من 2 إلى 5 أكتوبر ، عقدت مدرسة حول أساسيات الدوائر الرقمية والهندسة المعمارية واستخدام Verilog في نوفوسيبيرسك. الاسم الرسمي للحدث: مدرسة للطلاب الجامعيين وطلاب الدراسات العليا ، عقدت في جامعة نوفوسيبيرسك التقنية الحكومية في إطار المؤتمر العلمي والتقني الدولي الرابع عشر "المشاكل الفعلية للأجهزة الإلكترونية" APEP-2018 ، التي عقدت تحت رعاية IEEE.
استهدف هذا الحدث بشكل أساسي أولئك الذين:
- قراءة كتاب الدوائر الرقمية وهندسة الكمبيوتر ، د. هاريس ، س. هاريس (المعروف أيضًا باسم H&H أو Harris-i-Harris) ؛
- يريد وضع معرفته موضع التنفيذ ، لكنه لا يفهم ما هي المعدات والبرامج اللازمة لذلك ولا يعرف كيفية استخدامه ؛
- هو طالب كبير أو طالب دراسات عليا ومن المتوقع أن ينشر المعرفة المكتسبة (إجراء ورش العمل ، والعمل المخبري ، وما إلى ذلك في الجامعة).
إعلان: من المخطط إنشاء مدرسة مماثلة في الفترة من 6 إلى 9 نوفمبر في معهد الفضاء وتكنولوجيا المعلومات التابع للجامعة الفيدرالية السيبيرية (IKIT SFU). ستدير المدرسة ألينا ليسكوفسكايا ، طالبة الدراسات العليا ، ومهندسة تصميم AIS IS التي تحمل اسم M.F.Reshetnev ، بالإضافة إلى زملائها: Dmitry Vlasov و Boris Dudkin. جهة الاتصال للتسجيل: leskovskayaav@yandex.ru
إذا كان موقفك يبدو على الأقل "Junior FPGA Developer" ، فمع احتمال كبير لن تتعلم أي شيء جديد لنفسك في هذا المنشور. للجميع ، مرحبا بكم في القطط.
لماذا هو ضروري
في وقت واحد (في المدرسة الثانوية) ، درس مؤلف هذه السطور بنية الكمبيوتر دون استخدام Verilog أو VHDL: تأتي إلى محاضرة يتم فيها وضع صندوق أسود يسمى "الكمبيوتر" على العديد من الصناديق السوداء الصغيرة: "المعالج" ، " الذاكرة "، إلخ. لكنها لا تزال مربعات سوداء: لا يمكنك "الصعود" في الداخل ، لا يمكنك "تغيير" الجهاز. تنتهي الدورة ، ولكن لا يزال لديك شعور بأنك تعمل مع "الجواهر السحرية لبنية داخلية غامضة". في أفضل الأحوال ، يمكنك تكوينها (برنامج). لا توجد صورة شمولية للعالم الرقمي في رأسي. لا يوجد فهم لكيفية عملها في الداخل. هذا الفهم الذي يميز المهندس الجيد عن "المارة".
من أجل الحصول على صورة كاملة ، من الضروري أن تكون قادرًا على تغيير الأجهزة المدروسة وإنشاء جهازك الخاص. وهنا تأتي شركة Verilog (أو VHDL) إلى برامج الإنقاذ والمحاكاة وألواح التصحيح غير المكلفة مع FPGAs للتحقق من الأجهزة. يمكن كتابة معالج بسيط ( schoolMIPS ) في 1-2 أمسيات. وهذا ليس علم الصواريخ على الإطلاق ، ولا سحر.
مع الأخذ في الاعتبار صورة شاملة للعالم الرقمي ، ليس من الضروري ربط حياتك بتطوير الدوائر المصغرة. لكنني أعتقد أن الأشخاص الذين يفهمون حقًا كيفية عمل "مربع القراءة السحري" لن يكتبوا برامج بطيئة مروعة . سأرسم متوازيًا: المطرقة والحفر الملقاة في خزانة لا تجعلك نجارًا. في نفس الوقت ، أنت قادر على قيادة مسمار ، وأنت تفهم سبب الحاجة إلى هذه الأدوات ، وفي هذه الحالات يجدر استخدام المطرقة ، ولماذا لا يجب أن تأخذ مجهرًا بدلاً من ذلك ، ومتى يجب استشارة أحد المتخصصين.
برنامج المدرسة
كان العمل في المدرسة موجهاً نحو الممارسة. من الصعب للغاية وضع جميع القضايا الموصوفة في H&H في أربعة أيام من النظرية والتطبيق. لذلك ، لم يتم تحديد هذا الهدف. تم إعطاء النظرية بأكملها حصريًا بالمبلغ اللازم للممارسة. لذلك ، لم يكن الأمر سهلاً بالنسبة لأولئك الذين لم يفتحوا الكتاب من قبل.
اليوم الأول
• لغة لوصف الأجهزة وأسباب الحاجة إليها
• ما هو FPGA
• أساسيات المنطق التوافقي
• عناصر المنطق الأساسية ووصفها على Verilog
• بيئة الاختبار (Testbench)
• التحقق من تشغيل الدائرة التوافقية باستخدام جهاز محاكاة (Icarus Verilog ، Modelsim)
• تركيب الدوائر المركبة ، Intel Quartus و Xilinx Vivado GUI
• ما هي تركيبة مخطط توليفها عندما تنفذ على FPGAs؟
• برمجة لوحة تصحيح
• التحقق من المشروع على لوحة التصحيح
• أساسيات Makefile والعمل في وضع غير مشروع
• معدد وطرق وصفه على Verilog HDL
• Demultiplexer وطرق وصفه على Verilog HDL
• دراسة حالة: العمل مع مؤشرات 7 قطاعات
• الترجمة الشرطية في Verilog HDL
اليوم الثاني
• الدوائر المركبة وزمن انتشار الإشارة
• دوائر الساعة والسلسلة
• أنواع مختلفة من التعيينات في Verilog HDL
• D- الزناد وتطبيقه على Verilog في أشكال مختلفة: إعادة تعيين غير متزامن ومتزامن ، منفذ إذن الكتابة
• ما هي الدارات التسلسلية التي تم توليفها عند التنفيذ على أساس FPGA
• تسجيل وتنفيذها
• العداد وتنفيذه
• الانضباط الديناميكي والساكن
• الاستبانة والمزامنة
• مزلاج وعواقب غير مرغوب فيها وطرق لتجنبها
• آلات الحالة المحدودة (Mura و Miles)
• عرض الآلة على شكل مخططات انتقالية
• تنفيذ الماكينة على Verilog HDL
• نهج عام لتصميم الأتمتة المعقدة
• تنفيذ خطوة بخطوة لوحدة واجهة المستشعر للموجات فوق الصوتية على Verilog
اليوم الثالث
• العمل المستقل. تنفيذ وحدة واجهة لوحة المفاتيح 4 × 4 لـ FPGA
• العمل المستقل. تطبيق حاسبة FPGA
اليوم الرابع
• أساسيات الأنابيب
• العمارة والهندسة المعمارية المصغرة
• أساسيات التنمية على المجمع MIPS
• العمل مع محاكي MARS
• تصميم أبسط معالج أحادي الدورة على مثال schoolMIPS
• مسار البيانات وجهاز التحكم
• تجميع البرنامج ، بدء تشغيل المعالج في جهاز المحاكاة وعلى لوحة التصحيح
• العمل المستقل. إضافة دعم لتعليمات جديدة للمعالج
المواد
جميع المواد الدراسية (شرائح ، نصوص ، مصادر ، أدب) متاحة على الإنترنت ( جيثب ، مواد إضافية ). تم تصميم الشرائح بأسلوب مريب ، عندما يكون هناك الكثير من النصوص عليها ، على أمل أن يجعل ذلك من السهل التعرف على المواد غير المتصلة بالإنترنت.
تم تنفيذ المهام العملية والمستقلة بشكل رئيسي على اللوحات الأم Terasic DE10-Lite مع Intel MAX10 FPGA على اللوحة. كان لدينا أيضًا Digilent Nexys 4 DDR ، والذي أظهر العمل مع Xilinx Vivado كمثال. مع استثناءات نادرة ، يتم تحضير الأمثلة بطريقة يمكنك من خلالها استخدام DE10-Lite و Nexys 4 DDR. يرجع الاختيار لصالح العمل مع لوحات Intel FPGA إلى الأسباب التالية:
- DE10-Lite أرخص من Nexys 4 DDR ، مما يعني أنه متاح لمزيد من الطلاب إذا كانوا يرغبون في مواصلة التجريب في المنزل أو كجزء من عملية التعلم ؛
- يتم تجميع نفس المشاريع البسيطة التي بنيت عليها الدورة باستخدام Intel Quartus أسرع عدة مرات من استخدام Xilinx Vivado. مع كل تعاطفي مع Vivado ، كان لدينا 4 أيام فقط.
ماذا عن الفيديو
عندما تم الإعلان عن الحدث ، بدأت أتلقى طلبات لتنظيم البث أو تسجيل الفيديو. لسوء الحظ ، لم يتناسب هذا مع شكل منظمة المدرسة التي اخترتها. لم يكن لدينا أي محاضرات على هذا النحو: بضع شرائح ، ثم الممارسة. هناك أسئلة - نقوم بتحليلها ، حوار مستمر ، نكت مضحكة ويتنقل بين الجمهور. اخترت بين العمل على الكاميرا وبناء اتصال مثمر مع الجمهور ، اخترت الثاني. كيف حدث هذا الأمر متروك للطلاب للحكم. يرجى التعامل مع الفهم.
اريد ايضا
هل أنت معلم مهتم بإعطاء الطلاب المعرفة؟ أم أنك طالب يريد الحصول على هذه المعرفة ، بغض النظر عما إذا كان المعلمون يعطونها أم لا؟ في هذه الحالة ، حتى إذا لم تتمكن من حضور الحدث ، فلديك كل المعلومات اللازمة للتطوير المستقل للموضوع و / أو بناء / تعديل الدورة التدريبية:
- كتاب "الدوائر الرقمية وهندسة الكمبيوتر" ، وهو متاح مجانًا في شكل إلكتروني ( حلقة الوصل ) ، أو يمكن شراؤه بالورق ( الرابط ). من السهل قراءته ، يحمل بعيدا عن الخيال. لديها حد دخول منخفض - لا تحتاج إلى بعض المعرفة الخاصة لبدء قراءتها. في الآونة الأخيرة ، تم إصدار إضافة على هندسة ARM ( حلقة الوصل ) ؛
- تتوفر أمثلة على التعليمات البرمجية للكتاب ، بالإضافة إلى الشرائح (الإصدارات الإنجليزية والروسية) التي يمكن استخدامها لبناء الدورة التدريبية الخاصة بك ( رابط ) ؛
- لوحات تصحيح غير مكلفة: Terasic DE10-Lite هو الأفضل ، في رأيي ، الاختيار من حيث نسبة السعر / الجودة ، 55 دولارًا لأولئك الذين أثبتوا مكانتهم الأكاديمية (باستثناء التسليم). لوحة ZEOWAA - عندما يكون لديك لتوفير كل شيء. الخيار يعمل ، ولكن قد تكون هناك مشاكل في البرامج الثابتة بسبب كابل USB ذي الجودة الرديئة الذي يأتي مع المجموعة ؛
- مواد المدرسة الحالية ( جيثوب ، مواد إضافية ) ، بالإضافة إلى الأحداث الأخرى التي تنظمها YuriPanchul ( silicon-russia.com ، شرائح وأكثر من ذلك بكثير ).
من فضلك لا تتوقع أن يأتي إليك شخص ما ويفعل "الخير". علمك ، إذا كنت طالبًا ، ومعرفة طلابك ، إذا كنت مدرسًا ، تعتمد على جهودك بنسبة 99 ٪.
ماذا عانيت لنفسي
- في 4 أيام ، يمكنك وضع الأشياء الأساسية (لأولئك الذين لم يقرؤوا H & H) ، أو شيء أكثر تقدمًا (لأولئك الذين قرأوا الكتاب بالفعل). من الأفضل عدم الجمع.
- بالنسبة لأولئك الذين لم يقرؤوا الكتاب ولا يملكون خبرة في FPGAs ، فمن المستحسن البدء في ممارسة العمل مع الدوائر المصغرة بدرجة صغيرة من التكامل ، ثم إعطاء FPGAs فقط. هذا مهم جدا لأنه يسمح لك بإعادة بناء الدماغ بسرعة من وضع "البرمجة" المألوف نسبيًا إلى وضع "الدوائر". هذا قد كتبه بالفعل يوري ( حلقة الوصل ). للأسف ، فاتنا هذه المرحلة.
شكر وتقدير
- البادئ للحدث ومنظم NSTU هو فلاديمير ماكوكا ؛
- كان من الممكن أن يكون الاحتفاظ بالمدرسة بشكلها الحالي مستحيلًا إذا لم تقم مجموعة من المتحمسين قبل بضع سنوات بترجمة الدوائر الرقمية وهندسة الكمبيوتر ؛
- إن وصولي إلى نوفوسيبيرسك ما كان ليتحقق لولا دعم المبادرات التعليمية الموجودة في تقنيات IVA ؛
- كان إجراء المدرسة سؤالًا كبيرًا عندما اتضح أن الأموال المخصصة للجامعة لشراء لوحات التصحيح معلقة في مكان ما في أعماق البيروقراطية. تم جمع المجالس في نهاية المطاف "مع العالم على خيط." قام ميخائيل شادرين (NSU) بإقراض عدة أجهزة Nexys 4 DDR. تم شراء بعض اللوحات من قبل طلاب الدراسات العليا الذين جاؤوا للدراسة. تم تخصيص العديد من لوحات Terasic من قبل ألكسندر رومانوف (MIEM NRU HSE). ولكن لا تزال هناك لوحات كافية. ساعد YuriPanchul ، وبعد ذلك نظمت أنا و Mikhail Shupletsov (جامعة موسكو الحكومية) عملية الشراء بسرعة. وقام الرجال من Terasic ، دون أي تأخير ، بترتيب الشحنة في أسرع وقت ممكن.
- ساعد ديمتري فلاسوف وأنطون كوليتشكوف وفاليري بارمين في إدارة المدرسة - التقينا قبل عام في تومسك ( حلقة الوصل ) ، وفي هذا العام ساعدوا الطلاب في النظرية والتطبيق.
- جزيل الشكر للطلاب - بدون رغبتك في تعلم أشياء جديدة وبدون إصرارك لما كنا سننجح.
مراجعات المدرسة
آنا كازمينا
لمدة 4 أيام <...> انغمسنا في تكنولوجيا التطوير القائمة على FPGA لدرجة أنها غيرت فكرتي تمامًا في استخدام FPGAs في العالم الحديث في الإنتاج الحقيقي. في السابق ، في العملية التعليمية ، استخدمنا FPGAs فقط لتسريع حل المشكلات ، ولكننا تعلمنا الآن كيفية استخدام المتحكمات الدقيقة لتطوير الهندسة المعمارية الدقيقة <...> لقد أهتمتني هذه المدرسة حقًا لدرجة أنني أخطط للتطوير في هذا الاتجاه. المزيد من هذه الأحداث!
أوليسيا رادشينكو
شكرا جزيلا للفريق ، وبفضل ذلك عقدت مدرسة مماثلة في NSTU. نشكرك على إتاحة الفرصة لك "للتعمق" في برمجة FPGA ، لمعرفة كيفية عمل المطورين الآخرين مع Quartus و ModelSim ، وكذلك للتعرف على Vivado على سبيل المثال. خلال هذه الأيام الأربعة ، دمجت معرفتي القديمة وتعلمت الكثير من الأشياء الجديدة ، على سبيل المثال ، حول MIPS. <...> يمكنني تطبيق المعرفة المكتسبة في عملي ، والتي ارتبطت مؤخرًا ارتباطًا وثيقًا ببرمجة FPGA
فلاديسلاف ماير
ربما أود أن أشير إلى أنه بسبب الوقت المحدود ، تمكنت من توفير معلومات كافية للفهم الأولي للمادة. أنا شخصياً كان لدي بعض المعرفة الأساسية بلغة برمجة الأجهزة. لكن العادم الرئيسي بالنسبة لي هو تغيير النظرة العامة على البرمجة بشكل عام. الآن أنظر إلى الأشياء المألوفة سابقًا من زاوية مختلفة ولدي فكرة عن كيفية تنفيذ هذه أو تلك الوحدات بشكل مختلف
أنطون يوباشيفسكي
خلال هذه الأيام الأربعة ، نظرت إلى برمجة FPGA بطريقة مختلفة تمامًا ، بلغة وصف أجهزة Verilog ، وفي الوقت الحاضر ، باستخدام FPGA. المستوى الأولي من المعرفة حول FPGAs والدوائر الرقمية حصلت على 4 سنوات أخرى من الدراسة في الجامعة ومعها
لم تكن هناك مشاكل في أبسط المخططات التوافقية والتسلسلية ، ولكن بعد ذلك
ظهرت أكثر وأكثر تعقيدا ومثيرة للاهتمام وفي النهاية نحن أنفسنا برمجنا النواة
MIPS كانت الميزة الضخمة لهذه المدرسة قدرا كبيرا من الممارسة.
ميخائيل كيريف
خلال المدرسة "من الفيزياء إلى الرقاقة" في APEP-2018 ، تم تحديد العقائد عند العمل مع Verilog:
يجب أن تتقن كتاب هاريس. هناك العديد من المزالق في هذا الموضوع عند كتابة التعليمات البرمجية - يمكن تصنيع الكتل المتطابقة تمامًا (من وجهة نظر المنطق) بطرق مختلفة <...> ستعطي المحاكاة إمكانيات أكثر بكثير عند تطويرها من التوليف - انتبه أكثر إلى Waveform. في مسيرتي المهنية ، يجب أن أعمل مع خطوط FPGA المختلفة من جهات تصنيع مختلفة ، <...> وفر وقتك في المستقبل (كتابة النصوص وملفات الصنع). من وجهة نظر عملية ، تم النظر في عدد من الأنماط الأساسية المتسلسلة والتوافقية ؛ ناقل ، لوحة مفاتيح 4x4 ، أمثلة على آلات الحالة ، أبسط بنية MIPS ومهام أخرى.
Z.Y. لقد اكتشفت هذه المدرسة واشتركت قبل 12 ساعة من بدايتها ، ولم أندم على حضور هذا الحدث ، على الرغم من أن قراءة كتاب هاريس كان سيجعل الأداء أعلى بكثير.