Els petits secrets del hardware
Bits, bits, molts bits. Dins d'un computador hi ha rius de bits que flueixen
de manera organitzada per fer càlculs. Quan aprenem a programar un computador,
de seguida ens preguntem: com s'ho fa el computador per executar el meu programa?
Com es mouen els bits dins del computador? Un bit pot valer 0 o 1. Amb això tant senzill
podem fer moltes coses: sumes, arrels quadrades, mesurar el consum del nostre cotxe i veure
vídeos en el nostre mòbil. Un computador pot fer coses molt complicades, però tot
comença en saber fer coses molt senzilles amb un 0 i un 1. Començarem aprenent com fer
sumes amb bits i acabarem dissenyant els circuits que hi ha dins d'una CPU: el hardware.
Sí, farem una CPU senzilla que pot executar programes!
El curs
En aquest curs aprendem els conceptes bàsics sobre el disseny de circuits digitals.
Començarem plantejant problemes lògics senzills i construirem petits circuits
que els resolen. Aprendrem com es representen els números i com es podem fer les
operacions aritmètiques bàsiques. Continuarem amb el disseny d'autòmats
de control que permetran introduir una mica d'intel.ligència en els circuits.
Finalment, construirem una petita CPU que permetrà executar programes senzills de la
mateixa manera que ho fan els grans ordinadors.
Eines per a dissenyar circuits
Els dissenyadors de hardware fan servir eines software pel disseny de circuits digitals.
Els dissenys normalment comencen amb especificacions descrites amb
llenguatges de
descripció de hardware. En aquest curs farem servir un dels llenguatges
mes populars: Verilog.
A partir de descripcions en Verilog, es poden construir circuits de gran complexitat
fent servir eines que transformen las descripció del circuit en un conjunt
de transistors
que finalment formaran un circuit
integrat, també anomenat xip.
Els xips
Un xip té un aspecte extern com aquest:
Intel Xeon 7500.
Però dins d'ell hi pot haver milers de mil.lions de transistors. Mireu el mateix xip
per dins.
Avui en dia, els xips estan a tot arreu: dins del televisor, del microones, de la cafetera,
del cotxe..., inclús dins del cos humà.
El procés de fabricació d'un xip, des de que ha estat concebut i dissenyat amb un llenguatge
com Verilog, és apassionant. És un llarg viatge on es combinen el coneixements
de Física, Electrònica i Informàtica. En el darrer dia del curs, farem
un repàs dels aspectes mes interessants d'aquest viatge i veurem com a partir del silici
podem arribar a tenir circuits nanoelectrònics de molta complexitat.
Verilog
Hi ha molts llibres i documents a internet que descriuen Verilog en diferents nivells de detall.
Aquí n'ho ha alguns que poden ser útils:
Pel disseny de circuits seqüencials, convindrà utilitzar descripcions de flip-flops i
registres. En aquest fitxer es poden trobar totes les descripcions que seran necessàries durant
el curs: registers.v
Eines utilitades durant el curs
Durant el curs farem servir unes eines específiques pel disseny i simulació de circuits
digitals. Aquestes eines són lliures i poden utilitzar-se en entorns Linux, tot i que alguna
d'elles també està disponible per Windows.
- Icarus Verilog, una eina per a la simulació i
síntesi a partir de Verilog.
- GPL Cver, un altre simulador de Verilog.
- GTKWave, un visualitzador de formes d'ona que permet
analitzar el comportament dinàmic d'un circuit.
Per a la verificació del comportament dels circuits que seran dissenyats durant el curs,
s'utilitzarà el Jutge. Caldrà registrar-se en el
curs Introduction to Digital Circuit Design.
Instal.lació d'eines
Per a instal.lar les eines necessàries per aquest curs, seguiu les instruccions que hi ha en aquesta pàgina.
Com es fabriquen els xips?
A suggerència de Francesc Moll, aquí teniu alguns videos que parlen sobre la fabricació dels xips:
