφορους τομείς της καθημερινότητας, όπως της Πληροφορικής, της Ενέργειας, των Τηλεπικοινωνιών και της Οικονομίας. Πυρήνας κάθε τέτοιου συστήματος είναι τα ψηφιακά κυκλώματα. Με τον όρο ψηφιακό κύκλωμα, αναφερόμαστε σε ηλεκτρονικά συστήματα που επεξεργάζονται διακριτά επίπεδα ηλεκτρικής τάσης. Η παρούσα διπλωματική εργασία λοιπόν παρουσιάζει την προσομοίωση ενός ψηφιακού συστήματος, το οποίο έχει υλοποιηθεί με χρήση της γλώσσας περιγραφής υλικού VHDL και αναλύει επίσης τις βασικές αρχές των ψηφιακών κυκλωμάτων. Στα κεφάλαια που ακολουθούν γίνεται μια αναλυτική παρουσίαση των αρχών του σχεδιασμού ψηφιακών συστημάτων, της μεθοδολογίας σχεδιασμού επεξεργαστή ενός κύκλου και λεπτομερούς ερμηνείας του κώδικα του επεξεργαστή που υλοποιήθηκε. Πιο συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο υπάρχει η δομή της εργασίας, ο σκοπός και οι μεθοδολογίες που χρησιμοποιήθηκαν για την παρούσα διπλωματική εργασία. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται οι βασικές αρχές για τον σχεδιασμό και την υλοποίηση ψηφιακών κυκλωμάτων. Παρουσιάζονται τα δομικά χαρακτηριστικά διάφορων γλωσσών περιγραφής υλικού καθώς επίσης και τα πλεονεκτήματα των ψηφιακών συστημάτων συγκριτικά με άλλες τεχνολογίες. Στην συνέχεια, στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια λεπτομερής παρουσίαση της γλώσσας VHDL, των τύπων δεδομένων που χρησιμοποιεί, των μεταβλητών και των χρήσιμων συνθηκών που απαιτούνται για την συγγραφή κώδικα με VHDL. Στο τέταρτο κεφάλαιο υπάρχει ένας οδηγός ανάλυσης των βασικών στοιχείων ενός επεξεργαστή ενός κύκλου, στα οποία συγκαταλέγονται ο μετρητής προγράμματος, ο δείκτης και καταχωρητής εντολών, οι μνήμες Cache και RAM, η μονάδα διαχείρισης μνήμης, η αριθμητική λογική μονάδα (ALU), o Controller και η βαθμίδα αποκωδικοποίησης εντολών. Το πέμπτο κεφάλαιο είναι η ανάλυση του κώδικα που έχει γραφτεί, για την υλοποίηση του επεξεργαστή ενός κύκλου στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας. Επιπλέον, γίνεται πρακτική υλοποίηση της αρχιτεκτονικής με παρόμοια μορφή στο PCB Mojo v.3. Ακολουθεί το τελευταίο κεφάλαιο με τα συμπεράσματα και την βιβλιογραφία.