3389 ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

ВВЕДЕНИЕ

Задачи и содержание курсового проекта

Курсовой проект (КП) предусматривает проектирование специализированного цифрового микропроцессорного устройства, работающего в реальном времени и выполняющего необходимый набор и необходимую последовательность операций над входным  сигналом для его преобразования (обработки) по заданному правилу. Суть преобразований входного сигнала вытекает из темы и технического задания на КП.

Проектируемое устройство, его базовая конфигурация должны содержать минимальные аппаратные и программные средства, достаточные для выполнения конкретно поставленной  задачи обработки. Специализированные аппаратные и программные средства, “привязанные” к решаемой задаче, должны обеспечивать максимально эффективную реализацию функций по совокупности критериев (стоимость, потребление, быстродействие, точность и т.д.).

Выполнение КП складывается из нескольких этапов. На первом этапе  на основе технического задания определяются набор и время реализации функций, решающих задачу обработки, структура и форма представления входных, выходных и промежуточных данных, состав периферийных устройств и способ их взаимодействия с  центральным процессором.

На втором этапе  разрабатывается общий алгоритм выполнения операций, реализующий задачу обработки в реальном масштабе времени. На основе алгоритма весь набор операций разделяется на операции, реализуемые аппаратно  и реализуемые программно.

По набору операций, реализуемых аппаратно, определяется  необходимый для этого состав микросхем. Эти микросхемы  в совокупности с центральным процессором, устройствами памяти и микросхемами ввода-вывода образуют общую аппаратную структуру  проектируемого устройства.

На третьем этапе  разрабатываются  алгоритмы программных модулей для всех  функций проектируемого устройства, реализуемых программным способом. Алгоритмы программных модулей используются  далее  для составления общей рабочей программы проектируемого устройства на языке ассемблера.  После получения объектного кода рабочей программы выполняется  ее отладка (выявляются и устраняются ошибки),  устанавливается ее работоспособность.

По отлаженной программе и аппаратной структуре определяются эксплуатационные  характеристики устройства (быстродействие, объем памяти, потребление и т.д.) и вносятся изменения в состав аппаратуры  и в управляющую программу, если полученные характеристики не удовлетворяют требованиям задания.

Задание к курсовому проекту

Каждый студент получает индивидуальное задание, которое формулирует назначение проектируемого устройства, содержит список исходных данных, которые следует учитывать при проектировании, устанавливает содержание пояснительной записки и перечень графического материала.

Заданная частота  дискретизации сигнала определяет интервалы  времени, через которые следует брать отсчеты входного аналогового  сигнала, или интервалы времени, через которые должны поступать цифровые данные на вход устройства. Выходные отсчеты  (результат обработки входного сигнала) в соответствии с требованием работы в реальном времени должны следовать также с частотой дискретизации, но с задержкой, обусловленной затратами времени на вычисление  выходного отсчета. Таким образом, интервал  дискретизации определяет требования к быстродействию проектируемого устройства.

Пояснительная записка должна быть сброшюрована в папку формата А4 или потребительского формата, близкого к формату А4. На папке должна быть этикетка (6 х 10 см) с указанием аббревиатуры академии (РГРТА), вида документа (пояснительная записка к курсовой работе), номера учебной группы, специальности, автора работы  и года выполнения. Пояснительная записка выполняется  по ГОСТ 2.105-79, распечатки с ЭВМ – по ГОСТ 7.32-81, ссылки на источники информации, оформление списка  использованных источников – по ГОСТ 7.1-84.

Чертежи и схемы должны быть выполнены на листах стандартных форматов с соблюдением  правил, установленных стандартами  ЕСКД, ЕСПД и др.

Чертежи принципиальной (функциональной) схемы устройства складываются  по формату А4, вкладываются  в пояснительную записку, но не брошюруются с текстовыми документами. Они вывешиваются при защите работы.

Пример задания на курсовой проект по дисциплине “Цифровые устройства и микропроцессоры “

1. Тема Цифровой полосовой фильтр

2. Срок представления проекта к защите .                                                 .

3. Исходные данные для проектирования * Набор К1821*АЦП 572ПВ3

.   * ЦАП  572ПА1  * разрядность данных и коэффициентов n = 8

* Uвх =  ( - 2 … + 2 ) В  * Uвых = ( - 2 … + 2 ) В

* частота дискретизации Fд = 2,5 кГц

* разностное  уравнение vn = x n – x n – 2 – v n – 1 – 0,921 v n – 2;

yn = vn – vn – 2 – 1,2 y n – 1 – 0,927 y n – 2

  1. Содержание пояснительной записки

4.1.  Титульный лист

4.2. Задание на курсовой проект

4.3. Содержание

4.4. Введение (постановка задачи)

4.5. Анализ и формализация задачи (определение полного набора функций

устройства и способов их реализации)

4.6.  Разработка общего алгоритма функционирования устройства и его описание

4.7.  Обоснование аппаратной части устройства (аппаратного интерфейса)

4.8. Разработка и отладка программы

4.9. Оценка быстродействия устройства

4.10. Расчет АЧХ фильтра для заданных и реальных  коэффициентов

4.11. Составление принципиальной схемы устройства и ее описание

4.12. Заключение

4.13. Список использованных источников

4.14. Приложение

5.    Перечень графического материала Схема электрическая принципиаль-

ная

Требования приведенного задания на курсовой проект в разделе 3. используются при рассмотрении некоторых конкретных вопросов проектирования.

1. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО МП-УСТРОЙСТВА

 

Анализ и формализация задачи

Задание на проектирование МП-устройства в общем случае может формулировать только конечную целевую функцию устройства, перечень требований и параметров, которым устройство должно удовлетворять. Разработать структуру и прикладную программу на основе только этих сведений нельзя.

Для этого требуется  детальный анализ задачи, результатом которого являются:

  • определение полного набора функций, выполняемых устройством;
  • определение состава внешних для МП устройств, четкое понимание их функционирования во всех режимах;
  • определение структур (форматов) входных и выходных данных;
  • получение состава необходимых управляющих и осведомительных сигналов во всех внешних для МП устройствах;
  • установление принципа “вызова” отдельных функций устройства (последовательно, по программному запуску с проверкой готовности и квитированием, по прерыванию);
  • определение необходимого быстродействия устройства в целом  и оценка допустимого времени выполнения отдельных его функций.

Результаты анализа полезно представить графически – в виде сводных таблиц, временных диаграмм и т. п.

Формализация задачи предполагает представление принципа работы МП-устройства на языке логических и математических связей, в виде логической, математической модели.

Результатом формализации является:

  • получение абстрактной (логико-математической) схемы  выполнения функций в проектируемом устройстве; определение исходного (начального) состояния устройства;
  • определение прохождения и преобразования данных во всех режимах и циклах работы устройства;
  • определение диапазона изменения входных, выходных и промежуточных данных;
  • определение необходимости хранения промежуточных и выходных данных;
  • определение возможных “избыточных” состояний устройства, не являющихся допустимыми в процессе его функционирования, и установление способов их исключения.

Результаты этапа формализации задачи целесообразно представлять в виде сигнальных графов, таблиц соответствия, логических и математических соотношений.

Составление общего алгоритма выполнения функций

Общий алгоритм обязан раскрывать взаимосвязь и последовательность выполнения (связность)  всех функций устройства начиная с момента его включения. Каждой функции устройства  в схеме алгоритма    соответствует свой функциональный модуль (блок).

Общий алгоритм выполнения функций должен содержать полную информацию, в соответствии с которой управляющая программа осуществляет включение последующего функционального модуля на основе анализа текущего состояния устройства и значений признаков, характеризующих результаты выполнения предшествующих функций.

Общий алгоритм должен включать в себя все функции устройства,  определенные на этапе анализа задачи (все функции, реализуемые аппаратным способом, реализуемые программным способом, и функции, способ реализации которых пока не определен).

Разделение функций устройства не реализуемые аппаратно и реализуемые программно

В МП-устройстве естественно стремление все функции реализовать программным способом. Однако это не всегда возможно или целесообразно. Ограниченное быстродействие МП, особенно в условиях работы в реальном масштабе времени, неизбежно приводит к реализации ряда функций с помощью  специальных аппаратных узлов, работающих под управлением программ.

Для выполнения аппаратным способом в первую очередь выбираются функции, для реализации которых существуют готовые интегральные схемы. В других случаях требуется синтез соответствующих аппаратных узлов на жесткой логике.

Разработка структуры (архитектуры) устройства

Заданный тип БИС МП уже определяет типовой состав аппаратных средств, образующих структуру вычислительного ядра любой МП-системы. В его состав входят МП, ПЗУ, ОЗУ, схемы формирования сигналов синхронизации, микросхемы формирования сигналов управления системой, интерфейсные микросхемы шин (адреса и данных).

Задачи, решаемые конкретным МП-устройством, могут допускать возможность отличия своей структуры вычислительного ядра от типовой  в  сторону уменьшения количества микросхем. Эти возможности следует учитывать, хотя они не велики.

Полная структура схем МП-устройства получается при объединении структуры вычислительного ядра и дополнительных аппаратных узлов, которые были определены при анализе общего алгоритма выполнения функций на предыдущем этапе проектирования.

Полная структура МП-устройства должна обеспечивать ввод данных с периферийных устройств и вывод  на них результатов обработки, обмен данными между узлами, формирование необходимых сигналов (стробов), управляющих обменом. Для дополнительных аппаратных функциональных узлов следует тщательно продумать и решить вопросы взаимодействия с управляющей программой (получение и хранение исходных данных, пуск, получение и хранение результата выполнения функции, квитирование).

Далее процесс проектирования разветвляется на проектирование аппаратной части (принципиальная схема) и программной части (управляющая программа), которые осуществляются  параллельно и относительно независимо.