Detail předmětu
Digitální obvody a mikroprocesory
FEKT-BDOMAk. rok: 2018/2019
Binární, desítkové číselné a kódové soustavy pro digitální obvody. Logické funkce a jejich realizace, minimalizace. Porovnání bipolárních a unipolární digitálních obvodů, zásady a podmínky použití různých technologií. Digitální paměti ROM a RWM. Programovatelná logická pole CPLD a FPGA. Metody převodu analogových signálů na číslicové a obrácené konverze. Úvod do moderních architektur mikroprocesorové techniky. Struktura a činnost architektury AVR. Instrukční soubor mikroprocesoru ve vazbě na jeho technické vybavení. Vnitřní a vnější paměti, vstupní a výstupní bloky, programovatelné periferní obvody, připojování V/V zařízení. Programování mikroprocesorových systémů, systém přerušení. Vývojové prostředky.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
7
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Studenti jsou schopni navrhovat jednoduchá zařízení s integrovanými obvody a navrhovat a odlaďovat mikroprocesorové systémy, spojovat je s okolím a vytvářet pro tyto systémy softwarové vybavení.
Absolvent předmětu je schopen:
- vysvětlit a popsat digitální systém, realizovat základní kombinační logické obvody;
- aplikovat zásady navrhování digitálních obvodů a systémů;
- vyjmenovat základní vlastnosti a druhy digitálních obvodů v různých technologiích;
- provést základní návrh generátoru pravoúhlých kmitů;
- charakterizovat výhody a nevýhody zobrazovacích prvků (LCD, OLED, plasma) a aplikovat je při návrhu elektronických systémů;
- charakterizovat základní vlastnosti paměťových obvodů, kategorizovat je a vysvětlit výhody a nevýhody jednotlivých typů;
- popsat jednotlivé jevy, které jsou důležité pro činnost tranzistoru s plovoucím hradlem u pamětí EPROM, FLASH a EEPROM;
- popsat rozdíly mezi jednotlivými metodami zpracování analogových signálů, charakterizovat výhody a nevýhody jednotlivých typů převodníků DA a AD;
- je seznámen se základy programovatelných logických obvodů a jazykem VHDL, umí vytvářet jednoduché aplikace s těmito obvody;
Absolvent předmětu je schopen:
- vysvětlit a popsat digitální systém, realizovat základní kombinační logické obvody;
- aplikovat zásady navrhování digitálních obvodů a systémů;
- vyjmenovat základní vlastnosti a druhy digitálních obvodů v různých technologiích;
- provést základní návrh generátoru pravoúhlých kmitů;
- charakterizovat výhody a nevýhody zobrazovacích prvků (LCD, OLED, plasma) a aplikovat je při návrhu elektronických systémů;
- charakterizovat základní vlastnosti paměťových obvodů, kategorizovat je a vysvětlit výhody a nevýhody jednotlivých typů;
- popsat jednotlivé jevy, které jsou důležité pro činnost tranzistoru s plovoucím hradlem u pamětí EPROM, FLASH a EEPROM;
- popsat rozdíly mezi jednotlivými metodami zpracování analogových signálů, charakterizovat výhody a nevýhody jednotlivých typů převodníků DA a AD;
- je seznámen se základy programovatelných logických obvodů a jazykem VHDL, umí vytvářet jednoduché aplikace s těmito obvody;
Prerekvizity
Jsou požadovány znalosti na úrovni středoškolského studia.
Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody
Metody vyučování zahrnují přednášky a vzájemně provázané experimentální formy, zahrnující numerická cvičení, cvičení na počítači a laboratoře. Doplňkově jsou využívány i přednášky volně dostupné z TED.com.
Způsob a kritéria hodnocení
Podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.
Osnovy výuky
1. Základní pojmy digitální techniky
2. Kombinační logické funkce
3. Realizace kombinačních logických funkcí
4. Druhy digitálních integrovaných obvodů
5. Zásady navrhování digitálních obvodů a systémů
6. Tvarování, generování a zpožďování impulsů
7. Generátory pravoúhlých kmitů a pulsů
8. Zobrazovací prvky
9. Systémy pro digitální zpracování analogových signálů
10. Programovatelné logické obvody a jazyk VHDL
11. Mikrokontroléry
12. Vývojové prostředky, srovnání dostupných vývojových platforem.
2. Kombinační logické funkce
3. Realizace kombinačních logických funkcí
4. Druhy digitálních integrovaných obvodů
5. Zásady navrhování digitálních obvodů a systémů
6. Tvarování, generování a zpožďování impulsů
7. Generátory pravoúhlých kmitů a pulsů
8. Zobrazovací prvky
9. Systémy pro digitální zpracování analogových signálů
10. Programovatelné logické obvody a jazyk VHDL
11. Mikrokontroléry
12. Vývojové prostředky, srovnání dostupných vývojových platforem.
Učební cíle
Cílem kurzu je seznámit studenty se základy digitální techniky. Studenti získají obecné znalosti o digitálních obvodech, budou je umět aplikovat a znát návrhová pravidly pro vytváření digitálních systémů postavených nejen na základních prvcích, ale také s podporou programovatelných logických obvodů. Dále absolventi kurzu získají přehled v oblasti mikrokontrolérů a mikroprocesorů, seznámí se se základními architekturami a tvorbou softwarového vybavení.
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.
Základní literatura
Šteffan, P. Návrh systémů s digitálními integrovanými obvody a mikroprocesory pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO , Brno 2014, ISBN 978-80-214-5072-1 (cs)
VRBA, R., LEGÁT, P., FUJCIK, L., HÁZE, J., KUCHTA, R., MIKEL, B., SKOČDOPOLE, M.: Digitální obvody a mikroprocesory. Elektronické skriptum, 1. vyd., FEKT VUT, Brno 2003, s. 238, ISBN MEL103
VRBA, R., SKOČDOPOLE, M., MIKEL, B.: Digitální obvody a mikroprocesory - laboratorní cvičení. Elektronické skriptum, 1. vyd., FEKT VUT, Brno 2003, s. 60, ISBN MEL104
VRBA, R., LEGÁT, P., FUJCIK, L., HÁZE, J., KUCHTA, R., MIKEL, B., SKOČDOPOLE, M.: Digitální obvody a mikroprocesory. Elektronické skriptum, 1. vyd., FEKT VUT, Brno 2003, s. 238, ISBN MEL103
VRBA, R., SKOČDOPOLE, M., MIKEL, B.: Digitální obvody a mikroprocesory - laboratorní cvičení. Elektronické skriptum, 1. vyd., FEKT VUT, Brno 2003, s. 60, ISBN MEL104
Zařazení předmětu ve studijních plánech
- Program EEKR-B bakalářský
obor B-TLI , 2 ročník, letní semestr, povinný
- Program IBEP-T bakalářský
obor T-IBP , 2 ročník, letní semestr, volitelný oborový
obor T-IBP , 3 ročník, letní semestr, volitelný oborový - Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)
obor ET-CZV , 1 ročník, letní semestr, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
39 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
Logické operace a základy logických algeber. Logická proměnná a logické funkce jedné, dvou a více nezávisle proměnných. Logické algebry. Obvody pro realizaci logických operací. Číselné soustavy s různými základy (zejména 2, 8, 16), převody čísel, aritmetické operace v těchto soustavách. Využití dvojkové soustavy, bit, byte, slovo. Kódování binárních čísel, kód přímý, inverzní, doplňkový. Zobecnění doplňkového kódu na čísla BCD. Základní pojmy, principy a rozdělení digitálních obvodů a systémů. a kódy.
Schematické značky digitálních obvodů, normalizace. Digitální integrované obvody TTL, STTL, LSTTL, ALS, IIL, CMOS, HCMOS, HCT. Základní parametry, aplikační příklady a zásady pro použití.
Standardní obvody číslicových systémů. Analýza a syntéza kombinačních logických obvodů. Hazardní stavy v kombinačních obvodech. Sekvenční logické obvody, popis chování. Asynchronní a synchronní bistabilní klopné obvody. Monostabilní klopné obvody, časovače. Astabilní klopné obvody. Generátory pravoúhlých kmitů, pulsů a impulsů. Použití obvodů 74121, 74123, 555. Analýza a syntéza sekvenčních logických obvodů.
Oscilátory řízené krystalem. Obvody pro tvarování impulsů, prodlužování a zkracování impulsů. Zásady pro připojování vstupů logických obvodů. Nestandardní provoz, vazba logických obvodů na mechanické kontakty. Zásady pro připojování výstupů logických obvodů. Buzení výkonových zátěží.
Spoje a sběrnice pro přenos logických signálů. Zásady návrhu jednotek s logickými obvody, konstrukce a oživování. Vybrané číslicové subsystémy. Přednastavitelné a programovatelné čítače a děliče kmitočtu. Registry. Časové základny a kmitočtové ústředny. Obvody pro aritmetické operace, sčítání a odčítání čísel.
Převodníky kódu mezi dvěma kódovými soustavami. Paměti RAM, ROM, FLASH, jejich parametry a použití. Zobrazování znaků, zobrazovací jednotky, displeje. Statický a dynamický provoz displeje. Programovatelné logické součástky, základní typy programovatelných logických polí. Zásady použití PLA, jejich programování,příklady použití.
Systémy pro digitální zpracování analogových signálů. Vzorkování a rekonstrukce signálů. Vzájemný převod analogových a digitálních signálů.
Von Neumannova a Harvardská koncepce počítače. Výměna informace uvnitř ČP a mezi ČP a okolím. Řídicí signály pro programem řízenou výměnu informace, asynchronní řídicí signály. Přerušovací systém. Technické a ekonomické důvody vzniku mikroprocesoru. Délka slova. Vnitřní architektura, základní funkční bloky, sběrnice.
Zobrazení čísel v pevné a pohyblivé řádové čárce, vlastnosti a formáty zobrazení. Zobrazení instrukce, kód instrukce, možné odkazy na operand. Jedno a víceadresové počítače, slabikově orientované počítače, pevná a proměnná délka instrukce. Přímá a nepřímá adresace, využití registrů, indexregistry, stránkování operační paměti.
Struktura mikroprocesorů, registry, synchronizační signály pro komunikaci mikroprocesoru s okolím. Časování, takt, strojový cyklus, instrukční cyklus. Typy strojových cyklů, časování průběhu strojového cyklu, popis průběhu strojového cyklu stavovým diagramem. Vliv asynchronních vnějších signálů na průběh strojového cyklu (READY, HOLD, INT). Programátorské schéma mikroprocesoru, základní programově přístupné registry, možnosti jeho komunikace s okolím. Charakteristika souboru instrukcí, typy instrukcí, formáty uložení instrukcí, způsoby určování operandů.
Přerušovací systém, princip činnosti, základní pojmy. Zpracování a určení přerušení, maskování přerušení.
Schematické značky digitálních obvodů, normalizace. Digitální integrované obvody TTL, STTL, LSTTL, ALS, IIL, CMOS, HCMOS, HCT. Základní parametry, aplikační příklady a zásady pro použití.
Standardní obvody číslicových systémů. Analýza a syntéza kombinačních logických obvodů. Hazardní stavy v kombinačních obvodech. Sekvenční logické obvody, popis chování. Asynchronní a synchronní bistabilní klopné obvody. Monostabilní klopné obvody, časovače. Astabilní klopné obvody. Generátory pravoúhlých kmitů, pulsů a impulsů. Použití obvodů 74121, 74123, 555. Analýza a syntéza sekvenčních logických obvodů.
Oscilátory řízené krystalem. Obvody pro tvarování impulsů, prodlužování a zkracování impulsů. Zásady pro připojování vstupů logických obvodů. Nestandardní provoz, vazba logických obvodů na mechanické kontakty. Zásady pro připojování výstupů logických obvodů. Buzení výkonových zátěží.
Spoje a sběrnice pro přenos logických signálů. Zásady návrhu jednotek s logickými obvody, konstrukce a oživování. Vybrané číslicové subsystémy. Přednastavitelné a programovatelné čítače a děliče kmitočtu. Registry. Časové základny a kmitočtové ústředny. Obvody pro aritmetické operace, sčítání a odčítání čísel.
Převodníky kódu mezi dvěma kódovými soustavami. Paměti RAM, ROM, FLASH, jejich parametry a použití. Zobrazování znaků, zobrazovací jednotky, displeje. Statický a dynamický provoz displeje. Programovatelné logické součástky, základní typy programovatelných logických polí. Zásady použití PLA, jejich programování,příklady použití.
Systémy pro digitální zpracování analogových signálů. Vzorkování a rekonstrukce signálů. Vzájemný převod analogových a digitálních signálů.
Von Neumannova a Harvardská koncepce počítače. Výměna informace uvnitř ČP a mezi ČP a okolím. Řídicí signály pro programem řízenou výměnu informace, asynchronní řídicí signály. Přerušovací systém. Technické a ekonomické důvody vzniku mikroprocesoru. Délka slova. Vnitřní architektura, základní funkční bloky, sběrnice.
Zobrazení čísel v pevné a pohyblivé řádové čárce, vlastnosti a formáty zobrazení. Zobrazení instrukce, kód instrukce, možné odkazy na operand. Jedno a víceadresové počítače, slabikově orientované počítače, pevná a proměnná délka instrukce. Přímá a nepřímá adresace, využití registrů, indexregistry, stránkování operační paměti.
Struktura mikroprocesorů, registry, synchronizační signály pro komunikaci mikroprocesoru s okolím. Časování, takt, strojový cyklus, instrukční cyklus. Typy strojových cyklů, časování průběhu strojového cyklu, popis průběhu strojového cyklu stavovým diagramem. Vliv asynchronních vnějších signálů na průběh strojového cyklu (READY, HOLD, INT). Programátorské schéma mikroprocesoru, základní programově přístupné registry, možnosti jeho komunikace s okolím. Charakteristika souboru instrukcí, typy instrukcí, formáty uložení instrukcí, způsoby určování operandů.
Přerušovací systém, princip činnosti, základní pojmy. Zpracování a určení přerušení, maskování přerušení.
Laboratorní cvičení
39 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
Měření logickým analyzátorem.
Realizace čítače zadané posloupnosti.
Vstupní a výstupní charakteristiky hradel TTL a CMOS.
Bistabilní, monostabilní a bistabilní klopné obvody. Časovač 555.
Program v jazyce symbolických adres M68HC12 pro součet a rozdíl dvou 16-ti a 32-ti bitových čísel. Program v jazyce symbolických adres M68HC12 pro násobení dvou 16-ti bitových čísel pomocí posuvů.
Program v jazyce symbolických adres M68HC12 pro násobení dvou 16-ti bitových čísel pomocí instrukce MUL. Program v jazyce symbolických adres M68HC12, demonstrující použití A/D převodníku.
Realizace čítače zadané posloupnosti.
Vstupní a výstupní charakteristiky hradel TTL a CMOS.
Bistabilní, monostabilní a bistabilní klopné obvody. Časovač 555.
Program v jazyce symbolických adres M68HC12 pro součet a rozdíl dvou 16-ti a 32-ti bitových čísel. Program v jazyce symbolických adres M68HC12 pro násobení dvou 16-ti bitových čísel pomocí posuvů.
Program v jazyce symbolických adres M68HC12 pro násobení dvou 16-ti bitových čísel pomocí instrukce MUL. Program v jazyce symbolických adres M68HC12, demonstrující použití A/D převodníku.