ТЕХНОЛОГІЇ ТА МЕТОДИКА ПРОГРАМУВАННЯ ВБУДОВАНИХ СИСТЕМ

Силабус освітнього компонента

Реквізити навчальної дисципліни

Програма навчальної дисципліни

1. Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Силабус освітнього компонента «Технології та методика програмування вбудованих систем», який є вибірковим, складено відповідно до освітніх програм підготовки магістрів 126 спеціальності – Інформаційні системи та технології.

Мета навчальної дисципліни

Метою навчальної дисципліни є формування сучасного рівня знань та набуття практичних навичок використання принципів та підходів до розробки, налагодження та тестування інтелектуальних вбудованих систем, а також можливості їх використання в навчальній, науково-дослідницькій та майбутній професійній діяльності. Важливою метою також є формування та закріплення у студентів наступних компетентностей: Здатність аналізувати об’єкт проектування або функціонування та його предметну область; Здатність проектувати, розробляти та використовувати засоби реалізації інформаційних систем, технологій та інфокомунікацій (методичні, інформаційні, алгоритмічні, технічні, програмні та інші); Здатність використовувати сучасні інформаційні системи та технології (виробничі, підтримки прийняття рішень, інтелектуального аналізу даних та інші), методики захисту інформації та кібербезпеки під час виконання функціональних завдань та обов’язків; Здатність вибору, проектування, розгортання, інтегрування, управління, адміністрування та супроводжування інформаційних систем, технологій, інфокомунікацій, сервісів та інфраструктури організацій.

Предмет навчальної дисципліни

Область застосування вбудованих систем; процес розробки, налагодження, тестування інтелектуальних вбудованих систем, центральні процесорні пристрої та периферія вбудованих систем; давачі та виконавчі пристрої, які використовуються у вбудованих системах; пристрої відображення інформації у вбудованих системах; склад, основні характеристики, структура, організація пам’яті, програмна модель, способи адресації операндів та характеристика команд AVR-мікроконтролерів; основні модулі вбудованих систем: паралельні та послідовні інтерфейси; підсистема переривань; аналоговий компаратор; таймери; аналого-цифровий та цифро-аналоговий перетворювачі; мережі у вбудованих системах.

Програмні результати навчання, на формування та покращення яких спрямована дисципліна:

Використовувати базові знання інформатики й сучасних інформаційних систем та технологій, навички програмування, технології безпечної роботи в комп'ютерних мережах, методи створення баз даних та інтернет-ресурсів, технології розроблення алгоритмів і комп’ютерних програм мовами високого рівня із застосуванням об’єктно-орієнтованого програмування для розв’язання задач проектування і використання інформаційних систем та технологій; Проводити системний аналіз об’єктів проектування та обґрунтовувати вибір структури, алгоритмів та способів передачі інформації в інформаційних системах та технологіях; Аргументувати вибір програмних та технічних засобів для створення інформаційних систем та технологій на основі аналізу їх властивостей, призначення і технічних характеристик з урахуванням вимог до системи і експлуатаційних умов; мати навички налагодження та тестування програмних і технічних засобів інформаційних систем та технологій; Демонструвати знання сучасного рівня технологій інформаційних систем, практичні навички програмування та використання прикладних і спеціалізованих комп’ютерних систем та середовищ з метою їх запровадження у професійній діяльності; Обґрунтовувати вибір технічної структури та розробляти відповідне програмне забезпечення, що входить до складу інформаційних систем та технологій; Знати сучасні мови програмування та технології створення програмного забезпечення інформаційних систем та технологій.

Основні завдання навчальної дисципліни

Знання:

• особливостей архітектури типових вбудованих систем;
• особливостей архітектури типових мікропроцесорів (МП) та мікроконтролерів (МК);
• особливостей системи команд та мови Асемблера та C для програмування МП МП та МК;
• методів та підходів, технологій та апаратних засобів програмування мікрокомп'ютерів у контексті використання для вбудованих систем,
• організації пристроїв пам'яті та введення – виведення у мікропроцесорних системах та мережах;
• організації обміну між МП (МК) та об’єктом керування за послідовним та паралельним каналами.
• документування апаратного забезпечення вбудованих систем з використанням структурних, функціональних і принципових схем;
• апаратні технології і програмні шаблони для обміну інформацією між виконавчими пристроями і датчиками типової вбудованої систем.

Уміння:

• проектувати окремі модулі вбудованих систем: мікропроцесора та мікроконтролера, пам’яті, введення – виведення, таймеру, переривань, прямого доступу до пам’яті, зв’язку з аналоговим об’єктом керування;
• програмувати мікропроцесори та мікроконтролери, використовуючи мову Асемблер;
• програмувати мікропроцесори та мікроконтролери, використовуючи мови високого рівня, та сучасне програмне забезпечення персонального комп`ютера;
• програмувати FLASH- та EEPROM-пам’ять, використовуючи спеціалізовані програматори та персональний комп’ютер;
• використовувати сучасне програмне забезпечення, яке дозволяє досліджувати архітектури МП-в та МК-в, виконувати налагодження робочих програм на персональному комп’ютері;
• моделювати окремі пристрої вбудованих систем та проектувати найпростіші електромеханічні та робототехнічні системи.

2. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Для успішного засвоєння дисципліни студент повинен володіти освітніми компонентами «Основи програмування», «Структури даних та алгоритми», «Основи системної інженерії», «Спецрозділи математики», «Комп’ютерна електроніка». Оскільки начальна дисципліна «Технології та методика програмування вбудованих систем» викладається у весняному семестрі, то вона може стати у нагоді при написанні магістерської дисертації, або самостійного вивчення дисциплін пов’язаних з технологіями інтернету речей, інженерії інформаційних систем, моделювання процесів і систем, комп`ютеризованих систем управління або проектуванням інформаційних систем.

3. Зміст навчальної дисципліни

Розділ 1. Область застосування вбудованих систем та характеристика avr-мікроконтролерів Тема 1.1. Основні поняття та особливості мікропроцесорної техніки Тема 1.2. Приклад гіпотетичної МПС керування, та проблеми, що пов’язані з її проектуванням Тема 1.3. Структура типової локальної мікропроцесорної системи керування Тема 1.4. Модульна структура мікропроцесорної системи Тема 1.5. Розвиток мікроконтролерів сімейства AVR Тема 1.6. Характеристика AVR-мікроконтролерів Тема 1.7. Основні параметри AVR-мікроконтролерів Тема 1.8. Структура типового AVR-мікроконтролера

Розділ 2. Організація пам’яті Тема 2.1. Загальна характеристика Тема 2.2. Організація пам’яті програм Тема 2.3. Організація пам'яті даних Тема 2.4. Програмування FLASH- та EEPROM-пам’яті

Розділ 3. Програмування avr-мікроконтролерів Тема 3.1. Послідовність розробки керуючої програми Тема 3.2. Мови програмування Тема 3.3. Програмна модель AVR-мікроконтролера Тема 3.4. Функціонування конвеєра Тема 3.5. Лічильник команд Тема 3.6. Способи адресації операндів Тема 3.7. Загальна характеристика команд AVR-мікроконтролерів Тема 3.8. Формати команд та даних Тема 3.9. Довжина команд у байтах та їх розміщення у пам'яті програм Тема 3.10. Вплив команд на прапорці та час їх виконання Тема 3.11. Базовий набір команд мікроконтролера

Розділ 4. Самопрограмування avr-мікроконтролерів Тема 4.1. Області RWW та NRWW Тема 4.2. Керування процесом самопрограмування Тема 4.3. Зміна вмісту пам’яті програм Тема 4.4. Процедури оновлення Flash-пам’яті

Розділ 5. Проектування модуля введення/виведення Тема 5.1. Загальна характеристика модуля Тема 5.2. Способи обміну даними між ЗВПР та МК/МП у МПС Тема 5.3. Порти введення/виведення AVR-мікроконтролерів Тема 5.4. Звернення, структура та конфігурування портів введення/виведення

Розділ 6. Проектування модуля УАПП/УСАПП Тема 6.1. Опис структури модулів та керуючих регістрів УАПП/УСАПП Тема 6.2. Передача та прийом даних, їх швидкість, формат кадру Тема 6.3. Обмін даними через інтерфейс УСАПП у мікроконтролерній мережі Тема 6.4. Робота модуля УСАПП в режимі MSPI

Розділ 7. Проектування послідовного синхронного інтерфейсу twi Тема 7.1. Загальна характеристика інтерфейсу I2C (TWI) Тема 7.2. Архітектура інтерфейсу TWI на апаратному рівні Тема 7.3. Програмування інтерфейсу TWI Тема 7.4. Моделювання інтерфейсу TWI

Розділ 8. Проектування модуля SPI Тема 8.1. Загальні відомості Тема 8.2. Характеристика модуля SPI мікроконтролерів AVR Тема 8.3. Моделювання модуля SPI

Розділ 9. Проектування модуля таймерів Тема 9.1. Особливості архітектури таймерів AVR-мікроконтролерів Тема 9.2. Восьми та 16 розрядні таймери/лічильники Тема 9.3. Вартовий таймер Тема 9.4. Моделювання модуля таймера для керування двигуном постійного струму Тема 9.5. Моделювання модуля таймера в якості годинника реального часу

Розділ 10. Проектування модуля аналого-цифрового перетворювача Тема 10.1. Функціонування та програмування модуля Тема 10.2. Формування тактового сигналу Тема 10.3. Часові діаграми роботи Тема 10.4. Керування вхідним мультиплексором Тема 10.5. Збереження результату перетворення Тема 10.6. Рекомендації з перемикання вхідних каналів Тема 10.7. Особливості підключення джерела опорної напруги Тема 10.8. Результат перетворення та підвищення його точності Тема 10.9. Моделювання модуля АЦП

Розділ 11. Проектування модуля цифро-аналогового перетворювача Тема 11.1. Характеристика та принцип роботи модуля ЦАП у складі мікроконтролерів AVR Тема 11.2. Джерела опорної напруги та режим енергозбереження Тема 11.3. Вихідні канали та режими роботи Тема 11.4. Тактування модуля та обмеження часових характеристик Тема 11.5. Система подій Тема 11.6. Програмування модуля

Розділ 12. Проектування модуля аналогового компаратора Тема 12.1. Загальні відомості Тема 12.2. Аналогові компаратори на інтегральній мікросхемі операційного підсилювача Тема 12.3. Аналоговий компаратор у складі AVR-мікроконтролерів.

Розділ 13. Спеціальні режими роботи мікроконтролера Тема 13.1. Тактування Тема 13.2. Режим зниженого енергоспоживання Тема 13.3. Скидання Тема 13.4. Підсистема переривань

Розділ 14. Проектування CAN-модуля Тема 14.1. Основні характеристики CAN-протоколу Тема 14.2. Структура повідомлень та принципова схема вузла CAN-мережі Тема 14.3. Фізичний рівень CAN-протоколу Тема 14.4. Схема алгоритму роботи та моделювання CAN-модуля

4. Навчальні матеріали та ресурси

Основна література:

• Новацький А.О. Мікропроцесорні та мікроконтролерні системи : підручник. У 2 ч. Ч. 1. Мікропроцесорні системи // Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, Вид-во «Політехніка», 2020. – 361с.
• Новацький А.О. Мікропроцесорні та мікроконтролерні системи: Ч.2 «Проектування мікропроцесорних систем» // Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. – 462 с.
• Новацький А.О. Проектування мікропроцесорних систем: Проектування мікропроцесорних систем на базі AVR-мікроконтролерів: Периферійні модулі AVR-мікроконтролерів // К: НТУУ „КПІ”, 2012. – 470 c.
• Новацький А.О. Проектування CAN-мережі: // К: НТУУ „КПІ”, 2011- 169 с.
• 10. Morton AVR: An Introductory Course. Newnes, 2002 - 248 p.
• M.A. Mazidi, Sarmad Naimi, Sepehr Naimi AVR Microcontroller and Embedded Systems: Using Assembly and C. Pearson, 2010 - 792 p.

Додаткова література:

• 5. White Making Embedded Systems: Design Patterns for Great Software. O'Reilly Media, 2011 - 325 p.
• Трамперт Вольфган. AVR-RISC микроконтроллеры (Перевод с немецкого). – Киев.: МК – Пресс, 2006.
• P.A. Laplante, S.J. Ovaska Real-Time Systems Design and Analysis: Tools for the Practitioner (4th edition). Wiley-IEEE Press, 2011 - 584 p.
• 13. Barr, A. Massa Programming Embedded Systems: With C and GNU Development Tools(2nd Eeition). O'Reilly Media, 2006 - 301 p.

Навчальний контент

5. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Очна форма

Лекційні заняття

Лабораторні роботи

Самостійна робота студента

Заочна форма

Лекційні заняття

Лабораторні роботи

Самостійна робота студента

Матеріали до лекційних та лабораторних робіт доступні для завантаження в телеграм групі дисципліни та в системі підтримки навчального процесу «Електронний кампус» виключно здобувачам, які обрали курс «Технології та методика програмування вбудованих систем» за посиланням https://ecampus.kpi.ua/ та в Google Classroom: https://classroom.google.com/c/NzE3MjA0NzE1NjMx?cjc=je3psyk

Політика та контроль

6. Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Система вимог, які ставляться перед студентом:

• правила відвідування занять: заборонено оцінювати присутність або відсутність здобувача на аудиторному занятті, в тому числі нараховувати заохочувальні або штрафні бали. Відповідно до РСО даної дисципліни бали нараховують за відповідні види навчальної активності на лекційних та лабораторних заняттях.
• правила поведінки на заняттях: студент має можливість отримувати бали за відповідні види навчальної активності на лекційних та практичних заняттях, передбачені РСО дисципліни. За наявності конфліктних ситуацій, вони мають відкрито обговорюватись з викладачем, необхідно бути взаємно толерантним, поважати думку іншого. Використання засобів зв’язку для пошуку інформації в інтернеті здійснюється за умови вказівки викладача;
• заохочувальні бали виставляються за підготовку та проведення доповідей на лекційних заняттях. Кількість заохочуваних балів не більше 10;
• виставлення оцінок: кожна оцінка виставляється відповідно до розробленої викладачем та оголошеної на першому занятті РСО; у разі невиконання студентом всіх передбачених робочим навчальним планом завдань (лабораторних робіт) до заліку він не допускається. Якщо студент не може бути присутніми на заняттях, він повинен відпрацювати самостійно лабораторні роботи та здійснити захист на занятті або відповідно до графіку на консультації у викладача.
• штрафні бали виставляються за невчасне подання до захисту лабораторних робіт – за кожне пропущене заняття -1 бал, але не більше -4 балів за 1 роботу.
• політика щодо академічної доброчесності: Кодекс честі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» https://kpi.ua/files/honorcode.pdf встановлює загальні моральні принципи, правила етичної поведінки осіб та передбачає політику академічної доброчесності для осіб, що працюють і навчаються в університеті, якими вони мають керуватись у своїй діяльності, в тому числі при вивченні та складанні контрольних заходів з дисципліни «Технології та методика програмування вбудованих систем»;
• при використанні цифрових засобів зв’язку з викладачем (мобільний зв’язок, електронна пошта, месенджери, форуми чи соціальні мережі, тощо) необхідно дотримуватись загальноприйнятих етичних норм, зокрема бути ввічливим та обмежувати спілкування робочим часом викладача.

7. Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Поточний контроль: вправи на лекційних заняттях, тестування, проведення доповідей, виконання та захист лабораторних робіт.
Календарний контроль: проводиться двічі на семестр як моніторинг поточного стану виконання вимог силабусу (відсутній для заочної форми навчання).
Семестровий контроль: залік.
Умови допуску до семестрового контролю: виконані та захищені лабораторні роботи, виконана доповідь, семестровий рейтинг більше 35 балів.
Рейтинг студента з дисципліни складається із балів стартового рейтингу (протягом семестру). Бали стартового рейтингу протягом семестру студент отримує за:

• виконання та захист лабораторних робіт;
• проведення доповідей на лекційних заняттях (заохочувальні бали для заочної форми навчання).

Система рейтингових балів та критерії оцінювання

Очна форма навчання

Лабораторні роботи

Ваговий бал. Всі лабораторні роботи мають ваговий бал 10. Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи складає 10 балів * 8 робіт = 80 балів. На лабораторних роботах студенти перевіряють працездатність написаних програм за попередньо вирішеними вдома задачами. Для допуску до поточної лабораторної роботи необхідно мати Протокол, оформлений відповідно до норм оформлення технічної документації, який має містити всі необхідні пункти, відповідно до Методичних вказівок. Також для допуску до лабораторної роботи (окрім 1-ї) необхідно захистити попередню. Студенти, що не захистили попередню лабораторну роботу можуть бути не допущені до виконання наступної.

Критерії оцінювання лабораторних робіт:

• «відмінно», повна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 90% потрібної інформації) та оформлений належним чином протокол до лабораторної роботи – 10 балів;
• «добре», достатньо повна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 75% потрібної інформації) та оформлений належним чином протокол до лабораторної роботи – 9-8 балів;
• «задовільно», неповна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 60% потрібної інформації), незначні помилки та оформлений належним чином протокол до лабораторної роботи – 7-6 балів;
• «незадовільно», незадовільна відповідь та/або не оформлений належним чином протокол до лабораторної роботи – 0 балів.

За кожне запізнення з поданням лабораторної роботи до захисту від встановленого терміну оцінка знижується на 1 бал, але не більше 4 балів за одну роботу. УВАГА! Захист всіх лабораторних робіт є умовою допуску до складання заліку. Студенти, що на момент консультації перед заліком не захистили лабораторні роботи, не допускаються до основної здачі та готуються до перескладання.

Доповідь за обраною темою

Ваговий бал. Доповідь за обраною та узгодженою з викладачем темою має ваговий бал 20 балів.

Критерії оцінювання доповідей

• «відмінно», повна та вичерпна доповідь з обраної теми (не менш ніж 90% потрібної інформації), правильні відповіді на питання від викладача чи студенів після доповіді та оформлені належним чином презентаційні матеріали – 20-19 балів;
• «добре», тема розкрита не менш ніж на 75%, правильні відповіді на питання від аудиторії з дрібними помилками, оформлені належним чином презентаційні матеріали – 18-16 балів;
• «задовільно», доповідь розкриває тему не менш ніж на 60%, здебільшого правильні відповіді на питання від аудиторії, наявність презентаційних матеріалів – 15-12 балів;
• «незадовільно», тема не розкрита, студент не здатний відповідати на питання по темі доповіді, відсутні презентаційні матеріали – 0 балів.

Заохочувальні бали

За активну роботу на лекційному занятті та проведення додаткової доповіді на лекційних заняттях, але в сумі не більше 10 балів.

Штрафні бали

За кожне запізнення з поданням лабораторної роботи до захисту від встановленого терміну оцінка знижується на 1 бал, але не більше 4 балів за одну роботу.

Календарний контроль

На першій атестації (8-й тиждень) студент отримує «зараховано», якщо його поточний рейтинг не менший ніж 21 бал. На другій атестації (14-й тиждень) студент отримує «зараховано», якщо його поточний рейтинг не менший ніж 42 бали.

Заочна форма навчання

Лабораторні роботи

Ваговий бал. Всі лабораторні роботи мають ваговий бал 20. Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи складає 20 балів * 5 робіт = 100 балів. На лабораторних роботах студенти перевіряють працездатність написаних програм за попередньо вирішеними вдома задачами. Для допуску до поточної лабораторної роботи необхідно мати Протокол, оформлений відповідно до норм оформлення технічної документації, який має містити всі необхідні пункти, відповідно до Методичних вказівок. Також для допуску до лабораторної роботи (окрім 1-ї) необхідно захистити попередню. Студенти, що не захистили попередню лабораторну роботу можуть бути не допущені до виконання наступної.

Критерії оцінювання лабораторних робіт:

• «відмінно», повна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 90% потрібної інформації) та оформлений належним чином протокол до лабораторної роботи – 20-19 балів;
• «добре», достатньо повна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 75% потрібної інформації) та оформлений належним чином протокол до лабораторної роботи – 18-15 балів;
• «задовільно», неповна відповідь на питання під час захисту (не менш ніж 60% потрібної інформації), незначні помилки та оформлений належним чином протокол до лабораторної роботи – 14-10 балів;
• «незадовільно», незадовільна відповідь та/або не оформлений належним чином протокол до лабораторної роботи – 0 балів.

Форма семестрового контролю – Залік

Необхідною умовою заліку є виконання усіх лабораторних робіт, проведення доповіді та стартовий рейтинг не нижче 35 балів (частина робіт може бути захищена на оцінку «незадовільно»). Залік проводиться на останньому за розкладом занятті в семестрі. Якщо стартовий рейтинг протягом семестру становить 60 балів та вище, залікова оцінка, за згодою студента, переноситься в залікову відомість. У випадку, коли семестровий рейтинг нижчий за 60 балів (усі роботи виконані) або рейтинг вищий за 60 балів, але студент виявив бажання підвищити оцінку – його поточний рейтинг множиться на ваговий коефіцієнт 0,6 та призначається залікова контрольна робота, яка оцінюється у 40 балів.

Система оцінювання залікової контрольної роботи

Залікова контрольна робота містить лише теоретичну складову направлену на перевірку набутих в результаті вивчення освітнього компонента знань студентів за лекційним матеріалом семестру – необхідно дати повну та розгорнуту відповідь на 4 питання, кожне з яких оцінюється в 10 балів:

• «відмінно» – студент навів правильну відповідь та повністю розкрив питання – 10 балів;
• «добре» – відповідь правильна, але можливо неповна, або ж повна, але з допущенням дрібних помилок, які студент здатен виправити після зауваження – 9-8 балів;
• «задовільно» – допускається відповідь з помилками, але не менш ніж 60% правильних відповідей – 7-6 балів;
• «незадовільно» - питання взагалі не розкрите або дана неправильна відповідь – 0 балів.

Сума стартових балів або сума стартових балів * 0,6 плюс бали за залікову контрольну роботу переводиться до залікової оцінки згідно з таблицею:

Робочу програму навчальної дисципліни (Силабус):

Складено старшим викладачем кафедри інформаційних систем та технологій ФІОТ, Ph.D, Орленко Сергій Петрович

Ухвалено кафедрою інформаційних систем та технологій ФІОТ (протокол №16 від 12.06.2024 р.)

Погоджено Методичною комісією факультету (протокол №11 від 21.06.2024 р.)