數位電路實驗 – 交大修課心得

electronics

課程資料

數位電路實驗

開課:陳健老師

修課年度:99資工系

這門課是教如何利用 Verilog 硬體描述語言來設計數位電路。感覺前半段很偏向數位電路設計的部份,一直關注 gate level。接著主要的主題是 finite-state machine。後來上機課開始使用 FPGA ,透過 Verilog 來設計並合成許多遊戲類的電路。最後上課的內容則是 coding style,debug 經驗談,以及一些 Intel 設計 CPU 的小故事等等。

主要教科書是《Digital Design》,但大體上除了最後有一個作業以外,幾乎是不會用上。不過感覺裡頭的 Verilog 練習題應該能提供不錯的訓練(寫完該作業後的心得)。

參考教科書有數本

  1. 《Verilog HDL》
  2. 《The Verilog Hardware Description Language》
  3. 《Verilog HDL Synthesis, A Practical Primer》

我看過的有第一和第三本,第一本是相當不錯的 Verilog 語言教材,第三本有些枯燥,不過看完對合成能有更多了解。基本上每本書內容都不多,Verilog 語言的語法會用到的部份其實是相當的少。

其他關於數位電路實驗的議題可參考:〈數位電路實驗〉

上課方式

上課是用投影片教學,一部分是《Digital Design》 的投影片,另一部分據稱是據稱是 MIT 的講義。最後還會有另一系列的投影片後來才出現。

助教會在上課時先公佈下週要 demo 的作業。而晚上是上機課,要在下課前 demo 上週派的作業。

考試作業

這學期的上機有 10 個:

Lab 0 是熟悉 Xilinx ISE 軟體的使用,只要複製助教的 code 即可。

Lab 1 是熟悉 FPGA 板的使用,它看起來很像一般的網路卡等等,上面有 LED 燈、按鈕、還有螢幕、滑鼠、鍵盤接頭。用上面的開關當作輸入,LED 當作輸出,實做一個 2-bit decoder。剛拿到板子真的很興奮,和跑軟體模擬感覺大不同。

Lab 2 是要用 gate level (直接用 and, or, not 等 gates) 來設計一個 4-bit comparator。

Lab 3 是做一個 Stack,和另一班的範例很像。

Lab 4 是用板子的 LED 燈顯示各種不同的閃燈,還可以切換速度!這裡一直遇到板子的問題,按鈕常常沒有反應,一直要換板子,懷疑怎麼有那麼多壞板子。到後來的 lab 6 助教提供 ucf 設定檔後,才不易再遇到同樣問題。

Lab 5 是撲克牌遊戲機,抽排比大小,用軟體模擬的方式檢查是否正確。

Lab 6 則是把 lab 5 小小修改使其可以合成到 FPGA 板上,讓兩個人能抽牌比大小。用板上的 LED 燈顯示排大小和勝負,用板上的按鈕決定是否抽牌。其實玩比大小也可以玩得很開心。

Lab 7 是利用板子上的旋鈕和 VGA 接頭,在螢幕上輸出一個可被旋鈕控制的圓圈。旋鈕的輸入助教都幫我們寫好了,只要直接讀取它的值就知道是左轉還是右轉。螢幕的輸出也是,只要讀取就能知道目前的座標,再給該座標應該輸出什麼顏色就行了。

VGA 的原理可參考〈Pong Game〉

Lab 8 是 OOXX 遊戲,也是透過螢幕輸出。這次最主要的主題是如何從 ROM 中讀取圈和叉的圖像並輸出至正確的位置。

Lab 9 是打磚塊遊戲。將之前 labs 所有技巧都用上,總分加倍,很多 bonus 的最後專題。

筆者當初的期末專題打磚塊遊戲已開放原始碼於 ArkanoidOnVerilog @ github,其中也包含了我們整個修改的歷史,歡迎參考。

考試方面有三次上機考,第一次上機是用 gate level 寫,考你如何把複雜的邏輯化簡成容易實做的邏輯。(會這麼說是因為筆者覺得時間非常短,光打字就很趕了)第二次上機難度降低,是 State Machine。第三次上機考的比較久,是用 FPGA 板,考 VGA 的使用,也是寫遊戲。

除此之外還有紙筆測驗期中考。期中考意外的出了很多算的上是「數位電路設計」那堂課的範疇,像是 State transition table 等等。本來有期末考,但取消了。

期末時派了幾題 Digital Design 課本的 Verilog 習題,老實說不是很好寫,我幾乎花了寫打磚塊一半的時間才完成。上課曾經小考過一還兩次,還有幾次是寫建議問題算是點名吧。

結語

有時有外籍生問老師問題後老師就會維持用英語授課一段時間,大家都會心一笑。偶而有小考或寫問題心得不會事先通知。

感覺修數位電路設計的時候就順便玩玩 Xilinx ISE 好像也不錯,在網站上就可以下載了:〈Xilinx Downloads〉

這門課要讀的東西不多但寫作業很花時間。實做類的課程就是多練習就有進步。

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