【授業の概要と目的(何を学ぶか) / Outline and objectives】
本授業では、組み合わせ回路と順序回路を含む論理回路の設計に必要な論理ゲートやブール代数、カルノー図などを用いた回路設計と動作検証シミュレーションの方法について学びます。

【Outline and objectives】
The objective for this lecture is to understand the fundamentals of logic operation, Boolean Algebra, logic gates, and their use in implementing the combinational circuits and sequential circuits. All the circuits will be designed in schematic and simulated with EDA tools. The contents include operations of AND, OR, and NOT gates, Boolean algebra, Gray code, Karnaugh map, and designs of full adder, subtracter, carry lookahead adder, multiplier, Wallace Tree, multiplexer, demultiplexer, barrel shifter, ALU (Arithmetic Logic Unit), decoder, priority encoder, latches, flip-flops, register file, counter, and traffic light system. Students will be expected to spend more than four hours to study each theme per week. Grading will be decided based on the homework (70%) and final project (30%).

【到達目標 / Goal】
すべてのデバイス装置の基礎となる論理回路について学びます。また、組み合わせ回路と順序回路を含む論理回路の設計に必要であるブール代数を理解します。 さらに三つの論理ゲート(AND、OR、NOT)のみを用いて、全加算器、乗算器、マルチプレクサ、デコーダ、エンコーダ、N進カウンターや交通信号機制御システムなど様々なデジタル回路を設計します。実際のハードウェア設計に用いられる Intel Altera Quartus II と ModelSim を使用し、回路設計及び動作検証シミュレーションを行います。

【授業の進め方と方法 / Method(s)】
AND ゲートや OR ゲート、NOT ゲート、ブール代数、全加算器、乗算器、マルチプレクサ、デコーダ、エンコーダなどの簡単なデジタル回路設計から始まり、N進カウンターや交通信号機制御システムなどの複雑な回路設計も行います。また、設計した論理回路の動作検証シミュレーションの方法についても学びます。論理回路設計とシミュレーションには、Intel Altera Quartus II と ModelSim という EDA ツールを使用します。講義の冒頭で、前回の宿題の答えを説明・フィードバックします。

【授業計画 / Schedule】

回 / No. テーマ / Theme 内容 / Contents スライド / Slides
1 (09/27) 0と1の表現、論理ゲートの構成 0と1の表現、NOT、NAND、NOR、AND、OR ゲートの NMOS型、CMOS型、TTL型実装 pdf tex
2 (10/04) ブール代数とド・モルガンの法則 ブール代数の定理とド・モルガンの法則、完全系、NANDゲートのみで構成した回路 pdf tex
3 (10/11) 論理回路設計及び動作検証の方法 テストベンチ、Intel Altera Quartus II(回路設計)と ModelSim(動作検証)の使い方 pdf tex
4 (10/18) 論理式の積和標準形と和積標準形 最小項と最大項、論理式の積和形と和積形の変換及び動作検証シミュレーション pdf tex
5 (10/25) カルノー図と論理式の簡単化 カルノー図、グレイコード、半加算器と全加算器の設計とシミュレーション pdf tex
6 (11/01) マルチビット加算回路 リップルキャリーアダーとキャリールックアヘッドアダーの設計とシミュレーション pdf tex
7 (11/08) 減算器と加減算回路 2の補数、加算器を利用した減算と加減算回路の設計とシミュレーション pdf tex
8 (11/15) 符号なし数と2の補数の乗算回路 符号なし数と2の補数の乗算、ウォレスツリー乗算器の設計とシミュレーション pdf tex
9 (11/22) マルチプレクサ、バレル・シフタとALU マルチプレクサ、バレル・シフタ、7セグメントLED点灯回路、ALUの設計とシミュレーション pdf tex
10 (11/29) デコーダとエンコーダ デコーダとデマルチプレクサ、プライオリティエンコーダの設計とシミュレーション pdf tex
11 (12/06) ラッチとフリップフロップ(FF) 記憶できる回路 RS ラッチ、D ラッチ、DFF、JKFF、TFF とレジスタ・ファイル pdf tex
12 (12/13) Mealy 型と Moore 型順序回路 順序回路の構成、状態遷移図と交通信号機制御システムの設計とシミュレーション pdf tex
13 (12/20) N進カウンターと7セグメントLED DFF、JKFF、TFFを用いた計数器と7セグメントLED点灯回路の設計とシミュレーション pdf tex
14 (01/10) まとめとクイズ 論理回路の復習とテスト(組み合わせ回路と順序回路の設計とシミュレーション) pdf tex

【授業時間外の学習(準備学習・復習・宿題等) / Work to be done outside of class (preparation, etc.)】
本授業の準備・復習時間は、各週につき4時間。講義資料を事前に目を通します。また、レポート(宿題)を完成します。

【テキスト(教科書) / Textbooks】
担当教員 Website に掲載

【参考書 / References】
ディジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ 第2版 2017

【成績評価の方法と基準 / Grading criteria】
課題レポート70%+最終課題(テスト)30%。

【学生の意見等からの気づき / Changes following student comments】
課題のヒントを調整します。
課題の量を調整します。
サンプルレポートを用意します。

【学生が準備すべき機器他 / Equipment student needs to prepare】
ノートPCをクラスに持ち込みます。


Yamin Li, CIS, Hosei University, Tokyo, Japan