Detail předmětu
Logické obvody a systémy
FEKT-BPC-LOSAk. rok: 2022/2023
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
Zajišťuje ústav
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.
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 „osoby poučené“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.
Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby poučené“, 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
Až 30 bodů za odevzdání vypracovaných teoretických příprav laboratorních úloh a demonstraci funkční realizace praktických úkolů každé úlohy na lab. přípravcích. Podmínkou udělení zápočtu je odevzdání vypracovaných teoretických příprav všech úloh a získání minimálně 18 bodů za funkční realizaci povinných praktických úkolů každé úlohy.
Až 70 bodů za závěrečnou písemnou zkoušku.
Až 70 bodů za závěrečnou písemnou zkoušku.
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.
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.
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)
Elearning
eLearning: aktuální otevřený kurz
Zařazení předmětu ve studijních plánech
- Program BPC-AMT bakalářský 2 ročník, zimní semestr, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
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.
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
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.
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.
Elearning
eLearning: aktuální otevřený kurz