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Praktikum Entwurf digitaler Systeme

Praktikum Entwurf digitaler Systeme
Typ: Praktikum (P) Links:
Lehrstuhl: Fakultät f. Elektrotechnik und Informationstechnik
Semester: SS 2017
Ort:

ITIV, Engesserstraße 5, Karlsruhe, Geb. 30.10, Raum 115

Beginn: 24.04.2017
Dozent: Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Jürgen Becker
SWS: 4
LVNr.: 23637
Hinweis:

• Die Veranstaltung ist deckungsgleich mit der englischsprachigen Variante „Digital Hardware Design Laboratory (DHL)“
• Für diese Lehrveranstaltung werden noch Tutoren gesucht (bei sehr guten VHDL Vorkenntnissen auch ohne vorherige Teilnahme am Praktikum). Für weitere Details siehe http://www.itiv.kit.edu/232_5349.php

Die Anmeldung für das Praktikum erfolgt online über das ILIAS Portal des KIT in dem entsprechenden ILIAS-Kursraum (siehe ilias.studium.kit.edu). Die Anmeldung wird am 1. April 2017 freigeschalten.
Die Vorbesprechung findet am Montag, den 24. April 2017 um 14.00 Uhr im Poolraum 115 (Engesserstr. 5, Gebäude 30.10) des Instituts für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV) statt. Das eigentliche Praktikum findet montags, jeweils von 14:00 bis 18:00 Uhr statt. Bei hoher Teilnehmerzahl wird ggf. ein zweiter Termin donnerstags von 14:00 bis 18:00 Uhr angeboten.
Die Zahl der Praktikumsplätze ist begrenzt. Die Online-Anmeldung garantiert noch keine Teilnahme am Praktikum. Die endgültige Entscheidung über die Teilnahme und die Terminzuteilung kann erst in der Vorbesprechung erfolgen. Studierende, für die das Praktikum Pflichtfach ist, haben dabei Vorrang.

Vortragssprache: Deutsch

Praktikum Entwurf digitaler Systeme (PES)

Voraussetzungen

Kenntnisse im Entwurf und in der Entwurfsautomatisierung elektronischer Systeme (z.B. Lehrveranstaltungen SAE, Nr. 23606, HSO, Nr. 23619 oder HMS, Nr. 23608).

 

 

Ziele

Studien in Systemspezifikation, -modellierung, -simulation, Rapid Prototyping und Hardware-Synthese.

 

 

Inhalte

Das Praktikum Entwurf digitaler Systeme (PES) ist Teil der TivSeg Projektpraktika am ITIV. Hierbei steht der Teil der FPGA-Logik des TivSeg-Systems im Vordergrund, der für die Bildverarbeitung der Kameradaten zuständig ist, welche eine Grundvoraussetzung der Bewegungssteuerung des autonomen TivSeg-Systems darstellt.

Im Praktikum werden die aus den Vorlesungen bekannten Entwurfs- und Simulationsverfahren praktisch eingeübt. Zum Einsatz gelangen die in der Industrie weit verbreiteten kommerziellen Entwurfs- und Hardware-Synthesewerkzeuge der Firma Xilinx und das Simulationswerkzeug ModelSim von ModelTech. Zum Test der erstellten Sourcen kommen industrielle Hardware-Plattformen zum Einsatz.

Zielplattform des Praktikums stellt das Digilent ZEDBOARD dar, welches mit einem Zynq System-on-Chip (SoC) FPGA ausgestattet ist, der sowohl über feld-programmierbare Logikteile als auch einen Dual-Core ARM Prozessor verfügt.

Im ersten Teil des Praktikums werden grundlegende Kenntnisse zu den Synthese- und Simulationstools und der Hardware-Beschreibungssprache Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) vermittelt.

Den Einstieg in das Praktikum stellen die ersten vier Nachmittage dar, in denen die Studenten das Handwerkszeug zum Umgang mit den Tools, dem FPGA System und VHDL erlernen.

Zunächst lernen die Studenten Basiselemente eines FPGAs kennen und gewinnen einen Einblick in den Tool-Flow, um für FPGAs einen Programmierbitstrom zu erstellen. Darauf werden Grundlagen zur Erstellung von Testbenches vermittelt, welche benötigt werden, um selbstgeschriebene Module zu verifizieren. An einem weiteren Nachmittag steht die Beschreibung von synchronen Finite State Machines (FSMs) in VHDL im Mittelpunkt, welche zur Ablaufsteuerung von Hardware-Schaltungen essentiell sind. Zudem erlernen die Studenten die Instanziierung von hochgradig optimierten Hard-Blocks, welche das Design komplexer Schaltungsteile sehr erleichtern können. Am letzten Übungsnachmittag erlernen die Studenten die Entwicklung eigener VHDL-Module anhand vorgegebener Randbedingungen. Dies erfolgt am Bespiel der Entwicklung eine effizient zu implementierenden Signed-Dividierer. Zudem wird die Einbindung eigener Komponenten in ein Hardware/Software System anhand des Bussystems des ARM Prozessors des Zynq-FPGAs vermittelt.

Im Anschluss beginnt der eigentliche Teil des Projektpraktikums, in dem die Studenten selbständig einen Hardware-Beschleuniger entwickeln, mithilfe dessen das Zynq SoC System die Bildverarbeitung von Bewegtbildern durchführen kann.

Hierbei erhält das Zynq SoC RGB Daten von einer Kamera. Der ARM Prozessor stellt hierbei die Verbindung mit der Kamera her und sendet die Bilddaten über das Bussystem an den in FPGA-Logik zu implementierenden Hardware-Beschleuniger. Dieser extrahiert aus den Bildern markante Bereiche (Regions) und sendet die Ergebnisse an den ARM Prozessor zurück, welcher daraufhin die Bewegung des TivSeg-Systems koordinieren oder die erkannten Regions zu Visualisierungszwecken per HDMI-Schnittstelle an einen Monitor senden kann.