Logické systémy a procesory

Předmět nesmí být zapsán současně s:

Logic Systems and Processors (BE5B35LSP)

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra řídicí techniky

Anotace:

Předmět uvádí do oblasti základních hardwarových struktur výpočetních prostředků, jejich návrhu a architektury. Podává přehled o možnostech provádění operací s daty na úrovni hardwaru a o tvorbě vestavěných procesorových systémů s perifériemi na moderních programovatelných logických obvodech FPGA, které se dnes široce aplikují stále více. Studenti se naučí, jak lze popsat obvody v jazyce VHDL počínaje logikou přes složitější sekvenční obvody až k praktickým návrhům konečných automatů (FSM). Ovládnou i správný postup návrhu pomocí simulace obvodů. Ve cvičení se řeší praktické úlohy s využitím vývojových desek používaných na stovkách předních univerzit po celém světě.

*** Pozor: Předmět běží ve dvou verzích, ač se stejným kódem. V zimním semestru se jedná o lehčí obecný kurz, zatímco v letním semestru se cílí na OI-hardware specializaci. Pokud nejste z ní, zapište si raději snažší verzi předmětu.

Požadavky:

Základní znalosti Booleovy algebry a logických obvodů. Logika a grafy.

Osnova přednášek:

1. O struktuře počítačových systémů. Logické výrazy versus logická hradla. Logická krychle a sestavení logické funkce z Karnaughovy mapy. Skupinová minimalizace. Booleovská algebra. De Morganův teorém. SAT problém a Shannonova expanze. Binary Decesion Diagrams.

2. VHDL jazyk pro popis obvodů, základní konstrukce. Popisy základních kombinačních obvodů ve schématech a ve VHDL.

3. Realizace základních kombinačních logických obvodů výpočetní techniky a jejich popisy ve schématech a v jazyce VHDL. Hazardy v kombinačních obvodech.

4. Sekvenční obvody a jejich základní typy. Klopné obvody typu Latch a Master-Slave.

5. Popisy ve VHDL stylem Behavioral, registry a čítače.

6. Základní sekvenční obvody počítačů. Paměti a jejich struktura ve VHDL.

7. Realizace obvodů uvnitř FPGA. Problémy se souběhem paralelních operací v logických obvodech. Metastabilita obvodů. Prvky zaměřené na 3 a 4 projekt.

8. Profesionálními způsoby pro testování a simulaci VHDL programů, tzv. tvorbou Testbench. Použití ModelSim, simulace krokování a breakpointy ve VHDL programech.

9. Stavové automaty I. - vlastnosti, geneze. Automaty Moore a Mealy. Řešení automatů ve VHDL. Úlohy vedoucí na automaty, návrhy a testování automatů.

10. Od automatu přes mikroprogramové řadiče k procesoru. Datová cesta. Činnost procesoru na příkladu 1bitového procesoru a jeho testování.

11. Struktura soft-core procesoru na čipu, jeho použití a modifikace.

12. Návrh periférií pro procesor a jejich připojení, interní sběrnice v obvodech.

13. Pokročilé využití procesoru a prvky pro sestavení vlastních procesorových vestavěných systémů.

14. Důležité základy praktického interfacing-u, aneb úskalí propojování obvodů. Ochrany vstupů a výstupů, problémy s vodiči, sběrnicemi a s různými typy zátěží. Řešení napájení a zemí. Galvanická izolace.

Osnova cvičení:

Studenti získají zápočet z praktických cvičení za vyřešení individuálních projektů na FPGA vývojových deskách Altera DE2; ty v podobných kurzech využívají desítky předních světových univerzit. Licenční podmínky u programovacího prostředí Altera Quartus II dovolují i jeho instalaci na domácí počítače studentů.

Cíle studia:

Úvod do struktury výpočetní techniky a základy konstrukce jednoduchých periférií počítačů.

Studijní materiály:

Anglické knihy dostupné v knihovně v omezeném počtu

1. Volnei A. Pedroni: Digital Electronics and Design with VHDL, MORGAN KAUFMANN 2008, ISBN: 0123742706

2. Enoch O. Hwang: Digital Logic and Microprocessor Design with VHDL, Thomson 2006, ISBN: 0-534-46593-5

Učební materiály v češtině dostupné na stránce předmětu v elektronické podobě

1. Šusta R.: Kurz základů práce v prostředí Quartus II, video kurs obsahující 7. lekcí, ČVUT-FEL 2013

2. Šusta R.: Vybraná chybová hlášení překladače Quartus II, 18 str. ČVUT-FEL 2012

3. Šusta R.: Příkladný úvod do VHDL pro pokročilejší části kurzu, 42 str., ČVUT-FEL 2012

4. Šusta R.: Vybrané příklady ke zkoušce, 28 str., ČVUT-FEL 2014

Poznámka:

Stránky předmětu: https://moodle.fel.cvut.cz/enrol/index.php?id=930

Další informace:

https://moodle.fel.cvut.cz/courses/B0B35LSP

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Kybernetika a Robotika 2016 (povinný předmět programu)
• Otevřená informatika - Internet věcí 2016 (povinný předmět oboru)
• Otevřená informatika - Internet věcí 2018 (povinný předmět zaměření)
• Softwarové inženýrství a technologie - specializace Technologie internetu věcí (povinně volitelný předmět)
• Kybernetika a Robotika 2021 (povinný předmět programu)
• Softwarové inženýrství a technologie - společný 1. ročník (povinně volitelný předmět)