Tietokonetekniikan opinnot, (Videoterminaalidemo) TKT-1100 Digitaalitekniikan perusteet Erno Salminen Tampereen Teknillinen Yliopisto Syksy 2008

Transkriptio

1 Tietokonetekniikan opinnot, (Videoterminaalidemo) TKT-1100 Digitaalitekniikan perusteet Erno Salminen Tampereen Teknillinen Yliopisto Syksy 2008

2 Johdanto Sisält ltö TKT-laitos ja sen opetustarjonta Yleisiä suosituksia (Demo) #2/37

3 Suunnitteluongelma Ongelma: Kuinka suunnitella aina vain monimutkaisempia sulautettuja järjestelmiä henkilöstöresursseja rajatusti lyhyt time-to-market vaaditaan ennustettavuutta nopea iterointi ja muunneltavuus Ratkaisu: Tehokkaat suunnitelumenetelmät ja työkalut sekä rautainen osaaminen #3/37

4 Shannonin ja muiden lait Relative performance Designer productivity Memory speed Wirth s (or Reiser s) law: Software is slowing faster than hardware is accelerating Unknown: What Grove giveth, Gates taketh away Fig: [J.M. Rabaey - Silicon Architectures for Wireless Systems - Part 01, Tutorial, HotChips, 2001] #4/37

5 Tietokonetekniikan laitos 5 professoria: Jarmo Takala (laitoksen johtaja), Timo Hämäläinen, Marko Hännikäinen, Jari Nurmi, Olli Vainio noin 80 tutkijaa/tutkimusapulaista/muuta hlökuntaa Tutkimus- ja opetusaloja ovat moniprosessorijärjestelmät, järjestelmäpiirien arkkitehtuurit sulautetut järjestelmät, prosessoritekniikka henkilökohtainen navigointi langattomat anturiverkot multimedia- ja tietoliikennesovellukset #5/37

6 TKT:n syventävät kokonaisuudet Läh d e: state machine scheduler Sulautetut järjestelmät regmedia.co Lähde: /26/nokia_n.uk/2006/09 fi state machine scheduler ge. os Thread 2 [inactive] an w.s ww Application Thread 1 [activated] 2. Ohjelmoitavat alustat ja laitteet 1. 95_1.jpg os os Thread 3 [activated] hw hw... hw mem state machine scheduler Signal queue os os os Lähde: Signal passing functions RTOS API hw hw... hw... i/o mem Lähde: Lähde: ecos kernel mem i/o mem Device drivers CPU local memories router Lähde: 3. Tietokone- ja prosessoritekniikka Lähde: Alberto Sangiovanni-Vincentelli. Embedded System Desiign: Modells, Valliidatiion and Synthesiis. EE249. Luentokalvot 4. Digitaalisten piirien suunnittelu Terminal with UI Application server l ne twor k Inspected phenomenon 6. E xt erna Wireless links Langattomat sensoriverkot Data storage 5. Paikannus ja navigointi Gateways to other networks Node s Hardware architecture Sensing Computing Communication ADC Sensor Sensor elements MCU Radio Sensor Power Battery #6/37 Regulators

7 Tietokonetekniikan laitos (3) Sijainti: Tietotalon G- ja H-siivet, 3. ja 4. kerros Alan työllisyysnäkymät varsin valoisat Vahva panostus tutkimukseen Yhteistyössä mm. Nokia, Patria, Veikkaus, Elisa, Texas Instruments, STM, OCP-IP... H-, G-siipi Esimerkki langattoman anturiverkon solmupisteestä #7/37

8 Tutkinnot TTY:llä (1) Tekniikan kandidaatin tutkinto 180 op 3 vuotta +2 vuotta +N vuotta Perusopinnot 110 op Koulutusohjelman perus- ja aineopinnot op Aineopinnot A 25 op (Tietokonetekniikka) Aineopinnot B 25 op Diplomi-insinöörin tutkinto 120 op Syventävät opinnot A/B/C (*) 30 op Aineopinnot C 25 op tai Syvent. A/B (*)30 op Tekniikan tohtorin tutkinto 70 op Väitöskirja Kandidaatintyö 8 op Vapaasti valittavat 12 op Diplomityö 30 op Vapaasti valittavat op Teollisuustalous Signaalinkäsitettely ja multimedia Teknillinen matematiikka Tietokonetekniikka Tietoliikenneelektroniikka Ohjelmistotekniikka Tietoliikennetekniikka Elektroniikka (*) TKT-laitoksella 6 syventävien opintojen kokonaisuutta Tutkinnot TTY:llä Muutamia esimerkkejä TKT:n opintoja tukevista sivuaineista #8/37

9 Tutkinnot (2) TKT:n opintokonaisuudet voidaan sisällyttää sekä kandidaattin että diplomi-insinöörin tutkintoihin useassa koulutusohjelmassa Automaatiotekniikan koulutusohjelma Sähkötekniikan koulutusohjelma Tietoliikenne-elektroniikan koulutusohjelma Tietotekniikan koulutusohjelma Ks. lisätietoa laitoksen kotisivuilta mm. esimerkkiaikataulu ja rakennekuvauksia eri koulutusohjelmittain #9/37

10 Kullalla silattu tie digitaaliguruksi Tietotekniikan koulutusohjelman kandidaatintutkinnon perusopinnot TKT-1100 DIGITAALITEKNIIKAN PERUSTEET TKT-1110 MIKROPROSESSORIT Digitaali- ja tietokonetekniikkan aineopinnot, 25 op Kandidaatintyö Digitaali- ja tietokonetekniikkan syventävät opinnot, 30 op 1. Ohjelmoitavat alustat ja laitteet 2. Sulautetut järjestelmät 4. Digitaalisten piirien suunnittelu 5. Paikannus ja navigointi 3. Tietokoneja prosessoritekniikka 6. Sensoriverkot Diplomityö #10/37

11 Tietokone- ja digitaalitekniikan aineopinnot, 25-26op 26op 1 kokonaisuus, joka on sama kaikkien koulutusohjelmien opiskelijoille nk. kandipaketti Tästä kokonaisuudesta voi tehdä kandidaatin työn Toimii esitietona syventäviin opintoihin Antaa perustiedot mikroprosessoreista ja digitaalisista laitteista yleensä Pakolliset taidot työelämää varten Voit suorittaa kaikki kurssit 1-2 vuodessa #11/37

12 Aineopinnot (1) Pakolliset opintojaksot # Kurssin nimi Op. Periodit Vuosi TKT-1202 Digitaalisuunnittelu 5 op P1-P2 II TKT-1212 TKT-1230 TKT-3200 Digitaalijärjestelmien toteutus 8 op P3-P5 Digitaalitekniikan laboratoriotyöt 3 op P5 Tietokonetekniikka I 5 op P1-P2 Vaihtoehtoiset opintojaksot (näistä toinen) II I-II II-III TKT-1110 Mikroprosessorit 5 op P3-P4 I-II TKT-1220 Tietokonearitmetiikka 4 op P3-P5 II-III yht op. #12/37

13 Aineopinnot (2) 1. TKT-1202 Digitaalisuunnittelu Komb. ja sekventiaalisen logiikan suunnittelu paperilla ja tietokoneella simulointi, prototyypitys FPGApiirillä Taskulaskin-projekti FPGA:lla 2. TKT-1212 Digitaalijärjestelmien toteutus VHDL-kielen perusteet, logiikan toiminnan varmentaminen, logiikkasynteesi, FPGA-harjoitustyö (audiosyntetisaattori) Logiikan suunnitteluohjelma HDL Designer #13/37

14 Aineopinnot (3) 3. TKT-1230 Digitaalitekniikan laboratoriotyöt Kolme käytännön harjoitusta i. Transistorityö ii. Väyläliikenteen tutkiminen logiikka-analysaattorilla iii. PC:n rakenne ja tehonkulutus 4. TKT-3200 Tietokonetekniikka Tietokoneen, erityisesti prosessorin, rakenne, käskykanta-arkkitehtuuri laskenta- ja kontrollilogiikan toteutus, liukuhihnoitus, muistihierarkia Logiikka-analysaattori PC:n emolevy #14/37

15 Aineopinnot (4) Vaihtoehtoiset opintojaksot (näistä toinen) a) TKT-1110 Mikroprosessorit Prosessorin perusrakenne Symbolisella konekielellä (assembyllä) ohjelmointi b) TKT-1220 Tietokonearitmetiikka Binäärilukujen laskutoimitukset, algoritmit ja laitteistototeutukset 2-bittinen kertolaskuyksikkö #15/37

16 Kandidaatin tutkinnon aikataulu Esitiedot vuosi 1 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per digiper (3 op) upros (5 op) labra (3 o Olet tässä Kandidaatti, 25 op. Aineopinnot A/B, 25op vuosi 2 vuosi 3 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 DS (5 op) DJT (8 op) tkt I(5 op) aritm I (4 op) kandiproj (8op) O-info: Aikataulu: #16/37

17 Syventävät t opinnot, 30+ op Kuusi erilaista kokonaisuutta Voi olla pääaine, eli kokonaisuus josta opiskelija voi tehdä diplomityön Keskittyvät eri aihepiireihin ja syventävät aineopinnoissa opittuja asioita Antavat erinomaiset valmiudet monimutkaisten järjestelmien itsenäiseen suunnitteluun ja toteuttamiseen Yhteityötä muiden laitosten kanssa (OHJ, TLT, SGN, ELE, MAT) Opetus vastaa erittäin hyvin teollisuuden tarpeita #17/37

18 Syventävät t opinnot, 30+ op Kokonaisuuksissa 3-5 pakollista kurssia Opiskelija valitsee loput kurssit annetuista vaihtoehdoista, siten että 30 op. tulee täyteen Syv. kokonaisuudet voi suorittaa kahdessa vuodessa Esitiedoketjut on pyritty pitämään mahd. lyhyinä Jopa yhdessä vuodessa, mutta sitten tulee jo pikkaisen kiire #18/37

19 TKT:n syventävät kokonaisuudet Läh d e: state machine scheduler Sulautetut järjestelmät regmedia.co Lähde: /26/nokia_n.uk/2006/09 fi state machine scheduler ge. os Thread 2 [inactive] an w.s ww Application Thread 1 [activated] 2. Ohjelmoitavat alustat ja laitteet 1. 95_1.jpg os os Thread 3 [activated] hw hw... hw mem state machine scheduler Signal queue os os os Lähde: Signal passing functions RTOS API hw hw... hw... i/o mem Lähde: Lähde: ecos kernel mem i/o mem Device drivers CPU local memories router Lähde: 3. Tietokone- ja prosessoritekniikka Lähde: Alberto Sangiovanni-Vincentelli. Embedded System Desiign: Modells, Valliidatiion and Synthesiis. EE249. Luentokalvot 4. Digitaalisten piirien suunnittelu Terminal with UI Application server l ne twor k Inspected phenomenon 6. E xt erna Wireless links Langattomat sensoriverkot Data storage 5. Paikannus ja navigointi Gateways to other networks Node s Hardware architecture Sensing Computing Communication ADC Sensor Sensor elements MCU Radio Sensor Power Battery #19/37 Regulators

20 TKT:n syventävät t kokonaisuudet 1. Ohjelmoitavat laitteet ja alustat Laitteiston- ja ohjelmiston yhteissuunnittelu Järjestelmäpiirien (system-on-chip, SoC) suunnittelu mallipohjaiset suunnittelumentelmät, uudelleenkäyttö, integrointi, alustapohjainen suunnittelu, eksploronti, varmennus, FPGAprototyypit Monen prosessorin käyttö 2. Sulautetut järjestelmät (feat. OHJ, ELE) Laitteistonläheisen ohjelmiston suunnittelu Rinnakkaisuus, reaaliaika, laitteiston perusteet, paljon valinnaisia kursseja #20/37

21 TKT:n syventävät t kokonaisuudet (2) 3. Tietokone- ja prosessoritekniikka Tietokonejärjetelmän ja erilaisten mikroprosessorien (GPP, DSP, VLIW, EPIC, ASIP, mikrokontrolleri) sisäinen rakenne Oman prosessorin suunnittelu ja optimointi 4. Digitaalisten piirien suunnittelu (feat. ELE) Digitaalisen piirin toteutus-, valmistus- ja pakkaustekniikat nk. back-end -suunnittelu Integrointi, FPGA-prototyypit, synteesi, sijoittelu, layout, valmistustestaus, kellopuu, tehonsyöttö #21/37

22 TKT:n syventävät t kokonaisuudet (3) 5. Paikannus ja navigointi (feat. MAT, SGN, TLT) Erilaiset tekniikat (GPS, radioverkko, inertia...) Paikannuksen perusteet, matemaattiset menetelmät, langaton tietoliikenne 6. Langattomat sensoriverkot (feat. TLT) Uusin syv. kokonaisuus Anturiverkon laitteisto (kontrolleri, muisti, tehonsyöttö, radio, anturit...) Lisäksi protokollat, sovellukset, langaton tietoliikenne, tehonsäästö #22/37

23 TKT-1100 Esim. System-on on-chip -painotus TKT-1202 Digitaalisuunnittelu 5op State machines EDA Tools Calculator -work TKT-1212 Digitaalijärjestelmien toteutus 8op FPGA and VHDL Synthesis Audio synth -work TKT-2431 SoC-suunnittelu 5op HW/SW co-design HW platform Video encoder-work TKT-3541 SoC-alustat 5op Multiprocessor on FPGA, Real-time Operating Systems Speden Spelit-work TKT-1220 Tietokonearitmetiikka 4op Arithmetic on FPGA Multiplier -work TKT-2300 Langattomien sensoriverkkojen sovellukset 4op Lisäksi suositellaan Lisäksi suositellaan TKT-3500 Mikrokontrollerijärjestelmät 5op TKT-2520 Projektityö 5-8op Own FPGA-based implementation Kandidaatin tutkinto DI-tutkinto #23/37 Digitaali- ja tietokonetekniikka aineopinnot A 25 op Ohjemoitavat alustat ja laitteet syventävä 30 op

24 esitiedot Yksinkertaistetut kurssien esitiedot 08/09 kandidaatin tutkinto 25 op TKT-2431 SoC-Suunn 5 op op (s1) DI-tutkinto 30 op TKT-3541 Soc-Alustat 5 op op (s3) Syventävä kok: 1. Ohj. alust 2. Sul.järj TKT-1212 DigJärjTot 8 op op (k3) TKT-1410 SunnVarm 5 op op (s3) TKT-2410 Soc-Mallinn 5 op op (k4) TKT-2511 Form.Toim.V 5 op op (k4) TKT-1100 DigTeknPer. 3 op op (s1) = ELE-1010 ElePer 1 3 op op (s1) TKT-1202 DigSuunn 5 op op (s2) TKT-1230 Laboratorio 3 op op (k5) TKT-1220 Aritmetiikka 4 op op (s3) TKT-1400 ASIC II 5 op op (s1) TKT-1530 Asynkroniset P 5 op op (s1) TKT-1510 Testattavuus 3 op op (k4) TKT-3500 MIkrokontroll. 5 op op (s1) TKT-1500 ASIC II II 5 op op (k4) TJT-1566 DigDesign III III 5 op op (s2) TKT-2520 Projektityö 5-8 op op 4. Dig. piirit 3. Pros.tekn 2. Sul. järj. TKT-1110 Mikroprosess. 5 op op (s3) #24/37 TKT-3200 Tietokonetekn. II 5 op op (s1) pakollinen suositeltava Kaikkia kurssien välisiä suhteita ei ole merkitty. Tarkista opinto-oppaasta TKT-3516 Signal proc. 5 op op (s1) TKT-3400 Tietokonetekn II II 5 op op (k4) TKT-2530 SatellPaikann 5 op op (s1) TKT-2300 Lang. sens.v sov. 4 op op (s2) TKT-9616 ScientificPubl 4-5 op op (s1) TKT-3520 ProsSuunn 5 op op (s3) TKT-2556 Inertial nav. 5 op op (k5) TKT-2540 PaikannMen 3 op op (k5) TKT-2450 Wireless.sen s. s. 5 op op (k4) TKT-9606 OrPostGrad 4-5 op op (k4) 5. Paikannus 6. Sens.verk 2. Sul. järj.

25 DI-opintojen aikataulu 1. Syventävät opinnot: Ohjelmoitavat alustat ja laitteet, väh. 30 op vuosi 4 vuosi 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 Pakolliset, 20 op. SoC-suunn (5 op) Varmenn. (5 op) alustat (5 op) TKT projekti (5-8op) DI-työ TKT Täydentävät, väh 10 op. ukontr (5 op) DS (5 op) mallinn.(5 op)* DJT (8 op) ASIC I (5op) sens.verk(4 op) form (5op)* WSN (4 op) TKT TKT uusia Rinnakk. (4op) Laitt-läh. (4op) Reaaliaika. (5op) Mobiili (5op) OHJ Protokollat (5op) TLT 2. Syventävät opinnot: Tietokone- ja prosessoritekniikka, väh. 30 op vuosi 4 vuosi 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 Pakolliset, 15 op. sign.pros (5op) tkt II (5 op) aritm I (4 op) pros.suun (5 op) DI-työ TKT TKT, pakollinen ellei kandissa TKT ukontr (5 op) Varmenn. (5 op) Soc (5op) alustat (5 op) Täydentävät, väh. 15 op. TKT projekti (5-8 op) ASIC I (5op) DS III (5op),* TKT Rinnakk. (4op) Käyttis (4op) Lausekiel. (8op) Laitt-läh. (4op) OHJ Reaaliaika. (5op) OHJ Sul(3op) OHJ 3. Syventävät opinnot: Digitaalipiirien suunnittelu, väh. 30 op vuosi 4 vuosi 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 Pakolli ASIC I (5op) Varmenn. (5 op) TKT Integr dig (5op) DI-työ ELE uusi TKT #25/37 Täydentävät, väh. 20 op. SoC-suunn (5 op) testatt. (5op)* asynkr (5op)* ASIC II (5op)* TKT projekti (5-8 op) DJT (8 op) DS III (5op)* form (5op)* TKT TKT uusia Pjk Sov (4op) Piirialkiot (5op) Mikr. Pakk (5op) ELE EMC (5op) ELE uusi 08-09: EMC CAE(3op) Luot. (5op) Nop. piir.(4op)* ELE uusi 08-09

26 DI-opintojen aikataulu (2) 4. Syventävät opinnot: Paikannus ja navigointi, väh. 30 op. vuosi 4 vuosi 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 Pakolli satell. per (5op) paik. men. (3op) TKT Lang.per(5op) TLT Paik.mat.(3op) MAT Valinnaisia on niin paljon, että niitä ei listata tässä. Lisätty kurssi TKT-2556 Basics of Inertial Navigation TKT MAT TLT MIT Täydentävät, väh. 14 op. 5. Syventävät opinnot: Sulautetut järjestelmät, väh. 30 op. vuosi 4 vuosi 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 Pakolli SoC-suunn (5 op) TKT Rinnakk. (4op) Käyttis (4op) Sul(3op) OHJ Laitt-läh. (4op) EMC(5op) ELE a) ukontr (5 op) TKT b) sul.pros. (5 op) ELE Valinnaisia on niin paljon, että niitä ei listata tässä TKT OHJ ELE Täydentävät, väh. 0 op. 6. Syventävät opinnot: Langattomat sensoriverkot, väh. 30 op. UUSI KOKONAISUU vuosi 4 vuosi 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 per. 1 per. 2 per. 3 per. 4 per. 5 Pakolliset, 14 op. sens.verk(4 op) WSN (4 op) TKT lang.tsiirt (5 op) TLT DI-työ TKT ukontr (5 op) Iner (5op) paik. men. (3op) Täydentävät, väh 10 op. TKT projekti (5-8 op) Laitt-läh. (4op) Reaaliaika (3op) Mobiili (5op) TKT uusia OHJ tliik.teoria (5-7 op) TLT #26/37 tliik.verk.(5op) Protokollat (5op) Ad hoc (3-6op) TLT Mitt.an. (7 op) Mikroant (5op) MIT

27 Lisätiedot Rauta-aika ke Aineopintopäivät ti ke mol. päivinä klo Tietotalon aulassa Kioskilla demo: ti: Langaton sensoriverkko ke: Konfiguroitavan TTA-prosessorin FPGA-proto Lisäksi laboratoriodemot ke GPS-testilaite (ilmoittaudu kioskilla) ke Moniprosessorijärjestelmä FPGA:lla Laitoksen WWW-sivut Opinto-opas Yliassistentti Erno Salminen tai professorit #27/37

28 FPGA Field-programmable gate array

29 FPGA-piiri FPGA= field programmable gate array, ohjelmoitava porttimatriisi Logiikkapiiri jonka käyttäjä voi ohjelmoida Ohjelmointi resetin yhteydessä asetettamalla LUT-muistien arvot ja niiden väliset kytkennät Ohjelmointi kestää joitakin millisekunteja, rajatusti mahdollista myös ajon aikana Nykyisin voi sisältää useita miljoonia logiikkaportteja Riittävän iso useimpiin tarkoituksiin Pienemmät NRE-kulut kuin kiinteällä, nk. ASIC-piirillä Kalehinta suurempi, muutamasta eurosta muutamaan kymmeneeen Tosin myös huonompi suorituskyky, suurempi pinta-ala ja virrankulutus Viime vuosina FPGA-pohjaisten järjestelmien määrä kasvanut rajusti ja ASICien pudonnut #29/37

30 FPGA:n arkkitehtuuri Ohjelmoitava logiikkapiiri logiikka kytkennät Paras kompromissi joustavuuden ja suorituskyvyn välillä 30 #30/37

31 FPGA:n perustava idea Look-Up Table (LUT) 31 #31/37 a_in b_in sel [2] sel [1] Look-Up-table (LUT) toteuttaa totuustaulun pienellä muistilla kiinteä toiminnallisuus ROM-muisti ohjelmoitava toiminallisuus SRAM-muisti Totuustaulun sisäänmenot muodostavat muistin osoitteen Totuustaulun ulostulot on talletettu muistin sisälle (luettavissa data_out väylästä) yht. n bittiä foo [0] x_out y_out bar [3] bar [2] jepu [0] yht. m bittiä addr n a_in, b_in... foo[] Look-Up Table LUT (2 n x m bit SRAM) data_out m x_out, y_out... jepu[]

32 FPGA:n peruslogiikkasolu 1x1-bit SRAM The unit is CLB Xilinx LE - Altera (Example: Xilinx XC2000) #32/37

33 Ohjelmoitavat kytknnät t FPGA:lla 1x1-bit SRAM transistor 1x1-bit acts as SRAM a switch 1x1-bit SRAM 1x1-bit SRAM Muistisolu ohjaa kytkintä Ohjataan LUTin ulostulo toisen LUTin sisäänmenoon tai piirin ulostulopinniin #33/37

34 CPU vs. DSP vs. FPGA vs. ASIC Java General-purpose CPU, flexibility DSP Generalpurpose CPU FPGA, ASIP DSP std-cell ASIC FPGA, ASIP ASIC full custom ASIC Heinrich Meyr, Future Wireless Communication Systems, VTC, (Figure data by T.Noll T.Noll, RWTH Aachen) #34/37

35 FPGA-alusta opiskelijoille Tietokonetekniikan laitokselle on hankittu syksyllä 2008 useita kymmeniä FPGAkehitysalustoja opiskelijakäyttöön Opiskelijat voivat lainata alustan itselleen kurssien suorittamista ja opinnäytetöiden tekoa varten. Kandidaatintyön tai DI-työn tekijät saavat piirin omakseen! Yli portin verran logiikkaa, yli 100 MHz #35/37

36 FPGA-alusta opiskelijoille (2) Audioliitynnät Nyk. mallia Altera DE2 Development and Education board FPGA-piirin lisäksi useita oheislaitteita ja liityntöjä Sarjaliityntä Virtanamiska Yleiskäyttöiset laajennusliitynnät LCD-näyttö 7-segmenttinäytöt Cyclone II FPGA, ~300kbit SRAM and >33000 LEs (>100k eq.gates) LEDit Kytkimet Painonapit #36/37

37 Altera DE2 Development board #37/37