Université du Québec en Outaouais Département d'informatique et d'ingénierie
Sigle : GEN1243  Gr. 01
Titre : Conception de systèmes digitaux
Session : Automne 2006  Horaire et local
Professeur : Sellal, Kheireddine
1. Description du cours paraissant à l'annuaire :

Objectifs

Rendre l'étudiant capable de spécifier, de concevoir et de vérifier des systèmes digitaux à l'aide des outils modernes de conception assistée par ordinateur.

Contenu

Acquisition des notions de la logique mixte. Analyse et conception de systèmes logiques réels de complexité moyenne. Machines Séquentielles Algorithmiques. Modèle de Mealy et de Moore. Étude des séquenceurs synchrones et principalement synchrones. Réalisation de circuits et systèmes logiques au moyen de composants programmables et outils de conception récents (ROM, PAL, PLA, GAL, CPLD, FPGA, FPIC, HDL, VHDL, etc.). Introduction à la synthèse de haut niveau des circuits logiques. Conception de systèmes séquentiels par la méthode hiérarchique. Commande de périphériques analogiques par circuits séquentiels. Projet de conception par des outils CAO.
2. Objectifs spécifiques du cours :
L'objectif principal du cours est de spécifier, de concevoir et de vérifier des systèmes digitaux à l'aide des outils modernes de conception assistée par ordinateur. Même si l'ingénieur est rarement appelé à concevoir des systèmes digitaux complexes, il est essentiel qu'il en comprenne le fonctionnement afin de les utiliser intelligemment. L'ingénieur est souvent un concepteur de système, il intègre divers composants, analogiques et numériques, afin de réaliser des systèmes pour la transmission de données, le traitement de l'information, l'acquisition de données ou le contrôle de processus. Par sa profession, l'ingénieur est celui qui pourra analyser et surtout garantir la fiabilité de fonctionnement de ces systèmes. Il devra prédire les effets d'ajouter un nouveau module au système, calculer les temps de réponse aux interruptions, ou assurer la stabilité d'un système de contrôle par ordinateur. Pour ce faire, il doit connaître les é1éments avec lesquels les systèmes numériques sont construits et les architectures utilisées pour les interconnecter. La meilleure façon de comprendre les composants et les systèmes numériques est d'en étudier leur conception. Le cours sera donc structuré pour permettre à 1'étudiant d'approfondir sa connaissance des circuits logiques et des systèmes numériques ainsi que leur conception à l'aide de composants modernes tels que le PLA (Programmable Logic Array) et les FPGA (Field Programmable Gate Array).

OBJECTIFS GÉNÉRAUX D'APPRENTISSAGE

Au terme de ce cours, 1'étudiant sera en mesure de concevoir un système numérique à l'aide de circuits modernes par exemple : PLA, PAL, PLD, GAL (Generic Array Logic E 2 CMOS PLD), CPLD et FPGA et selon les applications faire un choix le plus approprié. Les objectifs spécifiques sont de :

  • Développer l'intuition sur ce qu'est réellement un système numérique, c'est-à-dire l'interaction entre les entrées, les sorties, les états et la synchronisation des signaux ;
  • Développer l'habilité à concevoir des circuits séquentiels synchrones de type contrôleur ;
  • Améliorer ses connaissances sur les systèmes modulaires et les problématiques d'interconnexion entre modules (notion de GlueLogic) ;
  • Mettre en pratique ces habilités en développant des systèmes numériques à l'aide de composants programmables ;
  • Développer ses capacités d'abstraction et de conception à haut niveau ;
  • Appliquer les méthodes de conceptions aux systèmes programmables ;
  • Se familiariser avec les notions de Prototypage rapide, vérification matérielle (ChipScope TM ), placement et routage en conception des systèmes digitaux programmables dans l'environnement Xilinx.

Logiciels utilisés : Quartus, d'Altera et ISE de Xilinx.

3. Stratégies pédagogiques :
Les formules pédagogiques suivantes seront utilisées :
  • Cours magistral (une période par semaine).
  • Projets en conception à réaliser en équipe.
  • Séances de travaux pratiques (une période de 3 heures par semaine).
  • Examen de mi-session.
  • Examen final.
  • Lecture personnelle.

Le cours consiste en :

  • 39 heures de leçons magistrales
  • 36 heures de travaux pratiques au laboratoire
  • 6 heures d'examens
  • Total : 81 heures.

4. Heures de disponibilité ou modalités pour rendez-vous :
Mercredi : 13h00 - 15h00 (bureau A2336)
5. Plan détaillé du cours sur 15 semaines :
Semaine Thèmes Dates
1    Introduction générale : processus de conception, représentations matérielles de la conception, prototypage rapide. 08 sept. 2006 
2    Langage de description matérielle VHDL
  • Flot de conception, constantes, fonctions et procédures, simulation et synthèse
 15 sept. 2006 
3    Conception des circuits logiques combinatoires
  • Concepts de conception, procédure de conception, vérification, technologies d'implémentation (ROM, PLA, PAL…)

Laboratoire I : Introduction à la plate-forme de développement d'Altera

 22 sept. 2006 
4    Introduction aux circuits programmables FPGA et CPLD
  • Définitions, diagramme bloc, structure générale, programmation, différents types de FPGA, CPLD vs. FPGA

Laboratoire II : Particularités du langage VHDL

 29 sept. 2006 
5    Circuits, fonctions combinatoires et mathématiques
  • Circuits combinatoires, fonctions logiques, décodage, encodage, sélection, implémentations des fonctions combinatoires, circuits combinatoires itératifs, additionneurs, soustracteurs, multiplieurs, autres fonctions arithmétiques, représentation en VHDL

Laboratoire III : L'affichage VGA

 06 oct. 2006 
6    Semaine d'études. 13 oct. 2006 
7    Examen de mi-session. 20 oct. 2006 
8    Circuits séquentiels et registres
  • Définitions, latches, bascules, analyses des circuits séquentiels, conception, Les registres et le chargement, transferts de registres, micro-opérations, conception d'une cellule de registre, transfert par bus, représentation en VHDL

Laboratoire IV : Les afficheurs ACL

 27 oct. 2006 
9    Mémoires, contrôle et séquencement
  • Définitions, ROM, RAM, SRAM, DRAM, CPLD, FPGA, réseaux de mémoires en circuits intégrés, unité de contrôle, machines à états algorithmique, exemples, représentation en VHDL

Laboratoire V : La modélisation d'un générateur d'onde

 03 nov. 2006 
10    Outils CAO et test
  • Outils de conception CAO, conception en vue de la testabilité, estimation de la fiabilité des systèmes digitaux

Laboratoire VI : La modélisation en VHDL avec ISE Foundation de Xilinx

 10 nov. 2006 
11    Quelques cas pratiques
  • Contrôleur de feux de circulation, compteur complexe, contrôleurs de mémoires, multiplieur séquentiel

Laboratoire VII : Introduction aux composants PI réutilisables (IP Cores)

 17 nov. 2006 
12    Présentations : sujets spéciaux en développement technologique dans le domaine des systèmes numériques. 24 nov. 2006 
13    Présentations : sujets spéciaux en développement technologique dans le domaine des systèmes numériques. 01 déc. 2006 
14    Présentations orales des projets, démonstrations au laboratoire 08 déc. 2006 
15    Examen final 15 déc. 2006 
6. Évaluation du cours :
  • Travaux pratiques (7) : 20 %
  • Examen de mi-session : 20%
  • Projet : 20 %
  • Examen final : 35 %
  • Sujets spéciaux : 5 %

Il faut obtenir une moyenne minimale de 50% aux travaux pratiques pour que les notes des travaux comptent.

Attention : La présence aux cours est obligatoire. Trois absences ou plus mèneront automatiquement à un échec .

7. Politiques départementales et institutionnelles :
8. Principales références :
  1. M. Morris Mano and Charles R. Kime, “Logic and computer design fundamentals”, 3rd Edition, Prentice Hall, 2004.
  2. David J. Comer , "Digital logic and state machine design", 3e Edition, New York : Oxford University Press, c1995, ISBN 0195107233, Pages: 573.
  3. John F. Wakerly , "DIGITAL DESIGN Principles and Practices", 3e Edition, ISBN: 0-13-769191-2, Pages: 946 pp.
  4. "Contemporary Logic Design", Randy H. Katz, Addison-Wesley, 1994.
  5. "Modem digital design", Richard S. Sandige, McGraw-Hill, 1990.
  6. "Fundamentals of Logic Design", Charles H. Roth, Pws Pub Co, 1992.
  7. "Computer system design and architecture", Vincent Heuring et Harry Jordan, Addison-Wesley, 1997.
  8. "The VHDL Cookbook", Peter J. Ashenden, 1990.
  9. Application Specific Integrated Circuits, Smith M.J.S., Addison-Wesley, 1997.
  10. A Designer's Guide to VHDL Synthesis, Ott D.E., Wilderotter, T.J., Kluwer Academic Publishers, 1994.
  11. Logic Synthesis Using Synopsys, P. Kurup, T. Abbasi, Kluwer, 1995.
  12. Introduction to VLSI Systems, Mead & Conway, Addison-Wesley, 1980.
  13. Introduction aux Systèmes VLSI, Mead & Conway, Inter Edition, 1983.
  14. Principle of CMOS VLSI design. A Systems Perspective. N.H.E. Weste, second edition, Kamram Eshraghian. Addison-Wesley, 1993.
  15. VHDL, Coding Styles and Methodologies, an In-Depth Tutorial, 2nd Edition, Cohen, B. Kluwer, 1999.
9. Page Web du cours :