デジタル回路の基礎に関する学校：ノボシビルスク-わかりました、クラスノヤルスク-準備をします

10月2日から5日にかけて、ノボシビルスクでデジタル回路、アーキテクチャ、およびVerilogの使用の基礎に関する学校が開催されました。 イベントの正式名称：ノボシビルスク州立工科大学で開催されたXIV国際科学技術会議「電子計測の実際の問題」APEP-2018のIEEE主催で開催された学部生および大学院生向けの学校。

このイベントは主に次の人を対象としています。

• D.ハリス、S。ハリス（H＆HまたはHarris-i-Harrisとしても知られている）の書籍Digital Circuitry and Computer Architectureを読んでください。
• 彼は知識を実践したいと考えていますが、これに必要な機器やソフトウェアを理解しておらず、使用方法も知りません。
• 上級生または大学院生であり、予想通り、得られた知識（大学でのワークショップ、実験室での作業など）を広めます。

お知らせ：同様の学校が11月6日から9日まで、シベリア連邦大学宇宙情報技術研究所（IKIT SFU）で計画されています。 学校は、M.F。Reshetnevにちなんで名付けられたAIS ISの設計エンジニアである大学院生であるAlina Leskovskayaと、同僚のDmitry VlasovとBoris Dudkinによって運営されます。 登録のお問い合わせ： leskovskayaav@yandex.ru

あなたの立場が少なくとも「ジュニアFPGA開発者」のように思える場合、この投稿では自分にとって新しいことは何も学ばない可能性が高いでしょう。 それ以外の人は、猫にようこそ。

なぜそれが必要ですか

かつて（高校時代）、これらの行の著者はVerilogまたはVHDLを使用せずにコンピューターアーキテクチャを研究しました。「コンピューター」と呼ばれるブラックボックスが多くの小さなブラックボックスに配置されている講義に参加します。メモリー」など しかし、それらは依然としてブラックボックスのままです。内部で「上昇」したり、デバイスを「変更」することはできません。 コースは終了しますが、「不明瞭な内部構造の魔法の本質」で作業していると感じています。 最良の場合、それらを構成できます（プログラム）。 私の頭の中にはデジタル世界の全体像はありません。 内部でどのように機能するのか理解できません。 優れたエンジニアと「過ぎ去った」とを区別するその理解。

完全な全体像を得るには、学習したデバイスを変更して独自のデバイスを作成できる必要があります。 そしてここで、Verilog（またはVHDL）は、ハードウェアでテストするためのFPGAを備えたレスキュー、シミュレーションソフトウェア、および安価なデバッグボードです。 簡単なプロセッサー（ schoolMIPS ）は、1〜2晩で作成できます。 そして、これはロケット科学ではなく、魔法でもありません。

デジタル世界の全体像を念頭に置いて、あなたの人生を超小型回路の開発と結びつける必要はまったくありません。 しかし、「魔法の読書箱」の仕組みを本当に理解している人は、 ひどい 遅いプログラムを書くことはないと思います。 平行線を引きます。クローゼットの中に横たわるハンマーとドリルは大工にはなりません。 同時に、釘を打ち込むことができ、これらのツールが必要な理由、ハンマーを使用する価値がある場合、顕微鏡を代わりに使用しない理由、専門家に連絡する必要がある理由を理解しています。

学校プログラム

学校での仕事は実践志向でした。 H＆Hで説明されているすべての問題を4日間の理論と実践にまとめることは非常に困難です。 したがって、この目標は設定されていません。 理論全体は、練習に必要な量でのみ与えられました。 したがって、以前に本を開いたことのない人にとっては容易ではありませんでした。

1日目

•ハードウェア記述の言語とそれが必要な理由
•FPGAとは
•組み合わせロジックの基本
•基本的なロジックエレメントとVerilogの説明
•テスト環境（テストベンチ）
•シミュレータ（Icarus Verilog、Modelsim）を使用して組み合わせ回路の動作を確認する
•組み合わせ回路、Intel QuartusおよびXilinx Vivadoのグラフィックインターフェイスの合成
•FPGAに実装されたときに合成される組み合わせスキームは何ですか？
•デバッグボードのプログラミング
•デバッグボード上のプロジェクトの検証
•Makefileの基礎と非プロジェクトモードでの作業
•マルチプレクサとVerilog HDLの説明用メソッド
•デマルチプレクサとVerilog HDLでの説明方法
•ケーススタディ：7セグメントインジケーターの操作
•Verilog HDLでの条件付きコンパイル

2日目

•組み合わせ回路と信号伝播時間
•クロックおよび直列回路
•Verilog HDLのさまざまなタイプの割り当て
•さまざまなバリエーションのDトリガーとVerilogでの実装：非同期および同期リセット、書き込み許可ポート
•FPGA実装で合成される順序回路は何ですか？
•登録とその実装
•カウンターとその実装
•動的および静的な規律
•準安定性とシンクロナイザー
•不要なラッチ、結果、および回避方法
•有限状態マシン（MuraおよびMiles）
•遷移図の形式でのマシンのプレゼンテーション
•Verilog HDLでのマシンの実装
•複雑なオートマトンの設計への一般的なアプローチ
•Verilogの超音波距離センサーのインターフェイスモジュールの段階的な実装

3日目

•独立した仕事。 FPGA用の4x4キーボードインターフェイスモジュールの実装
•独立した仕事。 FPGA計算機の実装

4日目

•パイプラインの基礎
•アーキテクチャとマイクロアーキテクチャ
•MIPSアセンブラーの開発の基本
•MARSシミュレーターを使用する
•schoolMIPSの例で最も単純なシングルサイクルプロセッサを設計する
•データパスおよび制御デバイス
•プログラムをコンパイルし、シミュレーターとデバッグボードでプロセッサーを起動する
•独立した仕事。 プロセッサへの新しい命令のサポートの追加

素材

すべてのコース資料（スライド、スクリプト、ソースコード、文献）はオンラインで入手できます（ github 、 追加資料 ）。 スライドは、多くのテキストがある場合、オフラインの資料を簡単に理解できるように、疑わしいスタイルで設計されています。

実用的で独立したタスクは、主にIntel MAX10 FPGAを搭載したTerasic DE10-Liteマザーボードで実行されました 。 また、 Digilent Nexys 4 DDRがあり、ザイリンクスVivadoでの作業を例示しました。 まれな例外を除き、サンプルは、DE10-LiteとNexys 4 DDRの両方を使用できるように準備されています。 Intel FPGAボードを使用することを選択したのは、次の理由によるものです。

• DE10-LiteはNexys 4 DDRよりも安価です。つまり、自宅で、または学習プロセスの一部として実験を続けたい場合、より多くの学生が利用できます。
• コースを構築する同じ単純なプロジェクトは、Xilinx Vivadoを使用するよりも何倍も高速でIntel Quartusを使用して組み立てられます。 Vivadoに対するすべての同情で、わずか4日間でした。

ビデオはどうですか

イベントが発表されたとき、私は放送やビデオ録画を整理するリクエストを受け取り始めました。 残念ながら、これは私が選んだ学校組織の形式には適合しませんでした。 そのような講義はありませんでした：いくつかのスライド、そして練習。 質問があります-私たちは分析し、絶えず対話し、 面白いジョーク 観客の周りを移動します。 カメラで作業することと、観客との生産的な接触を構築することの間で選択して、私は後者を選びました。 これがどのように起こったのかは、判断する学生次第です。 理解して扱ってください。

私も欲しい

あなたは生徒に知識を与えることに興味のある先生ですか？ それとも、先生が教えたかどうかにかかわらず、あなたはこの知識を得たいと思っていますか？ この場合、イベントに参加できなかったとしても、対象の自己習得および/またはトレーニングコースの構築/変更に必要なすべての情報があります。

• 本「デジタル回路とコンピューターアーキテクチャ」は、電子形式で無料で入手できます（ リンク ）、または紙で購入できます（ リンク ）。 読みやすく、フィクションとして魅了されます。 エントリのしきい値が低い-読み始めるために特別な知識は必要ありません。 最近、ARMアーキテクチャの追加がリリースされました（ リンク ）。
• 本のコードの例と、独自のコースを構築するために使用できるスライド（英語版とロシア語版）が用意されています（ リンク ）。
• 安価なデバッグボード： Terasic DE10-Liteは、私の意見では、価格/品質比の点で最良の選択肢であり、学歴（配信を除く）が証明されている人には55ドルです。 ZEOWAAボード-すべてを節約する必要がある場合。 このオプションは機能していますが、キットに付属の低品質のUSBケーブルが原因でファームウェアに問題がある可能性があります。
• 現在の学校の資料（ github 、 追加資料 ）、 および YuriPanchulが主催するその他のイベント（ Silicon-russia.com 、 スライドなど ）。

誰かがあなたのところに来て「良い」ことをすることを期待しないでください。 あなたが学生ならあなたの知識、そしてあなたが教師ならあなたの学生の知識はあなたの努力に99％依存しています。

私は自分のために何に耐えましたか

• 4日間で、完全に基本的なもの（H＆Hを読んでいない人向け）またはより高度なもの（すでに本を読んだ人向け）のいずれかを置くことができます。 組み合わせない方が良い。
• 本を読んでおらず、FPGAの経験がない場合は、わずかな集積度で超小型回路を操作する練習を開始してから、FPGAを提供することをお勧めします。 これは非常に重要です 比較的馴染みのある「プログラミング」モードから「回路」モードにすばやく脳を再構築できます。 これはすでにユーリ（ link ）によって書かれました。 残念ながら、この段階を逃しました。

謝辞

• イベントのイニシエーターおよびNSTUの主催者はウラジミールマクカです。
• 数年前に愛好家のグループがデジタル回路とコンピューターアーキテクチャの翻訳を取り上げなかった場合、現在の形で学校を維持することは不可能でした。
• ノボシビルスクへの私の到着は、 IVA Technologies内に存在する教育イニシアチブのサポートなしでは不可能でした。
• デバッグボードの購入のために大学に割り当てられた資金が官僚機構の奥深くのどこかにかかっていることが判明したとき、学校を運営することは大きな疑問でした。 最後のボードは、「世界のスレッド上で」収集されました。 ミハイル・シャドリン（NSU）は、いくつかのNexys 4 DDRを貸し出しました。 いくつかのボードは、勉強に来た大学院生によって購入されました。 いくつかのTerasicボードは、Alexander Romanov（MIEM NRU HSE）によって割り当てられました。 しかし、まだ十分なボードがありませんでした。 YuriPanchulが手伝い、その後、Mikhail Shupletsov（モスクワ州立大学）と私はすぐに購入を整理しました。 そして、テラシックの男たちはできるだけ早く貨物を手配しました。
• ドミトリー・ヴラソフ、アントン・クリチコフ、ヴァレリー・バーミンがこの学校を助けました-私たちは1年前にトムスクで会い（ リンク ）、今年彼らは学生に理論と実践を助けました。
• 学生に感謝します-新しいことを学びたいというあなたの欲求がなければ、あなたの粘り強さがなければ成功しませんでした。

学校レビュー

アンナ・カズミナ
4日間<...> FPGAベースの開発技術に没頭し、実際の生産で現代世界でFPGAを使用するという私の考えを完全に変えました。 以前は、教育プロセスで、問題の解決をスピードアップするためだけにFPGAを使用していましたが、今ではマイクロアーキテクチャ開発にマイクロコントローラーを使用する方法を学びました<...>この学校は本当に興味があり、この方向で開発する予定です。 そのようなイベントをもっと！

オレシャ・ラチェンチェンコ
NSTUで同様の学校が開催されたチームに感謝します。 FPGAプログラミングに「真っ向から取り組み」、他の開発者がQuartus、ModelSimをどのように使用しているか、また、Vivadoなどについて知り合う機会をいただきありがとうございます。 この4日間で、古い知識を統合し、たとえばMIPSについての多くの新しいことを学びました。 <...>習得した知識を仕事に応用できます。これは最近FPGAプログラミングと密接に関連しています

ヴラディスラフ・メイヤー
おそらく、限られた時間のために、資料を最初に理解するのに十分な情報を提供できたことに注意してください。 個人的には、ハードウェアプログラミング言語の基本的な知識がありました。 しかし、私にとっての主な消耗は、一般的なプログラミングの展望の変化です。 今、私は以前からおなじみのものを異なる角度から見て、これらまたはそれらのモジュールを異なる方法で実装する方法のアイデアを持っています

アントン・ユパシェフスキー
この4日間で、私はFPGAプログラミングをまったく異なる方法で、Verilogハードウェア記述言語で、そして現在FPGAを使用して見てきました。 FPGAとデジタル回路に関する初期レベルの知識私は大学でさらに4年間研究し、
最も単純な組み合わせスキームとシーケンシャルスキームには問題はありませんでしたが、
ますます複雑で興味深いものが登場し、最終的にはカーネルをプログラミングしました
MIPS この学校の大きな利点は、膨大な量の練習でした。

ミハイル・キレエフ
APEP-2018の「物理学からチップまで」の学校では、Verilogを使用する際に次の教義が概説されました。
ハリスの本をマスターする必要があります。 このトピックには、コードを記述するときに多くの落とし穴があります-まったく同じ（ロジックの観点から）ブロックはさまざまな方法で合成できます<...>シミュレーションは、開発よりも合成よりもはるかに多くの可能性を与えます-波形に注意を払ってください。 私のプロとしてのキャリアでは、さまざまなメーカーのさまざまなFPGAラインを使用する必要があります。<...>将来の時間を節約します（スクリプトとメイクファイルの作成）。 実用的な観点から、いくつかの基本的なシーケンシャルおよび組み合わせパターンが検討されています。 コンベア、4x4キーボード、ステートマシンの例、最も単純なMIPSアーキテクチャなどのタスク。

Z.Y. この学校について知り、開始の12時間前にサインアップしました。このイベントに参加したことを後悔しませんでしたが、ハリスの本を読んだ方がパフォーマンスはずっと高くなります。