Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

    Belépés
    címtáras azonosítással

    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Nagyteljesítményű mikrokontrollerek és interfészek

    A tantárgy angol neve: High Performance Microcontrollers and Interfaces

    Adatlap utolsó módosítása: 2019. január 17.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar

    Villamosmérnöki szak, MSc képzés       
    Számítógép-alapú rendszerek főspecializáció       

    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIAUMA07 1 2/1/0/v 4  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Tevesz Gábor, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
    4. A tantárgy előadója
    Név: Beosztás: Tanszék, Intézet:
    Dr. Gál Tibor c. egyetemi tanár Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
    5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Mikrokontrollerek alapszintű ismerete, digitális technika alapelvei, tervezési módszerei
    6. Előtanulmányi rend
    Kötelező:
    NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIAUM167" , "jegy" , _ ) >= 2
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIAUM167", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)
    VAGY Szak("6N-MA") VAGY Szak("6NAMAR") // KJK AVCE

    A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

    A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

    7. A tantárgy célkitűzése A tantárgy széleskörű ismereteket nyújt a számítógépes rendszerek és a nagyteljesítményű mikrokontrollerek architektúráiról, ill. építőelemeiről. A hagyományos architektúrák elemzését követően bemutatja a széles körben elterjedt speciális architektúrákat (ARM, DSP, hálózati- és grafikus vezérlők, GPGPU), s összeveti ezeket a szoft- és hardprocesszoros SoC eszközökkel. A tárgy hallgatói megismerkednek a teljesítményt, biztonságot és megbízhatóságot növelő, s a fogyasztást csökkentő módszerekkel. Részletesen foglalkoznak az irányítórendszer részeit összekapcsoló modern buszrendszerek mechanikai-, elektromos- és logikai jellemzőivel, a rendszer- és részrendszer szintű megbízhatósági kérdésekkel, s a komplex rendszereken belül a tantárgytárgy kitér a WEB, mobil, stb. alapú irányítás és diagnosztika lehetőségeire is.
    8. A tantárgy részletes tematikája Interfésztechnikai rész

    Bevezetés (1/2 hét)
    • Definíciók, mechanikai, elektromos és logikai aspektusok egyszerű példákon bemutatva. Mechanikus kapcsolók, nyomtatók, mágneses adathordozók, CRT-k illesztése mikroprocesszorokhoz, mikroszámítógépekhez. Párhuzamos- és soros buszok, számítógépi háttérprogramok, eszközmeghajtók.
    Interfészek és buszok általános jellemzői (2 hét)
    • Mechanikai jellemzők: fontosabb elemei, szabványok.
    • Elektromos jellemzők: logikai értékek reprezentálása, a rendszerek sztatikus zavartűrése, meghajtóképesség és fogyasztás, dinamikus tulajdonságok, ABT, LVT, FCT, ECL, BTL, GTL és GTLP technológiák.
    • Nagysebességű rendszerek: távvezeték modell, Bergeron módszer,  be- és kikapcsolási jelenségek, osztatlan és osztott lezárás.
    • Metastabilitás:  a jelenség kvalitatív leírása, kvantitatív leírás, szinkronizáló áramkörök.  
    • Logikai jellemzők: buszrendszerek alapfogalmai, egyirányú, kétirányú, dedikált és közös használatú buszok; VLSI, kártya és rendszerszintű buszok, erőforrások és funkciók szerinti szétosztottság; a tranzakciók elemei, buszkérelem és arbitráció (koncentrált és elosztott, soros, lekérdezéses és független kérelmeken alapuló, egy kombinált arbiter tervezése), címzés (logikai és geografikus), adatátvitel (szinkron, aszinkron és szemiszinkron).
    A SATA busz (1 hét)
    • Előzmények: az ATA busz jellemzése, egymást követő szabványok, logikai jellemzők, regiszter- és parancsstruktúra, az átviteli sebesség növelésének korlátai.
    • SATA általános jellemzők, réteges struktúra, a fizikai réteg (mechanikai és elektromos jellemzők), az adatkapcsolati réteg (keret küldése és fogadása, összekeverés, 8b/10b kódolás, primitívek), a transzport réteg (FIS összeállítás és szétbontás, kommunikáció az adatkapcsolati réteggel, a puffer/FIFO tartalom menedzselése).
    • A SATA Express fontosabb jellemzői.
    Az USB busz (1 hét)
    • Bevezetésének előzményei. Általános jellemzők: rendszerarchitektúra (busz topológia, eszközök és végpontok) rendszer konfiguráció, fel- és lecsatlakozás, adatfolyam típusok, sebesség, sávszélesség allokáció, a hardver és szoftver réteges szerkezete, az USB helye egy PC-ben.
    •  A mechanikai interfész jellemzői: A és B típusú csatlakozók, mini USB B csatlakozó, On-The-Go specifikáció, kábelek.
    • Elektromos jellemzők: adók és vevők, jelszintek, J és K állapotok, a HUB és az eszközök kapcsolata, sebesség identifikáció, meghajtó- és vevőáramkörök, kódolás.
    •  Logikai jellemzők: az adatátvitel elemei, a tranzakciók csomagjai (token, adat és kézfogásos csomagok), az IN, OUT, SETUP és speciális csomagok, a tranzakciók lefolyása, USB leírók és konfigurálás.
    • Az USB 3.0 jellemzői.
    A PCI buszcsalád (1 hét)
    • A PCI buszbevezetésének előzményei, a család tagjai.
    • A PCI busz: általános jellemzők, mechanikai jellemzők (32 és 64 bites kártyák, 5V-al, 3,3V-al vagy mindkettővel üzemelő kártyák), elektromos tulajdonságok (CMOS adó- vevőáramkörök, visszavert hullámra kapcsolt rendszer), logikai jellemzők (buszjelek, buszparancsok, memória, IO és konfigurációs címtartományok, hierarchikus buszstruktúra, megszakítási rendszer, olvasási és írási tranzakció, konfigurálás.
    • A PCI Express busz: a soros technológia előretörése, rendszerarchitektúra, réteges felépítés, a fizikai réteg  elemei:  pufferek, multiplexerek, bájt szétszedő és összerakó modulok, összekeverők és visszaállítók, 8b/10b kódoló-dekódoló, órajel kinyerés, szóhatár felismerés, sávelcsúszás kompenzálás, vevő detektálás, karakter egymásrahatás kompenzálása), csomag alapú réteges protokoll (tranzakciós és adatkapcsolati réteg csomagok, szolgáltatási minőség, virtuális csatornák és forgalmi osztályok).
    Nagyteljesítményű mikrokontrollerek rész

    Számítógéparchitektúrák (1/2 hét)
    • Definíciók (utasításkészlet, mikro- és számítógép architektúra),  dinamikus és statikus interfész, a jó architektúra jellemzői, a fejlesztés motivációi a fejlődés lépései, virtuális gépek, szintek közti viszonyok, fordítás és interpretálás, számítógép generációk.
    Mikroarchitektúrák (1 1/2 hét)
    • Processzorok teljesítménye: az Iron szabály, közönséges csővezetékes, szupercsővezetékes, szuperskalár csővezetékes és VLIW processorok, Amdahl törvénye.
    • Közönséges csővezetékes processzorok szervezése: (elv, Earle puffer, a frekvencia felső határa), aritmetikai csővezeték, fix és lebegőpontos aritmetikai műveletek hardver megvalósítása, utasítás csővezeték, tipikus hatfázisú csővezeték, fizikai megvalósítás, valóságos csővezeték (RAW, WAW, WAR és feltételes függőségek és kiküszöbölésük).
    • Szuperskalár szervezés: egységes szerkezetű, diverzifikált és dinamikus csővezetékek, egymásrahatások és kiküszöbölésük, regiszter átnevezés, elágazásbecslés.
    • A P6 mikroarchitektúra: a három független motor, a mikroarchitektúra elemei és funkcióik.
    Speciális processzorok (1 1/2 hét)
    • Grafikus processzorok: a felbontóképesség, színmélység és funkcionalitás növelésének igénye, display adapter típusok, primitív, 2D és 3D grafikát támogató GPU-k, a GPU és a CPU kapcsolata, összehasonlítása, a grafikus csővezeték fokozatai, a GPU-k nem grafikus alkalmazásai.
    • Digitális jelprocesszorok: igények, FIR szűrő példa, klasszikus és modern jelprocesszor architektúrák, cirkuláris puffer, MAC egységek, gyors cikluskezelés, hardver verem, speciális címzési módok.
    • Hálózati processzorok: funkciók, megvalósítás általános célú számítógéppel, ASIC elemekkel, FPGA elemekkel és hálózati processzorokkal, rendszerarchitektúrák, végrehajtás a befejezésig feldolgozás modell, csővezetékes feldolgozási modell, egy tipikus hálózati processzor felépítése, a digitális hálózatok tipikus elemei (elosztók, kapcsolók, útválasztók, kapuk).
    Többprocesszoros rendszerek (1 hét)
    • A sebesség növelésének módjai,  többprocesszoros rendszerek osztályozása (feladat hozzárendelési mód, processzorok közti kapcsolat, utasítás és adatáram, memória megosztottság és vezérlési mechanizmus.
    • Reprezentatív rendszerek: lokális és globális memóriájú tömbprocesszorok, példa a síkbeli hőmérséklet-eloszlás számítására, kommunikációs hálózatok (crossbar, omega és Benes), szorosan és lazán csatolt MIMD rendszerek.
    • Gyorsítótár koherencia: Write back, Write through rendszerek, szoftver és hardver módszerek, könyvtár alapú és szimatoló protokollok.
    System-on-Chip rendszerek (1 hét)
    • SoB, SoC, PSoC és SoP rendszerek tulajdonságai, előnyök, hátrányok.
    • Újrahasználható IP-k: soft, hard és firm IP blokkok, analóg és vegyes jelű blokkok.
    • Kommunikációs infrastuktúra: a socket és az AXI alapú infrastruktúra.
    Szoft processzorok (1 hét)
    • A Spartan 6 rendszercsalád elemei: órajelhálózat, konfigurálható logikai blokkok, IO blokkok, memória elemek, DSP szelet.
    • PicoBlaze architektúra és erőforrásai.
    • MikroBlaze: architektúra, regiszterstruktúra és utasításkészlet, választható elemek, memória interfészek, IP elemek, MicroBlaze MCS.
    Zynq: FPGA alapú PSoc (1 hét)
    • Architektúra: ARM Cortex –A9 processzor (PS), programozható logikai eszköz (PL), AXI interfész a PS és PL között.
    • PS elemei: Application Processing Unit (APU), memória interfészek, IO perifériák (IOP), Central Interconnect.

    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) A tárgy anyaga előadásokon és gyakorlatokon kerül ismertetésre. Az előadások és a gyakorlatok az anyag ütemében váltogatják egymást, a gyakorlatokon példák és esettanulmányok formájában kerül elmélyítésre az előadásokon elhangzott elméleti tananyag.
    10. Követelmények A szorgalmi időszakban: egy zárthelyi
    A vizsgaidőszakban: írásbeli vizsga
    Az aláírás megszerzésének feltétele legalább elégséges szintű zárthelyi. A vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megléte.
    11. Pótlási lehetőségek A zárthelyi szorgalmi időszakban egy alkalommal, pótlási időszakban szintén egy alkalommal pótolható.
    12. Konzultációs lehetőségek Igény szerint, megbeszélés alapján.
    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom Gál T.: Interfésztechnikák.SZAK Kiad, 2010.
    Dr. Gál Tibor által készített óravázlatok, prezentációk, segédletek, amelyek letölthetők a tárgy honlapjáról.
    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontaktóra

    42

    Félévközi készülés előadásokra

    14

    Félévközi készülés gyakorlatokra
     7
    Felkészülés zárthelyire

    12

    Házi feladat elkészítése

    -

    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása

    -

    Vizsgafelkészülés

    45

    Összesen

    120

    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta
    Név: Beosztás: Tanszék, Intézet:
    Dr. Gál Tibor c. egyetemi tanár Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
    Kiss Domokos tanársegéd Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék