Detail předmětu

Návrh externích adaptérů a vestavěných systémů

FIT-NAVAk. rok: 2017/2018

Jednotlivá témata přednášek jsou zaměřena na dílčí problémy, které musí návrhář řešit při návrhu komponent vestavěných systémů a adaptérů periferních zařízení. Studenti budou seznámeni s metodami využívanými při návrhu vestavěných systémů a externích adaptérů a možnostmi využití postupů, s nimiž se seznámili v předmětech zaměřených na technické vybavení počítačů. Laboratorní cvičení budou zaměřena na prezentaci těchto principů při návrhu vestavěných systémů a externích adaptérů v prostředí návrhového systému.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Richard Růžička, Ph.D., MBA

Zajišťuje ústav

Ústav počítačových systémů (UPSY)

Výsledky učení předmětu

  • Studenti se seznámí s principy návrhu číslicových systémů se složitým sekvenčním chováním respektující podmínky prostředí, do něhož bude aplikace nasazena.
  • Seznámí se se současnými nástroji pro podporu práce návrháře.
  • Naučí se rozhodovat mezi možnými způsoby realizace, tzn. rozdělit implementaci mezi obvodové a programové prostředky.
  • Naučí se navrhovat externí adaptéry základních periferních zařízení a samostatně pracující počítačové systémy nasazené do reálného prostředí a účelově komunikující s uživatelem, příp. dalšími nadřazenými systémy.

  • Student se naučí systematickému postupu návrhu inženýrského díla samostatně i v týmu.
  • Student se naučí odborné terminologii v českém i anglickém jazyce.

Prerekvizity

  • Znalost programování v asembleru a v jazyce C, základy VHDL.
  • Znalost principů elektronických obvodů a počítačových architektur.

Způsob a kritéria hodnocení

Hodnocení studia je založeno na bodovacím systému. Pro úspěšné absolvování předmětu je nutno dosáhnout 50 bodů.

Osnovy výuky

    Osnova přednášek:
    1. Vestavěný systém, postupy návrhu, specifikace, požadavky na vestavěný systém.
    2. Výběr vhodné platformy, mikrokontroléru. Kdy je a kdy není vhodné použít mikrokontrolér.  
    3. Hardwarové a softwarové řešení funkcí vestavěného systému.
    4. Číslicové vstupy, snímání binární informace, číslicové výstupy, ovládání dvoustavových akčních členů, rozšiřování číslicových vstupů a výstupů. Analogový vstup a výstup, převodníky, komparátory, ovládání analogových akčních členů.
    5. Ovládání vestavěného systému člověkem, klávesnice, zobrazení stavu a jiné informace, displeje LED a LCD znakové i grafické, obrazovka. Komunikace v rámci víceprocesorového vestavěného systému, komunikace s vnějšími systémy, sériová synchronní a asynchronní, paralelní, používané protokoly, sítě.
    6. Typická architektura software vestavěného systému. Testování, ladění a diagnostika vestavěných systémů.
    7. Systémová sběrnice. Konstrukce adaptéru systémové sběrnice, návrh adresového dekodéru, obsluha čtecí a zápisové transakce.
    8. Principy řízení periferních operací. Programové řízení periferní operace, generování a obsluha žádosti o přerušení, generování žádosti o přenos DMA a jeho realizace.
    9. Architektura sběrnice PCI a PCI-X. Komunikační protokol, arbitrace, obsluha přerušení a zotavení z chyb, protokoly Retry a Disconnect.
    10. Architektura sběrnice PCI-Express. Vrstvový model, konfigurační prostor, směrování transakcí.
    11. Architektura ovladače adaptéru v rámci operačního systému. Komunikace mezi uživatelským prostorem a modulem, komunikace mezi modulem a adaptérem, modely blokujících a neblokujících operací, přenosy DMA.
    12. Architektura sběrnice USB. Typy transakcí, detekce a zotavení z chyb, modely komunikace se systémovým software.
    13. Uplatnění principů testovatelnosti při syntéze vestavěných systémů a externích adaptérů.

    Osnova laboratorních cvičení:
    • Minimální vestavěný počítačový systém s mikrokontrolérem.
    • Praktické rozšíření počtu výstupů mikrokontroléru.
    • Komunikace mikrokontroléru s periferií, senzorem.
    • Ovládání ss motoru s reverzací.
    • Návrh adaptéru: Konstrukce adresového dekodéru pro zařízení na sběrnici PCI.
    • Návrh adaptéru: Zapojení a test vestavěných paměťových bloků.
    • Návrh adaptéru: Modul pro komunikace skrze protokol RS232.
    • Návrh adaptéru: Blokové zpracování dat, konstrukce automatu.

    Osnova ostatní - projekty, práce:
    • Základní návrh malého vestavěného systému nebo architektury externího adaptéru.

Učební cíle

Rozvíjet znalosti získané v předmětech zaměřených na konstrukci počítačů, demonstrovat tyto principy při návrhu externích adaptérů a vestavěných systémů. Využít znalosti získané v předmětech zabývajících se návrhem číslicových systémů pro návrh a implementaci složitých číslicových systémů s komplikovaným sekvenčním chováním. Naučit studenty analyzovat podmínky, v nichž bude navrhované zařízení pracovat a na základě této analýzy zvolit řešení, které bude kompromisem z hlediska ceny, spolehlivosti a dynamických parametrů. V laboratorních cvičeních seznámit studenty se strukturou a principy činnosti komponent externích adaptérů a vestavěných systémů a s využitím návrhových systémů pro návrh těchto komponent.

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

  • Laboratorních cvičení - 8 bodů.
  • Hodnocený projekt s obhajobou - 17 bodů.
  • Půlsemestrální písemná práce - 15 bodů.
  • Závěrečná zkouška - 60 bodů.

Prerekvizity a korekvizity

Základní literatura

Miroslav Šnorek, Karel Richta: Připojování periferií k PC, Grada Publishing, 1996, ISBN 80-7169-146-1, 303 stran Tom Shanley, Don Anderson: PCI System Architecture, Addison Wesley, 1999, ISBN 0201309742, 833 stran Tom Shanley: PCI-X System Architecture, Addison Wesley, 2000, ISBN 0201726823, 688 stran Ravi Budruk, Don Anderson, Tom Shanley, PCI Express System Architecture, Addison Wesley, 2003, ISBN 0321156307, 1056 stran Don Anderson: Universal Serial Bus System Architecture, Addison Wesley, 2001, ISBN 0201309750, 544 stran Jonathan Corbet, Alessandro Rubini, Greg Kroah-Hartman: Linux Device Drivers, 3rd Edition, O'Reilly Media, 2005, ISBN-10: 0596005903, 640 stran Jonathan W. Valvano: Embedded Microcomputer Systems, Real Time Interfacing. Brooks/Cole, 2000, ISBN 0-534-36642-2. Ken Arnold: Embedded Controller Hardware Design. LLH Technology Publishing, 2001, ISBN 1-878707-52-3. Stuart R. Ball: Embedded Microprocessor Systems: Real World Design. Newnes, 2002, ISBN 0-7506-7534-9.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-MGR-2 magisterský navazující

    obor MBI , 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný
    obor MSK , 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný
    obor MMM , 0 ročník, letní semestr, volitelný
    obor MBS , 0 ročník, letní semestr, povinně volitelný
    obor MPV , 2 ročník, letní semestr, povinný
    obor MIS , 0 ročník, letní semestr, volitelný
    obor MIN , 0 ročník, letní semestr, volitelný
    obor MGM , 0 ročník, letní semestr, volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Richard Růžička, Ph.D., MBA

Osnova

  1. Vestavěný systém, postupy návrhu, specifikace, požadavky na vestavěný systém.
  2. Výběr vhodné platformy, mikrokontroléru. Kdy je a kdy není vhodné použít mikrokontrolér.  
  3. Hardwarové a softwarové řešení funkcí vestavěného systému.
  4. Číslicové vstupy, snímání binární informace, číslicové výstupy, ovládání dvoustavových akčních členů, rozšiřování číslicových vstupů a výstupů. Analogový vstup a výstup, převodníky, komparátory, ovládání analogových akčních členů.
  5. Ovládání vestavěného systému člověkem, klávesnice, zobrazení stavu a jiné informace, displeje LED a LCD znakové i grafické, obrazovka. Komunikace v rámci víceprocesorového vestavěného systému, komunikace s vnějšími systémy, sériová synchronní a asynchronní, paralelní, používané protokoly, sítě.
  6. Typická architektura software vestavěného systému. Testování, ladění a diagnostika vestavěných systémů.
  7. Systémová sběrnice. Konstrukce adaptéru systémové sběrnice, návrh adresového dekodéru, obsluha čtecí a zápisové transakce.
  8. Principy řízení periferních operací. Programové řízení periferní operace, generování a obsluha žádosti o přerušení, generování žádosti o přenos DMA a jeho realizace.
  9. Architektura sběrnice PCI a PCI-X. Komunikační protokol, arbitrace, obsluha přerušení a zotavení z chyb, protokoly Retry a Disconnect.
  10. Architektura sběrnice PCI-Express. Vrstvový model, konfigurační prostor, směrování transakcí.
  11. Architektura ovladače adaptéru v rámci operačního systému. Komunikace mezi uživatelským prostorem a modulem, komunikace mezi modulem a adaptérem, modely blokujících a neblokujících operací, přenosy DMA.
  12. Architektura sběrnice USB. Typy transakcí, detekce a zotavení z chyb, modely komunikace se systémovým software.
  13. Uplatnění principů testovatelnosti při syntéze vestavěných systémů a externích adaptérů.

Laboratorní cvičení

16 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Richard Růžička, Ph.D., MBA

Osnova

  • Minimální vestavěný počítačový systém s mikrokontrolérem.
  • Praktické rozšíření počtu výstupů mikrokontroléru.
  • Komunikace mikrokontroléru s periferií, senzorem.
  • Ovládání ss motoru s reverzací.
  • Návrh adaptéru: Konstrukce adresového dekodéru pro zařízení na sběrnici PCI.
  • Návrh adaptéru: Zapojení a test vestavěných paměťových bloků.
  • Návrh adaptéru: Modul pro komunikace skrze protokol RS232.
  • Návrh adaptéru: Blokové zpracování dat, konstrukce automatu.

Projekt

10 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Richard Růžička, Ph.D., MBA