Η εκπαιδευτική αξία και συνεισφορά των εργαστηριακών ενοτήτων στον τομέα των θετικών επιστημών είναι γνωστή και ευρύτατα αποδεκτή. Ιδιαίτερα στην περιοχή της σχεδίασης ψηφιακών συστημάτων και σε οποιοδήποτε επίπεδο ή εκπαιδευτικό αντικείμενο αυτής, όπως η υλοποίηση υλικού ή λογισμικού, μπορούν αυτές οι εκπαιδευτικές ενότητες να καθοριστούν ως αναγκαίες αφού είναι από τις ελάχιστες περιπτώσεις όπου η θεωρητική γνώση μπορεί να εφαρμοστεί άμεσα και το ίδιο άμεσα να παρατηρηθούν τα αποτελέσματα στις αντίστοιχες πειραματικές εργαστηριακές διατάξεις.
Η παραπάνω δυνατότητα, όπως είναι λογικό, απαιτεί την χρήση υλικού μέσω του οποίου σχηματίζεται η εκάστοτε πειραματική διάταξη. Μέχρι σήμερα αυτό ήταν εφικτό στον τομέα της ψηφιακής σχεδίασης με την χρήση βασικού υλικού ολοκληρωμένων κυκλωμάτων βάσει των οποίων μπορούσε ο διδασκόμενος να υλοποιήσει το επιθυμητό ψηφιακό σύστημα.
Οι εξελίξεις της τελευταίας δεκαετίας στον τομέα της πληροφορικής γενικά και ποιο συγκεκριμένα στον τρόπο σχεδίασης, προγραμματισμού και υλοποίησης τέτοιων συστημάτων έχουν αλλάξει δραματικά τις απαιτήσεις και κατά συνέπεια την δυνατότητα χρήσης υλικού στα εργαστήρια. Η ψηφιακή σχεδίαση, υλοποιείται πλέον με την χρήση HDLs σε ολοκληρωμένα κυκλώματα FPGAs αντί των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πυλών που χρησιμοποιούνταν παλαιότερα, ενώ, δεν υπάρχουν σύγχρονοι μικροελεκτές οι οποίοι με εύκολο τρόπο μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην πρωτογενή τους μορφή λόγο της πολυπλοκότητας τους αλλά και της έλλειψης DIP Packaging που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε BreadBoards.
Το κενό αυτό ήρθαν να καλύψουν οι αναπτυξιακές πλακέτες μικροελεγκτών όπως το Arduino ή FPGAs όπως η MOJO αλλά με επιπλέον οικονομική επιβάρυνση λόγο του αυξημένου κόστους τους και με ταυτόχρονη μείωση της ευελιξίας χρήσης αφού σε κάθε περίπτωση απαιτείται διαφορετική πλακέτα.
Στο παρόν σύγγραμμά μελετώνται οι δυνατότητες ελαχιστοποίησης του κόστους και αύξησης της ευελιξίας με την σχεδίαση μίας ενιαίας αναπτυξιακής πλακέτας γενικής χρήσης η οποία μπορεί να υποστηρίξει σύγχρονες τεχνολογίες μικροελεγκτών και FPGAs και με στόχο το εκπαιδευτικό αντικείμενο της σχεδίασης ψηφιακών συστημάτων σε όλα τα επίπεδα του.
The educational contribution and value of laboratory educational sessions in science is well known and proven to be valuable. Especially in the case of Digital Systems Design and in every level and learning object of it (e.g. Hardware or Low-Level Software Engineering), it is possible to define Laboratory sessions as a basic requirement since they offer a direct correlation of theoretical knowledge to real-world functionality by giving the opportunity to students to apply this knowledge to experimental devices and directly observe the results.
It is logical that such applications as described above require the use of specialized hardware by the students in order to construct the experimental device and conduct the experiment. Up until a time point, in the area of Digital Systems Design, such hardware was consisted of a group of individual logic gate integrated circuits. With the usage of said ICs the students were given the possibility to apply their design over a breadboard by applying the correct interconnections.
The developments of the this decade in digital design have however defined new methods of design implementation and increased the requirements in development complexity thus making the use of gate ICs trivial at best to completely useless in the case of non-trivial digital systems. Digital designs are now implemented over FPGAs in high pin count packages instead of DIP gate ICs and modern microcontrollers are no longer produced in DIP packages thus there is no way to use them on a breadboard in their factory packaging form.
This problem has been solved by the FPGA and Microcontroller Development boards (e.g. MOJO and Arduino Boards), with relatively heavy financial cost, considering the extremely low cost of simple gate ICs and the need for a different board for each application (MCU or FPGA).
The possibility of minimizing this cost and maximizing usage flexibility by designing a mixed board which may support both modern microcontroller and FPGA functionality on the same PCB is studied in this dissertation with an approach of any engineering and cost effectiveness options from a purely educational perspective.
Σχεδιασμός και Υλοποίηση Εκπαιδευτικής Πλατφόρμας για Μικροελεγκτές και FPGAs