ECTS - University of Pisa
Lo studente che completerà con successo il corso sarà in grado di dimostrare una solida conoscenza delle principali problematiche legate alla progettazione di sistemi embedded per le telecomunicazioni. Egli o lei acquisirà la capacità di padroneggiare i compromessi per mappare gli algoritmi di elaborazione dei segnali digitali in architetture di integrazione hardware/software su larga scala (VLSI) secondo le principali metriche di performance (area, velocità, consumo energetico, flessibilità, costo e time-to-market). Lo studente acquisirà anche metodologie di progettazione per la progettazione di circuiti integrati digitali (IC) semi-custom, compresa la tecnologia FPGA (Field programmable gate array), sfruttando strumenti di progettazione assistita da computer all'avanguardia. Avrà l'opportunità di sperimentare in pratica il flusso complessivo della progettazione, dalle specifiche all'implementazione dell'FPGA e ai test per un blocco di base per l'elaborazione dei segnali digitali.
The student who successfully completes the course will be able to demonstrate a solid knowledge of the main issues related to the design of embedded systems for telecommunication. He or she will acquire the ability to master trade-offs to map digital signal processing algorithms into hardware/software very large scale integration (VLSI) architectures according to main performance metrics (area, speed, power consumption, flexibility, cost and time-to-market). The student will also acquire design methodologies for semi-custom digital integrated circuits (IC) design including field programmable gate array (FPGA) technology by exploiting state-of-the-art computer aided design tools. He or she will have the opportunity to practically experience the overall design flow from specification to FPGA implementation and testing for a basic digital signal processing building block.
Lo studente sarà valutato sulla sua comprovata capacità di discutere i contenuti principali del corso utilizzando la terminologia appropriata. Lo studente dovrà dimostrare la capacità di mettere in pratica e di eseguire, con consapevolezza critica, le attività illustrate o svolte sotto la guida del docente durante il corso. Lo studente può anche richiedere di realizzare un progetto di progettazione pratica.
Metodi:
Esame orale finale
Relazione orale
Relazione scritta
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology. The student must demonstrate the ability to put into practice and to execute, with critical awareness, the activities illustrated or carried out under the guidance of the teacher during the course. The student could also request to perform a practical design project.
Methods:
Lo studente sarà in grado di effettuare un'analisi comparativa fra le varie tecniche di realizzazione di circuiti integrati (GPP, DSP, FPGA, ASIC semi-custom and full-custom) per sistemi di telecomunicazioni tenendo conto delle principali metriche prestazionali (area occupata, velocità, consumo di potenza e affidabilità).
Lo studente sarà in grado di svolgere le fasi principali per la progettazione di un circuito integrato digitale su tecnologia semi-custom basandosi sul linguaggio di descrizione dell'hardware ad alto livello (VHLD) e programmi di sintesi logica automatica. In particolare sarà in grado di svolgere tutte le fasi progettuali per la realizzazione di progetto digitale su tecnologia FPGA Xilinx (basandosi sul tool di simulazione ModelSim ed il tool di sintesi e programmazione Xilinx VIVADO) e la relativa implementazione e collaudo sulla scheda prototipale Zybo.
The student will be able to perform a comparative analysis between the various techniques for the realization of integrated circuits (GPP, DSP, FPGA, ASIC semi-custom and full-custom) for telecomunication systems taking into account the main performance metrics (area occupied, speed, power consumption and reliability).
The student will be able to perform the main steps for the design of a digital integrated circuit on semi-custom technology based on the high-level hardware description language (VHLD) and automatic logic synthesis programs. In particular, the student will be able to perform all the design phases for the realization of a digital project on FPGA Xilinx technology (based on the ModelSim simulation tool and the Xilinx VIVADO synthesis and programming tool) and the related implementation and testing on the Zybo prototype board.
Durante le lezioni di laboratorio, lo studente sarà messo alla prova con la progettazione di un sintetizzatore di frequenza digitale diretto: dalle specifiche di progetto, alla sua descrizione e verifica con il linguaggio di descrizione dell'hardware VHDL, fino alla progettazione su piattaforma FPGA Zync e all'implementazione e collaudo sulla scheda prototipale Zybo.
Opzionalmente, lo studente avrà l’occasione di completare il flusso di progetto di semplici sistemi digitali (dalla specifica alla sintesi su piattaforma FPGA) cimentandosi nell’esecuzione di un progetto assegnato dal docente a gruppi di 1-3 persone.
During the lab classes, the student will be challenged with the design of a direct digital frequency synthesizer: from the design specification, to its description and verification with the VHDL hardware description language, to the design on Zync FPGA platform and the implementation and testing on the Zybo prototype board.
Optionally, the student will have the opportunity to complete the design flow of simple digital systems (from specification to synthesis on FPGA platform) by trying his hand at the execution of a project assigned by the teacher in groups of 1-3 people.
Lo studente imparerà ad esplorare lo spazio di progetto per la progettazione di sistemi microelettronici digitali per sistemi di telecomunicazioni tenendo conto delle principali metriche prestazionali (area occupata, velocità, consumo di potenza e affidabilità).
The student will learn to explore the design space for designing digital microelectronic systems for telecom taking into account key performance metrics (area occupied, speed, power consumption, and reliability).
Lo studente verrà periodicamente interrogato durante le lezioni allo scopo di capire come si rapporta di fronte a semplici problemi che riguardano l’uso dei sistemi di elaborazione digitale del segnale che vengono di volta in volta introdotti dai docenti.
Per gli studenti che scelgono di svolgere i progetti opzionali, è prevista una fase di discussione dei risultati nella quale il docente valuta l’effettivo grado di confidenza assunto dagli studenti nei confronti delle tecniche progettuali.
The student will be queried during the lectures in order to understand how they behave while facing simple problems regarding the use of digital signal processing modules.
The student have to discuss the results of their projects with the teachers, who will determine the degree of confidence that the students have acquired with the main steps of the integrated circuit design flow.
Lo studente dovrà avere una buona conoscenza dei seguenti argomenti:
1) tecnologie di fabbricazione dei circuiti integrati CMOS
2) conoscenze di porte logiche in CMOS (combinatorie e sequenziali)
3) Architettura di massima di un calcolatore
The students should have a good knowledge of:
1) CMOS integrated circuit fabrication technologies
2) Knowledge of CMOS logic gates (combinational and sequential)
3) Basic of computer architecture
Attività di apprendimento:
Frequenza: fortemente consigliata ma non obbligatoria
Metodi di insegnamento:
Erogazione: didattica frontale emergenza COVID-19 permettendo altrimenti a distanza su piattaforma Teams
Delivery: face to face
Learning activities:
Attendance: Advised
Teaching methods:
Delivery: frontal emergency teaching COVID-19 allowing otherwise distance learning on Teams platform
Il corso tratta i seguenti argomenti principali: - Metriche di progettazione nella progettazione di circuiti integrati digitali per sistemi di telecomunicazione - Progettazione di scambi per l'esplorazione dello spazio tra computer per uso generale, processore di segnale digitale, processore di set di istruzioni specifiche per l'applicazione, gate programmabile sul campo e circuito integrato specifico per l'applicazione. - Profilazione e mappatura di algoritmi DSP in architetture VLSI, inclusi gli effetti aritmetici finiti (implementazione floating vs. fixed point). - Implementazione CMOS dei principali blocchi di elaborazione del segnale digitale: adder, moltiplicatore, unità logica aritmetica, moltiplicatore e unità di accumulo, filtri CORDIC, FIR e IIR. - Strumenti di automazione della progettazione elettronica di alto livello per il co-design hardware-software per circuiti integrati digitali semi-custom. Linguaggi di descrizione dell'hardware per la modellazione, la simulazione e la sintesi logica. - Consumo di energia in IC digitale CMOS. Tecniche di progettazione per la riduzione del consumo di energia a diversi livelli di astrazione.
The course covers the following main topics: - Design metrics in digital IC design for telecommunication systems - Design space exploration trading-offs among General Purpose Computer, Digital Signal Processor, Application Specific Instruction Set Processor, Field Programmable Gate e Application Specific Integrated Circuit. - Profiling and mapping of DSP algorithms into VLSI architectures including finite arithmetic effects (floating vs. fixed point implementation). - CMOS implementation of main digital signal processing blocks: adder, multiplier, arithmetic logic unit, multiplier & accumulator unit, CORDIC, FIR and IIR filters. - High-level electronic design automation tools for hardware-software co-design for semi-custom digital IC. Hardware description languages modeling, simulation and logic synthesis. - Power Consumption in CMOS digital IC. Design techniques for the reduction of power consumption at different level of abstractions.
La lettura consigliata include:
- P. Pirsch, "Architetture per l'elaborazione del segnale digitale", Wiley
- J. M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, Circuiti integrati digitali 2/E, Prentice-Hall
- K.C. Chang, "Digital Systems Design with VHDL and Synthesis", IEEE Computer Society
Ulteriori materiali saranno forniti dai docenti.
Recommended reading includes:
- P. Pirsch, “Architectures for Digital Signal Processing”, Wiley
- J. M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, Digital Integrated Circuits 2/E, Prentice-Hall
- K.C. Chang, “Digital Systems Design with VHDL and Synthesis”, IEEE Computer Society
Further materials will be provided by the lecturers.
Il programma è lo stesso per studenti frequentanti e non frequentanti. Gli studenti non frequentanti possono trovare tutto il materiale del corso nella pagina web indicata dal docente.
The program is the same for attending and non-attending students. Non-attending students can find the materials covering all the subjects of the lectures in the webpage indicated by the teacher.
Esame orale.
Oral exam.
COMMISSIONE DI ESAME: Luca Fanucci, Massimiliano Donati, Pietro Nannipieri
BOARD EXAM: Luca Fanucci, Massimiliano Donati, Pietro Nannipieri
