Nagyteljesítményű mikrokontrollerek és interfészek

I. Az előadások részletes tematikája:

Nagyteljesítményű mikrokontrollerek

1.  Számítógép-architektúrák alapvető fogalmainak átismétlése: utasításkészlet-architektúra és mikroarchitektúra, CISC és RISC processzorok. Processzorok teljesítőképességének fogalma, Iron Law, Amdahl-törvény. A teljesítőképesség mérése és növelésének lehetőségei.

2.  Csővezeték-szerevezés (pipelining) alapjai. Közönséges és szuperskalár utasítás-csővezeték. Szuperskalár szervezés típusai: egységes szerkezetű, diverzifikált és dinamikus csővezetékek. Utasítások egymásra hatása: RAW, WAW, WAR és vezérlési függőségek és kiküszöbölésük, operandus-előrecsatolás, regiszter átnevezés, elágazásbecslés.

3.  VLIW processzorok felépítése és működése. Szálszintű párhuzamosság támogatása a mikroprocesszorokban, időosztásos és szimultán többszálúság. Fizikai és logikai processzormagok.

4.  Nagyteljesítményű ARM processzorok. Az ARM utasításkészlet általános jellemzői, ARM ISA kiegészítések. Újdonságok az ARMv8 architektúrában, az AArch32 és AArch64 végrehajtási állapotok különbségei. ARM Cortex-A mikroarchitektúrák.

5.  Többprocesszoros rendszerek, osztályozásuk feladat-hozzárendelési mód, processzorok közti kapcsolat, memóriamegosztottság, processzorok típusa és kezelése szerint. Gyorsítótárak multiprocesszoros környezetben: Többszintű gyorsítótárak, gyorsítótár-koherencia, a MESI koherencia-protokoll. Az Intel Nehalem mikroarchitektúra multiprocesszoros tulajdonságai, többmagos ARM processzorok, ARM big.LITTLE és ARM DynamIQ technológia.

6.  Grafikus processzorok története, kialakulása, a CPU és GPU kapcsolata, 3D grafikai feladatok (raszterizálás, sugárkövetés) architekturális támogatása, grafikus csővezeték. GPU memóriák, jelentősebb GPU architektúrák. GPU-k nem grafikus alkalmazásai, univerzális shaderek.

7.  Az AMD TeraScale és az AMD GCN architektúra tulajdonságai. GPU-k programozása, vertex és pixel shader-ek, compute shader-ek, OpenCL, CUDA. Neurális hálók alkalmazásának architekturális támogatása.

Buszok és interfészek

8.  A SATA interfész. A háttértárolók fontosabb jellemzői. Az ATA (IDE) és a SATA interfészek általános jellemzői. A SATA rétegszerkezete, a fizikai réteg (mechanikai és elektromos jellemzők), az adatkapcsolati réteg (keret küldése és fogadása, összekeverés, 8b/10b kódolás, primitívek), a transzport réteg (FIS összeállítás és szétbontás, kommunikáció az adatkapcsolati réteggel, a puffer/FIFO tartalom menedzselése). Native Command Queuing.

9.  Universal Serial Bus (USB). Bevezetésének előzményei. Általános jellemzők: rendszerarchitektúra (busz topológia, eszközök és végpontok) rendszer konfiguráció, fel- és lecsatlakozás, adatfolyam típusok, sebesség, sávszélesség allokáció, a hardver és szoftver réteges szerkezete, az USB helye egy PC-ben. A mechanikai interfész jellemzői: Csatlakozótípusok, kábelek. Elektromos jellemzők: adók és vevők, jelszintek, J és K állapotok, a HUB és az eszközök kapcsolata, sebesség identifikáció, meghajtó- és vevőáramkörök, kódolás. Logikai jellemzők: az adatátvitel elemei, a tranzakciók csomagjai (token, adat és kézfogásos csomagok), az IN, OUT, SETUP és speciális csomagok, a tranzakciók lefolyása, USB leírók és konfigurálás. Az USB 3.x és USB4 szabványok jellemzői.

10.  A PCI buszcsalád. A PCI busz bevezetésének előzményei, a család tagjai. A PCI busz mechanikai, elektromos és logikai jellemzői, PCI busz jelek, parancsok és tranzakciók. A rendszer konfigurálása, arbitráció, megszakítások. A PCI-X busz.

11.  A PCI Express busz: a soros technológia előretörése, rendszerarchitektúra, réteges felépítés. A fizikai réteg elemei: elektromos és logikai alrendszer, pufferek, multiplexerek, bájt szétszedő és összerakó modulok, összekeverők és visszaállítók, 8b/10b kódoló-dekódoló, órajel kinyerés, szóhatár felismerés, sávelcsúszás kompenzálás, vevő detektálás, karakter egymásrahatás kompenzálása. Csomag alapú réteges protokoll (tranzakciós és adatkapcsolati réteg csomagok). Korszerű soros buszok kapcsolódása. A DisplayPort interfész, a HDMI interfész, a Thunderbolt interfész. Nagyteljesítményű soros interfészek közös tulajdonságai és kapcsolódása.

System-on-Chip rendszerek

12.  Egylapkás rendszerek általános tulajdonságai. Történeti áttekintés, System-on-Chip (SoC), Network-on-Chip (NoC), System-in-Package (SiP), System-on-Module (SoM) rendszerek. Intellectual property (IP): soft, hard, firm és analóg IP blokkok. RTL és HDL leírás. A Verilog nyelv áttekintése. FPGA alapú SoC rendszerek. Xilinx 7-es FPGA család bemutatása.

13.  Lapkán belüli kommunikációs buszok. Buszrendszerek általános felépítése, ARM AMBA buszcsalád bemutatása: APB, AHB és AXI buszok, AXI4-Stream és AXI4-Lite megoldások.

II. A gyakorlatok részletes tematikája:

A gyakorlatokon példák és esettanulmányok formájában kerül elmélyítésre az előadásokon elhangzott elméleti tananyag.

1.    Utasítás-csővezetékek működésének vizsgálata egy tipikus hatfázisú RISC csővezeték példáján.

2.    Függőségek gyakorlati hatása a szuperskalár csővezetékben. Esettanulmány: dinamikus utasítás-csővezeték és szimultán többszálúság megvalósítása az Intel Nehalem mikroarchitektúrában.

3.    OpenCL host és kernel kódok vizsgálata.

4.    Interfészek és buszok mechanikai, elektromos és logikai jellemzői. Aktuális technológiai elvárások a nagyteljesítményű interfészekkel szemben. A 8b/10b kódolás számításának lépései. Videojel-tömörítés.

5.    Magas szintű logikai szintézis (HLS) bemutatása. Xilinx Vivado HLS bemutatása és gyakorlati példák áttekintése.

6.    Hard és soft processzormagok SoC rendszerekben. A Xilinx MicroBlaze és az Intel Nios megoldások összehasonlítása. Xilinx MicroBlaze esettanulmány.

7.    Xilinx Zynq PSoC esettanulmány: kamera illesztése, képfeldolgozás megvalósításának különböző lehetőségei.