Aktivnosti u oblasti projektovanja integrisanih kola na VLSI nivou vezane su za same početke rada Laboratorije za računarsku tehniku. Proistekle su iz saradnje sa Laboratorijom za računarske sisteme Instituta „Mihajlo Pupin“ iz Beograda, a kasnije se nastavile kroz saradnju sa kompanijom HDL – Design Hause takođe iz Beograda. VLSI projektovanje je jedna od aktivnosti koja je praktično prisutna tokom svog vremena postojanja Laboratorije.

Saradnici Laboratorije i studenti računarske tehnike su svojim angažovanjem i pokazanim znanjem uspeli da steknu poverenje pomenute firme. Na bazi toga Fakultetu je ponuđeno da se na njemu otvori Centar kompanije HDL – Design Hause za projektovanje integrisanih kola. Iako je načelno postojala spremnost rukovodstva Fakulteta da do toga dođe ovaj Centar nije formiran.

Posle više od petnaest godina 2019. godine firma Vtool otvorila je svoju kancelariju sa idejom da za početak organizuje praksu za studente Fakulteta, a kasnije ako se pokažu uspešni formira i centar u kome bi se realizovali poslovi verifikacije integrisanih kola.

Na ovoj stranici biće predstavljeni rezultati istraživanja u oblasti PROJEKTOVANJA DIGITALNIH SISTEMA, sa posebnim osvrtom na primenu VLSI koncepta.

Projektovanje digitalnih sistema

Projektovanje digitalnih sistema u današnje vreme usko je povezano sa projektovanjem i fabrikacijom visoko integrisanih elektronskih kola – Very Large Scale Integrated (VLSI) Circuit. Navedeni koncept izrade integrisanih kola – Integrated Circuit (IC) predstavlja povezivanje hiljade tranzistora u jedinstveno elektronsko kolo (chip). VLSI kola su se pojavila početkom 70 – tih godina prošlog veka. Pre toga većina elektronskih kola imala je ograničen skup funkcija koje su mogla da izvrše. Digitalni elektronski uređaji u principu se sastoje od procesora, memorije i prateće logike (glue logic). Elektronska industrija je postigla ogroman rast tokom poslednjih decenija, uglavnom na račun brzog napretka u integrisanju tehnologije i projektovanja sistema. Sa pojavom VLSI projektovanja došlo je do izuzetno brze primene integrisanih kola u računarstvu, telekomunikacijama, obradi slike i potrošačkoj elektronici. Današnje najsavremenije tehnologije, kao što je video visoke rezolucije i mobilne komunikacije omogućavaju krajnjim korisnicima najširu primenu u pogledu obrade podataka. Očekuje se da će se ovaj trend nastaviti uz značajne implikacije na dalji razvoj koncepta VLSI projektovanja.

VLSI – Fabrikacija elektronskih kola

Izrada elektronskih kola u VLSI tehnici fundamentalno je promenila pristupe projektovanju elektronskih uređaja. Računarstvo je bilo prva oblast gde su VLSI kola našla svoju primenu. Fabrikaciju elektronskih kola, pre svega digitalnih u obliku visokointegrisanih kola neminovno su pratile odgovarajuće promene i u tehnologiji projektovanja uključujući i alate za projektovanje. Razvoj VLSI tehnologije vodio od realizacije kola opšte namene, kao što su mikroprocesori, preko kola prilagođenih specifičnoj aplikaciji (ASIC – Application Specific Integrated Circuit) do realizacije kompletnih sistema na jednom integrisanom kolu (SoC – System on Chip). Značajan trenutak u razvoju i primeni VLSI tehnologije predstavlja pojava programabilnih VLSI  kola, pre svega tzv. Field Programmable Gate Array (FPGA) kola. Razvoj alata za projektovanje išao je ka razvoju potrebnog hardvera i softvera namenjenog za podršku projektovanju VLSI kola, ali i njihovom korišćenju za realizaciju složenih uređaja. Razvojni sistemi (DS – Development Systems) i integrisana softverska razvojna okruženja (IDE – Integrated Development Environment) nezaobilazna su sredstva za projektovanje i primenu VLSI kola.

Tok VLSI projektovanja Tok VLSI projektovanja sastoji se iz više koraka: Specifikacija sistema (System Specification) – U okviru ovog koraka vrši se predstavljanje sistema na najvišem nivou. Pri tome se razmatraju funkcije sistema, njegove perofrmanse i moguće fizičke dimenzije. Takođe, analiziraju se moguće tehnike za projektovanje kao i fabrikacione tehnologije.  Projektovanje arhitekture (Architectural Design) – Na ovom nivou projektovanja definiše se osnovna struktura integrisanog kola. Pri tome se vrši izbor npr. između primene RISC i CISC koncepta, broja korišćenih ALU i Floating Point jedinica, strukture i nivoa instrukcijskog paralelizma, veličine keša, itd.  Funkcionalno projektovanje (Functional Design) – U okviru ovog koraka identifikuju se glavne funkcionalne jedinice sistema. Takođe, identifikuju se i među veze između tih jedinica. Na bazi toga procenjuje se površina, potrošnja i drugi parametri svake jedinice.  Logičko projektovanje (Logic Design) – Na ovom nivou projektovanja definiše se tok upravljačkih signala, dužina podataka, potrebni registri, aritmetičke i logičke operacije kojima se predstavlja funkcionalni projekat sistema. Ovaj opis sistema se naziva Register Transfer Level (RTL). Za njegovo predstavljanje koristi se neki od Hardware Description Languages (HDL) kao što su VHDL ili Verilog. Ovaj opis se može koristiti pri simulaciji i verifikaciji sistema.  Projektovanje kola (Circuit Design) – U okviru ovog koraka projektovanja vrši se predstavljanje kola na bazi logičkog projekta. Bulovi izrazi se konvertuju u predstavu kola da bi se moglo izvršiti procena brzine i potrošnja na nivou originalnog projekta. Ova predstava prikazuje elemente kola – ćelije, gejtove, tranzistore i veze između njih.  Fizičko projektovanje (Psysical Design) – Na ovom nivou se predstava kola konvertuje u tzv. geometrijsku predstavu. Geometrijska predstava kola se naziva layout.  Fabrikacija (Fabrication) – U toku fabrikacije layout se konvertuje u photo – lithographic maske. Po jedna za svaki nivo. Maske identifikuju mesta na silicijumskoj pločici (wafer) gde određeni materijal treba da se nanese, difunduje ili odstrani.  Pakovanje i testiranje (Packaging and Testing) – Na kraju wafer posle fabrikacije se seče na individulana kola (chips). Svako kolo sepakuje i testira da bi se osiguralo da zadovoljava sve specifikacije projektovanjai da li radi ispravno.  Projektovanje digitalnih sistema u Laboratoriji za računarsku tehniku Laboratorija za računarsku tehniku poseduje razvojne sistem za projektovanje digitalnih sistema na bazi FPGA (Field Programmable Gate Array) kola. Razvojni sistemi su namenjeni za realizaciju istraživačkih projekata i praktične vežbe studenata računarskog inženjerstva u okviru predmeta, koji studenti slušaju na osnovnim, master i doktorskim studijma: Projektovanje VLSI sistema Projektovanje digitalnih sistema Hardversko – softversko projektovanje Inteligentni senzori Integrisani pristup projektovanju hardvera i softvera Raspoloživi razvojni sistemi su:
Xilinx – SPARTAN – E3 (2 primerka)
Xilinx – SPARTAN – 3AN
Altera – DE2
Microsemi – FusionPro
Microsemi – SmartFusion2
A K T U E L N I   P R O J E K T I
Implementacija IP Core na SmartFuse2 familiji FPGA kola
U okviru ovoga projekta realizuju se izabrani IP Core na familiji SmartFuse2 FPGA kola firme Microsemi, korišćenjem odgovarajućeg razvojnog sistema i softverskog razvojnog okruženja Microsemi Libero SoC v12.0.

Literatura

1. Tredennick, N., “Microprocessor Logic Design The Flowchart Method“, Digital Press, 1987
2. Lipsett, R., Schaefer, C. F., Ussery, C., “VHDL: Hardware Description and Design“, Kluwer Academic Publischers, 1989
3. Bergeron, J., “Writing Testbenches Functional Verification of HDL Models“, Kluwer Academic Publishers, 2000

Standardi

1. “IEEE Standard Test Access Port and Boundary – Scan Architecture“, IEEE Std 1149.1-1990 (Includes IEEE Std 1149.1a-1993)
2. “Standard ASIC Modelling Specification“, Draft, IEEE 1076.4/D1, April, 2000