ΗΥ-120: Ψηφιακή Σχεδίαση

Εργαστηριακά Τμήματα:

Πέραν των παραπάνω ωρών διδασκαλίας, το μάθημα περιλαμβάνει και εβδομαδιαίες εργαστηριακές ασκήσεις διάρκειας δύο (2) ωρών κάθε βδομάδα, εκτός την πρώτη βδομάδα όπου το εργαστήριο είναι μονόωρο, μόνον γιά τους πρωτοετείς, και δεν βαθμολογείται –των υπολοίπων βδομάδων είναι γιά όλους και βαθμολογούνται. Χώρος Εργαστηρίου: Αίθουσα A109. Γιά την πρώτη βδομάδα, 27-28/9, –τμήματα και ώρες– δείτε την εκφώνηση: Εργαστήριο 0. Οι υπόλοιπες εργαστηριακές ασκήσεις γίνονται σε 11 τμήματα των 26 φοιτητών καθένα. Τα τμήματα είναι τα εξής:

Εργαστηριακά Τμήματα: Εγγραφές, Κρατήσεις, Αλλαγές, Απουσίες, Αναπληρώσεις – https://elearn.uoc.gr/enrol/index.php?id=1211

Στην αρχή του εξαμήνου, οι πρωτοετείς με τους παραπάνω Αριθμού Μητρώου (ΑΜ) εντάσονται αυτόματα στα τμήματα Α1-Α6, ενώ όλοι οι υπόλοιποι φοιτητές, δηλ. όλοι όσοι δεν έχουν Αριθμό Μητρώου (ΑΜ), ή έχουν ΑΜ άλλου Τμήματος, ή έχουν ΑΜ του Τμ. Επ. Υπολογιστών και ο ΑΜ τους είναι μικρότερος του 4124 ή μεγαλύτερος του 4291, εγγράφονται στα πέντε τμήματα B1-B5, αρχικά για το Εργαστήριο 1, και στη συνέχεια οι εγγραφές τους αυτές αντιγράφονται αυτομάτως γιά όλα τα υπόλοιπα εργαστήρια 2 έως και 12, και παραμένουν γιά όλο το εξάμηνο εκτός εάν κάτι αλλάξει όπως παρακάτω. Φοιτητές Άλλων Τμημάτων του Πανεπιστημίου (Μαθηματικών, Φυσικής, Υλικών, κλπ) που επιθυμούν να εγγραφούν στο μάθημα εγγράφονται δοκιμαστικά σε ένα από Β1-Β5 (με το λογαριασμό τους του Πανεπιστημίου) και προσκομίζουν στον διδάσκοντα ένα πιστοποιητικό αναλυτικής βαθμολογίας. Οι θέσεις γιά τέτοιους φοιτητές είναι περιορισμένες· εάν δεν επαρκέσουν γιά όλους τους ενδιαφερόμενους, θα δοθούν με σειρά προτεραιότητας ανάλογα με την επίδοσή στο Τμήμα προέλευσης. Φοιτητές που πιστεύουν ότι θα έλθουν στο Τμήμα π.χ. με Μεταγραφή από άλλο ΑΕΙ, και που θέλουν να παρακολουθήσουν το μάθημα αλλά δεν έχουν ΑΜ ακόμα, ζητούν λογαριασμό υπολογιστή π.χ. από το ΗΥ-100 ή τη Γραμματεία, και με αυτόν εγγράφονται σε ένα από τα Τμήματα "Β".

Αλλαγές κράτησης από ένα τμήμα εργαστηρίου σε άλλο τμήμα (είτε Α είτε Β), για συγκεκριμένη(ες) βδομάδα(ες) του εξαμήνου (δηλ. Εργαστήριο 3, 4, ..., 12), είναι ελεύθερες από 15 Οκτωβρίου: ακυρώστε πρώτα την τρέχουσα κράτησή σας, και κάντε αμέσως μετά νέα κράτηση σε κενή θέση άλλου τμήματος (σε όποια τμήματα έχουν κενή θέση). Οι κρατήσεις για τα τμήματα του κάθε Εργαστηρίου πρέπει να έχουν γίνει έως Δευτέρα ώρα 23:59 της βδομάδας του κάθε εργαστηρίου, και δεν μπορούν να γίνουν ή να αλλάξουν μετά. Μετά από τότε, το πλήθος των κρατήσεων –άρα και των κενών θέσεων– φαίνεται αλλά δεν θα αλλάζει. Οι κενές θέσεις που θα φαίνονται θα μπορούν να αξιοποιούνται γιά αναπληρώσεις του εργαστηρίου της αμέσως προηγούμενης βδομάδας – βλ. παρακάτω. Κενές θέσεις δημιουργούνται από αλλαγές που άλλοι έκαναν, καθώς επίσης και λόγω απουσιών, σύμφωνα με τον εξής κανόνα:

→ Κάθε απουσία από τμήμα εργαστηρίου στο οποίο ένας φοιτητής ήταν εγγεγραμμένος τη Δευτέρα ώρα 23:59 εκείνης της εβδομάδας επιφέρει την ακύρωση όλων των κρατήσεών του για όλες τις υπόλοιπες εβδομάδες του εξαμήνου, και πρέπει αυτός να ξαναεγγραφεί ο ίδιος (σε όποιο τμήμα έχει κενές θέσεις). Άρα, εάν ξέρετε ότι κάποια βδομάδα και ημέρα θα αναγκαστείτε να λείψετε, ακυρώστε εγκαίρως (μέχρι Δευτέρα εκείνης της βδομάδας) τη σχετική σας κράτηση για να γλυτώσετε να χάσετε μαζί και όλες τις υπόλοιπες κρατήσεις σας γιά το υπόλοιπο εξάμηνο. Απουσία ορίζεται η μη προσέλευση στο εργαστήριο μέχρι ώρα "και είκοσι" (xx:20) μετά την έναρξη του εκάστοτε τμήματος.

Σε κάθε κενή θέση εργαστηρίου –είτε εκείνες που ήσαν κενές στο σύστημα κρατήσεων τη Δευτέρα ώρα 23:59 είτε εκείνες που κενούνται στις "και 20" του τμήματος λόγω μη προσέλευσης του κανονικά εγγεγραμμένου σε αυτές– μπορεί να γίνει μία και μόνο μία Αναπλήρωση Εργαστηρίου της Αμέσως Προηγούμενης εβδομάδας, και μόνον της αμέσως προηγούμενης. Στις Ν κενές θέσεις ενός τμήματος μπορούν να μπούν οι πρώτοι Ν φοιτητές που προσήλθαν και περιμένουν στη σειρά (first-come-first-serve) σε εκείνο το τμήμα (περιμένουν συνεχώς και "physically", οι ίδιοι –όχι μέσω αντιπροσώπων, όχι μέσω σημειωμάτων ή κρατήσεων "virtual"). Σε κάθε μία κενή θέση γίνεται μία μόνον αναπλήρωση του εργαστηρίου της μιάς και μόνον προηγούμενης βδομάδας –ούτε παλαιότερων εβδομάδων, ούτε της τωρινής βδομάδας. Με άλλα λόγια, μέσα σε κάθε δίωρο μπορεί να γίνει μόνον ένα εργαστήριο: είτε το τρέχον σε κανονικά κρατημένη θέση, είτε (XOR) της μίας προηγούμενης βδομάδας σε κενή θέση. Αναπλήρωση χαμένου εργαστηρίου μιάς βδομάδας γίνεται μόνον την αμέσως επόμενη βδομάδα, και μόνον σε κενή θέση (δίωρης διάρκειας, και όχι κομάτι θέσης) οιουδήποτε τμήματος όπου βρεί ο φοιτητής κενή θέση. Τα Τμήματα έχουν χωρητικότητα εικοσιέξι (26) άτομα καθένα, μόνον, και σε αυτά χωράνε 26 ασκήσεις μόνον – είτε κανονικές είτε αναπληρώσεις. Στην κάθε θέση δεν χωράνε ούτε δύο διαφορετικοί φοιτητές να κάνουν δύο αναπληρώσεις, ούτε ένας φοιτητής να κάνει την τρέχουσα άσκηση και αναπλήρωση της προηγούμενης.

Εργαστηριακές Ασκήσεις (Laboratory Exercises):

• Εργαστήριο 0 (27-28 Σεπ. 2018) [PDF] Επανάληψη περί Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων, γνωριμία με breadboard, LED, και διακόπτες.   –   Video του 2013

• Εργαστήριο 1 (3 - 5 Οκτ. 2018) [PDF]: Λογική με διακόπτες, Πολυπλέκτες, Μνήμη ROM.
      –  VIDEO του 2013: §1.1 έως και 1.4, §1.5(α), §1.5(β), §1.6(α), §1.6(β) έως 1.7(α), §1.7(β).
      –  Επιπλέον, εκτός-ύλης, προαιρετικό υλικό –μόνο γιά τους ενδιαφερόμενους: Extra 1: parity: switch network, function properties; Gray code; error detection and correction codes - checksum, CRC; oscilloscopes - [PDF]

• Εργαστήριο 2 (10-12 Οκτ. 2018) [PDF]: Αποκωδικοποιητές και Διευθύνσεις Μνήμης, Ηλεκτρονόμοι, Κωδικοποίηση και Συνδυασμοί.
      –  VIDEO του 2013: §2.1(α), §2.1(β), §2.2, §2.3, §2.5 - 2.6, §2.8, §2.12, §2.13 (και 2.7), 2.14, §2.10, §2.9.

• Εργαστήριο 3 (17-19 Οκτ. 2018) [PDF]: Η σχέση Πολυπλεκτών - Αποκωδικοποιητών, Ανάδραση - Ταλαντωτές - Στοιχεία Μνήμης, Λογικές Πύλες, Transistors και Chips, Συνδυαστικά Κυκλώματα.
      –  VIDEO του 2013: §3.1, §3.2, §3.3, §3.4, §3.5, §3.11, §3.6 (transistors-1), §3.6 (transistors-2), §3.6 (πύλες NOT), §3.6 (πύλες NAND, NOR), §3.9.
      –  Επιπλέον, εκτός-ύλης, προαιρετικό υλικό –γιά τους ενδιαφερόμενους: Συνδυαστικά Κυκλώματα με χρήση Ηλεκτρονόμων [PDF]
      –  Επιπλέον, εκτός-ύλης, προαιρετικό υλικό –μόνο γιά τους ενδιαφερόμενους: Extra 2: pulse generator, and use with the oscilloscope; delay measurements in RC circuits, simple gates, relays; frequency measurements in ring oscillators; bistable (latch) circuits and FCFS arbiters; feedback control theory - [PDF] [2ο αντίτυπο]
      –  Επιπλέον, εκτός-ύλης, προαιρετικό υλικό –μόνο γιά τους ενδιαφερόμενους: Extra 3 [PDF] - συνεισφορά Ε. Α. Νεονάκη: ταλαντωτές (oscillators) - [2ο αντίτυπο]
      –  Επιπλέον, εκτός-ύλης, προαιρετικό υλικό –μόνο γιά τους ενδιαφερόμενους: Ένας μικρός, απλός, γραφικός προσομοιωτής ψηφιακών πυλών - http://logic.ly

• Εργαστήριο 4 (24-26 Οκτ. 2018) [PDF]: Χάρτες Karnaugh, Άλγερβα Boole, Μνήμη RAM.
      –  VIDEO του 2013: §4.1 (Karnaugh 2 μτβλ), §4.2 (Karnaugh 3 μτβλ), §4.1 (Karnaugh 4 μτβλ), §4.4 (don't care), §4.9 (αποκωδικοποιητές), §4.9 (πολυπλέκτες), §4.12 (RAM), §4.11 (debugging), §4.6 (De Morgan), §4.6 (επιμεριστική), §4.6 (δυϊσμός), §4.6 (άλλες).

• Εργαστήριο 5 (31 Οκτ. - 2 Νοε. 2018) [PDF]: Δυαδική Αρίθμηση, Αθροιστές.
      –  φύλλο εργασίας [PDF] που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε γιά το πείραμα 5.11 (ή και την άσκηση 5.9) (συνεισφορά Ε. Νεονάκη).
      –  VIDEO του 2013: §5.1 (Δυαδικό), §5.1 (Δεκαεξαδικό, Οκταδικό), §5.1 (Μετατροπή από Δεκαδικό σε Δυαδικό), §5.3 (Δυαδική Πρόσθεση), §5.4 (Δυαδικός Αθροιστής), §5.10 (πρόσθεση πολλαπλών αριθμών), §5.11 (μέτρηση πλήθους πατημένων διακοπτών)

•         Εξέταση Προόδου: Σάββατο 3 Νοεμβρίου 2018, ώρα 12:10 - 14:00 (τέλος βδομάδας 6). Η συμμετοχή των φοιτητών είναι υποχρεωτική κατά την έννοια ότι ο βαθμός αυτής της εξέτασης πάντα μετράει –χωρίς ωστόσο να υπάρχει ελάχιστο όριο αυτού του βαθμού που να απαιτείται γιά να περάσει ο φοιτητής το μάθημα. Το μάθημα της Πα. 2/11 θα είναι επανάληψη εν όψει της εξέτασης Προόδου.

• Εργαστήριο 6 (7-9 Νοε. 2018) [PDF]: Προσημασμένοι Ακέραιοι, Προσθαφαιρέτες, FF.
      –  VIDEO του 2013: §6.1 (Πολλαπλασιασμός, Διαίρεση, και Υπόλοιπο με Δυνάμεις του 2), §6.2 (Συστροφή αναπαράστασης αριθμού με n bits), §6.2 (Συστροφή: επανάληψη), §6.3(α) (Κώδικας προσημασμένων "2's complement" - παράδειγμα 4 bits), §6.3(β) (Ορισμός κώδικα προσημασμένων "2's complement" με n bits), §6.3(γ) (παράδειγμα προσημασμένων), §6.3(δ) (Εναλλακτικός ορισμός κώδικα προσημασμένων 2's complement), §6.4(α) (Πρόσθεση προσημασμένων σε μορφή 2's complement), §6.4(β) (Απόδειξη του κανόνα πρόσθεσης προσημασμένων) και 6.5 (Αντίθετος αριθμού - από το λεπτό 30:00 και πέρα),   Επανάληψη Προσημασμένων, με άλλα λόγια,   Παραδείγματα Προσημασμένων,   §6.7(α) (Αφαίρεση αριθμών), §6.7(β) (Προσθαφαιρέτης).

• Εργαστήριο 7 (14-16 Νοε. 2018) [PDF]: Μανταλωτές, Καταχωρητές, Διφασικά Ρολόγια.
      –  VIDEO του 2013: §6.10 (Η στοιχειώδης ιδέα του flip-flop), §7.1 (Βασικό RS Latch), §7.3(α) (D-type Latch), §7.3(β) (Διαγράμματα Χρονισμού), §7.5 (Multi-bit registers), §7.6(α) (Αποθήκευση Προηγούμενης Εισόδου), §7.6(β) (Μνήμη σε Βρόχο Ανάδρασης - Διφασικά Ρολόγια), §7.6(γ) (Διαγράμματα Χρονισμού), §7.7 (Καταχωρητής Ολίσθησης).

• Εργαστήριο 8 (21-23 Νοε. 2018) [PDF]: Μετρητής με Αθροιστή & Καταχωρητή, Ακμοπυροδότηση.
      –  VIDEO του 2013: §8.0 (Γενικά περί Μετρητών), §8.1 (Πολύμπιτοι Πολυπλέκτες), §8.2 (Μετρητής από Αθροιστές, Καταχωρητές, και Πολυπλέκτες), §8.3-4 (σχόλια γιά το εργαστήριο), §8.5(α) (Ακμοπυροδότηση), §8.5(β) (Εξασφαλίζεται η χρήση όπως με φ1 και φ2;), §8.8 (Switch Debouncing).
      –  Επιπλέον, εκτός-ύλης, προαιρετικό υλικό –μόνο γιά τους ενδιαφερόμενους: Extra 8 [PDF] - συνεισφορά Ε. Α. Νεονάκη: μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό, μετρητές χρόνου και συχνότητας - [2ο αντίτυπο]

• Εργαστήριο 9 (28-30 Νοε. 2018) [PDF]: Λεωφόροι, Τρικατάστατοι, SRAM.
      –  VIDEO του 2013: §9.1(α) (Κεντρικοποιημένη και Κατανεμημένη Πολύπλεξη), §9.1(β) (Τρικατάστατος διακόπτης σε CMOS), §9.1(γ) (Κανόνες λειτουργίας Τρικατάστατης Λεωφόρου), §9.2(α) (Πολύμπιτες Τρικατάστατες Λεωφόροι - Buses), §9.2(β) (Αμφίδρομα Pins Δεδομένων), §9.2(γ) (Σύγχρονες τάσεις Επικοινωνίας μεταξύ Chips), § 9.3 Εσωτερική Οργάνωση Μνημών SRAM: (α) Ανάγνωση, (β) Εγγραφή, (γ) Κοινός Αποκωδικοποιητής Διευθύνσεων, §9.4(β) (Μνήμες πολλαπλών Chips), §9.4(α) (Αμφίδρομα Pins Δεδομένων).

Πέρυσι (last year) – Το υπόλοιπο αυτής της ιστοσελίδας περιέχει τις περισυνές πληροφορίες του μαθήματος, και θα ενημερώνεται με τις φετεινές σταδιακά στη διάρκεια του εξαμήνου:

• Εργαστήριο 10 (6 - 8 Δεκ. 2017) [PDF]: FSM (Μηχανές Πεπερασμένων Καταστάσεων).
      –  VIDEO του 2013: §10.1-2 (Εισαγωγή στις FSM), § 10.3 Φώτα Κυκλοφορίας σε Διασταύρωση Οδών: Εισαγωγή, 10.3.1 (κλασσικά, 1:1), 10.3.2 (κλασσικά, 2:1), 10.3.3 (στατική προτεραιότητα), § 10.3.4 Προσαρμοστικός Έλεγχος 1:1 Διάγραμμα Καταστάσεων και Επιδόσεις, Επανάληψη, Υλοποίηση του κυκλώματος, 10.3.5 (Προσαρμοστικός Έλεγχος 2:1), 10.4 (προσοχή στην αχρησιμοποίητη κατάσταση (στην άσκηση)), § 10.5: (α) Κώδικες Μεταβλητού Μήκους (Κωδικοποίηση Huffman), (β) Διφορούμενοι Κώδικες, §10.6 (FSM Αποκωδικοποίησης Huffman), §10.7 (Κωδικοποίηση Καταστάσεων "One-Hot").

• Εργαστήριο 11 (13-15 Δεκ. 2017) [PDF]: Ένας απλός Υπολογιστής: datapath και εντολές πράξεων.
      –  Ένας προσομοιωτής του datapath του απλού αυτού υπολογιστή, ευγενής συνεισφορά του κ. Εμμανουήλ Α. Νεονάκη, βασισμένος στο σύστημα Hamburg Design System (HADES), βρίσκεται στο directory ~hy120/dpath_hades_EAN11/ (δηλαδή: /home/misc/courses/hy120/dpath_hades_EAN11/ ) των υπολογιστών του Τμήματος (μπορείτε να κατεβάσετε όλα τα περιεχόμενα αυτού του directory αντιγράφοντας και αποσυμπιέζοντας το αρχείο: ~hy120/dpath_hades_EAN11.zip ). Το πρόγραμμα Java που πρέπει να ανοίξετε και εκτελέσετε είναι το hades.jar και στη συνέχεια από το μενού του hades: File/Open επιλέξτε το αρχείο DataPath.hds
      –  VIDEO του 2013: § 11.1 Μιά απλή ALU: (α) ποιές πράξεις, (β) το συνολικό κύκλωμα, §11.2 (Επεξεργαστής τύπου Συσσωρευτή), §11.3 (Εντολές: οι οδηγίες γιά τις πράξεις), § 11.4 Ανάγνωση και Εκτέλεση Εντολών: §(α) πώς η εντολή οδηγεί το κύκλωμα Ελέγχου και τη διεύθυνση της Μνήμης Δεδομένων, §(β) ο μετρητής προγράμματος (PC) και η ανάγνωση εντολών από τη μνήμη, §11.2 (extra) (Παράδειγμα πιο πολύπλοκου υπολογισμού με Συσσωρευτή), §11.9 (Εντολές Άλματος (Jump)), §11.5 (Καταχωρητές με Επίτρεψη Φόρτωσης (Load Enable)), §11.10 (Αποκωδικοποίηση Εντολών - Κύκλωμα Ελέγχου).

• Εργαστήριο 12 (18-20 Δεκ. 2017) [PDF]: Διακλαδώσεις, pointers, ταχύτητα & κατανάλωση πυλών.
      –  Μετακινήσεις Τμημάτων: βλ. στην κορυφή αυτής της σελίδας.
      –  VIDEO του 2013: §12.0 Επανάληψη - Η Διεύθυνση της επόμενης εντολής, §12.1 Παράδειγμα Βρόχου και Διακλαδώσεις υπό συνθήκη, §12.2(α) Datapath για διακλαδώσεις, §12.2(β) Λογική ελέγχου για διακλαδώσεις, §12.2(γ) If-Then-Else, §12.3(α) Eπιστροφή από Διαδικασία: Άλματα σε Μεταβλητές Διευθύνσεις, §12.3(β) Η υλοποίηση της Jump Indexed, §12.5(α) Η έννοια του "Indirection", §12.5(β) Δομές Δεδομένων - Μεταβλητές Διευθύνσεις Μνήμης - παράδειγμα με Πίνακα, §12.5(γ) Επανάληψη του 12.5, §12.6(α) Υλοποίηση Εντολών Indexed, §12.6(β) Δύο κύκλοι Ρολογιού - FSM Ελέγχου, §12.8(α) Η Εξίσωση της Καθυστέρησης: Δt = C · ΔV / I, §12.8(β) συνέπειες της εξίσωσης για Fan-In και Fan-Out πυλών, §12.8(γ) Κατανάλωση Ενέργειας.

• ΕΠΑΝΑΛΗΨΕΙΣ - VIDEO του 2013: (α) Τι χρειάζεται να θυμάται μιά FSM από το παρελθόν, (β) flip-flops, (γ) οι μνήμες εσωτερικά, (δ) σύστημα μνήμης από πολλαπλά chips μνήμης, (ε) ο απλός υπολογιστής του μαθήματος, (ε) αναλογικά versus ψηφιακά, (ε) FSM γιά μηχανή πώλησης, (ε) προσημασμένοι αριθμοί, (ε) διαγράμματα χρονισμού.

•         Τελική Εξέταση: Τετάρτη, 10 Ιανουαρίου 2018, ώρα 09:05 - 12:00

Σελίδες Παλαιοτέρων Ετών (Previous Years):

• Φθινόπωρο 2017 (Fall 2017)
• Φθινόπωρο 2016 (Fall 2016)
• Φθινόπωρο 2015 (Fall 2015)
• Φθινόπωρο 2014 (Fall 2014)
• Φθινόπωρο 2013 (Fall 2013) (included video-recordings of the lectures)
• Fall 2012, Fall 2011, Fall 2010, Fall 2009, Fall 2008, Fall 2007, Fall 2006, Fall 2005 (taught using the "simple processor datapath" in Labs 11 and 12).
• Fall 2004, Fall 2003, Fall 2002 (taught by M. Katevenis).
• F'01 [HTML], F'00 project [DOC], F'99 project [DOC].