Кафедра конструювання електронно-обчислювальної апаратури

[KE-60] Проєктування "систем на кристалі"

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Рівень вищої освіти	Перший (бакалаврський)
Галузь знань	-
Спеціальність
Освітня програма	172Мн ІОЗ - Інформаційно-обчислювальні засоби радіоелектронних систем (ЄДЕБО id: 31210)172Мп ІОЗ - Інформаційно-обчислювальні засоби радіоелектронних систем (ЄДЕБО id: 28678)172Мн РЕІ - Радіоелектронна інженерія (ЄДЕБО id: 53272)172Мп ІОЗ+ - Інформаційно-обчислювальні засоби радіоелектронних систем (ЄДЕБО id: 57918)
Статус дисципліни	Нормативна
Форма здобуття вищої освіти	Очна
Рік підготовки, семестр	1 курс, осінній семестр
Обсяг дисципліни	4 кред. (Лекц. 36 год, Практ. год, Лаб. 36 год, СРС. 48 год )
Семестровий контроль/контрольні заходи	Залік
Розклад занять	https://rozklad.kpi.ua
Мова викладання	Українська
Інформація про керівника курсу / викладачів	Лекц.: Антонюк О. І., Лаб.: Антонюк О. І., СРС.: Антонюк О. І.
Розміщення курсу	https://classroom.google.com/c/ODU2NzY2MzUyMjFa

Програма навчальної дисципліни

1. Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Опис дисципліни. Під час навчання студенти ознайомляться з основними поняттями та методами розробки систем на кристалі з використанням високорівневого проектування. На лабораторних заняттях студенти навчаться проектувати пристрої з вбудованими та синтезованими процесорними ядрами, виконувати їх тестування на відповідність специфікації та аналізувати результати. Передбачено контроль якості отриманих знань у вигляді модульної контрольної роботи.

Предмет навчальної дисципліни: системи на кристалі Cyclone V фірми IntelFPGA та САПР для синтезу цифрових систем Platform Designer.

Міждисциплінарні зв’язки. Навчальна дисципліна «Проектування систем на кристалі» вивчається паралельно з навчальними дисциплінами «Системи комп’ютерного зору» і «Основи нейромережних технологій» і створює базу для вивчення дисциплін з вибіркового циклу, таких як «Сучасні методи синтезу обчислювальних пристроїв», «Комп’ютерні технології проектування електронних засобів» і «Радіоелектронні обчислювальні засоби на основі цифрових сигнальних процесорів».

Мета навчальної дисципліни. Метою навчальної дисципліни є формування у студентів здатності:

грамотного i правильного застосування досягнень сучасної цифрової техніки (систем на кристалі);
проводити оцінку та вибір апаратних та програмних засобів цифрової обробки сигналів;
розробляти проекти для ПЛМ;
виконувати налагодження та супроводження різноманітних цифрових систем обробки інформації;
розробляти та реалізовувати заходи по збільшенню надійності пристроїв цифрової обробки сигналів.

Успішне вивчення дисципліни необхідно студентам, щоб отримати:

Загальні компетентності:

ЗК 2: Здатність генерувати нові ідеї й нестандартні підходи до їх реалізації (креативність);
ЗК 5: Здатність аналізувати, верифікувати, оцінювати повноту інформації в ході професійної діяльності, при необхідності доповнювати й синтезувати відсутню інформацію й працювати в умовах невизначеності;
ЗК 8: Здатність до ефективних комунікаційних взаємодій, в тому числі засобами інформаційних технологій;
ЗК 11: Здатність виявляти наукову сутність проблем у професійній сфері, знаходити адекватні шляхи щодо їх розв’язання;
ЗК 12: Здатність до самостійного освоєння нових методів дослідження, зміні наукового та науково-виробничого профілю своєї діяльності;
ЗК 13: Здатність досліджувати проблеми із використанням системного аналізу, синтезу та інших загальнонаукових методів пізнання.

Фахові компетентності:

ФК 2: Здатність оцінювати рівень існуючих технологій у галузі професійної діяльності, ефективність технічних рішень та можливість виникнення об’єктів права інтелектуальної власності, відшукувати шляхи та можливості реалізації наукових ідей у прибуткових бізнес-проектах та стартапах;
ФК 3: Здатність до системного мислення, вирішення задач розробки, оптимізації та оновлення структурних блоків телекомунікаційних, радіотехнічних та інформаційних систем;
ФК 5: Здатність використовувати інформаційні технології, методи інтелектуалізації та візуалізації, штучного інтелекту для дослідження та аналізу процесів у телекомунікаційних та радіотехнічних системах;
ФК 6: Здатність демонструвати і використовувати фундаментальні знання принципів побудови сучасних телекомунікаційних та радіотехнічних систем, систем контролю та керування, перспективні напрямки розвитку їх елементної бази;
ФК 10: Здатність застосовувати знання методів обробки та відображення інформації в сучасних телекомунікаційних та радіотехнічних системах та демонструвати уміння проектування, розрахунку та програмування цифрових електронних засобів та систем;
ФК 11: Здатність використовувати типові та розробляти власні програмні продукти, орієнтовані на розв’язок задач проектування та розрахунку складових частин телекомунікаційних та радіотехнічних систем для оптимізації структури та конструкції досліджуваних об’єктів, підготовки необхідної технологічної документації;
ФК 16: Здатність обирати оптимальні методи досліджень, модифікувати та адаптувати існуючі, розробляти нові методи досліджень відповідно до існуючих технічних засобів та формувати методику обробки результатів досліджень;
ФК 20: Здатність розробляти та реалізовувати проекти цифрових пристроїв обробки та передачі інформації, систем комп’ютерного зору на базі сучасних DSP та ПЛІС, «систем на кристалі» і сенсорних радіомереж. Обирати ефективну елементну базу для вирішення завдання. Вирішувати комплексні питання створення систем та розробки принципів взаємодії складових частин системи;
ФК 22: Здатність застосовувати сучасні технології проектування електронних та інформаційно-обчислювальних пристроїв, «систем та мереж на кристалі» у галузі електроніки та телекомунікацій. Здатність обирати оптимальну структуру системи. Здатність ефективно тестувати запропоновану структуру системи з метою виявлення недоліків, використовувати технологію периферійного сканування Boundary Scan (JTAG) при проектуванні та тестуванні електронних обчислювальних систем.

Програмні результати навчання:

ЗН 7: Змісту технічного завдання на проектування, розроблення та виготовлення телекомунікаційних та радіотехнічних пристроїв та систем;
ЗН 22: Сучасного стану та можливостей засобів обробки інформації на основі «систем на кристалі», DSP та ПЛІС,основних методів та алгоритмів обробки, сегментації та розпізнавання зображень, принципів побудови комп’ютерних систем для вирішення основних задач комп’ютерногозору. Основних методів розробки та тестування «систем на кристалі». Сучасного стану алгоритмів та методів цифрової обробки сигналів, що використовуються при реалізації систем технічного зору;
ЗН 24: Способів створення проектів на «системах на кристалі»,радіо-модемах сенсорних радіомереж, DSP та ПЛІС із застосуванням інтегрованих середовищ проектування та інструментальних засобів типу Development Board, методики та принципів проектування і тестування електронних обчислювальних систем на основі технології периферійного сканування Boundary Scan (JTAG).Методів відпрацювання взаємодії складових частин системи. Способів тестування апаратної та програмної частин «системи на кристалі»;
УМ 7: Аргументувати та захищати розроблені проектно-конструкторські та науково-технічні рішення перед замовником, вести аргументовану професійну та наукову дискусію;
УМ 11: Узагальнювати сучасні наукові знання та застосовувати їх для розв’язання науково-технічних завдань, оцінки можливості доведення отриманих рішень до рівня конкурентоспроможних розробок, втілення результатів у бізнес-проектах;
УМ 14: Впроваджувати проектні рішення у виробництво, корегувати, диспетчеризувати та модернізувати розробки;
УМ 16: Застосовувати методи проектування та моделювання для розроблення і реалізації проектів та інженерних рішень за заданими вимогам;
УМ 22: Розробляти та налагоджувати в інтегрованих середовищахпроектуваннязасоби обробки і передачі інформації, а також системи комп’ютерного зору на основі «систем на кристалі», DSP та ПЛІС. Оцінювати їх ефективність за допомогою інтегрованих засобів та оціночних модулів, оптимізувати результат за обраними критеріями;
УМ 24: Здійснювати проектування та налагодження електронних обчислювальних систем різного функціонального призначення, в тому числі і із застосуванням технології тестування периферійного сканування JTAG (Boundary Scan). Обґрунтовувати вибір інтегральних радіо-модемних і мікроконтролерних компонентів для розробки схемотехнічних та алгоритмічних (програмних) рішень сенсорних низькошвидкісних радіомереж. Застосовувати спроектовані системи для вирішення прикладних задач, змінювати архітектуру системи та ефективно поєднувати програмну та апаратну складові системи.

2. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Пререквізити: мати базові знання з дисципліни «Автоматизація проектування цифрових пристроїв» та «Системи автоматизованого проектування радіоелектронної апаратури».

Постреквізити: наявність знань необхідних для вивчення дисципліни «Системи технічного зору» та «Виконання магістерської дисертації».

3. Зміст навчальної дисципліни

Лекційні заняття

Розділ 1. Вступ

Тема 1.1 Сучасний стан програмованої логіки.

Тема 1.2 Поява елементної бази, що відповідає вимогам «системи на кристалі».

Тема 1.3 Базові терміни та визначення.

Розділ 2. Архітектура програмного процесорного ядра Nios II

Тема 2.1 Процесорне ядро Nios II – вбудоване рішення для ПЛМ. Аналіз архітектури ядра.

Тема 2.2 Призначення середовища проектування SOPC Builder. Налаштування процесорного ядра Nios II у середовищі SOPC Builder.

Тема 2.3 Додавання до процесорного ядра стандартних модулів. Генерація «системи на кристалі».

Тема 2.4 Структура проекту, створеного для «системи на кристалі».

Розділ 3. Розробка програмного забезпечення для процесорного ядра Nios II

Тема 3.1 Середовище розробки програмного забезпечення Nios II IDE. Розробка проекту.

Тема 3.2 Налаштування системної бібліотеки проекту. Структура проекту.

Тема 3.3 Запуск програми процесорним ядром Nios II. Робота у режимі налагодження програмного забезпечення.

Розділ 4. Проектування «систем на кристалі»

Тема 4.1 Системна шина AVALON – призначення та реалізація.

Тема 4.2 Паралельний інтерфейс – Avalon-MM.

Тема 4.3 Додавання до системи модулів користувача.

Тема 4.4 Розширення системи команд процесорного ядра Nios II командами користувача. Загальні відомості. Основні типи команд.

Тема 4.5 Практичні приклади застосування «систем на кристалі». Структура системи для обробки аудіосигналу.

Тема 4.6 Структура системи для обробки відеосигналу.

Тема 4.7 Проектування «мережі на кристалі». Загальні відомості. Особливості реалізації.

Лабораторні роботи

1. Розробка процесорного ядра Nios II та програмного забезпечення для нього.

2. Керування периферійними пристроями модуля DE2 за допомогою процесорного ядра Nios II.

3. Обробка аудіосигналу за допомогою процесорного ядра Nios II.

4. Перетворення відеосигналу.

5. Проектування «мережі на кристалі» (NoC).

4. Навчальні матеріали та ресурси

Базова література

В.М. Рябенький, В.Я. Жуйков, В.Д. Гулий. Цифрова схемотехніка. Навчальний посібник. – Львів; «Новий Світ – 2000», 2009. – 736 с.
В. Немудров, Г. Мартин. Системы-на-кристалле. Проектирование и развитие. – М.; Техносфера, 2004. – 216 с.
В.В. Амосов. Схемотехніка и средства проектирования цифрових устройств. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. – 560 с.

Допоміжна література

В.В.Соловьев. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем.-М.;Горячая линия – Телеком,2001.- 312 с.
Е.П.Угрюмов. Цифровая схемотехника.- СПб.;БХВ-Петербург,2001. - 448с.
М.О.Кузелин, Д.А.Кнышев, В.Ю.Зотов. Современные семейства ПЛИС фирмы XILINX. Справочное пособие.-М.;Горячая линия – Телеком,2004. – 440 с.
В.Б.Стешенко. ПЛИС фирмы ALTERA: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры.-М.;Додэка-XXI,2002. – 530 с.
Р.Грушвицкий, А.Мурсаев, Е.Угрюмов. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики.- СПб.;БХВ-Петербург,2002. – 590 с.
Quartus II. Version 7.2. Handbook. October 2007.
Nios II Processor Reference Handbook. Version 7.2. October 2007.
Nios II Software Developer’s Handbook. Version 7.2. October 2007.

Навчальний контент

5. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Лекційні заняття

№ з/п	Назва теми лекції та перелік основних питань (перелік дидактичних засобів, посилання на літературу та завдання на СРС)
1	*Розділ 1, тема 1.1, тема 1.3* Лекція 1 (4 год.) Основні етапи розвитку архітектури програмованої логіки. CPLD та FPGA. Сучасний стан програмованої логіки. Базові терміни та визначення – «система на кристалі», «програмне процесорне ядро». Основні етапи проектування «системи на кристалі». Література: 1, 2. Завдання на СРС – тема 1.2 Поява елементної бази, що відповідає вимогам «системи на кристалі» [11, р.9; 12].
2	*Розділ 2, тема 2.1* Лекція 2 (2 год.). Архітектура процесорного ядра Nios II. Принцип його побудови. Карта пам’яті процесора. Додаткові компоненти – призначення та принцип дії. Налаштування процесорного ядра. Література: 7. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [4, 5, 10].
3	*Розділ 2, тема 2.2* Лекція 3 (2 год.). Середовище проектування SOPC Builder. Розробка проекту. Побудова архітектури процесорного ядра Nios II у середовищі SOPC Builder. Розподіл адресного простору та векторів переривання. Література: 6, 9. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [10, 13].
4	*Розділ 2, тема 2.3* Лекція 4 (2 год.). Додавання до процесорного ядра стандартних модулів. Налаштування стандартних модулів. Блоки пам’яті – внутрішні та зовнішні. Паралельні порти. Послідовні порти. Інтерфейс JTAG. Генерація системи на кристалі. Література: 6, 7, 9. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [4, 10, 12, 13].
5	*Розділ 2, тема 2.4* Лекція 5 (2 год.). Файли що описують систему на кристалі. Структура проекту, створеного для системи на кристалі. Драйвери периферійних пристроїв. Внесення змін до архітектури процесорного ядра. Література: 7, 8, 9. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [5, 10].
6	*Розділ 3, тема 3.1* Лекція 6 (2 год.). Програмне забезпечення процесорного ядра Nios II. Використання мови С та асемблера. Середовище розробки програмного забезпечення Nios II IDE. Його можливості. Розробка проекту. Література: 7, 8, 9. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [10, 12, 13].
7	*Розділ 3, тема 3.2* Лекція 7 (2 год.). Призначення системної бібліотеки проекту. Логічні та фізичні ресурси. Налаштування системної бібліотеки проекту. Розробка командного файлу компоновника (лінкер-файлу). Структура проекту. Література: 8, 9. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [10, 12, 13].
8	*Розділ 3, тема 3.3* Лекція 8 (2 год.). Виконання програми процесорним ядром Nios II. Робота у режимі відлагодження програмного забезпечення. Точки зупину. Пошагове виконання програми. Відстеження внутрішніх змінних. Література: 8, 9. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [10, 12, 13].
9	*Розділ 4, тема 4.1* Лекція 9 (2 год.). Призначення системної шини AVALON. Її реалізація. Внутрішні блоки, що входять до складу системної шини – дешифратори адресу, модулі затримки, блоки керування запитами на переривання. Література: 7, 9, 10. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [12, 13].
10	*Розділ 4, тема 4.2* Лекція 10 (2 год.). Послідовна та паралельна структури системної шини. Їх призначення. Паралельна шина – Avalon-MM. Головні сигнали шини. Способи підключення до шини Avalon-MM. Налаштування затримок шини Avalon-MM. Література: 7, 9, 10. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [12, 13].
11	*Розділ 4, тема 4.3* Лекція 11 (2 год.). Створення модулів користувача. Налаштування інтерфейсу. Обов’язкові сигнали, їх призначення та типи. Додавання до процесорного ядра модулів користувача. Література: 7, 9, 10. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [6, 13].
12	*Розділ 4, тема 4.4* Лекція 12 (2 год.). Можливості розширення системи команд процесорного ядра Nios II. Команди користувача - загальні відомості. Основні типи команд – комбінаційні, регістрові, складні. Апаратна реалізація розширеної системи команд. Література: 8, 10. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [6, 9].
13	*Розділ 4, тема 4.5* Лекція 13 (2 год.). Проблемно орієнтовані системи на кристалі. Принципи обробки аудіо сигналу. Перетворення аналогового аудіо сигналу у цифрову послідовність. Аудіокодек – його налаштування. Література: 8, 10. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [3, 5, 14].
14	Лекція 14 (2 год.) Реалізація цифрових фільтрів для обробки аудіо сигналу. Адаптована фільтрація. Структура та реалізація системи для обробки аудіо сигналу. Література: 8, 10. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [3, 5, 14].
15	*Розділ 4, тема 4.6* Лекція 15 (2 год.) Аналоговий та цифровий відео сигнали. Відеокодек – його призначення та налаштування. Бібліотечні компоненти, які використовуються для обробки відео сигналу. Перетворення кольорового зображення в зображення в монохромне. Література: 8, 10. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [3, 5, 14].
16	Лекція 16 (2 год.) Фільтри для обробки відеосигналу. Медіанна фільтрація. Детектування фронтів. Структура системи для обробки відео сигналу. Додавання блоків користувача до системи обробки відео сигналу. Література: 8, 10. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [3, 5, 14].
17	*Розділ 4, тема 4.7* Лекція 17(2 год.). Мережі на кристалі – сучасний напрямок реалізації систем. Загальні відомості. Базові архітектури. Особливості реалізації. Література: 7, 9, 10. Завдання на СРС – вивчити викладений матеріал та поглибити знання за темою [14].

Лабораторні заняття

№ з/п	Назва лабораторної роботи	Кількість ауд. годин
1	Розробка процесорного ядра Nios II та програмного забезпечення для нього.	2
2	Керування периферійними пристроями стенду DE2 за допомогою процесорного ядра Nios II.	2
3.	Робота з аудіокодеком WM8731 на стенді DE2.	2
4.	Реалізація КІХ-фільтру для обробки аудіосигналу за допомогою процесорного ядра Nios II.	2
5.	Перетворення відеосигналу.	2
6.	Застосування фільтру виділення кордонів в відеопотоці (Edge Detection).	2
7.	Додавання до відеосигналу тестового шуму типу “salt and pepper”.	4
8.	«Мережі на кристалі» (NoC). Розробка комутатора для мережі.	2

6. Самостійна робота студента

Теми програми, які пропонуються для самостійного вивчення після кожної лекції, а також перелік основних питань та посилання на літературу наведено вище.

Політика та контроль

7. Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Система вимог, які ставляться перед студентом:

Відвідування лекційних та лабораторних занять є обов’язковою складовою вивчення матеріалу.
На заняттях звук на телефонах має бути відключений (може бути активований віброрежим); кожен студент повинен мати власний зошит, в якому пише конспект; дозволяється використання студентами ноутбуків, телефонів, планшетів та інших гаджетів для перегляду файлів з навчальним матеріалом, наданим викладачем.
Необхідною умовою допуску студента до заліку є виконання і захист усіх лабораторних робіт, передбачених програмою. Для виконання лабораторної роботи студент отримує завдання у викладача. Після самостійного виконання завдання до лабораторної роботи, студент пише протокол лабораторної, який містить: дату виконання, прізвище та ім’я студента, назву роботи, мету роботи, відповіді на контрольні питання, приклади виконання опису пристрою та результати його перевірки, висновок, в якому має бути наведений аналіз одержаних результатів. Написаний протокол студент приносить викладачу і захищає лабораторну, для чого необхідно вміти пояснити хід виконання роботи та проведення тестування, а також знати відповіді на теоретичні питання по темі лабораторної. Після успішного захисту лабораторна вважається зарахованою
У випадку захисту лабораторної раніше визначеного терміну студент отримує за неї один додатковий заохочувальний бал. У випадку захисту лабораторної пізніше визначеного терміну зі студента знімається по одному штрафному балу за кожен тиждень затримки.
Модульна контрольна робота пишеться студентами самостійно на лабораторних заняттях без застосування допоміжних засобів (мобільні телефони, планшети та ін.).
У випадку пропущення студентом лабораторної він має отримати допуск у викладача і виконати її у будь-який час, коли буде можливість.

Усі письмові роботи виконуються студентом самостійно. Для підтвердження факту самостійного виконання будь-якої письмової роботи студент має вміти усно пояснити те, що він написав.

8. Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Лабораторні роботи

Ваговий бал — 10.

Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи: 10 балів ´ 8 = 80 балів.

Критерії оцінювання:

вчасно виконана лабораторна робота - 5 балів
не вчасно виконана лабораторна робота - 2 бали
вчасно захищена лабораторна робота - 5 балів
не вчасно захищена лабораторна робота - 3 бали

Модульний контроль

Ваговий бал — 20.

Максимальна кількість балів за всі контрольні роботи:

20 балів ´ 1 = 20 балів.

Контрольна робота має практичне завдання.

Атестація

Розмір стартової шкали: RС = П.1 + П.2 = 80 + 20 = 100 балів.

Розмір шкали рейтингу: R = 100 балів.

Для отримання оцінки «зараховано» на проміжних атестаціях студент повинен мати:

I атестація (8 тиждень) — не менше ніж 20 балів;
II атестація (14 тиждень) — не менше ніж 50 балів.

Заохочувальні та штрафні бали

присутність на лекції +1 бал
відсутність на лекції (без поважної причини) мінус 1 бал
відсутність на лекції (за поважної причини) 0 балів

Залік

Умови допуску до заліку:

Захист всіх лабораторних робіт;
Хоча б одна атестація з оцінкою «зараховано»;
Стартовий рейтинг rС ≥ 40 балів.

Таблиця відповідності рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою

Кількість балів	Оцінка
100-95	Відмінно
94-85	Дуже добре
84-75	Добре
74-65	Задовільно
64-60	Достатньо
Менше 60	Незадовільно
Не виконані умови допуску	Не допущено

9. Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)

Опис матеріально-технічного та інформаційного забезпечення дисципліни

Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):
Складено Антонюк О. І.;
Ухвалено кафедрою КЕОА (протокол № 12 від 2021-06-30 )
Погоджено методичною комісією факультету/ННІ (протокол № ______ від ______)