Arhitektura mikrosistema

Ova knjiga je posvećena tehnikama projektovanja digitalnog hardvera na mikroarhitekturalnom, odnosno RTL (engl. Register Transfer Level) nivou apstrakcije. Projektovanje na RTL nivou podrazumeva da se za konstrukciju digitalnih sistema koriste moduli kao što su sabirači, komparatori, multiplekseri i registri. Savremeno RTL projektovanje zasnovano je na upotrebi jezika za opis hardvera i softvera za automatsku sintezu hardvera. U knjizi je obrađen jezik VHDL, kao najrasprostranjeniji i najsveobuhvatniji jezik za opis hardvera danas. Može se slobodno reći da je značaj koji VHDL ima u digitalnom projektovanju jednak onom koji programski jezik C/C++ ima u programiranju, a da poznavanje VHDL-a spada u obavezna znanja svakog projektanta digitalnog hardvera. VHDL nalazi brojne primene u digitalnom projektovanju. Prvo, u VHDL-u je moguće kreirati strukturne modele digitalnih sistema, odnosno opise koji na formalan način pokazuju kako je sistem podeljen na podsistemi i kako su podsistemi međusobno povezani. Drugo, VHDL takođe omogućava kreiranje funkcionalnih modela korišćenjem jezičkih konstrukcija poput programskih grananja i petlji iz konvencionalnih programskih jezika. Treće, VHDL opis nekog sistema se može simulirati, s ciljem da se pre fizičke realizacije, testiraju i verifikuju njegova funkcionalnost i performanse. Na taj način, projektant dobija mogućnost da brzo ispita različita rešenja, bez potrebe izrade hardverskog prototipa. Četvrto, uz pomoć specijalizovanog softvera, VHDL opis se može sintetizovati, odnosno transformisati u detaljan strukturni opis koji je pogodan za neposrednu fizičku realizaciju. Na taj način se projektant rasterećuje od detaljnog projektovanja na niskom nivou (kao što je npr. minimizacija logičkih funkcija), pa više vremena može da posveti razradi arhitekture sistema i istraživanju alternativnih rešenja na sistemskom nivou. Ova knjiga ima za cilj da uvode studente u oblast digitalnog projektovanja kroz izučavanje VHDL-a, a pre svega onih aspekata ovog jezika koji su bitni za hardversku sintezu. Uspešno ovladavanje izloženom materijom pretpostavlja poznavanje osnovnih koncepta digitalnog projektovanja, poput onih koja se stiču u prvom kursu digitalne elektronike. Takođe, poznavanje programiranja i bar jednog programskog jezika, zajedno sa osnovama iz organizacije računara može biti od velike pomoću studentima za razumevanje i brzo usvajanje izložene materije. Knjiga je namenjena prevashodno studentima elektronike i računarstva, kao uvod u oblasti mikroprocesora i embeded sistema, s jedne i VLSI projektovanja s druge strane. Nakon uspešnog savladavanja materije obuhvaćene ovom knjigom, student bi trebalo da bude u mogućnosti da samostalno projektuje RTL sisteme i podsisteme malog i srednjeg nivoa složenosti. Knjiga nema ambiciju da obuhvati sve aspekte digitalnog projektovanja. Aspekti poput fizičkog projektovanja, simulacije i testiranja, biće razmatrani samo iz perspektive RTL projektovanja i to u meri koja je neophodna za razumevanje principa i tehnika RTL projektovanja i hardverske sinteze. Sveobuhvatno projektovanje digitalnih kola i sistema zahteva kako dodatna teorijska znanja tako i poznavanje specijalizovanih softverskih alata za projektovanje. Knjiga je podeljena na devet glava. Kao uvod u materiju, u prvoj glavi su predstavljeni osnovni principi, metodologija i tok projektovanja savremenih digitalnih sistema, zajedno s ulogom koju u tom procesu igraju jezici za opis hardvera i softverski alati za projektovanje. Glave 2 – 8 bave se različitim aspektima jezika VHDL. U 2. glavi, dat je pregled osnovnih karakteristika i koncepta ovog u suštini složenog i sveobuhvatnog jezika. Glava 3 posvećena je osnovnim jezičkim konstrukcijama VHDL-a, kao što su tipovi podataka, operatori i atributi. VHDL je konkurentan jezik s podrškom za sekvencijalno programiranje, po čemu se razlikuje od većine konvencionalnih programskih jezika, koji pružaju podršku isključivo za sekvencijalno programiranje. U 4. glavi razmatraju se različiti oblici konkurentne naredbe dodele, kao osnovnog jezičkog mehanizma za kreiranje konkurentnog kôda. Sekvencijalno programiranje u VHDL-u obrađeno je u 5. glavi. Sekvencijalni kôd se koristi za modeliranje sekvencijalnih digitalnih kola, kao što su registarske komponente i konačni automati. Zbog značaja koji imaju u digitalnom projektovanju, konačnim automatima je posvećena posebna glava, glava 6. U glavama 7 i 8, obrađeni su aspekti VHDL-a koji su bitni za projektovanje na sistemskom nivou i organizaciju složenih projekata. Glava 7 posvećena je strukturnom i hijerarhijskom projektovanju, dok se glava 8 bavi jezičkim konstrukcijama i programskim tehnikama za kreiranje parametrizovanih modela. Konačno, 9. glava posvećena je tehnikama projektovanja digitalnih sistema na RTL, odnosno mikroarhitekturalnom nivou apstrakcije. Knjiga sadrži veliki broj dijagrama i VHDL opisa koji na konkretnim primerima ilustruju primenu izložene materije i doprinesu bržem i potpunijem usvajanju osnovnih koncepta digitalnog projektovanja.