Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию
Тульский государственный университет
Кафедра электронных вычислительных машин
СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ
Методические указания
по выполнению курсового проекта
для студентов специальности 220100
дневного и вечернего обучения
Тула 1999
Разработал доцент кафедры ЭВМ В.Л.Токарев.
ВВЕДЕНИЕ
Курсовой проект предназначен для приобретения навыков по схемотехническому проектированию несложных цифровых устройств. Проект выполняется в седьмом семестре и базируется на основной теоретической части дисциплины "Схемотехника ЭВМ", изучаемой студентами в шестом семестре. Задание на курсовой проект выдается руководителем проекта в начале седьмого семестра.
-
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Курсовой проект выполняется с целью закрепления знаний по курсу "Схемотехника ЭВМ" и развития навыков самостоятельного проектирования цифровых устройств.
Задачами курсового проекта являются:
-
практическое овладение методикой схемотехнического проектирования вычислительного устройства на основе современной элементной базы;
-
анализ вариантов схемотехнических решений и выбор на его основе оптимального решения;
-
синтез принципиальных схем, электрических схем функциональных элементов по их формальному описанию;
-
практическое овладение методами и средствами САПР при схемотехническом проектировании;
-
получение элементарных навыков конструкторского проектирования технических средств вычислительной техники;
-
приобретение практических навыков оформления и выпуска конструкторской документации в соответствии с ГОСТ.
Для решения перечисленных задач необходимо знание не только курса "Схемотехника ЭВМ", но и ряда смежных дисциплин, изучаемых на 1-6 семестрах, и умение пользоваться справочной литературой /1-26/.
1.ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
2.1.Тематика курсового проекта.
В курсовом проекте разрабатывается препроцессор, предназначенный для аппаратной реализации вычисления одной или нескольких функций предварительной обработки данных и отвечающий заданным требованиям.
Препроцессор связан с остальными устройствами ЭВМ или вычислительной системы в соответствии со схемой (рис. 1).
Рис 1. Структура условной вычислительной системы:
IC - канал ввода данных (input channel), CP - центральный процессор (central processor), RAM - оперативное запоминающее устройство (random access memory), AM - внешнее запоминающее устройство (auxiliary memory), OC - блок вывода данных (output channel), PPr- препроцессор (preprocessor).
Канал ввода (IC) и канал вывода (OC) данных работают одновременно и обеспечивают ввод данных и вывод результатов с одной и той же частотой fd. Через эти блоки осуществляется связь вычислительной системы с внешней средой.
Память системы состоит из трех устройств: RAM (ОЗУ), ROM (ПЗУ) и AM (ВЗУ). ОЗУ служит для размещения входных, промежуточных данных и результатов, программы обработки данных; ПЗУ – для хранения констант и некоторых программных модулей; ВЗУ - для расширения адресного пространства вычислительной системы.
Система работает в режиме реального времени, т.е. частота выдачи информации должна быть равна частоте поступления входных данных fD, а время запаздывания потоков результатов относительно потока входных данных должно быть минимальным. По этой причине задачи первичной обработки информации решаются с помощью препроцессора, главной характеристикой которого является быстродействие, а остальные характеристики (потребляемая мощность, конструктивные параметры и др.) определяются требованиями системы.
Препроцессор выполняет ограниченное число заданных функций (вычисление среднего, дисперсии, коэффициентов корреляции и т.п.) параллельно во времени с работой центрального процессора, что обеспечивает повышение производительности вычислительной системы. Значения функции вычисляются при поступлении в препроцессор соответствующей команды путем выполнения препроцессором последовательности операций.
В состав препроцессора обычно входят регистровое ЗУ для хранения обрабатываемых данных, операционные блоки (АЛУ, умножитель и др.) для выполнения арифметических и логических операций обработки, буферные ЗУ для согласования во времени скорости обработки со скоростью поступления входных данных и со скоростью выдачи результатов и блок микропрограммного управления, реализующий алгоритмы вычисления требуемых функций.
Преобразование сигналов в нужную форму для центрального процессора обычно выполняется в канале ввода. Для этого он содержит аналоговый усилитель сигналов с заданной частотной характеристикой и аналогово-цифровой преобразователь с требуемой разрядностью временем преобразования.
Обобщенная структура препроцессора приведена на рис.2.
Входной поток данных xk поступает в PPr через IT с SB и обрабатывается в операционных блоках ОU1, ОU2,...,ОUi под управлением MPCU, который в каждый дискретный момент времени k вырабатывает вектор управляющих сигналов ck, разрешающих или инициирующих выполнение соответствующих микроопераций. Для буферизации входных и выходных данных используется BM, для хранения промежуточных результатов используется RM. Препроцессор, кроме того, может содержать постоянное ЗУ для хранения необходимых констант и некоторых микропрограмм. Система внутренних связей ICS объединяет все функциональные блоки препроцессора и содержит независимые линии для передачи информационных, адресных и управляющих сигналов, а также буферные формирователи для обеспечения требуемой нагрузочной способности. Блок микропрограммного управления MPCU вырабатывает вектор управляющих сигналов сk в зависимости от кода условий сс, вырабатываемых при выполнении предыдущей микрокоманды. В MPCU находится программно доступный регистр состояния препроцессора, содержащий биты занятости препроцессора b и бит готовности результата dr. Входной преобразователь IT преобразует данные, поступающие с системной шины данных в формат препроцессора. Вывод результатов в требуемом для вычислительной системы формате осуществляется выходным преобразователем ОТ. Блоки IT и ОТ в некоторых случаях могут отсутствовать.
Задачами проектирования являются:
-
проработка вариантов, их анализ и выбор оптимальной функциональной схемы операционной части препроцессора, включающей OU1, OU2, ..., OUi, RM, BM;
-
синтез функциональной схемы блока микропрограммного управления MPCU;
-
разработка и синтез принципиальных схем всех функциональных элементов препроцессора;
-
разбиение схемы препроцессора на ТЭЗы и разработка принципиальной электрической схемы одного из ТЭЗов;
Рис 2. Структура препроцессора:
BM - буферное ЗУ (buffer memory); ОU1,...,ОUi - операционные блоки (operation units); RM - регистровое ЗУ (register memory); IT - входной преобразователь (input transformer); OT - выходной преобразователь (output transformer); MPCU - блок микропрограммного управления (microprogramming control unit); IСS - система внутренних связей препроцессора (internal connection system); SB – системная шина вычислительной системы (system bus); xk - поток входных данных (m1 - векторных), соответствующий k-тому дискретному моменту времени: k=t/t, t - длительность машинного такта; yj,k-n - j-ые потоки выходных данных (результатов) с запаздыванием на n тактов относительно входного потока; Ins - код команды, запускающей вычисление требуемой функции; CC - код условий
-
моделирование принципиальной схемы ТЭЗа средствами САПР с получением его временных диаграмм;
-
оценка параметров препроцессора: временных, электрических и конструктивных;
-
разработка конструкции препроцессора.
Критерий качества проектирования выбирается исходя из исходных данных для проектирования. Основными требованиями являются временные параметры препроцессора: максимальная частота поступления входных данных fd и время задержки j-го выходного потока данных относительно входного потока данных Тзд.j. Поэтому при отсутствии других ограничений в качестве критерия качества проектируемого препроцессора может быть использовано отношение:
где tDЗ - заданное значение (tDЗ = FD-1 ) периода поступления входных данных, tDП, TЗДП - значения tD и времени задержки выходного потока относительно входного, полученные в результате проектирования. Временные параметры измеряются в наносекундах (нс).
При наличии жестких ограничений на надежность работы препроцессора в качестве критерия может быть использовано отношение:
где ТЗД - заданное время задержки выходного потока данных относительно входного потока данных; w1 - число посадочных мест 14-выводных микросхем, соответствующее одной плате заданного типоразмера, w - фактическое число корпусов микросхем, реализующее препроцессор.
При наличии ограничений на потребляемую мощность и требований высокой надежности можно использовать в качестве критерия следующее отношение:
где Рдоп - допустимое значение потребляемой мощности в мВт, РП - значение потребляемой мощности препроцессора в мВт, полученное в результате проектирования.
На промежуточных этапах проектирования вместо общего критерия (1), или (2), или (3) могут использоваться частные критерии, полученные из общего путем упрощений.
2.2. Исходные данные к курсовому проекту
Исходными данными для курсового проектирования препроцессора являются:
-
Одна-две функции обработки, выполняемые препроцессором - задаются преподавателем из приведенного набора (см. прил.1) или аналогичные им.
-
Требуемые параметры вычисления функций:
-
размер обрабатываемого входного массива данных N;
-
частота поступления входных отсчетов данных fD;
-
допустимое время задержки выходного потока данных относительно входного (ТЗД);
-
форма представления чисел;
Эти параметры выбираются из (табл. 1) в соответствии с номером варианта.
-
-
Требуемые частные характеристики препроцессора:
-
формат входных/выходных данных;
-
внутренний формат данных;
-
потребляемая мощность РЗ;
-
вероятность безотказной работы Р(10 000).
Эти параметры выбираются из (табл.2) в соответствии с номером варианта.
-
-
Требуемые общие характеристики препроцессора:
-
связь препроцессора с другими устройствами вычислительной системы через системную магистраль Multibas (И-41);
-
представление входных/выходных данных - с ФЗП в формате целых чисел;
-
частота системной синхронизации SYN выбирается из ряда: 13,3 МГц, 33 МГц, 40 МГц;
-
размер платы ТЭЗа - 233,4х160;
-
тип разъема - СНП34-90.
-
Условия эксплуатации устройства определяются номером группы (1-7), соответствующим типу ЭВМ или системы (см. прил.3). Этот номер задается (табл.2).
В соответствии с номером группы определяются значения климатических и механических факторов, воздействующих на ЭВМ или систему (см. прил.3).
Форматы слов данных (внутренних и внешних) имеют вид (рис.3).
|