Цифровая лаборатория систем — это передовая исследовательская и учебная инфраструктура, оптимизированная для практического изучения архитектур микропроцессоров, языков описания оборудования и передовых разработок цифровых интегральных схем в дисциплинах электротехники, электроники, вычислительной техники и смежных инженерных дисциплин.
Что такое цифровая лаборатория систем? / Какова её цель?
Основная цель: Главная цель цифровой лаборатории систем заключается в том, чтобы донести до студентов основы современной цифровой электроники, обучить методологиям проектирования цифровых микросхем с помощью языков описания оборудования (HDL) и дать им навыки реализации практических приложений на базе Linux в архитектурах встраиваемых систем.
Ключевые особенности: Наша лаборатория выделяется за счет аппаратного обеспечения на базе однокристальных систем (System-on-Chip — SoC) FPGA и 4-ядерных процессорных архитектур Arm. Эта аппаратная структура позволяет студентам в единой экосистеме испытать как чисто логическое проектирование схем (FPGA), так и интеграцию этих проектов на уровне микропроцессора с операционной системой на базе Linux (SoC).
Академический вклад: Лаборатория представляет собой практическую составляющую теоретических курсов по микропроцессорам и логическому проектированию, позволяя студентам тестировать абстрактные принципиальные схемы и блоки кода на реальном оборудовании. Благодаря активному использованию программной инфраструктуры Verilog HDL студенты получают академическую и техническую подготовку, способную напрямую отвечать текущим потребностям индустрии полупроводников и проектирования микросхем.
Приборы и техническое оснащение лаборатории
Ключевые особенности: Цифровая лаборатория систем располагает измерительным и отладочным оборудованием промышленного стандарта в четко определенных количествах, чтобы студенты могли разрабатывать одновременные и независимые проекты:
- 15 учебных комплектов Intel Altera DE-1 System-on-Chip (SoC) FPGA: Основная платформа разработки, на которой физически моделируются и встраиваются в аппаратное обеспечение проекты логических схем и архитектур микросхем, содержащая 4-ядерный процессор Arm.
- 12 учебных комплектов микропроцессоров Microchip и модулей беспроводной связи: Наборы оборудования для отработки программирования микроконтроллеров, управления периферийными устройствами и архитектур беспроводной передачи данных.
- 10 компьютеров Intel i5 All-in-One: Основные станции, на которых запускаются средства синтеза Verilog HDL, программы симуляции и средства разработки на базе Linux.
- 5 четырехканальных осциллографов 100 МГц: Высокоточные измерительные приборы, используемые для анализа длин волн, частот и временных диаграмм производимых цифровых сигналов.
- 5 генераторов сигналов 100 МГц: Источники оборудования, обеспечивающие подачу прямоугольного, синусоидального или треугольного сигнала на логические схемы с требуемой частотой и модуляцией в процессах тестирования и верификации.
- 5 комплектов аналоговых и цифровых экспериментов: Лабораторные блоки, позволяющие тестировать базовые электронные компоненты, интегральные схемы логических элементов и структуры со смешанными сигналами.
Области исследований и применения
Инфраструктура лаборатории поддерживает следующие направления исследований и практического применения в соответствии с этапами проектирования современных цифровых систем:
- Проектирование цифровых микросхем с использованием Verilog HDL: Проектирование логических элементов, регистров, арифметико-логических устройств (АЛУ) с использованием языков описания оборудования и их реализация на FPGA.
- Приложения встраиваемых систем на базе Linux: Запуск операционной системы Linux на 4-ядерной процессорной архитектуре Arm, разработка драйверов и управление аппаратным обеспечением на уровне ядра.
- Программирование микропроцессоров и микроконтроллеров: Программирование таких модулей, как механизмы прерываний (interrupts), таймеры (timers) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) на комплектах Microchip.
- Протоколы беспроводной связи: Передача данных между устройствами, телеметрические приложения и анализ протоколов с использованием встроенных модулей беспроводной связи.
- Анализ и верификация цифровых сигналов: Верификация выходных сигналов проектируемых микросхем и логических схем на предмет временных ошибок (джиттер, сбои) с помощью осциллографов на 100 МГц.
Вклад в развитие студентов и индустрии
- Компетенции в области проектирования промышленных чипов: Студенты получают огромное преимущество при трудоустройстве после окончания учебы, осваивая прямо в лаборатории язык Verilog HDL, признанный стандартом на мировом рынке полупроводников, и оборудование Intel Altera FPGA.
- Адаптация к интеграции аппаратного и программного обеспечения: Студенты, которые занимаются как проектированием аппаратного обеспечения в архитектурах однокристальных систем (SoC), так и проводят на них микропроцессорные эксперименты на базе Linux, приобретают способность управлять многоуровневыми архитектурами встраиваемых систем от начала до конца.
- Опыт профессионального тестирования и измерений: Они приобретают навыки ручной калибровки и использования 4-канальных осциллографов и генераторов сигналов, которые являются основными инструментами инженеров по НИОКР в отрасли.
