Detail předmětu

Mikroprocesory

FEKT-BMICAk. rok: 2011/2012

Zobrazení čísel v počítači. Logické funkce Boolova algebra, kombinační a sekvenční logické obvody. Princip činnosti mikroprocesoru. Sdresovací módy. Podprogramm přerušení, práce se zásobníkem. Von Neumanova a harwardská koncepce počítače. Přesahování a řetězení. Superskalární architektura. Procesory CISC a RISC. Multiprocesorové systémy a procesorová pole. Mikrokontroléry firmy Freescale řady HCS12: Programátorský model. Adresovací módy. Instrukční soubor. Periferie: Porty, A/D převodník, časovací subsystém, SPI, SCI, IIC, PWM. Segmentace. Stránkování, virtualizace paměti, logická a fyzická adresa, MMU. Uživatelský a privilegovaný (supervisor) mód. Mikroprocesory Intel s IA32/IA32e architekturou: programátorský model, adresovací módy, reálný a chráněný režim, ochrana paměti, přepínání procesů, stránkovací jednotka u IA32/IA32e, přerušení. Embedded systémy.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

Ing. Tomáš Macho, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav automatizace a měřicí techniky (UAMT)

Výsledky učení předmětu

Studenti jsou schopni navrhovat kombinační a sekvenční logické obvody, mikroprocesorové systémy, spojovat je s okolím a vytvářet pro tyto systémy softwarové vybavení.

Prerekvizity

Základní znalost programování v jazyce C.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.

Způsob a kritéria hodnocení

Studenti jsou hodnoceni průběžně během studia na cvičeních. Za semestr tak mohou získat max. 40 bodů (15 bodů písemný test, 10 bodů odevzdání zadaných úloh, 15 bodů závěrečný test). Podmínkou udělení zápočtu je účast na všech cvičeních (toleruje se 1 neomluvená neúčast).
Závěrečná zkouška je hodnocena max. 60ti body.

Osnovy výuky

1. Úvod. Definování pojmu logický obvod, dvoustavové signály. Matematická logika, logická funkce, Booleova agebra. Úplně a neúplně zadaná logická funkce. Vyjádření logické funkce pomocí tabulky a algebraického výrazu (ÚDNF, ÚKNF). Minimalizace logických funkcí. Algebraická minimalizace. Realizace logických obvodů pomocí členů NAND a NOR. Karnaughovy mapy.
2. Základní funkční bloky sestavené z kombinačních logických obvodů: binární dekodér, multiplexor, demultiplexor, prioritní kodér, číslicový komparátor, převodník kódu.
3. Klopné obvody princip, rozdělení. RS, D, JK, T, master-slave klopné obvody. Sekvenční logické obvody: modelování pomocí konečného automatu, Huffmanův model, Mealyho automat, Moorův automat.
4. Datové registry, posuvné registry, synchronní a asynchronní čítače, děliče. Sběrnice.
5. Von Neumannova koncepce pocítace. Základní cyklus počítače. Blokové schéma počítače, ALU, řadič, registry, paměť, periferie. Organizace paměti. Mikroprocesor, mikrokontrolér, signálový procesor, signálový kontrolér.
6. Program, instrukce, instrukční soubor, typy instrukcí, počet operandů v instrukci, architektura souboru instrukcí. Adresovací módy.
7. Strojový kód a assembler. Podprogramy, práce se zásobníkem. Rozdíl mezi podprogramem a makrem. Zásobník a jazyk C.
8. Obsluha periferií: aktivní čekání, přerušení, DMA. Synchronní a asynchronní přerušení. Činnost procesoru při obsluze přerušení. Maskovatelné, nemaskovatelné a pseudomaskovatelné přerušení. Reset.
9. Periferní subsystémy mikrokontrolérů: porty, generování hodinového signálu (oscilátory, fázový závěs), hodiny reálného času, watchdog (COP), časovače (funkce Imput Capture a Output Compare), pulsní akumulátory, PWM, SPI, A/D, D/A převodníky.
10. Von Neumannova, harvardská a modifikovaná harvardská architektura. Řetězení (pipelining), problémy při řetězeném zpracování instrukcí. Superskalární architektura. Multiprocesorové systémy a procesorová pole.
11. Paměti: rozdělení, parametry. Princip a vlastnosti pamětí SRAM, DRAM, SDRAM, DDR RAM, ROM, EPROM, EEPROM, FLASH, FeRAM, MRAM.
12. Připojování pamětí ke sběrnicím. Principy lokalit a hierarchie paměti, paměť cache.
13. Správa paměti. Systémy bez abstrakce paměti. Abstrakce - paměťový prostor. Bázový registr a registr pro limit. Stránkování a segmentace. Virtualizace paměti.

Učební cíle

Seznámit posluchače s návrhem logických obvodů, principy činnosti mikroprocesorů, základy tvorby softwarového vybavení pro systémy s mikroprocesory a mikrokontroléry a embedded systémy.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Prerekvizity a korekvizity

Základní literatura

Ličev L., Morkes D., Procesory - architektura, funkce, použití. Brno: Computer press, 1999. 260 s. ISBN 80-7226-172-X. (CS)
Pinker J., Poupa M. Císlicové systémy a jazyk VHDL. Praha: BEN, 2006. 349 s. ISBN 80-7300-198-5. (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-B bakalářský

    obor B-AMT , 2 ročník, letní semestr, povinný

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, letní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Tomáš Macho, Ph.D.

Osnova

1. Matematická logika, logická funkce, Booleova agebra. Vyjádření logické funkce pomocí tabulky, algebraického výrazu, Karnaughovy mapy, zjednodušování logických funkcí. Rozdělení logických obvodů.
2. Kombinační logické obvody (spínače, přepínače, dekodéry, multiplexory, demultiplexory). Sekvenční logické obvody: klopné obvody.
3. Sekvenční logické obvody: Huffmanův model automatu, Mealyho automat, Moorův automat.
Registry, čítače, děliče, posuvné registry.
3. Paměti. Blokové schéma počítače, CPU - ALU, řadič, registry. Mikroprocesor, mikropočítač, mikrokontrolér, signálový procesor. Popis činnosti mikroprocesoru. Hodinový cyklus, fáze, strojový cyklus a instrukční cyklus.
4. Adresovací módy. Podprogramy, přerušení, práce se zásobníkem. Von Neumannova, harvardská a modifikovaná harvardská architektura mikroprocesorů. Přesahování (overlapping), řetězení (pipelining), problémy při řetězeném zpracování instrukcí.
5. Mikrokontroléry Motorola řady HCS12: Programátorský model, adresovací módy. Operační módy a paměťové mapy.
6. HCS12: Přerušovací systém. Porty, jednotka MEBI funkce Key Wake up, jednotka PIM. Jednotka CRG (oscilátory, fázový závěs, hodiny reálného času (RTI), watchdog (COP)).
7. HCS12: A/D převodník. Časovací subsystém: funkce input capture, funkce output compare, pulsní akumulátory.
8. HCS12: Sériový asynchronní komunikační kanál SCI. Sériový synchronní komunikační kanál SPI. Mudul PWM. Úsporné režimy WAIT a STOP.
9. Připojování vnějších prvků jako paměti, A/D a D/A převodníky, displeje, klávesnice k mikrokontrolérům.
10. Segmentace, stránkování a virtualizace paměťového prostoru. Architektura procesorů Intel IA32 (I386): Programátorský model registry ALU. Adresovací módy. Adresování paměti a I/O zařízení.
11. IA32: Tvorba fyzické adresy v reálném módu. I386 chráněný režim: Procesy a úrovně oprávnění. Selektory a deskriptory, tabulky deskriptorů GDT, LDT. Zpřístupnění datového segmentu.
12. IA32: Předání řízení do instrukčního segmentu, brány. Přepínání procesů. Přerušení v reálném a v chráněném režimu. Stránkovácí jednotka.
13. Architektura procesorů Intel P6. MMX, SSE, SSE2, SSE3 instrukce. Nové trendy ve vývoji procesorů Intel. Embedded systémy.

Cvičení na počítači

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Tomáš Macho, Ph.D.
Ing. Petr Petyovský, Ph.D.

Osnova

1. Číselné soustavy, převody mezi dekadickou, binární a hexadecimální číselnou soustavou. Sečítání a odečítání binárních čísel, první a druhý doplněk. Násobení a dělení binárních čísel.
2. Vyjádření čísel s pohyblivou řádovou čárkou dle standardu IEEE-754. Zjednodušování logických funkcí, návrh binární sčítačky.
3. Návrh sekvenčních logických obvodů.
4. Jazyk symbolických adres mikrokontrolérů HCS12. Program v jazyce symbolických adres pro součet a rozdíl dvou 16-ti a 32-ti bitových čísel.
5. Program v jazyce symbolických adres pro přesun pole čísel. Program v jazyce symbolických adres pro setřídění pole čísel.
6.Program v jazyce symbolických adres pro násobení dvou 16-ti bitových čísel pomocí instrukce MUL. Program v jazyce symbolických adres pro násobení dvou 16-ti bitových čísel pomocí posuvů.
7. Program v jazyce symbolických adres - práce se zásobníkem.
8. Program v jazyce C - práce s binárními I/O prorty.
9. Program v jazyce C demonstrující využití funkce Real Time Interupt u HCS12.
10. Program v jazyce C demonstrující využití sériového komunikačního rozhraní (SCI) u HCS12.
11. Program v jazyce C demonstrujícího použití A/D převodníku mikrokontrolérů řady HCS12.
12. Program v jazyce C demonstrující využití funkce Output Compare a Input Capture časovacího systému HCS12.
13. Zápočtový test.