آموزش رایگان طراحی کامپیوتری سیستم‌های دیجیتال

درس طراحی کامپیوتری سیستم­‌های دیجیتال یکی از دروس اصلی رشته مهندسی کامپیوتر در مقطع کارشناسی است که به علاقه‌مندان طراحی سخت­‌افزار این قابلیت را می­‌دهد تا بتوانند مدارهای پیچیده را به کمک یک زبان توصیف سخت‌­افزار ایجاد و شبیه­‌سازی کنند. سپس آن‌ها را به کمک ابزارهای سنتز تبدیل به مدارهای قابل پیاده­‌سازی روی بسترهای سخت‌­افزاری همچون FPGA (Field Programmable Gate Array) و یا ASIC (Application Specific Integrated Circuits) کنند.

امروزه FPGA (آرایه منطقی برنامه‌­پذیر) به‌عنوان سخت‌­افزارهای قابل برنامه‌ریزی به‌سرعت در‌حال رشد هست و حتی امکان ایجاد یک سیستم کامل کامپیوتری روی یک تراشه (SoC – System on a Chip) را فراهم می­‌کنند، که شامل پردازنده‌ها، حافظه‌­ها، ماژول­‌های ورودی/خروجی، عناصر محاسباتی، و از همه مهم­‌تر عناصر سخت­‌افزاری قابل برنامه‌­ریزی هستند. از این رو تمرکز این درس نیز روی آشنایی با این تراشه‌­ها و نحوه توصیف سخت‌­افزارها برای پیاده‌­سازی روی آن است.

این درس با مقدمات مربوط به ایجاد کامپیوترها و تراشه­‌های اولیه شروع می‌­شود، سپس به معرفی روش‌­های مرسوم پیاده­‌سازی مدارهای دیجیتال می­‌پردازد. بعد از آشنایی کلی با روش­‌های متفاوت پیاده‌­سازی روی تراشه‌ها، تمرکز روی تراشه­‌های با قابلیت برنامه‌­ریزی (PLD در حالت کلی و FPGA در حالت خاص و کاربردی) قرار می‌گیرد و نحوه ایجاد این قابلیت روی سخت­‌افزار، با وجود انتظار عدم­ تغییر آن­‌ها، توضیح داده می­‌شود.

توصیف سخت‌­افزار به کمک یک زبان بهینه شده برای این کار به طراحان این امکان را می­‌دهد که به سادگی سیستم مورد‌نظر را توصیف و پیاده­‌سازی کنند. بعد از آشنایی با FPGA‌، نیاز است که روش­‌های توصیف سیستم‌­های دیجیتال با قابلیت پیاده­‌سازی روی این تراشه‌­ها به‌طور کامل توضیح داده شود. درنتیجه، با انتخاب زبان VHDL، قسمت عمده این درس به نحوه توصیف مدارها به کمک این زبان اختصاص داده شده‌است. با معرفی دستورات پایه زبان VHDL امکان توصیف مدارهای منطقی ساده فراهم می‌­شود و به مرور با معرفی دستورات شرطی و حلقه و سپس نحوه توصیف عناصر حافظه همگام با کلاک، نحوه توصیف سیستم‌­های ترکیبی و ترتیبی توضیح داده می­‌شود.

سپس، آشنایی با ماشین‌­های حالت و نحوه پیاده‌­سازی آن‌­ها این امکان را به طراحان می‌­دهد که سیستم­‌های دیجیتال را به‌صورت ساخت­‌یافته و منظم‌­تر ایجاد و کنترل کنند. با ترکیب ماشین حالت و بخش‌­های پردازش داده و آشنایی با متد طراحی FSMD (طراحی بخش­‌های داده و کنترلی) توانایی توصیف سیستم‌­های بزرگتر را ایجاد می‌­کند. با اضافه کردن حافظه‌­ها به سیستم (در صورت نیاز)، یک سیستم کامل سخت‌­افزاری توصیف می‌­شود. در‌نهایت به کمک سنتز کدهای توصیف شده، امکان برنامه‌­ریزی FPGA برای انجام کار خواسته شده فراهم می­‌شود. 

از پیش‌­نیازهای مهم این درس آشنایی کامل با مدار منطقی و همچنین معماری کامپیوتر است. برای همین پیشنهاد می­‌شود. حتما مباحث درس مدارهای منطقی مرور شود تا درک مفاهیم پایه این درس ساده­‌تر شود.