Nagyteljesítményű mikrokontrollerek és interfészek

A tantárgy angol neve: High Performance Microcontrollers and Interfaces

Adatlap utolsó módosítása: 2020. december 26.

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,
4. A tantárgy előadója
Név: Beosztás: Tanszék, Intézet:
Dr. Tevesz Gábor egyetemi docens Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Kiss Domokos tanársegéd Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Dr. Nagy Ákos adjunktus Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Kovács Viktor tanársegéd
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

Nagyteljesítményű mikrokontrollerek rész (9 ea)

  • Számítógéparchitektúrák (1 ea)
  • 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 (2 ea)
  • Processzorok teljesítménye: az Iron szabály, közönséges csővezetékes, szupercsővezetékes, szuperskalár csővezetékes és VLIW processzorok, 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.
  • Grafikus processzorok (2 ea)
  • 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.
  • ARM Cortex A processzorcsalád (3 ea)
  • Az ARM Cortex A processzorcsalád tulajdonságai
  • Digitális jelprocesszor tulajdonságok a mai kontrollerekben. Igények, FIR szűrő példa, klasszikus és modern jelprocesszor architektúrák, cirkuláris puffer, MAC egységek, gyors cikluskezelés, hardver verem, speciális címzési módok.
  • Többprocesszoros rendszerek (1 ea)
  • A sebesség növelésének módjai,  többprocesszoros rendszerek osztályozása (feladat hozzárendelési mód, processzorok közti kapcsolat, utasítás és adatáram, memória megosztottság és vezérlési mechanizmus). Többmagos processzorok vs. többprocesszoros rendszerek.
  • Reprezentatív rendszerek: lokális és globális memóriájú tömbprocesszorok, példa a síkbeli hőmérséklet-eloszlás számítására, szorosan és lazán csatolt MIMD rendszerek.
  • Gyorsítótár koherencia: Write back, Write through rendszerek, szoftver és hardver módszerek, könyvtár alapú és szimatoló protokollok.

Buszok és interfészek rész (6 ea)

  • Interfészek és buszok általános jellemzői (1 ea)
  • Mechanikai jellemzők
  • Elektromos jellemzők
  • Logikai jellemzők.
  • A SATA busz (1 ea)
  • 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 (2 ea)
  • 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 ½ ea)
  • A PCI buszbevezetésének előzményei, a család tagjai.
  • 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).
  • A Thunderbolt interfész (½ ea)

System-on-chip rendszerek (4 ea)

  • Egylapkás rendszerek általános tulajdonságai (1 ea)
  • 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 ea)
  • A Spartan 6 rendszercsalád elemei: órajelhálózat, konfigurálható logikai blokkok, IO blokkok, memória elemek, DSP szelet.
  • PicoBlaze architektúra és erőforrásai.
  • MicroBlaze: architektúra, regiszterstruktúra és utasításkészlet, választható elemek, memória interfészek, IP elemek, MicroBlaze MCS.
  • Zynq: FPGA alapú PSoC (2 ea)
  • 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 a zárthelyi elfogadható (legalább elégséges szintű, ami 45%) megoldása. A vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megléte. A vizsgán is el kell érni legalább az elégséges szintet, a tantárgyból szerzett érdemjegy 30%-ban a zárthelyin, 70%-ban a vizsgán mutatott eredményből tevődik össze.
11. Pótlási lehetőségek A zárthelyihez a TVSZ előírásai szerint a szorgalmi időszakban 1 pótlási lehetőséget biztosítunk. Második pótlás lehetősége csak indokolt esetben, egyéni egyeztetést követően biztosítható.
12. Konzultációs lehetőségek Igény szerint, megbeszélés alapján.
13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom Gál T.: Interfésztechnikák. SZAK Kiadó, 2010.
Gál T., Tevesz G., Kiss D., Nagy Á., Kovács V.: Nagyteljesítményű mikrokontrollerek és interfészek (Elektronikus jegyzet, elérhető a tantárgy honlapján). BME AUT, 2020.
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
Dr. Tevesz Gábor egyetemi docens Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Kiss Domokos tanársegéd Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Dr. Nagy Ákos adjunktus Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Kovács Viktor tanársegéd
Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék