lipas.uwasa.fi/~TAU/AUTO1010:

Järjestetään/Running: syksyllä_2012 (jal/jako)

Lukujärjestys / timetable

Tarkemmat tiedot (päivitykset) kurssien ajoista yms löytyvät / More information (updated) about the courses

Wompatista / from Wompat .
LINKKI AUTOallakkaan

Lyhyesti / briefly

Oletko kiinnostunut tietokoneen rakenteesta ja toiminnasta?
Kurssi AUTO1010 (ent. TAU.103) Digitaalitekniikka käsittelee digitaalitekniikan perusteita eli kertoo mitä ovat digitaalipiirit, miten niitä suunnitellaan ja miten niistä rakennetaan suurempia kokonaisuuksia esimerkiksi tietokoneiden keskusyksikköjä. Kurssilla opitaan suunnittelemaan ja toteuttamaan VHDL-kielellä ja FPGA-piireillä yksinkertaisia digitaalisia järjestelmiä. Viime vuosina kurssin harjoitustyö on liittynyt online signaalien käsittelyyn kuten videokuvan muokkaukseen FPGA:lla.
Kurssia suositellaan kaikille tietokoneista, automaatiosta ja tietotekniikasta kiinnostuneille. Kurssi sopii erityisen hyvin täydentämään automaation ja tietotekniikan opintoja. Myös signaalien käsittelyn, säädön, robotiikan ja mekatroniikan opintojen perustaksi kurssi sopii hyvin.

Are you interested in architecture and functioning of computers? The course AUTO1010 (formerly TAU.103) Introduction to Digital Electronics deals with basics of digital electronics: how digital devices e.g CPUs are designed and constructed. After the course the students are able to design and simulate simple digital circuits using VHDL-language.
The course is recommended to all interested in computers and automation. The course is especially suited to complement studies of automation and computing, including signal processing, control, robotics, and mechatronics.

Osaamistavoitteet / Learning outcome

• selittää ja laskea Boolen logiikan perusoperaatioilla
• kuvata ja testata yksinkertaisen digitaalipiirin VHDL-kuvauskielellä
• suunnitella ja optimoida yksinkertaisia veräjä ja kiikkupiirejä
• suunnitella ja toteuttaa yksinkertaisia laskuripiirejä piirikaavioin ja kuvauskielellä
• osaa lukujen esitysmuodot ja yhteenlaskupiirin toiminnan
• kuvata tietokoneen keskusyksikönrakenteen ja toiminnan
• tuntee puolijohdetekniikan alkeet
• tuntee ja osaa soveltaa digitaalisia peruspiirejä
• osaa kuvata perusveräjien rakenteen transistoritasolla
• osaa tehdä kytkentöjä TTL-piireillä
• tuntee FPGA-tekniikan ja osaa toteuttaa sillä yksinkertaisen sovelluksen

Esitiedot / Preliminary courses

Ohjelmointitaito, algebran perusteet

Basic programming skills and basics of algebra.

Tentti / Examination

Tällä kurssilla on käytössä ns. Mikrotentit:

Muutamia käytännön asioita mikrotentteihin liittyen:
- olethan paikalla heti laskuharjoitusten alussa, jotta vältetään turhat myöhästymiset; jos ei ole ajoissa paikalla, niin voi yrittää seuraavaan ryhmään, jos siitäkin myöhästyy, niin sitten suoritus hylätään sillä viikolla
- ensimmäiseen laskariryhmään osallistuville tasoituspiste (jonka siis 1. ryhmään kuuluva menettää jos myöhästyy)
- kullakin viikolla saa osallistua vain yhteen mikrotenttiin
- tehtävät tulevat niin luentomateriaalista Avainsivulle kuin vastaavasta alueesta oppikirjasta (sivut Avain-sivulla)
- eri laskariryhmillä on eri kysymykset ja saattaa olla, että toisessa on vähän vaikeampia...tai sitten ei... tai ...
- kaksi heikointa suoritusta jätetään pois lopullisesta arviosta (sisältäen hylätyt ja poissao lot)
- kurssin päätyttyä järjestetään pari keräilytenttiä, joilla voi yrittää paikata suorituksiaan


Myös perinteinen tenttiminen on mahdollista jos/kun ei selviä kurssista Mikrotenteillä.

Tentissä on 5 kysymystä (a 10pist), joista läpipääsyyn vaaditaan 50% maksimipisteistä (=25).

Tässä tenttilukuvinkkejä:

Tentissä kysytään samantapaisia asioita, joita on ollut laskuharjoituksissa
(ei mikrotenttitehtäviä).
Kannattaa siis kerrata laskuharjoituksia ja katsoa myös aiempien vuosien tehtäviä,
koska laskaritehtävät hieman vaihtelevat, kuten tenttitehtävätkin.
Tyypillisesti tentissä on seuraavan tyyppisiä tehtäviä, jotka siis kannattaa
selvittää osaavansa:

• essee puolijohdetekniikasta (CMOS, NMOS, yms)
  
• jokin teoriakysymys esim de Morgan
  
• Karnaugh'n karttalla annetun funktion minimointi
  
• yksinkertainen piirisuunnittelu (esim. vertailupiiri) ja ratkaisu myös VHDL:llä
  
• automaaatin suunnittelu tilakaaviosta lähtien Karnaugh'n karttojen avulla (esim. Gray laskuri)
  
• kysymys FPGA-tekniikasta
  

Oppikirjat / Text books

Nykyinen oppikirja:
Ian Grout, Digital Systems Design with FPGAs and CPLDs, Newnes, 2008. 724 pages
löytyy Tritoniasta myös e-kirjana.

Myös vanhaa oppikirjaa voi käyttää oheismateriaalina:

• Lars-Hugo Hemert, "Digitala kretsar", Student litteratur.
• R. Lipsett, C. Schaefer & C. Ussery, "VHDL: Elektroniikan kuvaus- ja suunnittelukieli", Hantro ky, 1991.

Luennot (kalvot) / Lectures (slides)

Aikataulut löytyvät Wompatista / Timetable of lectures can be found in Wompat system.




Kalvot / Slides

Sisältö/ Contents

KURSSIN RUNKO Groutin OPPIKIRJAN MUKAAN:

1. Johdanto ohjelmoitavaan logiikkaan / Introduction to programmable logic
   
   
2. Elektroniikkasuunnittelusta / Electronic systems design
   
   
3. Piirilevyn suunnittelu / PCB design
   
   
4. Suunnittelukielistä / Design languages
   
   
5. Johdanto digitaalielektroniikkasuunnitteluun / Introduction to digital logic design
   
   
6. Johdanto digitaalielektroniikkasuunnitteluun VHDL:llä / Introduction to digital logic desig with VHDLn
   
   
7. Johdanto signaalien käsittelyyn / Introduction to digital signal processing
   
   
   Tämä käsitellään kurssilla AUTO1030 Signaalien käsittely
   
   /
   
   This topic is left for the AUTO course AUTO1030 Signal processing.
   
   
8. A/D ja D/A muunnokset / Interfacing digital logic to the real world: A/D conversion, D/A conversion, and power electronics
   
   
9. Elektroniikkatestaus / Testing the electronic system
   
   
10. Järjestelmäsuunnittelu / System-level design
    
    
11. WORKING ON ....
    
    

• Boolen algebra




• muuttujat, lausekkeet, JA, TAI, EI, XOR, teoreemoja /
  variables, clauses, AND, OR, NOT, XOR, theorems
  
• summien tulo, tulojen summa / product of sums, sum of products
  
• monotonisuus /monotonicity
  
• Boolean SAT
  


• CMOS-tekniikka /technology




• fotolitografia / photolithography
  
• invertteri / inverter
  
• NAND, NOR, XOR
  


• Veräjät /gates




• Yksinkertainen esimerkki veräjäpiiristä:
  totuustaulu, piirikaavio, VHDL-kuvaus /
  A simple example gate circuit:
  truth table, circuit diagram, VHDL model.
  


• Yksinkertaiset veräjäpiirit /simple combinatorial circuits


• Karnaugh'n kartta ja piirien minimointi / minimisation by Karnaugh's maps


• Hasardit / hazards


• VHDL-kielen perusteet / VHDL basics




• suunnitteluyksikkö eli "laatikkokaavio" / entity
  
• arkkitehtuuri eli rakenne / architecture
  
• portti / port:
  laitteet (modulit) kytketään porteilla
  
  
• process ... wait on
  = operaatio ja ajoitus
  
• laitemallit eli suunnittelunäkökulmat; ei siis valokuva- tms mallit:
  
  
  
  • käyttäytymismalli eli funktio "matikka"
    
  • ajoitusmalli eli dynamiikka "fyssa":
    heräte - vaste, tapahtumajono
    
  • rakennemalli eli modulaarisuus "tite":
    laite voi koostua laitteista, jotka koostuvat laitteista ...
    
  
  


• Lukujen koodaus / encoding of numbers


• Aritmetiikkaa / arithmetics


• Kiikkupiirit / flip-flops


• Laskurit ja tila-automaatit / counters and state automaton


• Muistit / memories


• Konekäskyt / machine instructions


• Prosessorin rakenne (PIC) / Architecture of a simple processor (PIC)


• VLSI-piirien suunnittelu / VLSI design


• AD-muuntimet ml. delta-sigma muunnin / AD converters including delta-sigma converter
  
• Option: Piirien testaus / testing digital circuits

Laskuharjoitukset / Exercises

Webistä vanhat laskuharjoitustehtävät löytyvät hakemistosta ftp://ftp.uwasa.fi/cs/AUTO/AUTO1010/ pdf-tiedostoina harj*.pdf (vanhoja myös/tai .ps tiedostoina):
Uudet laskuharjoitukset osoitteesta http://lipas.uwasa.fi/~TAU/AUTO1010/ (alla).

Syksy/Fall 2011:

Vanhoja laskuharjoituksia / Old exercises (TAU.103)

Harjoitustyö / Lab work

Yleisesti ottaen harjoitustöiden tehtävänä on mm.

• antaa opiskelijoille mahdollisuus soveltaa teoriaa käytäntöön ja
  siten syventää oppimista


• harjoituttaa itsenäisempään työskentelyyn kuin tenttiin lukeminen on
  


• antaa mahdollisuuden omien ideoiden toteuttamiseen

• give the student the opportunity to apply theory and thus deepen learning
  
• give the student more freedom than the exam
  
• give the student the opportunity to develop his/her own ideas
  

Harjoitustyöaiheita / Lab work topics

Päivitetty 5.2.2010/jal.
Suositus: kannattaa yhdistää AUTO1010 ja AUTO1030 (signaalien käsittely) harjoitustyöt kaksoistyöksi. Myös muut yhdistelmätyöt mahdollisia. Viime aikoina on keskitytty FPGA:lla toteutettuihin töihin.

Harjoitustyön vaiheet:

• 0: tehtävän valinta ja ryhmiinjako;
• 1: tehtäväpaperin (tehtävän sanallinen kuvaus) palautus
• 2: modulisuunnittelu ja kuvaus VHDL:llä (muista myös sanallinen dokumentointi) Kaikki toteuttavat vertailupiirin kuvauksen ja testauksen (muista myös testipenkki) VHDL:llä ja testauksen FPGA:lla sekä dokumentoinnin.
• 3:
• n: Testatun ratkaisun dokumentin palautus...

• ICGA-kuvien väritys. Lisätietoja
• Taajuuden mittaus (mittalaitetoteutus / FPGA): laskuri ja kello.
• Mediaanisuodin (voi yhdistää signaalien käsittelyn harjoitustyöhön)
  Ohje: verrataan lukupareja ja järjestetään ne suuruusjärjestykseen ja toistetaan, kunnes mediaani ratkaistu.
  FPGA-toteutus mahdollisuuksien mukaan kuvankäsittelyyn.
• PC-koekytkentälevy (TTL) liitos: luku- ja kirjoitustoiminnot.
• Java-kielinen digitaalipiirin testauslaite (voi yhdistää edelliseen)
  
• Peli: labyrintti, Karnaugh-kartta tms yksinkertainen peli.
• Matriisioperaatiot (sijoitus, yhteenlasku, transpoosi, ehkä kertolasku) kokonaisluvuille FPGA:lla.
• SAT/FPGA: millä muuttujien arvoilla annettu Boolen lauseke on tosi.
• GA FPGA:lla.
• Piirin minimointi Javalla (GA, random).
• Mikrokontrollerisovellus.
• Kenttäväyläasema (voi yhdistää muihin automaatiokursseihin)
  
• LEDall II /PIC -prosessori 8x8 LED PWM & master control
  
• Kvanttilaskentapiiri: perinteisen logiigan korvaaminen XOR-piireillä.
• Äänestyslaite: infrapunasignaalia lähettävä ja vastaanottava laite (vrt. äänestys Haluatko miljonääriksi ohjelmassa)
• MakeUpMeter eli värimittari: päävärien (RGB) mittaus, ADC ja näyttö
• UV-mittari voi olla osa edellistä
• Yksinkertainen delta-sigma muunnin (voidaan yhdistää kursseihin Signaalien käsittely, Digitaalitekniikan jatkokurssi):
  Työn vaiheet:
  • Perehtyminen delta-sigma muuntimeen
  • Protopiirin rakentaminen ja testaus
  • VHDL-kuvaus yksinkertaisesta delta-sigma-muuntimesta
  • VHDL-kuvauksen testaus simulaattorilla
  • FPGA-toteutus ja testaus
  • Raportointi (edellisten kanssa rinnan)
• Näyttö mittalaitteeseen: Analoginen LED-näyttö (lämpötila, tuulen nopeus, kosteus, paine yms )
  Analog LED-display for basic weather units (temperature, wind speed, humidity, pressure)
  
• Kello: kts. esim: LED-aurinkokello
• Oma-aihe:
• ...

Lähialueiden kursseja / related courses

Seuraavassa listaa kursseista, jotka ovat jotenkin "sukua" tälle kurssille.
/
Next a list of courses that are somehow linked to the topic of this course.

AUTOkurssit / AUTO courses:

• AUTO10X0 Ehdotus /proposal Digitaalinen automaatio/Introduction to digital automation (was TAU.103) syksyllä_2012 (jal/yms)
• AUTO1020 Home: Elektroniikka /Electronics (was TAU.104) keväällä_2013?
• AUTO2030 Home: Elektroniikan valmistustekniikka /Production processes in electronics (was TAU.118) 2012?(Tuominen/timan)
• AUTO2040 Menossa / running Mekatroniikka /Mechatronics (was TAU.110) Spring_2012 (jal)
• AUTO3030 Ehdotus /proposal Digitaalitekniikan jatkokurssi /Advanced digital electronics (VHDL/FPGA) (was TAU.303) syksy_2013?(useita opettajia)
• AUTO3120 Home: Kvanttilaskenta /Quantum Computing (was NONE) book_exam
• AUTO3170 Home: Optoelektroniikka /Optoelectronics (was NONE) book_exam
• AUTO3230 Home: Sulautetut järjestelmät /Embedded systems (was TAU.123) kevät_2013? (T. Mantere & SeAMK?)

Muiden oppiaineiden suositeltavia kursseja:
Recommended courses from other subjects:

UNDER CONSTRUCTION
UNDER CONSTRUCTION
UNDER CONSTRUCTION

---

Mitä hel... / What FAQ?

• Q: Miksi kurssilla ei ole suomen kielistä digitaalitekniikan oppikirjaa?
  /
  Why there is no English text book?
  A: Tarkoitus on oppia alan sanastoa myös toisella kotimaisella.
  Tarvittaessa Tritoniasta löytyy monia englannin kielisiä oppikirjoja.
  /
  From the science library Tritonia you can find many English text book on
  digital electronics.
  
  

---

Aktiviteetteja / activities

Digital measurement device development:

• IMU
  

---

Links

Hardware

• Texas Instruments: Logic Guide

Software

• VHDL tutorial / U. Waterloo
• Suositeltava / Recommended: Low-Carb VHDL tutorial by Bryan Mealy
• VHDL mini-reference / U. Auburn

Companies

• Impulse: FPGA software: e.g. C to FPGA
• Local companies:
• Sirico Electronics Pietarsaari.
• Global companies:
• Texas Instruments

• Hamburg VHDL archive
  
• APLAC Finnish analog circuit simulator

---

Tulevaisuus / Future

We will have activities related to FPGA circuits and especially their programming in signal processing applications.

---

Kiitokset / acknowledgements

Olli Kanniainen for scanning Mellberg.

---