Detail předmětu

Návrh externích adaptérů a vestavěných systémů

FIT-NAVAk. rok: 2012/2013

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. Zdeněk Kotásek, CSc.

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. Naučí se rozhodovat mezi možnými způsoby realizace, tzn. rozdělit implementaci mezi obvodové a programové prostředky. Seznámí se se současnými nástroji pro podporu práce návrháře. 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.

Prerekvizity

Nejsou žádné prerekvizity.

Způsob a kritéria hodnocení

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

Osnovy výuky

  1. Typické aplikace vestavěných systémů, požadavky na vestavěný systém.
  2. Jádro vestavěného systému - procesor, jeho parametry ovlivňující cenu a výkon systému. Architektura procesorů využitelných ve vestavěných systémech.
  3. Operační systémy vestavěných aplikací. Typická architektura systémového a aplikačního softwaru. Paměťový subsystém, připojení, časování, typy a vlastnosti.
  4. Číslicové vstupy, snímání binární informace, číslicové výstupy, ovládání dvoustavových akčních členů, rozšiřování číslicových vstupů a výstupů, číslicová zpětnovazební smyčka, dvoustavová regulace. Analogový vstup a výstup, převodníky, komparátory, snímače polohy a ostatních veličin, 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. Bezpečnost a odolnost proti poruchám. Pokročilé architektury a paralelismus ve vestavěných systémech, jejich programování. Realizace vestavěného systému hradlovým polem. Rozšířitelnost a náklady na vývoj.
  7. Systémová sběrnice, principy její konstrukce, komunikace mezi procesorem a externím adaptérem přes systémovou sběrnici, universální obvody externího adaptéru.
  8. Principy řízení periferních operací. Programové řízení periferní operace, generování a obsluha žádosti o přerušení, generování žádosti o přenos DMA a jeho realizace, vkládání čekacích stavů do komunikace s adaptéry.
  9. V/V sběrnice, principy řízení periferních zařízení přes V/V sběrnici. Principy konstrukce rozhraní mezi adaptéry a periferními zařízeními. Obvody (prvky) pro buzení/snímání sběrnicových signálů.
  10. Principy konstrukce paměťových obvodů na adaptérech. Principy komunikace s paměťovými prvky (registry, paměti) na adaptérech, adresace paměti, V/V adresový prostor.
  11. Návrh externího adaptéru na bázi mikroprogramového řadiče. Návrh externího adaptéru na bázi sekvenčního automatu.
  12. Syntéza externích adaptérů v prostředí návrhového systému.
  13. Uplatnění principů testovatelnosti při syntéze vestavěných systémů a externích adaptérů.

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

Absolvování laboratorních cvičení, půlsemestrální písemná zkouška.

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 MPV , 2. ročník, letní semestr, povinný
    obor MSK , 2. ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Zdeněk Kotásek, CSc.

Osnova

  1. Typické aplikace vestavěných systémů, požadavky na vestavěný systém.
  2. Jádro vestavěného systému - procesor, jeho parametry ovlivňující cenu a výkon systému. Architektura procesorů využitelných ve vestavěných systémech.
  3. Operační systémy vestavěných aplikací. Typická architektura systémového a aplikačního softwaru. Paměťový subsystém, připojení, časování, typy a vlastnosti.
  4. Číslicové vstupy, snímání binární informace, číslicové výstupy, ovládání dvoustavových akčních členů, rozšiřování číslicových vstupů a výstupů, číslicová zpětnovazební smyčka, dvoustavová regulace. Analogový vstup a výstup, převodníky, komparátory, snímače polohy a ostatních veličin, 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. Bezpečnost a odolnost proti poruchám. Pokročilé architektury a paralelismus ve vestavěných systémech, jejich programování. Realizace vestavěného systému hradlovým polem. Rozšířitelnost a náklady na vývoj.
  7. Systémová sběrnice, principy její konstrukce, komunikace mezi procesorem a externím adaptérem přes systémovou sběrnici, universální obvody externího adaptéru.
  8. Principy řízení periferních operací. Programové řízení periferní operace, generování a obsluha žádosti o přerušení, generování žádosti o přenos DMA a jeho realizace, vkládání čekacích stavů do komunikace s adaptéry.
  9. V/V sběrnice, principy řízení periferních zařízení přes V/V sběrnici. Principy konstrukce rozhraní mezi adaptéry a periferními zařízeními. Obvody (prvky) pro buzení/snímání sběrnicových signálů.
  10. Principy konstrukce paměťových obvodů na adaptérech. Principy komunikace s paměťovými prvky (registry, paměti) na adaptérech, adresace paměti, V/V adresový prostor.
  11. Návrh externího adaptéru na bázi mikroprogramového řadiče. Návrh externího adaptéru na bázi sekvenčního automatu.
  12. Syntéza externích adaptérů v prostředí návrhového systému.
  13. Uplatnění principů testovatelnosti při syntéze vestavěných systémů a externích adaptérů.

Laboratorní cvičení

16 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Zdeněk Kotásek, CSc.

Osnova

  • Analýza komunikace s externím adaptérem přes sběrnici ISA pomocí logického analyzátoru.
  • Analýza komunikace s externím adaptérem přes sběrnici PCI pomocí logického analyzátoru.
  • Analýza obsluhy IRQ na sběrnici PCI pomocí logického analyzátoru.
  • Analýza DMA přenosů přes sběrnici PCI pomocí logického analyzátoru.
  • Návrh externího adaptéru s Boot ROM a její instalace do systému.
  • Analýza dějů na rozhraní Centronics pomocí logického analyzátoru.
  • Využití služeb DOSu a BIOSu pro řízení externích adaptérů a periferních zařízení.
  • Návrh obvodů externího adaptéru 1 v prostředí návrhového systému.
  • Návrh obvodů externího adaptéru 1 v prostředí návrhového systému.
  • Návrh obvodů externího adaptéru 1 v prostředí návrhového systému.
  • Návrh obvodů externího adaptéru 2 v prostředí návrhového systému.
  • Návrh obvodů externího adaptéru 2 v prostředí návrhového systému.
  • Návrh obvodů externího adaptéru 2 v prostředí návrhového systému.

Projekt

10 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Zdeněk Kotásek, CSc.