Laboratorium Techniki Mikroprocesorowej i Systemów Wbudowanych

RSS
  Laboratorium Techniki Mikroprocesorowej i Układów Wbudowanych  
 

Technika mikroprocesorowa stanowi podstawę działania znakomitej większości urządzeń elektronicznych zarówno na rynku konsumenckim jak i w przemyśle. Mikroprocesor jest obecnie jednym z najpowszechniej wykorzystywanych sprzętowych bloków funkcjonalnych współczesnych urządzeń. Przedmiot Technika Mikroprocesorowa ma za zadanie przybliżyć studentom mechanizmy działania mikroprocesorów oraz ich współczesne zastosowania. Studenci poznają na nim następujące zagadnienia: 

  • zagadnienia podstawowe, elementy składowe systemu mikroprocesorowego: rejestry, pamięci, magistrale, platformy sprzętowe i podejścia do rozwoju oprogramowania,
  • różnice pomiędzy systemami mikroprocesorowymi ogólnego przeznaczenia oraz wbudowanymi, mikroprocesory i oprogramowanie aplikacyjne i wbudowane, wybrane platformy sprzętowe, narzędzia programowe, różne podejścia do rozwoju i debugowania oprogramowania wbudowanego,
  • sposoby oceny oraz porównywania wydajności obliczeniowej oraz sposoby zwiększania wydajności obliczeniowej w systemach mikroprocesorowych.
  • wyjątki i przerwania w systemach mikroprocesorowych, mechanizmy działania oraz zastosowania przerwań i wyjątków w systemach mikroprocesorowych, oprogramowanie procedur obsługi przerwań
  • moduły bezpośredniego dostępu do pamięci (DMA),
  • przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C) i cyfrowo-analogowe (C/A) w systemach mikroprocesorowych,
  • wykorzystanie zasobów sprzętowych mikroprocesora: współczesne podejście do efektywnego tworzenia niskopoziomowego oprogramowania, wykorzystanie zasobów sprzętowych mikroprocesora (rejestrów, stosu) przez programistę, narzędzia do rozwoju oprogramowania,
  • instrukcje DSP oraz SIMD w nowoczesnych mikroprocesorach,
  • rodzaje pamięci stosowanych współcześnie w systemach mikroprocesorowych, budowa i właściwości podstawowych typów pamięci ulotnych i nieulotnych, hierarchia pamięci w systemach komputerowych, mechanizmy działania pamięci cache,
  • jednostki zarządzania pamięcią (MMU) w systemach mikroprocesorowych, pamięć wirtualna, stronicowanie pamięci, ochrona obszarów pamięci, mechanizmy stronicowania i translacji adresów we współczesnych mikroprocesorach, przykładowe mechanizmy translacji adresów w kontekście wielozadaniowych systemów operacyjnych,
  • przetwarzanie potokowe, problemy pojawiające się przy przetwarzaniu potokowym i sposoby ich rozwiązywania,
  • równoległość na poziomie instrukcji, przetwarzanie superskalarne, problemy pojawiające się przy przetwarzaniu superskalarnym oraz sposoby ich rozwiązywania,
  • zależności energetyczne w systemach mikroprocesorowych, sprzętowe i programowe sposoby ograniczania poboru mocy w urządzeniach mikroprocesorowych, w tym wbudowanych.

Systemy wbudowane są to urządzenia najczęściej mikroprocesorowe, przeznaczone i dostosowane na wielu płaszczyznach do realizacji specyficznej funkcjonalności. Systemy wbudowane zyskują obecnie na znaczeniu ze względu na dynamiczny rozwój Internetu Rzeczy (IoT) i programowalnego Internetu. Z jednej strony mamy do czynienia z ogromnym postępem elektroniki, a z drugiej pojawiają się kolejne obszary zastosowań dla rozmaitych urządzeń elektronicznych. Przykłady zastosowań systemów wbudowanych obejmują zróżnicowane klasy urządzeń mikroprocesorowych, począwszy od współczesnego sprzętu gospodarstwa domowego, przez komputerowe układy peryferyjne, elektroniczne moduły w pojazdach, sprzęt sieciowy i telekomunikacyjny, radiowe sieci sensorowe, systemy akwizycji danych, sprzęt medyczny, aż po sterowniki maszyn i robotów.

Przedmiot Systemy Wbudowane zapewnia studentom możliwość poznania zagadnień związanych projektowaniem sprzętu oraz oprogramowania do urządzeń wbudowanych na różnych poziomach. Poczynając od najniższego poziomu, studenci mają możliwość poznać:

  • Sposoby interakcji systemów mikroprocesorowych z różnymi urządzeniami peryferyjnymi: czujnikami i układami wykonawczymi oraz sposoby podłączania i oprogramowania interfejsów komunikacyjnych powszechnie wykorzystywanych w dziedzinie systemów wbudowanych,
  • Zarówno klasyczne jak i nowoczesne podejścia do tworzenia oprogramowania dla urządzeń wbudowanych z mikrokontrolerami i mikroprocesorami aplikacyjnymi, w tym zastosowanie środowisk do wysokopoziomowego generowania konfiguracji sprzętowej oraz kodu źródłowego,
  • Obecnie bardzo istotne w urządzeniach wbudowanych zagadnienia związane z zarządzaniem energią oraz pozyskiwaniem energii z otoczenia (energy harvesting) zarówno na poziomie projektowania sprzętu jak i oprogramowania,
  • Niskopoziomowe podstawy konstrukcji urządzeń pracujących jako węzły radiowych sieci sensorowych, urządzeń akwizycji danych z możliwością ich lokalnego przetwarzania oraz urządzeń dla Internetu rzeczy (Internet of Things).
 
  LABORATORIUM  
 

Laboratorium Techniki Mikroprocesorowej i Systemów Wbudowanych zlokalizowane jest w sali 3.24 w budynku D-17.

Sprzęt i oprogramowanie dostępne w laboratorium ułatwiają zapoznanie się z zagadnieniami dotyczącymi budowy i zasady działania systemów mikroprocesorowych oraz wbudowanych. Laboratorium wyposażone jest też w zestawy ewaluacyjne oraz płytki rozwojowe oparte na mikroprocesorach i mikrokontrolerach o różnych architekturach wewnętrznych: x86, x86-64, 8051, AVR, HCS12 oraz wielu wersjach ARM, w tym najnowszych ARM Cortex-M0, M3, M4, M7, A53. W Laboratorium Techniki Mikroprocesorowej i Systemów Wbudowanych dysponujemy dużą liczbą nowoczesnych zestawów testowych i rozwojowych. Zachęcamy studentów do korzystania z tych płytek w realizacji ćwiczeń laboratoryjnych oraz własnych projektów, a także prac magisterskich i inżynierskich.

 
   
 

W Laboratorium Techniki Mikroprocesorowej i Systemów Wbudowanych używamy różnorodnego oprogramowania narzędziowego. Oprogramowanie dla wielu architektur mikroprocesorów, mikrokontrolerów i systemów wbudowanych tworzymy w różnych językach, począwszy od asemblera, przez C, C++, aż po języki wysokiego poziomu, takie jak Python i Java. Do tworzenia konfiguracji dla układów programowalnych FPGA mamy dostępne w pełni profesjonalne oprogramowanie komercyjne: Altera Quartus-II oraz Xilinx Vivado z narzędziami do wysokopoziomowej syntezy systemów wbudowanych.

 
  SZCZEGÓŁY WYPOSAŻENIA  
 

W Laboratorium Techniki Mikroprocesorowej i Systemów Wbudowanych do dyspozycji studentów znajduje się m.in.:

  • 10 płytek STM32F4-DISC1 z ARM Cortex-M4,
  • 6 płytek Nucleo z ARM Cotex-M0+,
  • 4 płytki Nucleo z Cortex-M7,
  • 2 płytki STM32L0538-DISCO z energooszczędnym wyświetlaczem typu „e-papier”,
  • 10 zestawów Arduino wraz z wieloma kompletami płytek stykowych i kabli połączeniowych,
  • 10 zestawów Raspberry Pi 3 model B,
  • płytki rozwojowe z układami firmy Xilinx – jednym z najciekawszych zestawów jest Zybo z nowoczesnymi układami Xilinx Zynq-7000 będącymi hybrydami FPGA oraz dwurdzeniowego mikroprocesora ARM Cortex-A9,
  • sprzętowymi narzędziami rozwojowymi (programatory, debuggery) oraz nowoczesnym sprzętem pomiarowym.
 
 

Poniżej przedstawiono dostępne w Laboratorium zestawy rozwojowe dla mikrokontrolerów ARM-Cortex: zestaw STM32F429I-DISC1, Nucleo-F746ZG oraz STM32L0538-DISCO.

 
  Disco / Nucleo-Eth / epaper  
 

W ostatnich latach jednym z najpopularniejszych zestawów rozwojowych jest Arduino. Arduino używany jest na całym świecie jako pomoc w nauce oraz konstrukcji własnych urządzeń mikroprocesorowych. Dla wielu młodych adeptów informatyki Arduino lub jego odpowiedniki zapewniły pierwszą możliwość wejścia w świat systemów wbudowanych, sieci sensorowych oraz Internetu rzeczy. Na stałym wyposażeniu laboratorium znajduje się 10 podstawowych zestawów w pełni kompatybilnych z Arduino Uno R3.

Równie popularną i chętnie stosowaną przez inżynierów, konstruktorów, naukowców i wynalazców z całego świata jest płytka Raspberry Pi. Jest ona znacznie bardziej zaawansowana niż Arduino Uno i ma nieporównywalnie większe możliwości. Raspberry Pi 3 model B dostępne w naszym laboratorium wyposażone są w czterordzeniowe mikroprocesory ARM Cortex-A59 i może na nich działać system operacyjny Linux lub Windows.

 
  Arduino UNO / Raspberry Pi  
 

Dla studentów chcących związać swoją karierę z coraz popularniejszym tematem Internetu Rzeczy (ang. Internet of Things, IoT) również dysponujemy odpowiednią bazą sprzętową. W Laboratorium Techniki Mikroprocesorowej i Systemów Wbudowanych pokazujemy, jak działa sprzęt wykorzystywany w dziedzinie IoT, przez co przygotowujemy studentów do dalszego rozwijania zainteresowań w obszarze IoT na wyższych latach studiów: http://galaxy.agh.edu.pl/~tszydlo/copernicus/

Wspólnie z Laboratorium Internetu Rzeczy dysponujemy nowoczesną bazą sprzętową dla IoT, w tym: komputerami Intel Galileo ze specjalnymi modułami rozszerzeń dla IoT, komputerami Intel Curie, Intel Edison i zestawem dziesięciu inteligentnych czujników SimpleLink Bluetooth low energy firmy Texas Instruments wraz z profesjonalnym zestawem narzędzi do rozwoju oprogramowania dla nich.

 
  Edison itp  
 

Współcześnie dużego znaczenia nabierają systemy obliczeniowe oraz wbudowane opierające swoje działanie na układach logiki programowalnej, przede wszystkim FPGA. W Laboratorium Techniki Mikroprocesorowej i Systemów Wbudowanych studenci mają możliwość poznać układy FPGA największych producentów. Na przedmiocie Technika Mikroprocesorowa używamy układów FPGA do m.in. do pokazania mechanizmów działania mikroprocesorów. Natomiast na przedmiocie Systemy Wbudowany studenci uczą się zastosowania FPGA do tworzenia zaawansowanych i nowoczesnych systemów wbudowanych.

Obecnie do konstrukcji systemów wbudowanych o najwyższej wydajności obliczeniowej używa się podejścia hybrydowego, w którym jedno- lub wielordzeniowy mikroprocesor współpracuje z matrycą FPGA. Przykładem platformy tego typu jest Xilinx Zynq-7000 dostępny w naszym Laboratorium na płytkach testowych Zybo.

 
   
 

Dopełnieniem wyposażenia Laboratorium Techniki Mikroprocesorowej i Systemów Wbudowanych jest nowoczesne zaplecze sprzętowe z profesjonalnymi oscyloskopami cyfrowymi i analizatorami stanów logicznych, m.in.:

  • 4-kanałowy oscyloskop cyfrowy LeCroy WaveRunner 620ZiStacjonarny,
  • analizator stanów logicznych Tektronix TLA5204B.
 
  analizator / oscyloskop   
  CIEKAWOSTKI ZWIĄZANE Z PRAKTYCZNYMI ASPEKTAMI PREZENTOWANYMI W LABORATORIUM  
  czy wiesz, że 9  
  czy wiesz, że 10  
  zdjęcia: Robert Brzoza-Woch, Małgorzata Ulikowska  

Wszelkie prawa zastrzeżone © 2010 Katedra Informatyki   |   Akademia Górniczno-Hutnicza   |   Realizacja Creative Bastards