FPGAs gehören zur Familie von eingebetteten Systemen. Im Vergleich zu Mikrocontrollern erlauben diese eine massiv parallele Datenverarbeitung durch das Verschalten von Look-Up-Tabellen (LUT), komplexeren Funktionen (Multiplikatoren) und SRAM-Speicher. In diesen LUTs lassen sich komplexere Logik-Funktionen durch die Approximation der Wahrheitstabelle abbilden.

In der Vorlesung werden die Grundlagen zum Verständnis der Funktionsweise und des Aufbaus von FPGAs erklärt. Darauf aufbauend werden die Vorteile im Vergleich zu anderen eingebetteten Systemen inkl. den Anwendungsfeldern benannt.

Nach der Einführung in die Logik- und Transistor-Grundlagen wird die Hardware-Beschreibungssprache Verilog behandelt, um die Synthese von anfänglichen einfachen Logikschaltungen, Speicher-Instanziierung und Ablaufsteuerungen mit Zustandsautomaten zu realisieren. Diese können zur Realisierung von Kommunikationsschnittstellen (I2C, SPI, UART) und arithmetischen Funktionen (Addition, Multiplikation) verwendet werden. Der Fokus der Vorlesung ist auf dem Entwurf einer sensor-basierten Datenstromverarbeitung, bei dem das Gesamtsystem Methoden zur digitalen Datenvorverarbeitung, wie die zur Signalfilterung mit FIR- und IIR-Filtern, und einfache KI-Beschleuniger mit Tiefen Neuronalen Netzen (Dense-Layern, ReLU Aktivierungsfunktion) beinhaltet. Am Ende der Vorlesungsreihe werden Optimierungen für die ASIC- Integration von möglichen Datensignalprozessoren gezeigt und mit Gastvorträgen aus Forschung und/oder Industrie erweitert.

Im praktischen Teil der Vorlesung werden jeweilige Programmieraufgaben angeboten, die die Erstellung solcher Logikschaltungen in Modulen und Testumgebungen ermöglichen. Hierzu wird das Online-Tool eda playground verwendet.

Lernziele:

• Verständnis über die Funktionsweise und Aufbau eines Field Programmable Gate Array (FPGA)
• Umgang mit der Hardware-Beschreibungssprache Verilog
• Aufbau von Modulen, Instanzen und Testumgebungen
• Synthese von Logikschaltungen, Zustandsautomaten,
• Einbettung in Kommunikationsschnittstellen (SPI, UART, I2C) und Beschleunigern für arithmetische Operationen, Filterschaltungen und einfachen KI-Modellen mit Dense-Layern

Literatur:

• Introduction to Logic Circuits & Logic Design with Verilog, Brock J. LaMeres, Third Edition (2024)
• Verilog by Example: A Concise Introduction for FPGA Design, Blaine Readler, 2013
• Digital Design and Computer Architectures,
  David Harris and Sarah Harris, 2012

Empfohlene Vorleistung / Voraussetzung:

• Logik
• Grundlagen der technischen Informatik

Ziel dieser Veranstaltung ist das Erlernen der objektorientierten Programmierung sowie der grundlegenden Komponenten einer Applikation. Als Programmiersprache kommt Java zum Einsatz, eine statisch typisierte, objektorientierte Sprache. Die Inhalte der Vorlesung wurden auf die aktuelle Version Java 25 angepasst.

In der Vorlesung werden folgende Themen besprochen:

• Programmierung in Java
• Objektorientierte Programmierung
• Datenbanken
• Netzwerkprogrammierung
• Nebenläufigkeit
• Graphische Benutzeroberflächen

Übungsbetrieb:

Parallel zur Vorlesung entwickeln die Studierenden unter Betreuung von Hilfskräften in Einzelarbeit eine Applikation. Dieses Projekt ersetzt den bisherigen Übungsbetrieb und ist zugleich Zulassungsvoraussetzung zur schriftlichen Prüfung. Das genaue Format des Projekts sowie die erforderlichen Abgaben zur Erfüllung der Zulassungsvoraussetzung werden in der ersten Vorlesung und in Moodle bekanntgegeben. 

Prüfungsform: 

Die Prüfung erfolgt weiterhin schriftlich, nun jedoch mit der zusätzlichen Zulassungsvoraussetzung. Die Prüfungsdauer beträgt 60 Minuten.