• Львів, вул. С.Бандери 28a, кім.503
  • (032) 258-21-96
 

Лабораторія вбудованих комп'ютерних систем. Докладно

Вбудовані комп'ютерні та кіберфізичні системи

Лабораторія вбудованих комп'ютерних систем (кімн. 905, V н. к.) функціонує під керівництвом проф. Глухова В.С.

Лабораторія призначена для практичного засвоєння принципів побудови та функціонування вбудованих комп'ютерних систем (ВКС) та засобів опрацювання даних кіберфізичних систем (КФС).

Відмінність ВКС та КФС від звичайних універсальних комп'ютерних систем – націленість на сферу застосування. Тому основна увага при їх проектуванні приділяється забезпеченню найкращих технічних характеристик як операційних, так і пристроїв вводу та виводу, пристрою керування та периферійних пристроїв.

Рис.1. Вбудована комп'ютерна система та її основні елементи

Додатковою особливістю КФС є широке використання безкабельних зв'язків. Як периферійні пристрої у складі КФС використовують давачі та виконавчі механізми.

Рис.2. Кіберфізична система та її основні елементи

Апаратною основою ВКС та КФС є або дві надвеликі інтегральні схеми – мікроконтролер та прорамована логічна інтегральна схема (ПЛІС), або одна, яка об'єднує можливості мікроконтролера та ПЛІС – так звана система на кристалі (System-On-Chip, SoC). Мікроконтролер, як правило, виконує протокольні функції – забезпечує спілкування із користувачем ВКС та КФС, а на ПЛІС апаратно реалізуються ті функції керування, які программно не в змозі виконати мікроконтролер. Для цього в ПЛІС розробниками ВКС тв КФС проектуються та реалізуються спеціалізовані процесори (спецпроцесори).

Рис.3. Мікроконтролер та ПЛІС у складі ВКС та КФС

Разом мікроконтролер та ПЛІС розміщують на одній друкованій платі, яку вбудовують у пристрої або системи, для керування якими і створюють ВКС або КФС.

Рис.4. Мікроконтролер та ПЛІС на друкованій платі

Засвоєння принципів роботи мікроконтролерів, ПЛІС та систем на кристалі здійснюється за допомогою спеціальних стендів (Starter Kit, Development Kit), якими оснащена лабораторія вбудованих комп'ютерних систем. В лабораторії містяться стенди для вивчення принципів та особливостей роботи як систем на кристалі, так і ПЛІС.

Приклади ВКС та КФС, що розробляються у Львові.

Яскравими прикладами сучасних КФС, які розробляються науковими організаціями Львова і в проектуванні яких активну участь беруть випускники та викладачі кафедри ЕОМ, є інформаційно-керуюча система бронетехніки, а також система збору і накопичення наукової інформації для мікросупутників. Досвід, отриманий при проектуванні та відлагодженні згаданих КФС використовується для організації навчального процесу у лабораторії вбудованих комп'ютерних систем.

Рис.5. Кібер-фізична система для бортової техніки (Львівський науково-дослідний радіотехнічний інститут)

Рис.6. Супутник Січ-2 на етапі відлагодження та тестування (Львівський центр Інституту космічних досліджень НАН та ДКА України)

Стенди для вивчення систем на кристалі.

В лабораторії 10 робочих місць, оснащених сучасними комп'ютерами з доступом до глобальних інформаційних ресурсів та стендами на базі відлагоджувального комплекту CY8CKIT-001 виробництва фірми Cypress Semiconductor. Стенди були надані кафедрі ЕОМ фірмою Cypress Semiconductor за підтримки доц. Креміня В.Т., одного із засновників Львівського відділення фірми. У створенні лабораторії брав участь Торубка Т.В.

Стенд CY8CKIT-001 PsoC® Development Kit є платформою для проектування та оцінювання варіантів технічних рішень комп'ютерних систем на кристалі, зокрема на базі змінних процесорних модулів кристалів PsoC 3 і PsoC 5.

Рис.7. Стенд CY8CKIT-001

Стенди для вивчення ПЛІС.

В лабораторії облаштовано робочі місця для визначення можливості використання наборів розробника ПЛІС DE2-115 та DE1-SоC, запропонованих університетською програмою фірми Altera, як навчальних стендів. Це сучасні платформи проектування апаратних рішень для вбудованих систем різного характеру та ступеня складності. Вони містять елементи, які дають змогу користувачам втілити в життя широкий спектр ідей, починаючи від різноманітних пристроїв і закінчуючи складними мультимедійними проектами.

Стенд DE2-115 побудований на основі ПЛІС фірми Altera Cyclone IV E. ПЛІС Cyclone IV EP4CE115 містить 114480 логічних елементів (найбільша кількість серед кристалів серії Cyclone IV E), до 3.9 Мбіт ОЗП та 266 помножувачів.

Перелік пристроїв, що розміщені на стенді DE2-115:

  • ПЛІС - Altera Cyclone IV 4CE115 FPGA;
  • конфігураційна пам'ять фірми Altera, модель: EPCS64 (8 MB);
  • вбудовані засоби програмування USB-Blaster (можливі два режими програмування: JTAG та Active Serial);
  • пам'ять типу SRAM – 2 MB;
  • пам'ять типу SDRAM – 2 ´ 64 MB;
  • пам'ять типу FLASH – 8 MB;
  • з'єднувач під SD-карту пам'яті;
  • 4 клавіші;
  • 18 перемикачів (вгору, вниз);
  • 18 червоних та 9 зелених світлодіодів;
  • джерело синхросигналу 50 МГц;
  • 24-розрядний аудіокодек зі з'єднувачами: line-in, line-out та microphone-in;
  • VGA-ЦАП для виводу інформації на монітор (під'єднаний до VGA-з'єднувача);
  • TV-декодер з підтримкою відеостандартів NTSC, PAL і SECAM та відповідний з'єднувач для під'єднання телевізійної антени;
  • 2 Gigabit-контролери фізичного рівня Ethernet зі з'єднувачами RJ45;
  • USB-контролер з режимами "Host" та "Slave", під'єднаний до USB-з'єднувачів типу А та типу В;
  • трансивер RS-232, під'єднаний до 9-пінового з'єднувача;
  • з'єднувач PS/2 для під'єднання миші або клавіатури;
  • IR-приймач (інфрачервоний);
  • 2 з'єднувача SMA для вводу/виводу зовнішнього синхросигналу;
  • 40-контактний з'єднувач з діодним захистом;
  • HSMC-з'єднувач;
  • 16х2 LCD-дисплей.

Рис.8. Зовнішній вигляд стенда DE2-115 з поясненнями

На рисунку зображено:

  • "USB blaster Port" – USB-з'єднувач для програмування стенда;
  • "USB Device" – USB-з'єднувач типу B для під'єднання USB-пристроїв;
  • "USB Host" – USB-з'єднувач з можливістю роботи в режимі "хост";
  • "Mic in" – з'єднувач для під'єднання мікрофона;
  • "Line in" – з'єднувач вхідного звуку;
  • "Line out" – з'єднувач вихідного звуку;
  • "Audio CODEC" – кодер/декодер аудіо;
  • "28 MHz Oscillator" – джерело синхросигналу 28 МГц;
  • "VGA Out" – з'єднувач VGA;
  • "Ethernet 10/100/1000M Port0" – RJ45-з'єднувач 0 для під'єднання до мережі Ethernet;
  • "Ethernet 10/100/1000M Port1" – RJ45-з'єднувач 1 для під'єднання до мережі Ethernet;
  • "RS-232 Port" – 9-піновий з'єднувач RS-232;
  • "PS/2 Port" – з'єднувач PS/2 для під'єднання клавіатури/миші;
  • "VGA 24-bit DAC" – ЦАП для виводу графічної інформації на монітор через VGA-з'єднувач;
  • "Gigabit Ethernet PHY" – контролер фізичного рівня Ethernet;
  • "Expansion Header (J15) (with Protection Diodes)" – 40 користувацьких виводів з діодним захистом;
  • "HSMC Connector" – HSMC з'єднувач;
  • "Altera 60-nm Cyclone IV E FPGA with 115K LEs" – ПЛІС Altera Cyclone IV";
  • "50MHz Oscillator" – джерело синхросигналу 50 МГц;
  • "SMA Ext Clock Out" – SMA-з'єднувач для вихідного синхросигналу;
  • "SMA Ext Clock In" – SMA-з'єднувач для вхідного синхросигналу;
  • "IR Receiver" – інфрачервоний приймач;
  • "8 Green LEDs" – 8 зелених світлодіодів;
  • "8 MB FLASH" – пам'ять типу FLASH – 8 МБ;
  • "4 Push-button" – 4 клавіші;
  • "2 MB SRAM" – пам'ять типу SRAM – 2 МБ;
  • "64 MB SDRAM x2" – дві мікросхеми пам'яті типу SDRAM - по 64 МБ кожна;
  • "18 Slide Switches" – 18 перемикачів (вгору/вниз);
  • "18 Red LEDs" – 18 червоних світлодіодів;
  • "Programming Mode Switch" – перемикач режимів програмування;
  • "7-segment Displays" – 8 7-сегментних індикаторів;
  • "LCD 16x2 Module" – 16x2 дисплей;
  • "Altera EPCS64 Configuration Device" – конфігураційна ПЗП для ПЛІС;
  • "USB Host/Slave Controller" – контролер USB з можливістю роботи в режимах "Host" та "Slave";
  • "Altera USB Blaster Controller chipset" – контролер внутрішньосхемних засобів програмування USB Blaster;
  • "Power ON/OFF Switch" – клавіша увімкнення/вимкнення стенда;
  • "12V DC Power Supply Connector" – з'єднувач для під'єднання живлення.

Рис.9. Блок-діаграма стенда DE2-115

Для забезпечення роботи зі стендом набір містить додаткове обладнання.

Рис.10. Перелік обладнання для під'єднання стенда

На рисунку зображено:

  1. Перехідник з американської вилки на європейські розетки.
  2. Блок живлення стенда. Вхідна напруга (змінна): 100 – 240 В, струм: 1A, частота: 47 – 63 Гц.
  3. USB-кабель типу B. Забезпечує з'єднання стенда з комп'ютером для програмування.
  4. Стенд DE2-115.

Стенд DE1-SoC побудований на основі мікросхеми типу "Система на кристалі" (SoC), яка комбінує в собі двохядерний процесор Cortex-A9 та програмовану логічну інтегральну схему (ПЛІС) для забезпечення максимальної гнучкості проектів. Користувач може поєднати переваги репрограмованої логіки та потужність і низьке споживання процесорної системи.

Перелік периферійних пристроїв стенда DE1-SoC:

  • Пристрої, що стосуються ПЛІС:
    • ПЛІС – Altera Cyclone V SE 5CSEMA5F31C6N;
    • конфігураційна пам'ять фірми Altera, модель: EPCQ256 (256 MB);
    • вбудовані засоби програмування USB-Blaster II (режим JTAG);
    • пам'ять типу SDRAM – 64 MB (шина даних – 16 біт);
    • 4 клавіші;
    • 10 перемикачів (вгору, вниз);
    • 10 червоних світлодіодів;
    • 6 7-сегментних індикаторів;
    • 4 джерела синхросигналу частотою 50 МГц;
    • 24-розрядний аудіокодек зі з'єднувачами: line-in, line-out та microphone-in;
    • VGA-ЦАП для виводу інформації на монітор (під'єднаний до VGA-з'єднувача);
    • TV-декодер з підтримкою відеостандартів NTSC, PAL та SECAM та відповідний з'єднувач для під'єднання телевізійної антени;
    • З'єднувач PS/2 для під'єднання миші або клавіатури;
    • IR-приймач/передавач (інфрачервоний);
    • 80 користувацьких виводів (2 х 40).
  • Пристрої, що стосуються процесора:
    • Двохядерний процесор Cortex-A9 архітектури ARM частотою 800 МГц;
    • пам'ять SDRAM типу DDR3 – 1 GB (розрядність даних – 32 біт);
    • 1 Gigabit-контролер фізичного рівня Ethernet з RJ45-з'єднувачем;
    • 2 USB-хости з USB-з'єднувачами типуA;
    • з'єднувач під карту пам'яті Micro SD;
    • акселерометр (з інтерфейсом I2C та перериваннями);
    • перетворювач UART to USB зі з'єднувачем USB Mini-B;
    • клавіші "Холодного" та "Гарячого" скиду;
    • одна користувацька клавіша та один користувацький світлодіод;
    • з'єднувач розширення LTC 2x7.

Рис.11. Зовнішній вигляд стенда DE1-SoC з поясненнями

На рисунку зображено:

  • "Mic In" – з'єднувач для під'єднання мікрофона;
  • "Line in" – з'єднувач вхідного звуку;
  • "Line out" – з'єднувач вихідного звуку;
  • "Video-in" – з'єднувач для під'єднання телевізійної антени;
  • "VGA 24-bit DAC" – ЦАП для виводу графічної інформації на монітор через VGA-з'єднувач;
  • "VGA out" – з'єднувач VGA;
  • "HPS Gigabit Ethernet" –з'єднувач RJ45 для під'єднання до мережі Ethernet;
  • "HPS USB Host" – USB-з'єднувачі з можливістю роботи в режимі "хост";
  • "Uart-to-usb" – з'єднувач mini-USB для під'єднання комп'ютера до перетворювача рівнів UART – USB, який міститься на стенді;
  • "USB HUB" – USB-хаб контроллер;
  • "UART-to-USB Controller" – перетворювач рівнів UART в USB;
  • "Micro SD Card" – слот для карти пам'яті micro SD;
  • " USB PHY" – контролер фізичного рівня USB;
  • "Ethernet PHY" – контролер фізичного рівня Ethernet;
  • "2 x 20 GPIO x 2" – 80 користувацьких виводів;
  • "1 GB DDR3 SDRAM" – 1 ГБ пам'яті типу DDR3;
  • "Аltera 28-nm Cyclone V FPGA with ARM Cortex-A9" – кристал Cyclone V;
  • "Accelerometer" – акселерометр;
  • "2 x 7 LTC Expansion Header" – з'єднувач розширення LTC 2 x 7;
  • "HPS User LED" – користувацький світлодіод, що керується процесором;
  • "IR out" – інфрачервоний передавач;
  • "IR in" – інфрачервоний приймач;
  • "HPS user button" – користувацька кнопка, під'єднана до процесора;
  • "HPS_RST" – "холодний" скид процесора, контролера Ethernet та контролера USB;
  • "WARM_RST" – "гарячий" скид процесора (повний скид процесора та вбудованих засобів його програмування);
  • "Button x4" – 4 користувацькі клавіші, під'єднані до ПЛІС;
  • "Switch x10" – 10 користувацьких перемикачів, під'єднаних до ПЛІС;
  • "LED x10" – 10 користувацьких світлодіодів, під'єднаних до ПЛІС;
  • "7-segment Display" – 6 семисегментних індикаторів, під'єднаних до ПЛІС;
  • "ADC Header" – з'єднувач для під'єднання аналогових сигналів;
  • "ADC" – АЦП;
  • "64MB SDRAM" – пам'ять ємністю 64 МБ, під'єднана до ПЛІС;
  • "Power ON/OFF" – кнопка увімкнення/вимкнення живлення стенда;
  • "USB-Blaster II" – USB з'єднувач для програмування стенда;
  • "PS/2" – з'єднувач PS/2 для під'єднання клавіатури/миші;
  • "Video decoder" – декодер відео;
  • "Audio codec" – кодер/декодер аудіо;
  • "JTAG Header" – з'єднувач JTAG;
  • зелений шрифт – елемент під'єднано до ПЛІС;
  • жовтий шрифт – елемент під'єднано до процесора;
  • синій шрифт – службові елементи.

Рис.12. Блок-діаграма стенда DE1-SoC

Призначення лабораторії.

Лабораторія забезпечує лабораторні практикуми таких навчальних дисциплін:

  • Проектування вбудованих комп'ютерних систем.
  • Дослідження та проектування комп'ютерних систем і мереж.
  • Програмування систем реального часу.
  • Тестування програмних засобів.

Рис.13. Лабораторія 905-V

Знання та вміння, що опановують студенти під час занять в лабораторії:

  • Знання про принципи та способи під'єднання периферійного та допоміжного обладнання до комп'ютерів.
  • Практичні навики комплексування комп'ютерних систем і тестування їх складових.
  • Знання та вміння програмувати роботу периферійного та допоміжного обладнання.
  • Знання та вміння тестувати роботу периферійного та допоміжного обладнання.
  • Знання та вміння з розроблення і тестування програмного забезпечення периферійного та допоміжного обладнання комп'ютерів.

Рис.14. На вступному занятті в лабораторії вбудованих комп'ютерних систем

Рис.15. Виконання лабораторної роботи

У лабораторії провадиться наукова робота аспірантів та студентів за такими напрямами:

  • Створення та дослідження моделей спеціалізованих процесорів для виконання операцій над елементами полів Галуа.
  • Створення та дослідження моделей спеціалізованих процесорів для виконання операцій над точками еліптичних кривих.
  • Створення та дослідження моделей вузлів системи збору та накопичення наукової інформації.
  • Створення та дослідження моделей поведінки колективу мобільних агентів.

Підготовка до студентських олімпіад.

В лабораторії здійснюється підготовка команди Національного університету "Львівська політехніка" до участі у 2-му етапі студентської олімпіади "Технічна діагностика обчислювальних пристроїв та систем", який останніми роками проводиться на базі Одеського національного політехнічного університету.

Рис.16. Робочі місця учасників олімпіади

Сучасна база лабораторії вбудованих комп'ютерних систем, аналогічна задіяній під час проведення олімпіади, дає змогу команді НУ "Львівська політехніка", яка формується зі студентів кафедри ЕОМ, щорічно займати призові місця. На фотографіях, показаних нижче, зафіксовано моменти підготовки на стендах для вивчення ПЛІС команди НУ "Львівська політехніка" до студентської олімпіади 2017 р.

Результатом участі студентів кафедри ЕОМ в олімпіадах "Технічна діагностика обчислювальних пристроїв та систем" є комплекти дипломів за здобуті призові місця.

Рис.17. Дипломи студентів кафедри ЕОМ – призерів олімпіади 2017 р.

Програмне забезпечення лабораторії.

Програмне забезпечення комп'ютерів лабораторії містить MS Windows, Active-HDL Student Edition, Xilinx ISE WebPACK, PsoC Creator 2.0, PsoC Programmer 3.0, Visual Studio; Eclipse IDE.

Перспективи розвитку лабораторії.

Для розвитку лабораторії заплановано забезпечення цифровими осцилографами Tektronix TDS-5034B, а також придбання спеціалізованого обладнання Spartan®-3E FPGA Starter Kit HW SPAR3E-SK-UNI-G-J.