Detail předmětu

Logické obvody a systémy

FEKT-BPC-LOSAk. rok: 2018/2019

Náplň kurzu představuje širší pohled na logické systémy a jejich teoretický základ (např. vícehodnotová logika a její přednosti a nedostatky), a ucelený soubor podrobněji probíraných témat souvisejících s aplikací logických systémů,(vznik a eliminace rušení, řešení a navrhování logických členů a obvodů, kódování a jeho využití k zabezpečení přenosu a ukládání dat, využití obvodů velké integrace - polovodičových pamětí, programovatelných logických polí včetně jejich programování, podpůrných obvodů mikroprocesorů).

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

7

Garant předmětu

Ing. Petr Petyovský, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav automatizace a měřicí techniky (UAMT)

Výsledky učení předmětu

Student získá úzký kontakt s číslicovou technikou, jejími teoretickými základy a technickými prostředky pro její praktické použití.
Získá základní znalosti pro popis, analýzu a návrh kombinačních a sekvenčních logických sítí v číslicových systémech.
Student bude schopen pomocí jazyka VHDL popsat číslicový systém a provést jeho fyzickou implementaci.

Prerekvizity

Znalosti na úrovni středoškolského studia.
Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „pracovníka poučeného“ dle Vyhl. 50/1978 Sb., kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky, numerická cvičení a laboratorní úlohy. Student odevzdá 8 laboratorních úloh.

Způsob a kritéria hodnocení

Pro složení zkoušky je požadováno splnění následujících podmínek:
1. Odevzdání vypracovaných laboratorních úloh. Absolvování laboratorních cvičení, vypracování všech úloh a vypracování protokolů je nutnou podmínkou pro udělení zápočtu - max. 30 bodů.
2. Za zvýšenou aktivitu ve cvičení lze získat max. 6 bonusových bodů
3. Zkouška formou písemného vypracování zadaných otázek - max. 70 bodů.

Osnovy výuky

1. Boolova algebra.
2. Minimalizace logických výrazů: Karnaghovy mapy.
3. Minimalizace logických výrazů: Quinův-McCluskeyho algoritmus.
4. Analýza činnosti logických sítí, souběh a hazard.
5. Sčítačka, multiplexor, demultiplexor, dekodér.
6. Asynchronní logické sítě, klopné obvody.
7. Sekvenční logické obvody a sítě.
8. Stavové automaty a jejich reprezentace.
9. Základy jazyka VHDL.
10. Datové typy, příkazy jazyka VHDL.
11. Popis kombinačních obvodů, synchronních sekvenční obvody, konečné automaty.
12. Testování obvodů a návrh testů, funkční simulace.

Učební cíle

Získat základní znalostí logických systémů a jejich navrhování, konstrukce, zkoušení a praktického použití.
Získat základní znalosti metod pro popis, analýzu a návrh kombinačních a sekvenčních logických obvodů.
Seznámit studenty se syntaxí a sémantikou jazyka pro popis hardware (VHDL).
Využití jazyka VHDL pro modelování, simulaci a syntézu komplexních číslicových systémů.
Představení programovacích technik za pomocí vývojového prostředku XILINX ISE
Realizace vzorových úloh na přípravku NEXYS 3.

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

Kontrola výsledků samostatné práce na zadaných laboratorních cvičeních V případě omluvené neúčasti na cvičeních může učitel v odůvodněných případech stanovit náhradní podmínku, obvykle vypracování dílčího úkolu.

Základní literatura

KOLOUCH, J.: Programovatelné logické obvody - Přednášky [Skriptum FEKT VUT v Brně] Brno 2005 (CS)

Doporučená literatura

PINKER, J.; POUPA, M: Číslicové systémy a jazyk VHDL. 2006, ISBN 80-7300-198-5 (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BPC-AMT bakalářský 2 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Petr Petyovský, Ph.D.

Osnova

Spojité a diskrétní vyjádření informace signálem, pojmy "signálová veličina" a "kód". Obecný logický člen, jeho statická a dynamická charakteristika a jeho statická a dynamická odolnost vůči rušení. Logické členy pasivní a aktivní. Logika vícehodnová a dvouhodnotová, kladná a záporná a s ní spojená dualita logických členů.
Boolská funkce a způsoby jejího záznamu (slovní záznam, pravdivostní tabulka, soubor stavových indexů, Haaseho graf, Karnaughova a Svobodova mapa, Boolská matice). Binární a Grayův (symetrický) kód. Pojem souseda - sousední vrcholy a tělesa v Haseho grafu.
Hazardní stavy prvního a druhého druhu, jejich eliminace minimalizací Boolské funkce a sní spojené úspory materiálu. Minimalizace kombinančního obvodu s jedním výstupem (Quine Mc Cluskey-ho a Svobodova metoda). Rušení vlastní a cizí.
Minimalizace kombinačního obvodu s více výstupy. Zhodnocení minimalizačních metod, víceúrovňové kombinační obvody.
Obecný konečný automat, Konečný automat Mealy-ho a Mooreův. Pojem vnitřních stavů konečného automatu, způsoby popisu chování konečného automatu, vývojová tabulka, tabulka přechodů, Boolské rovnice a způsoby zápisu časové diskretizace. Asynchronní a synchronní funkce konečného automatu, pravidlo setrvačnosti.
Kombinační zpětná vazba u konečného automatu a její návrh. Boolská rovnice, její řešení mapovou metodou, jedno- a víceznačnost řešení, vznik přídavných podmínek pro vztahy mezi nezávisle proměnnými.
Realizace nestandartních logických členů. Funkce rozhodovacího obvodu a spínače v logickém členu. Kontaktové spínače, relé a stykače buzené stejnosměrným a střídavým proudem. Spínání ohmické, induktivní a kapacitní zátěže při stejnosměrném i střídavém napájení.
Vznik vlastního rušení nedokonalostí spínání a rozpínání, životnost spínacích prvků, vyjádření zátěže spínacího a rozpínacího prvku spínacím a rozpínacím (zdánlivým) výkonem. Spolupráce elektromechanického a bezkontaktního logického členu, vymýcení vlivu zákmitů mechanických kontaktů.
Přenos binárního signálu po sběrnici, vznik vlastního rušení následkem odrazů, impedanční přizpůsobení vstupů a výstupů logických členů, přenosová kapacita a šíře pásma sběrnice, binární kódy s návratem a bez návratu k nule.
Kódové metody zabezpečení komunikace, detekce a oprava jedné a více chyb, parita podélná a příčná. Cyklické kódy, BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquent) kódy, Reed-Solomonovy kódy a konvoluční kódy a jejich dekódování, Meggitův dekodér.
Polovodičové paměti pro zápis i čtení (RAM), jejich skladba z dílčích částí, pojem třístavového výstupu. Paměti statické a dynamické, osvěžování (refresh). Paměti pouze pro čtení ROM, program. paměti PROM, mazatelné EPROM, elektricky mazatelné EEPROM.
Programovatelná logická pole a jejich architektury, vývojové systémy, program PGAL. Testování naprogramovaného logického pole.
Podpůrné obvody pro mikroprocesory a obvody střední a velké integrace -základní typy a vybrané jednoúčelové obvody.

Laboratorní cvičení

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Petr Petyovský, Ph.D.

Osnova

Měření dynamiky bezkontaktních aktivních logických členů, experimentální určení jejich statické a dynamické odolnosti vůči rušení.
Měření statické charakteristiky ss a st relé a nespojitosti spínání jeho kontaktů, ověření spolupráce elektromechanického a bezkontaktního spínacího obvodu.
Měření dynamiky impulsního snímače rychlosti otáčení a vlivu vyhodnocovacích obvodů.
Měření základních typů sekvenčních obvodů a změn jejich chování při různých způsobech provozu (monostabilní multivibrátor, který zkracuje či prodlužuje vstupní impuls, vliv zotavovací doby na vstupní citlivost obvodu).
Vyzkoušení správné funkce naprogramovaného logického pole a alternativ jeho odezvy na nežádoucí vstupní stavy.
Ověření správné funkce vybraných obvodů velké integrace a jejího zabezpečení proti chybám při nesprávné manipulaci.