Within the scope of this project, RTL design of a processor named FB-CPU with Verilog language and various code snippets written in machine language on the designed processor will be written. At the end of the project, it will be observed how RAM, Control Unit and Stores in a simple processor can work together and execute code snippets in machine language. FBCPU demo will be made on Basys3 FPGA development board to be used.
Detailed project description: Will be announced after midterm
This course covers combinatorial, sequential circuits, state machines, verification methodologies, memories, design principles, SOC concepts and interfaces, which are frequently used in the digital design world. Within the scope of the course, a processor named Fenerbahçe Processor will be designed for educational purposes and verified with Verilog HDL. FPGA based demo will be presented.
Course Hours (Theoretical + Lab)
Monday 9.00-13.00
Instructors
Assist. Prof. Vecdi Emre Levent
T. A. Uğur Özbalkan
Prerequisites
There are no prerequisites.
Helpful Resources
Reference sources of the course are listed below.
Introduction to Logic Design, Third Edition, Alan B. Marcovitz, McGraw-Hill, 2010
Digital Design, Moris Mano and Michael D. Ciletti, 5th edition, Prentice Hall, 2009
FPGA Prototyping by Verilog Examples, Pong Chu, John Wiley, 2008
Introduction to Logic Design, Alan Marcovitz, McGraw Hill, 2010
Softwares
Xilinx Vivado 2022.1
Courses
The course has 2 hours of theory and 2 hours of laboratory part per week. It is expected that the course materials given by the lecturer will be reviewed before the lesson and repeated after the lesson.
Learning Outcomes
Logic minimization with KMAPs
Circuit development with RTL design languages
Accuracy measurement of RTL circuits
Design of interfaces frequently used in industry
Quizzes
There will be two quizzes during the semester. 30 minutes will be given. Quiz date will be announced one week in advance.
Grading
It is mandatory to attend classes at 80%.
Term grade; will be determined by midterm, labs, assignments, project and final exam. Evaluation percentages are given in the table below.
Activities
Rates
Midterm
%20
Homework/Quiz
%10
Lab
%15
Project
%25
Final
%30
Bonus
Up to 5 points
5 points will be deducted for each hour that passes over the delivery time of homework and quizzes.
The weight and letter grade corresponding to the end of term grade are given in the table below.
Mark
Weight
Letter grade
90-100
4.00
AA
85-89
3.50
BA
80-84
3.00
BB
75-79
2.50
CB
65-74
2.00
CC
50-64
1.50
DC
45-49
1.00
DD
0 -44
0
FF
Expected Effort
The effort table that the student is expected to show during the term is given below.
Content
Hours
Times
Sub Total
Lesson Preparation
2
14
28
Lesson Repetition
2
14
28
Homeworks
4
6
24
Project
48
1
48
Course Lesson
4
14
56
Midterm and Final
24
2
48
Students are expected to spend an average of 232 hours during the semester to be successful in the course.
Coding Homeworks
Grading of coding assignments will be done by examining the accuracy, quality and details of the algorithmic implementation of the code.
Testing
Test entry and expected outputs will be shared for each assignment to be given. However, other test situations that have not been shared with you will be tried during the homework control. Code that takes longer to run than expected may be evaluated incorrectly.
Theory
The code should be the design of the desired algorithm. The optimal solution is not expected. But memory and runtime shouldn’t be too much than expected.
Written Assignments
The assignment should be written in your own handwriting. The homework answer sheet should contain the name of the course, student name and surname, student number and date.
Academic Integrity
The aim of the homework is to learn to do in-depth research about the course and to gain practical knowledge. Working with other students on assigned assignments is encouraged. Students who form a study group are more successful in exams than students who study on their own.
But even if you work with others to solve an assignment, you must solve each problem yourself without help. If you obtain your solution through a search (eg an internet search), you should express the solution in your own sentence and/or code. When the solution is asked orally, the student is expected to be able to explain it.
If the given assignment is a code, you have to write it yourself. You can get help from others in debugging. Manual and automatic mechanisms will be used for plagiarism detection in code. Plagiarism, cheating in the exam and similar behaviors are punished according to the disciplinary regulations.
Course Description: This course covers combinatorial, sequential circuits, state machines, verification methodologies, memories, design principles, SOC concepts and interfaces, which are frequently used in the digital design world. Within the scope of the course, a processor named Fenerbahçe Processor will be designed for educational purposes and verified with Verilog HDL. FPGA based demo will be presented.
Fiziksel bir ortam kurmak yerine simulasyon üzerinde çalışmak neyi sağlar? Dezavantajları nelerdir?
FPGA Tabanlı Kontrol
FPGA ve MCU arasındaki farklar nelerdir? FPGA ne zaman tercih nedeni olmalıdır?
FPGA’e bağlı 10 bitlik bir ADC çipi kulunmaktadır. Bu ADC çipinin çıktı sinyalleri clk, data[9:0], dataValid’dir. Bu sinyalleri kullanarak bir sıcaklık sensörü verisini okuyup eğer sıcaklık 50 derece’nin üzerinde ise FPGA’e bağlı bir LED’i aktif yapan, değil ise pasif yapan bir verilog tasarımı geliştiriniz. Sıcaklık sensörü 0-100 derece arasında çalışmaktadır.
FPGA’e bağlı motor sürücü entegresini kontrol edecek bir verilog tasarımı gerçekleyiniz. Entegrenin clock çıkışı, 8 bitlik dIn girişi ve direction isimli bir bitlik girişi bulunmaktadır. Bu sinyaller ile aşağıda verilen pattern’i oluşturan bir tasarım yapınız. Clock frekansı 10MHz’dir.
Durma Yarı Hız ileri Tam Hız ileri Yarı Hız geri Tam Hız geri Durma Çeyrek Hız ileri
ZYNQ mimarisinde PS bölümünde bulunan UART arayüzü ile PL bölümüne konfigüre edilebilen UART arayüzünün farkı nedir?
ZYNQ mimarisinin UART PS0 bloğunu kullanarak dışarıya saniyede bir “Merhaba” string’ini basan bir uygulama geliştiriniz.
10 adet UART arayüzüne sahip sensörler bulunmaktadır. Bu sensörleri ZYNQ mimarisine sahip bir FPGA ile okuyup ethernet üzerinden verileri transfer eden bir sistem geliştiriniz.
Sistemin Block diagramını çiziniz. Ardından Petalinux ortamı için bir C kodu geliştirip okunan verileri ethernet üzerinden UDP Protokolü ile transfer eden bir uygulama geliştiriniz.
Sensör verileri 0-255 arasında bir byte olarak gelmektedir. Ethernet’e transfer edilecek veriler 10 sensör için toplam 10 byte’lık bir dizi olarak gönderilebilir. IP ve port bilgileri rasgele girilebilir.
Bilgisayardan bir byte büyüklüğünde iki sayıyı (yani 0-255 arasında) UART arayüzünden ZYNQ’in UART PS0 bloğuna transfer ediniz. ZYNQ sayıları yakaladıktan sonra iki sayı ile aşağıda verilen aritmetik işlemi yapıp sonucunu tekrar UART üzerinden döndürmektedir.
Aritmetik işlem: karekök(X^2 + Y^2)
UART üzerinden sayı gönderme ve UART üzeirnden sonucu yakalamak için bilgisayar ortamında istediğiniz bir dilde (C#, Python vb..) seri port uygulaması geliştiriniz. ZYNQ üzerinde petalinux ortamında gerekli olan C kodunu yazınız.
Custom Module Interfacing
AXI Lite Slave arayüzü nedir?
AXI Lite Master arayüzü nedir?
AXI FULL Slave arayüzü nedir?
3 saklayıcısı olan AXI Lite Slave arayüzlü bir modül geliştiriniz. Bu modülün
0. adresindeki saklayıcı, 1. sayıyı 1. adresindeki saklayıcı, 2. sayıyı 3. adresindeki saklayıcı, 1. ve 2. sayının toplamını göstermektedir.
Aşağıda bir AXI Lite Slave arayüzlü modülün örnek şablon kod parçacığı verilmektedir. Bu kod parçacığını modifiye ederek, belirtilen görevi yapan bir modül haline döndürünüz.
Bir klasördeki dosyaların tamamını listelip, dosyaların okuma yazma çalıştırma izinlerinin ne durumda olduğu nasıl listelenir?
Root yetkisi nedir?
sudo komutu nedir? Neden gerekli olmaktadır? Örnek vererek açıklayınız.
/home/emre/x.txt dosyasını /var/tmp/test/y.txt dosyası olarak kopyalanmak isteniyor. İlgili komutu yazınız.
CPU kaynağını en çok tüketen uygulama nasıl bulunur. Bu uygulamayı tespit ettikten sonra komut satırından nasıl öldürülür? Açıklayınız
Bash script nedir?
Bir dosyayı görüntülemek için more, tail, head komutları kullanılabilir. Komutların farkları nedir? Ne amaçla kullanılabilirler açıklayınız. Dosyanın ilk 3 satırını, dosyanın son 5 satırını gösteren komutları yazınız.
Ortam değişkeni nedir? Ne amaçla kullanılır?
Terminalde ‘KEY’ isminde bir ortam değişkeni oluşturup içerisine 1234 sayısını yazınız. Bir bash script oluşturup KEY ortam değişkenin değerini alıp karesini print yapan bir bash script geliştiriniz.
Dışarıdan bir argüman alan bash script geliştiriniz. Bu bash script’e gelen argüman eğer 0 ise, şu anki tarih saati bulunduğu klasörde saat.txt dosyası yaratıp içerisine yazmalıdır. Kendisine gelen argüman 1 ise, bulunduğu klasörde deneme.txt dosyası var ise o dosyanın içeriğini print etmeli eğer dosya yok ise “Dosya Bulunamadi” uyarısını print etmelidir.
Embedded Linux Toolchain
Linux çekirdeği nedir?
Bir boot sürecinde aşağıda verilen görseldeki adımlar izlenmektedir.
Figürde verilen adımları açıklayınız. BOOT.BIN dosyası nedir? Hangi dosyalardan oluşur?
Aşağıda verilen kavramları açıklayınız
* ROOTFS * Image.ub * Device Tree
PL/PS CoDesign
Linux’te bulunan devmem komutu nedir? Bu komut ile 0x40000000 adresine hexadecimal olarak ABCD yazıp, 0x40000008 adresinde bulunan içeriği okuyacak bir komutu yazınız.
MMAP Komutu ne yapmaktadır?
0x40000000 adresinde bir AXI GPIO IP’si bulunmaktadır. Bu IP’nin register space’i aşağıda verilmektedir.
AXI GPIO’nun 1. kanal çıkış bölümüne bir bitlik LED bağlanmıştır. 1. kanal giriş bölümüne ise 8 bitlik bir saklayıcı bulunmaktadır. Giriş bölümünden 0x11 değeri geldiğinde LED’i 1 yapan diğer tüm durumlarda LED’i 0 yapan bir petalinux ortamı için uygulama geliştiriniz.
PL bölümünde bir AXI GPIO IP’si bulunarak oluşturulmuş bir petalinux imajında
ls /sys/class/gpio
komutu çalıştırılarak bağlanmış GPIO’nun ne olduğu görülmektedir.
Buna göre örneğin komutun çıktısında gpio496 olduğu görülmüştür.
Petalinux ortamında GPIO’nun değerini her saniye tersine çeviren bir uygulama geliştiriniz.
Aşağıda Atmel Atmega328 MCU’sunun mimarisi verilmektedir. Mimaride görülen;
* USART * SPI * Flash * Oscillator * AVR CPU
bloklarının görevlerini açıklayınız
Aşağıda Atmel Atmega328 MCU’sunun CPU Core Mimarisi verilmektedir.
Bu mimariye göre;
* ALU * Program Counter * General Purpose Register * Instruction Register * Instruction Decoder
bloklarının görevlerini açıklayınız.
Ardunio IDE’sinde geliştirilen bir uygulamada kullanılan temel setup ve loop fonksiyonlarını görevlerini açıklayınız.
Aşağıda Ardunio Nano’nun pinlerini gösteren bir figür verilmektedir.
Ardunio’nun Dijital 5 ve 6. pinlerine butonlar, 7. pinine ise LED bağlanmıştır. Her iki butona da basılı iken LED saniyede bir yanıp sönecek bir uygulama geliştiriniz.
MCU’nun UART arayüzünden ‘A’ paketi geldiğinde 1. LED’i 2 saniyeliğine yakan, ‘B’ paketi geldiğinde ise 2. LED’i 10 saniyeliğine yakan bir uygulama geliştiriniz.
Interfaces and Sensors
Analog ve dijital pin’lerin okuma/yazma kabiletleri nedir? Farkları nelerdir?
MCU’nun 0. analog girişine bir uzaklık sensörü bağlanmıştır. Bu sensör 50 cm’de iken maksimum değer olan 1023’ü, 2 cm’de ise 0 değerini geri döndürmektedir. Buna göre sensör 20 ile 30cm arasında bir nesne tespit ettiğinde UART üzerinden ‘Aralik Icerisinde’ mesajını gönderen bir uygulama geliştiriniz.
MCU’nun 0. analog girişine bir sıcaklık sensörü bağlanmıştır. 1. analog girişine ise bir duman sensörü bağlanmıştır.
Sıcaklık sensörü 0 derece için 0; 50 derece için 1023 sayısını döndürmektedir. 0-50 derece arasındakiler 0-1023 arasında lineer olarak değişmektedir.
Duman sensörü ise duman olmaması durumunda 0, duman olması durumunda ise geriye 1023 sayısını döndürmektedir.
Buna göre 40 derece üstü ve duman olması durumunda MCU’nun dijital 3. pinine bağlı LED’i aktif edip UART üzerinden “Yangin” mesajını gönderen bir yazılım geliştiriniz.
Sensör nedir? Analog ve dijital sensörler nedir? Farkları nelerdir?
Motor Control
Fırçasız motor nedir?
Servo motor nedir?
Step motor nedir?
5V gerilim uygulandığında 200 RPM ile çalışan bir fırçasız motor’a çevresi 2 cm olan bir tekerlek takılıyor. Robota bağlı olan bu motor ile 1 metre hareket etmek için gerekli olan MCU kodunu geliştiriniz. Tekerlek 3cm olması durumu için 2. bir kod geliştiriniz.
Fırçasız bir motorun 3V altında 200 RPM, 5V altında ise 300 RPM yaptığı dökümanında belirtilmiştir. Buna göre MCU’nun ADC pinleri kullanılarak bu motor’a 2 sn 250 RPM, 3 sn 275 RPM hıza çıkaracak bir kod geliştiriniz. Not: 3V-5V arasındaki RPM değişiminin lineer olacağı varsayılabilir. MCU’nun ADC’si 0 verisi için 0V, 1023 verisi için ise 5V üretmektedir. Ara değerler lineer olarak değiştiği varsayılabilir.
