2/2011

Harkkatyönä oma tietokone

Työskentelyä FPGA-alustalla

Kolmannen vuoden opiskelija Harri Vettenranta ja neljättä
vuotta opiskeleva Joni Harju ovat hyödyntäneet
FPGA-alustaa digitaalitekniikan kursseilla. Harjoitustyönä
he ovat jo tehneet taskulaskimen ja nyt työn alla on
äänisyntetisaattori.

DOOM-peli, kitaraefektejä, Wav-soitin, oma tietokone. Tietokonetekniikan laitoksen kursseilla opiskelijat saavat tehdä oman kiinnostuksen mukaisia harjoitustöitä FPGA-harjoitusalustalla.

Tietokonetekniikan laitokselle on hankittu syksystä 2008 lähtien yli sata FPGA-alustaa opiskelijakäyttöön. Opiskelijat voivat lainata alustan itselleen digitaalitekniikan kurssien suorittamista ja opinnäytetöiden tekoa varten. Alustalla voi tehdä myös omia harrastusprojekteja.

Mikään aivan pieni panostus laitteiden hankinta ei laitokselle ole. Katukaupassa alustan hinta on noin 500 euroa. Kandidaatin- tai diplomityössään alustaa käyttäneet opiskelijat saavat sen myös omakseen.

Alusta on käytössä kaikkiaan yhdellätoista kurssilla, ja helmikuussa lähes 150 opiskelijalla oli laite lainassa. TTY:llä käytössä olevan FPGA-harjoitusalustan malli on Altera DE2 Development and Education board.

Teoriasta käytäntöön

FPGA-piiri on kätevä digitaalilogiikan toteutustapa, koska piirin toiminta voidaan konfiguroida uudelleen. Tällöin loogiset funktiot ja niiden väliset kytkennät muodostetaan kulloisenkin laitteen vaatimusten perusteella. Konfiguroinnin ansiosta laitteen toteutus maksaa pienissä sarjoissa vain murto-osan kiinteiden piirien kustannuksista.

- Alustan hyöty on siinä, että opiskelijat voivat ensin päätellä ja simuloida toimiiko heidän suunnittelemansa laite oikein, ja sitten kokeilla käytännössä miten se oikeasti käyttäytyy. Vaativat tehtävät konkretisoituvat, kun niiden tulokset havaitaan käytännössä esimerkiksi oikeana äänenä tai videona, selittää yliassistentti Erno Salminen tietokonetekniikan laitokselta.

Nykyaikaisten ohjelmoitavien piirien kapasiteetti riittää jopa usean miljoonan logiikkaportin toteuttamiseen. Niinpä FPGA:lla voi tehdä jopa oman tietokoneen, jossa on mikroprosessorin lisäksi erilaisia muisteja, näytönohjain, äänipiiri, liityntä näppäimistölle ja erityisoperaatioita suorittavia yksiköitä. Tämän jälkeen suunnittelija voi kehittää omia sulautettuja ohjelmistojaan, käyttöjärjestelmän kera tai ilman.

FPGA-alusta

Harjoitusalusta koostuu muun muassa Altera Cyclone II
FPGA-piiristä, erilaisista USB-, mikrofoni- ja videoporteista,
SRAM/SDRAM/Flash-muisteista, LCD-näytöstä ja led-valoista.

- Erityisen hienoa on vapaus muokata ja virittää tietokoneen rakennetta tarvittaessa kaikilta osin, esimerkiksi prosessoreita voi helposti olla useita ja erityisoperaatioiden avulla saadaan jopa monikymmenkertainen nopeutus ohjelmistoon verrattuna, Salminen myhäilee.

Opiskelijoita kannustetaan keksimään itse aiheita kandidaatintyöhön ja projektityökurssille, vaikkapa omista harrastuksista. Esimerkkejä opiskelijoiden töistä ovat Doom-peli Nios-prosessorilla, muistikorttia käyttävä Wav-soitin, kitaraefektit, syntesoituva Pic-prosessori ja reaaliaikainen videonpakkausjärjestelmä.

Kiinnostus digitaalisuunnitteluun lisääntynyt

Kursseilta kerätyn palautteen perusteella FPGA-alustan käyttö on ollut mielekästä, sillä kurssitöitä voi tehdä kotona kaikessa rauhassa, oman aikataulun mukaan.

- Lainattavien harjoitusalustojen ansiosta opiskelijoiden mielenkiinto koko digitaalitekniikkaa kohtaan on lisääntynyt, hymyilee Salminen.

 

Mikä FPGA? 

  • FPGA tulee sanoista Field Programmable Gate Array eli ohjelmoitava porttimatriisi.
  • Piirillä on suuri määrä logiikkasoluja, kytkentäsoluja, sisäisiä muisteja sekä liityntälohkoja. Niiden yksityiskohtainen toiminta voidaan ohjelmoida (konfiguroida) piirin valmistamisen jälkeen.
  • FPGA-piirejä käytetään mikropiirien prototyyppien tekemiseen ja sulautettujen järjestelmien (esim. digiboksi, verkkoreititin, konenäkö, Mars-mönkijä) toteuttamiseen.
  • Tärkeimmät suunnitteluvaiheet ovat samat kuin kiinteillä piireillä (esim. matkapuhelimen järjestelmäpiiri), mutta hinta ja suorituskyky ovat alhaisemmat.
  • Digitaali- ja tietokonetekniikkaa pääaineenaan opiskelleet osaavat valmistuttuaan suunnitella ja toteuttaa digitaalisia laitteita prosessoreilla ja mikropiireillä.

 

Teksti ja kuva: Tuuli Laukkanen

Kerro kaverille
Askelmerkit tekniikan osaajaksi
Askelmerkit tekniikan osaajaksi
2/2011
Askelmerkit tekniikan osaajaksi
Teekkarikapula tuunattiin uuteen kuosiin
Teekkarikapula tuunattiin uuteen kuosiin
2/2011
Teekkarikapula tuunattiin uuteen kuosiin
Tekemällä oppii, yliopistossakin
Tekemällä oppii, yliopistossakin
2/2011
Tekemällä oppii, yliopistossakin
Hervannassako Suomen paras kuoro?
Hervannassako Suomen paras kuoro?
2/2011
Hervannassako Suomen paras kuoro?
Hyvä luennoitsija on innostuksen herättäjä
Hyvä luennoitsija on innostuksen herättäjä
2/2011
Hyvä luennoitsija on innostuksen herättäjä
Kulttuuri ja snow-how vetivät Suomeen
Kulttuuri ja snow-how vetivät Suomeen
2/2011
Kulttuuri ja snow-how vetivät Suomeen
 
2/2011
Harrastustoiminta viitoitti tien yrittäjyyteen
Harrastustoiminta viitoitti tien yrittäjyyteen
2/2011
Harrastustoiminta viitoitti tien yrittäjyyteen
Anna elvytti Australian ympäristöbiotekniikan tutkimusta
Anna elvytti Australian ympäristöbiotekniikan tutkimusta
2/2011
Anna elvytti Australian ympäristöbiotekniikan tutkimusta
Wappu on teekkarin parasta aikaa
Wappu on teekkarin parasta aikaa
2/2011
Wappu on teekkarin parasta aikaa

Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.

Käyntiosoite:
Korkeakoulunkatu 10,
33720 Tampere

Postiosoite:
PL 527, 33101 Tampere

Puhelinvaihde:
03 311 511
ma–pe kello 8–16.15
kesällä ma–pe 8–15.45

Virallinen sähköpostiosoite:
tty.asiointi@tut.fi