Mikrorendszerek tervezése

A tantárgy angol neve: Design of Microsystems

Adatlap utolsó módosítása: 2009. október 31.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Villamosmérnöki szak, MSc képzés

Programozható logikai eszközök alkalmazástechnikája mellékszakirány

Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIMIM363 3 2/1/0/v 4  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Fehér Béla,
4. A tantárgy előadója

Dr. Fehér Béla egyetemi docens

Szántó Péter tanársegéd

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Digitális technika
6. Előtanulmányi rend
Kötelező:
NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIMIMA14" , "jegy" , _ ) >= 2
VAGY
TárgyEredmény("BMEVIMIMA14", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

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

A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

7. A tantárgy célkitűzése

A korszerû elektronikai berendezések felépítésében domináns módon jelentkezik az egyetlen áramkörben történõ teljes rendszer megvalósítás igénye. Ez az SoC (System on a Chip) koncepció valódi VLSI technológia mellett lehetõvé teszi az analóg és RF komponensek integrálását is, de sok szempontból igéretes az SoPC (System on a Programmable Chip), a legújabb platform jellegû FPGA-k használatán alapuló digitális mikrorendszer fejlesztési technológia is.

A tantárgy ismereteket ad a mikrorendszerek programozott áramkörökkel történõ tervezéséhez. Megismerteti a hallgatókat a modul alapú fejlesztéssel, a szélesebb körben használt áramkörön belüli rendszerbusz szabványokkal, a modulokra vonatkozó tervezési elvekkel. Áttekinti a konfigurálható mikroprocesszoros rendszerek fõbb architekturális jellemzõit, ismerteti az egyes megoldások alkalmazásfüggõ kialakításának elõnyeit, hátrányait. Bemutatja a nagykomplexitású programozható hardver eszközök (FPGA-k) rendszertechnikai tulajdonságait, a korszerû és hatékony tervezési módszereket. Részletesen ismerteti a magasszintû HDL és más nyelvi eszközök használatát a funkcionális modulok tervezése, ellenõrzése és rendszerbe integrálása során.

8. A tantárgy részletes tematikája

Mikrorendszerek fejlesztése: specifikáció, analízis. Megvalósítási lehetőségek programozható áramkörökkel. Az FPGA-k fontosabb tulajdonságai. Komplex vezérlések realizálása: Állapotgép, magasszintű állapotgép, általános célú vezérlők, mikroprogramozható vezérlő. Gyakorlat: Vezérlőegység tervezése FPGA-val

Az általános célú mikrorendszerek felépítésének modellje programozott eszközök alkalmazásával. Egy tipikus mikrovezérlő belső felépítésének elemzése. Programozási modell, végrehajtás ütemezése.   

A rendszerfelépítés modelljei, a SW-HW szétválasztás lépései. Realizációs opciók és költségeik. Végrehajtási idő, vezérlési gráf komplexitás, megbízhatóság, bővíthetőség. Gyakorlat: Periféria tervezés, kezelés és működtetés SW és HW módszerekkel.  

A SW modell motorja: a konfigurálható mikroprocesszoros vezérlő. Általános célú beágyazott mikroprocesszorok (utasításkészlet, működési modell, adatstruktúra, SW támogatás). Teljesítmény arányos erőforrás méretezés, program és adatméret optimalizálás. A konfigurálható mikroprocesszor struktúrák előnyei és speciális megvalósítási lehetőségei: egyedi utasítások, memória szervezés kialakítása, feladatorientált megvalósítás, pl. protokoll processzorok.

Az alkalmazás specifikus funkcionális egységek adatfolyam tervezésének lépései. Végrehajtási idő elemzés, profiling szerepe az optimalizálásban. Kritikus programrészek analízise, HW megvalósíthatóság elemzése. A HW gyorsító rendszerek beépítésnek technológiája.

A mikrorendszer gerince: a rendszerbusz architektúra. Hagyományos buszok felépítése, szolgáltatásaik és korlátaik. Átviteli sebesség, sávszélesség és késleltetés. Az áramkörön belüli buszok jellemző tulajdonságai. Hierarchikus és hálózat jellegű megoldások. Fontosabb buszstruktúrák áttekintése és elemzése (AMBA, Avalon, CoreConnect, Whisbone). Busz architektúrák elemzése: komplexitás, támogatás, teljesítmény, kompatibilitás, előnyök, hátrányok.

A funkcionális modulok alkalmazása a tervezésben: specifikáció, megvalósítás, rendszerbe integrálás. Egyedi tervezés, meglévő modoluk beépíthetősége. Az újrahasznosíthatóság előnyei, kérdései. A VC (Virtual Component) és az IP (Intellectual Property) alapú tervezés specifikációs, implementációs és alkalmazási kérdések. Gyakorlat: Perifériák, IP modulok beépítése komplex mikroprocesszoros rendszerekbe.

Fontosabb rendszerelemek áttekintése (CPU-k, memóriavezérlők, arbiterek, interfészek). Az interfész modellek alkalmazása egyedi egységek tervezésekor. Fejlesztési eszközök: Szimulátorok, busz funkcionális modellek, teszt generátorok. Hardver-szoftver együttes fejlesztés és hibakeresés eszközei alacsony szinten. Debugolási lehetőségek, töréspontok, beágyazott logikai analizátor, nyomkövetési memória. 

Firmware és szoftver fejlesztési eszközök. A eszköz független GCC technológiai platform és megjelenése a gyártói fejlesztési környezetekben. Fordítók, linkerek, assemblerek és használatuk. Az Eclipse GUI és szolgáltatásai egy tipikus projekt fejlesztés során. Gyakorlat: Egy szoftver alkalmazás fejlesztésének bemutatása.   

A magasszintű HW tervezés korszerű módszerei: a HDL nyelvek, a grafikus modul generátorok és szoftver alapú specifikációs és szimulációs eszközök (VHDL, Verilog, SPW, MATLAB System Generátor, Celoxica, SystemC, LabView FPGA). A magas szintű alkalmazásfejlesztés értékelése. Gyakorlat: Egyszerű alkalmazások demonstrációs fejlesztése.

A fontosabb FPGA gyártók által támogatott rendszermegoldások ismertetése (Actel, Altera, Lattice, Xilinx).

 

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás és gyakorlat
10. Követelmények A tárgyból szóbeli vizsgát tartunk. A vizsgára az jelentkezhet, aki az aláírást megszerezte. Az aláírás feltételei a következők: A félév során kiadott tervezési feladat elõírt színvonalú elkészítése.
11. Pótlási lehetőségek

A házi feladat a szorgalmi időszakban és a pótlási időszakban is beadható.

12. Konzultációs lehetőségek Megbeszélés szerint
13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

James O. Hamblen, M.D. Furman: Rapid Prototyping of Digital Systems, Kluwer Academic Publisher ISBN 0-7923-8604-3

Z. Salcic, A. Samilagic: Digital System Design and Prototyping Using Field programmable Logic, Kluwer Academic Publisher ISBN 0-7923-9935-8

D.R. Smith, P. D. Franzon: Verilog Styles for Synthesis of Digital Systems, Prentice Hall, ISBN 0-201-61860-5

 

Előadások óravázlata a tárgy honlapján elektronikusan elérhető 

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
Kontakt óra42
Félévközi készülés órákra10
Felkészülés zárthelyire0
Házi feladat elkészítése20
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása0
Vizsgafelkészülés48
Összesen120
15. A tantárgy tematikáját kidolgozta Dr. Fehér Béla egyetemi docens, Szántó Péter tanársegéd
Egyéb megjegyzések A tárgy angol neve: Design of Microsystems