Logické systémy a procesory

Přihlaste se pro přístup do kurzu.
Logické systémy a procesory (Hlavní kurz) B0B35LSP
Kredity 6
Semestry oba
Zakončení zápočet a zkouška
Jazyk výuky čeština
Rozsah výuky 3P+2L
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 DE2, které se používají na stovkách předních univerzit po celém světě.

Používané vývojové prostředí Quartus dovoluje bezplatnou instalaci na jejich domácích počítačích. Omezuje pouze typy FPGA a povolují plnou funkčnost u Cyclone II, v deskách DE2. Posluchači tak nejsou limitovaní jen na hodiny cvičení, ale mají širokou možnost řešit úlohy i mimo laboratoř.
Cíle studia
Úvod do struktury výpočetní techniky a základy konstrukce jednoduchých periférií počítačů.
Osnovy 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.

Osnovy 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.
Literatura
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
Požadavky
Základní znalosti Booleovy algebry a logických obvodů. Logika a grafy.