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

    Belépés
    címtáras azonosítással

    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Digitális technika

    A tantárgy angol neve: Digital Design

    Adatlap utolsó módosítása: 2016. május 30.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar
    Mérnök informatikus szak, BSc képzés
    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIMIAA01 1 3/1/2/V 7  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Fehér Béla, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék
    4. A tantárgy előadója

    Név:

    Beosztás:

    Tanszék, Int.:

    Dr. Fehér Béla

    egyetemi docens

    MIT

    Dr. Benesóczky Zoltán

    mestertanár

    MIT

    5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít -
    6. Előtanulmányi rend
    Kötelező:
    NEM (TárgyEredmény("BMEVIMIA111", "jegy", _) >= 2
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIMIA111", "felvétel", AktualisFelev()) > 0
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIMIAA02", "jegy", _) >= 2
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIMIAA02", "felvétel", AktualisFelev()) > 0
    VAGY
    TárgyEredmény( "BMEVIMIAA02" , "aláírás" , _ ) = -1)

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

    A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

    Ajánlott:
    -
    7. A tantárgy célkitűzése A Digitális technika tárgy egy fontos alapozótárgy a műszaki informatikai szakirány tantervében, és legfontosabb célkitűzése a mérnöki feladatmegközelítés és rendszerszemlélet bemutatása, az alapvető gyakorlati ismeretek, önálló problémamegoldási készségek kialakítása. A tárgy bemutatja a számítástechnikai rendszerek alapelemeinek működését, a digitális absztrakció tulajdonságait, az egyszerűbb feladatok közvetlen hardveres, ill. alacsonyszintű szoftveres megoldását. A bináris aritmetika, a műveletvégzők, funkcionális egységek, vezérlők tervezésének bemutatásán keresztül jut el az általános célú mikrovezérlő architektúra ismertetéséig, az elemi CPU használat, perifériatervezés és illesztés alkalmazásáig. A tárgyhoz kapcsolódó gyakorlatok és laboratóriumi foglalkozások során a hangsúly a korszerű számítógépes tervezői módszerek elsajátításán és a közvetlen tervezési/fejlesztési tapasztalatszerzésen van.
    8. A tantárgy részletes tematikája
    1. EA1: Bevezetés, a digitális technika világa. Hierarchikus megközelítés: Rendszer – modul – kapu/FF – elemi kapcsoló. A rendszer tervezése (szintézis) és a rendszer működésének elemzése (analízis). Analóg és digitális jelek. Konverzió, kvantálás, diszkrét értékek. A digitális reprezentáció: adatábrázolás, kódolás. Számrendszerek, számábrázolások (egész, valós, lebegőpontos) tulajdonságai (tartomány, felbontás).
      GY1: Számrendszerek, kódok, kódkonverzió (BIN-BCD, BCD-BIN). Bináris aritmetika.
      L1: Eszközkészlet, tervezői környezet bemutatása. Verilog HDL nyelvi alapok ismertetése (modul, bemenet, kimenet, funkció). Első projekt elkészítése (kapcsoló → LED).

    2. EA2: Logikai kapcsolatok, Boole algebra. Logikai függvények, kombinációs hálózatok. Specifikáció, reprezentáció, konverzió, egyértelműség. Alapelemek, kapuk, kétszintű hálózatok, az SOP realizáció. Minimalizálási algoritmusok. Nem teljesen specifikált feltételek kezelése. Többszintű hálózatok, a globális optimalizáció kérdései.
      GY2: Logikai függvények használata (specifikáció, egyszerűsítés, realizáció). Egyszerű feladatok megoldása, 1 bites összeadó, dekóder (N→2N), enkóder (2N→ N).
      L2: Kombinációs hálózatok tervezése Verilog HDL használatával. Elemi logikai függvények 3-4 változóra. BCD érték ellenőrzése 4 biten. 4 bites összeadó kaszkád kialakítással. 3/8 dekóder és 8/3 enkóder tervezése.

    3. EA3: Logikai eszközök technikai részletei. Az inverter működése, az alapkapuk felépítése. Jelszintek, kimenetek (normál, HiZ, OC). Univerzális elemkészletek, a realizáció egységesítése. NAND/NOR, MUX és LUT alapú tervezés és tulajdonságaik. Tároló funkció realizálása logikai elemekkel. Az élvezérelt DFF, mint szinkron mintavevő tároló. A több bites regiszter, mint összetett alapelem. A konfigurálható FPGA alaperőforrásai: logikai cella (LUT + DFF), I/O cella (DFF + HiZ I/O), huzalozás (kapcsolók) és az SRAM memóriacella (konfiguráció).
      GY3: Az általános kombinációs funkcionális egységek használata: bővíthetőség, kaszkádosítás (lineáris és fa topológiák), kiegészítő be és kimenetek. Az engedélyezhetőség fogalma, használata MUX és DEK esetén.
      L3: A 7 szegmenses kijelző használata. 4 bemenetű – 7 kimenetű kombinációs hálózat tervezése. A 4 digites kijelző statikus (1 digit) és dinamikus (2 digit) használata. BIN→BCD konverter tervezése 4-5-6 bitre.

    4. EA4: Az élvezérelt DFF szinkron működési tulajdonságai, időzítési paraméterek. A szinkron működés modellezése HDL nyelven. Az általános szekvenciális logika. FSM elrendezések, állapotregiszter, állapotátmeneti és kimeneti függvények. Specifikációs eszközök: állapotdiagram, állapottábla. HDL alapú FSM specifikációs stílusok, egyesített és szétválasztott leírás.
      GY4: Egyszerű sorrendi hálózatok állapotdiagramjának felrajzolása. A HDL specifikáció megtervezése az általános FSM modell alapján.
      L4: 4 bites kódadó FSM tervezése, fix és beállítható kóddal. Működés idődiagramjának ellenőrzése szimulációval. 4 bites mintafelismerő FSM tervezése fix és beállítható kóddal.

    5. EA5: Állapotminimalizálás elve, módszerei. Állapotkódolás szerepe, hatása az FSM komplexitására. Nem definiált állapotok kezelése. Az általános multifunkciós regiszter felépítése, vezérlési függvények származtatása. Példák: SHR, CNT. Alapállapot beállítás, töltés, engedélyező és irányvezérlés funkciók. Kódolt és dekódolt vezérlés. A HDL modell felépítése, prioritási szempontok.
      GY5: Általános célú shift regiszter tervezése. Interfészjelek, vezérlőjelek használata. Kaszkádosítás. SHR alapú számlálók. Bináris számlálók. BCD számlálók.
      L5: SHR alapú számlálók. Teljes 4 digites 7 szegmenses kijelző egység felépítése. BCD számláló megtervezése, 4 digites számláló lánc kialakítása.

    6. EA6: Kombinációs és szekvenciális funkcionális építőelemek. Adatfeldolgozó egységek tervezése, példák egyszerűbb feladatokra. Számlálók tulajdonságai, használatuk ütemezési, időzítési feladatokra. Programozható logikai elemek, PLD, FPGA. Memóriák: RAM, ROM. Szinkron memóriák FPGA áramkörökön belül. HDL specifikációs minták.
      GY6: Memória eszközök használata. NxM méret kialakítása nxm blokkokból. Dekódolás feladatai: címzés, engedélyezés, adatvonalak kezelése. Írás/olvasás műveletek. SRAM memóriavezérlő áramkör funkcióinak áttekintése.
      L6: Mintakereső áramkör tervezése 256 bájtos ROM memóriához. Feladat: Előírt tulajdonságú adatbájt megkeresése, {cím, adat} kijelzése a 4 digites kijelzőn.

    7. EA7: A regisztertranszfer szintű tervezés. Vezérlő és adatfeldolgozó egységek együttes specifikációja. Feladatspecifikus megoldások, a tervezés menete.
      GY7: Digitális rendszer tervezése a legnagyobb közös osztó (GCD) meghatározásához. Az algoritmus áttekintése, a feldolgozás lépései, a szükséges műveleti egységek és vezérlőjelek meghatározása. A vezérlőegység állapotdiagramja és megtervezése.
      L7: A GCD egység HDL kódjának elkészítése, szimulációja, megvalósítása.

    8. EA8: Szisztematikus vezérlők, az ASM megközelítés. Elemei műveletek, feltételek kezelése. Állapotátmenetek, vezérlési szerkezetek. A mikroprogramozott vezérlő egység. Címregiszter, feltétel kiválasztás, vezérlő utasítások (CONT, JMP, CJP(cond)). A mikroutasítás felépítése. Az általánosított adatfeldolgozó egység. Be- és kimeneti interfészek, belső tároló egység, műveletvégző. Adatméret, műveletek szabványosítása. Az általános adatstruktúra elemei: memória, regiszterek/regisztertömb, stack, ALU, státuszjelző bitek.
      GY8: A GCD feladat realizációja mikroprogramozott vezérlővel. Mikroutasítás specifikációja, mikroprogram szervezése, vezérlőjelek.
      L8: A mikroprogramozott vezérlő HDL specifikációjának megtervezése. Az algoritmus mikrokódjának elkészítése.

    9. EA9: A mikrovezérlő/mikroprocesszor bevezetése. Programtár, programszámláló, utasítás végrehajtási fázisok: F-D-E. Az utasítás végrehajtás FSM modellje. Az utasítás architektúra (IA) jelentősége, típusai: 0R, 1R, 2R, 3R címes utasítás felépítés. RISC/CISC jellemzők. Utasításkészlet elemzése. Operandus elérés, címzési módok. Gépi szintű programozás, gépi kód, mnemonik, egyszerű program.
      GY9: MiniRISC CPU felépítése, blokkvázlat. A MiniRISC gépi kódú programozása, 2-3 egyszerű program elkészítése (max. 10-20 utasítás!)
      L9: A MiniRISC GUI bemutatása. A gyakorlaton elkészített forráskódok használata, fordítás, letöltés, futtatás. Hibakeresés/javítás lehetőségei.

    10. EA10: A mikroprocesszoros busz. Cím, adat, vezérlő jelek. Buszok jellemzői: buszciklus fogalma, szinkron/aszinkron átvitelvezérlés, master/slave egységek, arbitráció. Perifériakezelés fogalma, alapvető műveletek: címdekódolás, parancsjelek előállítása, szikronizálás/nyugtázás. Buszillesztő logika elemei: adat regiszterek, parancs/státusz regiszterek. A felhasználói logika működtetése, monitorozása. Perifériakezelés feladatai: alaphelyzetbe állítás, üzemmód beállítás, indítás. Adatforgalom szervezése lekérdezéssel, ill. visszajelzéssel (IRQ).
      GY10: Periféria illesztőegység tervezése bemeneti (kapcsoló, nyomógomb) és kimeneti (LED) eszköz használatához. Címdekóder, parancsjel generátor, adatbusz fogadás/meghajtás.
      L10: Lekérdezéses periféria kezelés használata LED fényerő vezérléshez.

    11. EA11: A mikrovezérlők tipikus perifériaegységei: A GPIO periféria. Jelentése, áramköri felépítés, jellemző szolgáltatások, használat. Egyszerű IN/OUT/INOUT. Programozott interfészek. Konfigurálás, programozás. Az időzítő egység. Jelentése, áramköri felépítés, jellemző szolgáltatások, használat. Ütemezés, időzítés, mérés, periodikus jelalakok.
      GY11: Mikroszervo motor vezérlés tervezése: Vezérlő hullámforma specifikációja, -90°, 0°, +90° beállításához. Bemenet: 2 digites BCD érték, előjel nyomógombbal.
      L11: Mikroszervo motor vezérlés tervezése programozott időzítő alapú PWM vezérléssel, GPIO interfészen.

    12. EA12: A megszakítás fogalma, jelentősége. A processzor működése megszakítás használata esetén. Engedélyezés, kérés elfogadása, állapotmentés, megszakítás kiszolgáló rutin, visszatérés. Megszakításrendszerek osztályozása: egyszerű, vektoros, egyszintű, többszintű. A megszakítás vezérlő feladata, prioritáskezelés.
      GY12: Mikroprocesszoros digitális óra tervezése HHMM kijelzéssel, Ébresztő funkció, időzítés beállítás megszakításos perifériakezeléssel.
      L12: Mikroprocesszoros óra forráskód kiegészítése a megszakításhoz kapcsolódó részfunkciókkal.

    13. EA13: Mikrovezérlők adatátviteli interfészei: soros UART/USRT, SPI. A külső buszok kialakítási lehetőségei. Autonóm adatátviteli egységek, a közvetlen memória elérés jellemzői, működése, kialakítása.
      GY13: Egyszerű DMA periféria egység funkcióinak áttekintése, regiszterek használata, felprogramozás. A működés elemzése, sebességadatok összehasonlítása.
      L13: Adatblokk mozgatása a memóriából az USRT periférián át a PC terminálra DMA segítségével.

    14. EA14: Félévi tematika áttekintése. A digitális technika alkalmazása beágyazott rendszerekben. HW-SW együttes kezelése a rendszermegvalósítás során. Összetett hierarchikus rendszerek tervezése.
      GY14: -
      L14: -
    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás, gyakorlat, laboratórium.
    10. Követelmények

    A szorgalmi időszakban:

    A tárgy előadásainak, gyakorlatainak és laboratóriumi foglalkozásainak látogatása kötelező. A jelenlét ellenőrzése az előadásokon központilag, a gyakorlatokon és laborfoglalkozáson egyedileg történik.  Aláírást nem kaphat az a hallgató, aki az előadások több mint 30%-áról, illetve több, mint 4 gyakorlati vagy több, mint 2 laboratóriumi gyakorlatról hiányzott. Az órarend szerint elmaradó alkalmak nem számítanak hiányzásnak.  

    A szorgalmi időszakban a hallgatók 1 db zárthelyi dolgozatot (max. 60 pont) és 2 db házi feladatot (2x15 pont) készítenek el egyénileg. A laboratóriumi foglalkozásokhoz külön számonkérés nem tartozik, az előírt feladatokat sikeresen teljesítők alkalmanként 1-1 pontot kaphatnak.

    A félévvégi aláíráshoz a jelenléti követelmények teljesítése és összességében minimum 40 pont szükséges. 

    A vizsgaidőszakban:

    A tárgyból írásbeli vizsgát tartunk. Az osztályzat megállapítása 75%-ban az írásbeli vizsga és 25%-ban a félévközi pontszám alapján történik. Az elégséges osztályzathoz a vizsgadolgozat minimum 40%-os teljesítése szükséges.  

    11. Pótlási lehetőségek

    A félév során és a pótlási időszakban egy-egy pótzárthelyi alkalmat biztosítunk. A félév során (utolsó héten) és a pótlási héten egy-egy laboratóriumi jelenlét pótolható.

    A határidőre be nem adott házi feladatok beadása a pótlási hét végéig pótolható különeljárási díj ellenében.  

    A szorgalmi és extra feladatok a határidő után már nem adhatók be.  

    12. Konzultációs lehetőségek A tárgy oktatói igény szerint biztosítanak konzultációs lehetőséget.
    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom A tárgy honlapján: www.mit.bme.hu/oktatas/targyak/vimiaa01
    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontakt óra 84
    Félévközi készülés órákra 42
    Felkészülés zárthelyire 14
    Házi feladat elkészítése 40
    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása 0
    Vizsgafelkészülés 30
    Összesen 210
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

    Név:

    Beosztás:

    Tanszék, Int.:

    Dr. Fehér Béla

    egyetemi docens

    MIT

    IMSc tematika és módszer

    Az IMSC képzés számára a tárgy a következő kiegészítéseket biztosítja:

    1. Előadás: Az IMSC képzés részére önálló előadáskurzust nem indítunk.

    2. Gyakorlat: Az IMSC hallgatók számára emelt szintű tanköri foglalkozásokat tartunk. Az emelt szintű gyakorlatokon alaposabb elemzéseket, kiegészített gyakorlati feladatok bemutatását tervezzük. (Ezek a feladatok a többi hallgató számára szorgalmi feladatként jelennek meg.)

    3. Laboratórium: Az IMSC hallgatók számára az emelt szintű laboratóriumi foglalkozások során a mérőcsoportok önálló feladatmegoldását ösztönözzük, az előírt feladatok mellett/helyett megengedve egyéni elképzelések, saját feladatok megfogalmazását és megoldását. 

     

    IMSc pontozás

    A tárgy teljesítése során a tárgy kreditszámának megfelelő 35 IMSC pontot a következőképpen lehet megszerezni: félév közi követelmények 25 pont, vizsgakövetelmények 10 pont.

    ZH IMSC feladatok 10 pont

    HF IMSC feladatok 10 pont

    EXTRA IMSC feladat 5 pont   

    Vizsga IMSC feladatok 10 pont

    Az IMSC pontok megszerzése minden hallgató számára elérhető, de értékelésük csak abban az esetben történik meg, ha az adott számonkérési forma (ZH, HF, vizsga) alapfeladatain elért eredmény eléri a jeles szintet. Az egyes pontok megszerezhetősége nem függ az adott követelmény teljesítésének módjától (pót ZH-n, határidőn túl beadott HF, pót vagy javító vizsga), az IMSC pontok minden esetben megszerezhetők. Kivétel az EXTRA feladatra adható IMSC pontok, mert az EXTRA IMSC feladat a határidő letelte után nem adható be és az EXTRA IMSC pontok nem szerezhetők meg.

    Részletek:

    Az IMSC pontok a ZH és vizsgadolgozatok során a dolgozatok F2 és F3 nagyfeladataihoz kapcsolódó kiegészítő feladatok megválaszolásával szerezhetők meg, ha a teljes alapdolgozat pontszám elérte a jeles szintet. (5-5 IMSC pont feladatonként)

    A két HF során az alapfeladat kiírásán túl egy kiegészítő részfeladatot is megfogalmazunk, amelynek megoldásával szerezhető meg az 5-5 IMSC pont, ha egyébként az alapfeladat minősége a jeles szintet elérte.    

    Az EXTRA IMSC feladat a szokásos szorgalmi feladatokhoz hasonlóan fog megjelenni, 2 hét beadási határidővel. A feladat határidőn belül benyújtott helyes megoldása 5 IMSC pontot ér.  

     

    Egyéb megjegyzések NEM (TárgyTeljesítve("BMEVIMIA111") )