Detail předmětu

Microprocessors

FEKT-CMICAk. rok: 2016/2017

Předmět je zaměřen na základy logických obvodů a mikroprocesorových a embedded systémů. Studenti se seznámí s návrhem kombinačních a sekvenčních logických obvodů, principem činnosti mikroprocesorů, použitím mikrokontrolérů, paměťovými systémy a správou paměti. Ve cvičeních studenti získají praktické zkušenosti s programováním mikrokontrolérů v assembleru a jazyce C.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

6

Garant předmětu

Ing. Tomáš Macho, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav automatizace a měřicí techniky (UAMT)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu by měl být schopen:
- navrovat kombinační logické obvody,
- navrhovat sekvenční logické obvody typu Mealy a Moore automat,
- navrhnot připojení externích pamětí k mirokontroléru,
- vytvořit softwarové vybavení pro mirokontrolér v assembleru a jazyce C,
- popsat hierarchii paměti a vysvětlit použití pamětí cache,
- vysvětlit rozdíl mezi mikroprocesorem, mikrokontrolérem, signálovým procesorem a signálovým kontrolérem,
- vysvětlit mechanismus segmentace, stránkování a virtualizace paměti.

Prerekvizity

Student by měl být schopen vytvořit jednoduchý program v jazyce C a vysvětlit funkci základních elektronických součástek.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a cvičení na počítači. Student vypracuje šest úloh.

Způsob a kritéria hodnocení

Počítačová cvičení jsou hodnocena max. 40 body, z toho 10 bodů za samostatné naprogramování zadaných úloh a 30 bodů za dva testy.
Závěrečná zkouška má písemnou část a je hodnocena max. 60 body.

Osnovy výuky

1. Logická funkce. Booleova agebra. Minimalizace logických funkcí. Realizace logických obvodů pomocí členů NAND a NOR.
2. Binární dekodér, multiplexor, demultiplexor, analogový multiplexor, prioritní kodér, číslicový komparátor, převodník kódu.
3. Klopné obvody: princip, RS, D, JK, T, master-slave klopné obvody. Sekvenční logické obvody: modelování pomocí konečného automatu, Huffmanův model, Mealyho a Moorův automat.
4. Datové registry, posuvné registry, synchronní a asynchronní čítače, děliče.
5. Von Neumannova koncepce počítače. Základní cyklus počítače. Blokové schéma počítače, ALU, řadič, registry, paměť, periferie. Mikroprocesor, mikrokontrolér, signálový procesor, signálový kontrolér.
6. Program, instrukce, instrukční soubor, typy instrukcí. Adresovací módy.
7. Strojový kód a assembler. Podprogramy, práce se zásobníkem. Rozdíl mezi podprogramem a makrem.
8. Obsluha periferií: aktivní čekání, přerušení, DMA. Přerušení. Činnost procesoru při obsluze přerušení. Maskovatelné, nemaskovatelné a pseudomaskovatelné přerušení. Reset.
9. Periferní subsystémy mikrokontrolérů: porty, jednotky generování hodinového signálu, hodiny reálného času, watchdog, časovače (funkce Imput Capture a Output Compare), PWM, A/D, D/A převodníky, SCI, SPI, IIC. Mikrokontroléry HCS08 firmy Freescale.
10. Von Neumannova, harvardská a modifikovaná harvardská architektura. Řetězení (pipelining). 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. Hierarchie paměti, paměť cache.
13. Správa paměti. Adresový prostor. Logická a fyzická adresa. MMU. Bázový registr a registr pro limit. Stránkování a segmentace. Virtualizace paměti.

Učební cíle

Cílem předmětu je naučit studenty navrhovat jednoduché kombinační a sekvenční logické obvody, seznámit je s principy činnosti mikroprocesorových systémů, subsystémy mikrokontrolérů a základy tvorby softwarového vybavení pro embedded systémy.

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

Počítačová cvičení jsou povinná, řádně omluvené zmeškané počítačové cvičení lze po domluvě s vyučujícím nahradit.

Základní literatura

Patterson, D., Hennessy, J. Computer Organization and Design, 5th Edition. Morgan Kaufmann, 2013. ISBN 9780124077263.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-BC bakalářský

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

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Tomáš Macho, Ph.D.

Osnova

1. Von Neumannova struktura počítače. CPU - ALU, řadič, registry. Základní cykus počítače. Obvodový a mikroprogramový řadič. Mikroprocesor, mikropočítač, mikrokontrolér, signálový procesor. Izolované a paměťově mapované periferie. Organizace paměti. Program, instrukce, instrukční soubor.
2. Adresovací módy. Typy instrukcí. Programátorský model HCS08.. Adresovací módy HCS08.
3. Adresovací módy HCS08. Jazyk symbolických adres.
4. Podprogramy, přerušení, práce se zásobníkem. Reset. Způsoby obsluhy V/V.
5. Použítí jazyka C pro embedded programování. Mikroprocesor, mikrokontrolér, signálový procesor, signálový kontrolér.
6. Von Neumannova, harvardská a modifikovaná harvardská architektura mikroprocesorů. Přesahování (overlapping), řetězení (pipelining), problémy při řetězeném zpracování instrukcí.
7. Mikrokontroléry Freescale řady HCS08: pracovní módy, paměťová mapa, porty.
8. HCS08: Přerušovací systém. Reset. COP (watchdog). Generování hodinového signálu.
9. HCS08: Časovací subsystém: funkce input capture a output compare, měření časového intervalu. Analogový komparátor.
10. HCS08: A/D převodník. Sériové komunikační kanály SCI, SPI, IIC. PWM.
11. Paměťi: rozdělení, parametry. Principy a vlastnosti pamětí SRAM, DRAM, SDRAM, DDR SDRAM.
12. Principy a vlastnosti pamětí ROM, PROM, EPROM, EEPROM, FLASH, FeRAM, MRAM. Připojování pamětí ke sběrnicím.
13. Správa paměti: jednotka MMU, stránkování, TLB, virtuální paměť.

Cvičení na počítači

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Tomáš Macho, Ph.D.

Osnova

1. Úvodní informace.
2. Seznámení s vývojovým prostředím CodeWarior. Strojový kód - sčítání 32 bitových čísel..
3. Jazyk symbolických adres - sčítání 32 bitových čísel, adresovací módy HCS08.
4. Program v jazyce symbolických adres pro násobení 16 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 - podprogramy, práce se zásobníkem.
7. Program v jazyce symbolických adres - obsluha přerušení, start po RESET.
8. Test číslo 1.
9. Program v jazyce C - práce s binárními I/O prorty.
10. Program v jazyce C - obsluha přerušení
11. Program v jazyce C - TOD.
11. Program v jazyce C - PWM.
12. Program v jazyce C - A/D převodník.
13. Test číslo 2.