Harjoitustyön implementointi Johdatus sulautettuihin järjestelmiin

Abstract

Diplomityössä tutkittiin kolmea asiaa liittyen uuteen Johdatus Sulautettuihin järjestelmiin kurssiin: Onko PYNQ-Z1 alustalle mahdollista suunnitella harjoitustyö laitteistoläheiseen ohjelmointiin liittyen, minkälainen materiaali sopii tähän tarkoitukseen, sekä miten näiden tuloksien perusteella harjoitustyötä kannattaa jatkokehittää.

Harjoitustyö suunniteltiin muutamasta eri pohja-ajatuksesta: ensinnäkin tiedossa oli, että harjoitustyöhön pitäisi opiskelijalta kulua suunnilleen 20 tuntia. Toisekseen suunnittelun lähtökohtana oli suunnitella sama peli mitä Ohjelmointi 1:llä sekä Digital Design-kurssilla on, eli tykkipeli/alienshooter.

Harjoitustyön alkusuunnitteluvaiheessa heti ilmeni, että kaikki tarvittavat PYNQ-Z1 käyttämän Zynq-piirin pinnit on kytketty FPGA:lle, eli niitä ei pysty täysin suoraan ohjaamaan Zynq:n Cortex-A9 prosessorilla. Tähän onneksi oli kiertotienä käyttää Xilinx:n tarjoamaa AXI-GPIO IP:tä joka mahdollistaa lähtevien pinnien ohjaamisen suoraan prosessorilta FPGA:n lävitse. Sisään päin tulevia pinnejä pystyi suoraan lukemaan EMIO:n lävitse, jolloin erillisiä AXI-GPIO lohkoja FPGA:lla ei tarvittu.

Itse harjoitustyöpohja opiskelijoille suunniteltiin lähtökohdasta, jossa opiskelijoiden ei tarvitsisi tietää keskeytyksistä mitään, vaan tarvitsisi hyödyntää vain valmiiksi annettua keskeytyspalvelufunktiota. Syy tähän järjestelyyn on ettei Johdatus Sulautettuihin järjestelmiin kurssilla keskeytykset ole enään osa kurssialuetta, vaan keskeytykset opiskellaan toisella kurssilla.

Harjoitustyöhön suunniteltiin kolme eri harjoitustyömateriaalia, jotka erosivat toisistaan siten, että A-materiaalissa kerrottiin vain välttämätön asia, B-materiaalissa kerrotaan lisäksi oleellisimmat C-kielen asiat harjoitustyöhön liittyen, kuten silmukkarakenteet, taulut, osoittimet sekä kaikista tärkeimpänä asiana bittimanipulaatio operaatiot. C-materiaaliin näiden lisäksi on paljastettu myös puoliksi pseudokoodina miten yhden bitin tiedonsiirto toimisi.

Harjoitustyön tuloksista voidaan päätellä, että opiskelijat riippumatta jaetusta materiaalista, tarvitsisivat enemmän ohjeistusta LED-matriisin saattamiseen toimintaan asti. Tähän ratkaisuna on jakaa vain yksi materiaali lisätyillä ohjeistuksella, sekä pitää asiasta aloitusluento, jossa voidaan käydä lävitse opiskelijoille vaikeimmat asiat. Harjoitustyö oli siinä mielessä onnistunut, että sen tekemiseen opiskelijoilta kului keskimäärin 20 tuntia.

Harjoitustyöhön myös suunniteltiin jatkokehityksenä helpompi versio, jossa opiskelijoiden ei tarvitse tietää LED-matriisin toiminnasta mitään, vaan FPGA:lle suunniteltu ohjain ohjaa matriisia automaattisesti. Opiskelijoiden tarvitsee vain kirjoittaa kahteen eri muistiosoitteeseen piirrettävän pikselin koordinaatti, sekä tämän pikselin uudet kirkkaudet. Helpotetussakin versiossa keskeytyspalvelijoita on myöskin pakko käyttää.

Diplomityössä myös tutkittiin ongelmaa, missä LED-matriisi ei aina toiminut oikein. Tähän yksi ratkaisu on käyttää suunniteltua väliadapteria, joka nostaa Zynq-piiriltä olevan lähdön jännitteen 5V tasolle, jolloin jännite on DM163-piirin datalehden määrittelyjen mukainen.