Programme du cours "Systèmes numériques : de l'algorithme aux circuits"

Cette page web est le programme du cours Systèmes numériques.

Ce que vous allez apprendre

L'objectif de ce cours est de comprendre comment on conçoit et on utilise un circuit électronique,

les besoins : notions de base telles que l'énergie et le temps nécessaire pour calculer,
la conception :
- les technologies (ASIC, FPGA), logiques NMOS, CMOS, etc.
- la maîtrise de la complexité (hiérarchie, abstraction, languages, compilateurs)
entrées / sorties, simulation matérielle, langages logiciels et programme informatique,
besoin de vérification et de compilation pour les projets de grande envergure.

Organisation

Les enseignements ont lieu durant le 1er semestre, les mardis de 13h15 à 17h00, du 21 septembre 2021 au 25 janvier 2022, en-dehors des congés. Les enseignements sont en salle Emmy Noether (ex U/V), et les travaux sur station de calcul en salle d'ordinateurs (salles info 3 et 4). La salle Emmy Noether se trouve au 2ème sous-sol aile Rataud, voir le plan suivant. Ils sont de différents types :

L : leçon magistrale. Il s'agit des enseignements des concepts fondamentaux.
TD : travaux dirigés. Nous appliquerons les leçons sous forme d'exercices, le plus souvent réalisés au tableau.
TP : travaux pratiques. Il s'agit d'exercices avec réalisation sur micro-ordinateur.
P : projet. Un travail en équipe avec une réalisation.

L'équipe pédagogique se compose de :

David Naccache (DN), professeur, responsable du module,
Sylvain Guilley (SG) — chercheur associé au DI, professeur en charge du cours,
Hadrien Barral (HB) et Théophile Wallez (TW), normaliens, en charge des TD, TP et du projet P,
Yves Mathieu (YM), professeur,
Sumanta Chaudhuri (SC), maître de conférence.

L'évaluation est réalisée sur la base de deux critères :

soutenance de projet et assiduité aux travaux pratiques (50%),
examen écrit (50%).

Voir la bibliographie en fin de page.

Programme

Séance du 2021-09-21

Enseignant: SG
Sujets abordés: Technologie, codage, fréquence, fonction de transfert, logique NMOS, équations booléennes, formes disjonctives / conjonctives normales, Karnaugh
Descriptif de la leçon: Cette leçon consiste en une introduction au cours, où l'on présente les différentes notions qui vont être étudiées. Nous présenterons la loi de Moore, et discuterons un certain nombre de circuits (réels et avec poster du floorplan). Du point de vue pédagogique, nous présenterons la raison pour laquelle les processeurs utilisent (en règle générale) des bits comme support de l'information, puis nous analyserons les outils pour calculer sur des bits. Nous aborderons des notions d'optimisation, et des applications à des cas tels que le multiplexage et l'afficheur 7 segments.
- Leçon
- Travaux dirigés

Séance du 2021-09-28

Enseignant: HB+TW
Sujets abordés: Microprocesseur, simulateur, synthèse logique, net-list
Descriptif de la leçon: Présentation du projet (microprocesseur) et TP1 (simulateur du net-lists). Code à utiliser

Séance du 2021-10-05

Enseignant: YM
Sujets abordés: Arithmétique, bases, optimisation d'opérateurs
Descriptif de la leçon: Implémentations carry-ripple, carry-save, carry look ahead.
- Supports de cours.

Séance du 2021-10-12

Enseignant: HB+TW
Sujets abordés: Continuation du TP1, formation des groupes de projet
Descriptif de la leçon: Finir le TP1, discuter autour du projet

Séance du 2021-10-19

Enseignant: YM
Sujets abordés: Transistors, portes CMOS, vitesse
Descriptif de la leçon: Nous analyserons la construction de portes séquentielles en logique complémentaire ; Comme exemples, nous illustrerons le C-element, et nous analyserons le contenu d'une bibliothèque commerciale de cellules standards (avec buffers de différentes charges).
- Supports de cours.

Séance du 2021-10-26

Enseignant: SC
Sujets abordés: Logique séquentielle synchrone, pipeline, machine à états finis, codage des états
Descriptif de la leçon: Ce cours consiste en une introduction à la logique séquentielle, et à la construction de machines à états finis. Nous aborderons leur spécification correcte et leur synthèse, suivant des options de codage des états
- Cours et TD : Support numérique

Séance du 2021-11-09

Enseignant: HB+TW
Sujets abordés: TD1 + session de travail
Descriptif de la leçon: Exercices d'arithmétique et logique

Séance du 2021-11-16

Enseignant: HB+TW
Sujets abordés: Cours microprocesseur + session de travail
Descriptif de la leçon: Chapitres 2 et 4 de 'Computer Organization and Design: the HW/SW interface', Patterson et Hennessy 4ed.

Séance du 2021-11-23

Enseignant: SC
Sujets abordés: Langages de description de matériel
Descriptif de la leçon: Langages concurrents, VHDL (IEEE 1164) et Verilog (IEEE 1364). Correspondance entre code comportemental, dataflow, et structurel. Poignée de main et FIR. Exemples d'analyse de processeurs, tels 6502 et le SPARC "LEON". Test, synthèse d'arbre d'horloge, clock-gating, retiming.
- Supports
- Travaux Pratiques

Séance du 2021-11-30

Enseignant: SG
Sujets abordés: Sécurité
Descriptif de la leçon: Composants de sécurité : PUF, TRNG. Implémentations cryptographiques, bitslice, protection contre les attaques side-channel et par perturbation.
- Support de cours et de TD

Séance du 2021-12-07

Enseignant: SC
Sujets abordés: Applications spécifiques
Descriptif de la leçon: Dans ce cours, nous étudierons des architectures efficaces en matériel : filtage (FIR), CRC, CORDIC, FFT, logique asynchrone, processeur et DMA.
- Supports

Séance du 2021-12-14

Enseignant: HB+TW
Sujets abordés: Session de travail sur projet
Descriptif de la leçon: Encadrement sur l'avancement du projet

Séance du 2022-01-04

Enseignant: HB+TW
Sujets abordés: Session de travail sur projet
Descriptif de la leçon: Encadrement sur l'avancement du projet

Séance du 2022-01-11

Enseignant: HB+TW
Sujets abordés: Session de travail sur projet
Descriptif de la leçon: Encadrement sur l'avancement du projet

Séance du 2022-01-18

Enseignant: HB+TW/SG
Sujets abordés: Examen écrit
Descriptif de la leçon: Contrôle des connaissances, en présentiel.

Séance du 2022-01-25

Enseignant: HB+TW/SG
Sujets abordés: Soutenances orales des projets
Descriptif de la leçon: Restitution des projets

Références bibliographiques

Reconfigurable Systems Come of Age, IEEE Transactions on VLSI, Vol 4, No. 1, March 1996. pdf IEEE Circuits and Systems Society 1998, VLSI Transactions (Best Paper Award)
Computer Organization and Design: the Hardware/Software Interface, David A. Patterson and John L. Hennessy (Bibliothèque)
The elements of computing systems : building a modern computer from first principles, Noam Nisan and Shimon Schocken (Bibliothèque)
Digital Circuit Design for Computer Science Students: An Introductory Textbook, Niklaus Wirth (Bibliothèque)
The Art of Computer Programming 4A., Combinatorial Algorithms, Donald E. Knuth (Bibliothèque)
Digital Logic Design, Brian Holdsworth and Clive Woods
Conception des circuits VLSI: Du Composant au Système, François Anceau et Yvan Bonnassieux (Bureau S12)
Processor Design: System-On-Chip Computing for ASICs and FPGAs, rédacteur: Jari Nurmi (Bureau S12)
The Art of Electronics, Paul Horowitz and Winfield Hill (Bibliothèque)