ПРЕПРОЦЕССОР
Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу «Схемотехника ЭВМ»
Выполнил: студент группы 220271
Федькин Д.В. Руководитель: Венцлавович Ю.Р.
Члены комиссии: ____________ ____________
____________
Курсовой проект по схемотехнике ЭВМ содержит 29 страниц, 11 рисунков, 5 таблиц. Использовано 5 литературных источников. Графическая часть включает в себя 4 документа: схему электрическую функциональную (Э2), схему электрическую принципиальную (Э3), диаграмму временную вычиcления заданной функции (ТЧ), схему расположения одного из ТЭЗов (Э7). Каждый документ содержит по 1 листу.
Курсовой проект выполняется с целью закрепления знаний по курсу «Схемотехника ЭВМ» и развития навыков проектирования цифровых устройств.Необходимо было спроектировать вычислительное устройство, выполняющее предварительную обработку данных и вычисление знаковой взаимной корреляционной функции. Были заданы временные и электрические ограничения. В результате было получено устройство полностью соответствующее заданным требованиям.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм
Лист
Подп.
Федькин Д.В.
Пров.
Лист
2
29
Cтр.
2 Анализ исходных данных и разработка на его основе алгоритма
вычисления заданной функции и общей структуры операционной
части препроцессора 5
3 Разработка функциональной схемы операционной части препроцес-
сора 9
5 Синтез блока управления 18
6 Разработка принципиальной электрической схемы ТЭЗа 20
7 Оценка временных и электрических параметров препроцессора 22
8 Разработка конструкции препроцессора 23
9 Заключение 24
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
3
Курсовой проект предназначен для приобретения навыков по схемотех-ническому проектированию несложных цифровых устройств. В нем разраба-тывается препроцессор, предназначенный для аппаратной реализации вычис-ления знаковой взаимной корреляционной функции для некоторого массива чисел. Работа над курсовым проектом была разделена на следующие этапы:
1-Анализ исходных данных и разработка на его основе алгоритмов вычис-ления заданной функции, организация общей структуры операционной части препроцессора;
2-Проработка вариантов функциональной схемы, операционной части препроцессора и определение их основных характеристик;
3-Анализ вариантов и выбор оптимального варианта операционной части и его элементной базы;
4-Разработка и синтез принципиальных схем функциональных элементов;
5-Синтез блока микропрограммного управления MPCU;
6-Разбиение схемы препроцессора на ТЭЗы и разработка принципиальной электрической схемы одного из ТЭЗов;
7-Оценка временных и электрических параметров препроцессора, разработка конструкции препроцессора.
Все эти этапы нашли отражение в данной пояснительной записки в соответствующих разделах.
ТК2.034.126.ПЗ
Лист
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
4
Требования по условиям эксплуатации заставляют использовать схемы, предназначенные для реализации устройств специального назначения, использовать конструкции повышенной жесткости.
ТК2.034.126.ПЗ
Лист
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
5
В данной формуле tЗД ,tДП – измеряются в наносекундах, а РДОП ,РП - в Вт. На рисунке 1 приведен алгоритм вычисления заданной функции. Рассмотрим его более подробно. На первом этапе происходит проверка мантисс на равенство нулю. Если хоть одна из них равна нулю, то и произведение sign(yI)*sign(xI+M)=0 и сумма на данном шаге не увеличится. Если оба числа положительные или оба – отрицательные, то указанное выше произведение равно плюс единице и на столько же увеличится итоговая сумма. Если только одно из чисел отрицательное, то произведение равно минус единице и это число будет вычтено из итоговой суммы. Приняв m=N/2=16 (для анализа всей выборки) после окончательного вычисления суммы деление на N-m будет реализовано простым сдвигом на 4 разряда вправо. Рассмотрим далее процесс преобразования входной величины во внутренний формат . В методическом пособии рекомендуют отводить 8 бит под порядок, тогда под мантиссу остается 19 бит (1 бит на знак). Два этих числа (8 и 19 бит) заносятся в соответствующие 24-разрядные регистры. Поскольку алгоритм работает только с первыми битами входных чисел нормализация результата не нужна и все операции можно свести к операциям над мантиссами (размер выборки < 2M, где М – длина мантиссы). Также нет необходимости в контроле выходного преобразования, так как 24-8>28-24 и 24-19>28-24.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
6
RGF:=iF
Рис.1. Алгоритм работы операционной части препроцессора.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
7
C6
X2
2
3
RS(m)=0
sign(RS(m))
ZF
SF
RG3
RG4
RGF
1
2,3
4
5
C3,C4
С5
C6
Y4
Y5
Y7
RG2:=(DBI)
RG3.M:=(RG3.M)-1
RG3.M:=(RG3.M)+1
RG4.M=(RG3.M)*2-4
DBO:=RG4
ФЭ
сигналов
Из таблицы видно, что один цикл алгоритма реализуется путем выполне-ния 7 микроопераций в течении 5 тактов синхронизации. Все операции, кроме сложения, выполняются за 1 такт. Управляющий блок должен выдать в операционную часть 7 управляющих сигнала С1-С7.
Основные признаки результатов, фиксируемые регистром флагов, привдены в таблице 2.
Логические условия, фиксируемые операционным блоком, и необходимые для работы управляющего блока, приведены в таблице 3.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
8
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
9
MUX
LOGIC
Рис.2. Первый вариант функциональной схемы.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
10
MUX
Рис.3. Второй вариант функциональной схемы.
ТК2.034.126.ПЗ
Лист
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
11
Y1 Y3 Y3 Y5 Y6
Y2 Y4 Y4 Y7
YI
XI+M
sign(YI)*sign(XI+M)
RS(M)
Рис.4. Временная диаграмма первого варианта функциональной схемы.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
12
Y1 Y1 Y1 Y1 Y1
Y2 Y2 Y2 Y2 Y2
Y3 Y3 Y3 Y3 Y3
Y4 Y4 Y4 Y4 Y4
Y3 Y3 Y3 Y3 Y3
Y4 Y4 Y4 Y4 Y4
Y5 Y5 Y5 Y5 Y5
Y6 Y6 Y6 Y6 Y6
Y7 Y7 Y7 Y7 Y7
YI
XI+M
sign(YI)*sign(XI+M)
RS(M)
Рис.5. Временная диаграмма второго варианта функциональной схемы.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
13
Для выбора элементной базы операционной части препроцессора необходимо учитывать:
Наиболее длительной операцией является сложение двух 24-разрядных чисел (51 нс). Период сигнала CLK tC будем определять, исходя из выполнения этой операции. Поскольку сложение происходит за 2 такта примем ТCLK=30,3 нс (длительность синхроимпульса будет 15,3 нс, а паузы 15 нс). Ясно, что любая однотактовая микрооперация успеет выполниться за один такт синхронизации. Сигналу с ТCLK=30,3 нс соответствует частота внешней синхронизации 33 МГц.
Для выбора оптимального варианта функциональной схемы операционной части препроцессора используем частный критерий
, (4)
который получен из общего критерия (3). В данной формуле WI – число функциональных элементов в I-го варианта, Wmax – число функциональных элементов, соответствующих наиболее сложному варианту.
Вычислим значение КЭ для каждого из трех вариантов и сведем результа -ты в таблицу 4. Примем WMAX=18.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
14
1
2
4
5
7
L
1
2
4
5
7
1 – рис.4
1
30,3
18
0,0004
Далее займемся разработкой и синтезом принципиальных схем функциональных элементов.
Регистры общего назначения реализованы с помощью трех микросхем типа 1533ИР27.Время задержки составляет 15 нс, 0В подается на 10 вывод,+5В подается на 20 вывод.Схема изображена на рисунке 6.
Сумматоры строятся на шести АЛУ 530ИП3 и трех схемах ускоренного переноса 530ИП4 (два уровня). Время задержки первой схемы составляет 30 нс, а второй 10,5 нс.Очевидно весь цикл сложения происходит за 51 нс.Схема 530ИП3 показана на рисунке 7,а 530ИП4 на рисунке 8.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
15
0
.
7
DR
DL
S1
R
.
.
Cn+z
Cn+x
CRG2
CRG1
CRG0
SEF0
Рис. 7. Микросхема 530ИП3 Рис.8. Микросхема 530ИП4
В качестве сдвигателей будем использовать три сдвигающих регистра 133ИП13. Время задержки такого регистра составляет 30 нс, а сама схема изображена на рисунке 9.
Рис.9. Микросхема К133ИП13.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
16
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
17
Блок управления строится в виде управляющего автомата, выдающего управляющие сигналы С1-С7. Назначение этих сигналов определено в предыдущих разделах.Исходя из рисунка 2 и таблиц 1,2,3, строим граф работы блока управления, показанный на рисунке 10.
Такому графу соответствует схема, показанная на рисунке 11. Данная схема реализована на счетчике 155ИЕ4 и дешифраторе 155ИД2. После синтеза блока управления можно перейти к разработке схемы ТЭЗа.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
18
C
R
1
2
1
2
4
5
7
DC
2
4
С2
С2 С3
CLK
W C4
C6,C7
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
19
84
1320
84
348
90
160
120
12
2899
28
220
28
116
30
160
15
14
RG1
OP
RG3
SL
RG4
CU
Логика
И-Не
1533ИР23
530ИП4
133ИР13
555АП5
155ИД2
155ЛА3
4153.20-4
4118.24-1
402.16-32
4153.20-4
2102.14-1
4153.20-4
2102.14-1
402.16-32
402.16-32
401.14-5
401.14-5
693,75
268,25
391,95
391,95
178.25
1247,4
12.5*18.5
12.5*18.5
14.5*18.5
14.5*18.5
12.5*18.5
19.5*6.7
12.5*18.5
19.5*6.7
11.5*15.5
11.5*15.5
10.5*13.2
10.5*13.2
10.5*13.2
3
3
3
3
3
3
1
8
1
47
15
15
10,5
30
15
28
40
8
1
Из таблицы можно определить следующие характеристики препроцессора:
N= = = 0,36.
Неиспользуемые входы подключаются так, чтобы не нарушалась логика работы микросхемы. Потенциал «1» создается как с помощью неиспользуемых логических элементов, обладающих повышенной нагрузочной способностью и установленных в «1», так и с помощью резисторов в 1Ком, подключенных к +5В.
Если свободный вход ТТЛ – микросхемы не подключен ни к источнику
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
20
Фильтрация низкочастотной помехи в цепи питания осуществляется двумя электролитическими конденсаторами, расположенными вблизи от разъема и подключенных параллельно цепям питания. Емкость в мкФ рассчитывается по следующей формуле: Сфн0,1*Nис, где Nис-число микросхем на ТЭЗ.
С1фн=0,1*47=4,7 мкФ;
Фильтрацию высокочастотной помехи цепи питания обеспечивается с помощью керамических конденсаторов, равномерно распределенных по полю
ТЭЗ из расчета один конденсатор на группу не более чем 10 микросхем и емкостью 0,002-0,001 мкФ на одну микросхему ( примем число таких конденсаторов 12).
В состав разрабатываемого ТЭЗа был введен один электролитический конденсатор К53-4-15-4,7 и 12 (по одному на пять-четыре микросхемы) керамических конденсаторов КМ6-Н90-0,047.
Многослойная печатная плата содержит 7 слоев. Два из них являются экранирюущими и используются для подвода питания к микросхемам. Два внешних слоя содержат только контактные площадки, на которых распаиваются микросхемы, фильтрующие конденсаторы и резисторы. Три внутренних сигнальных слоя, разделенные экранирующими слоями, служат для обеспечения связей между элементами в соответствии с принципиальной электрической схемой.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
21
-максимальная частота поступления входных данных
Fd=1/Td=1/151,5 нс =6,6 МГц;
-время задержки выходного потока данных относительно входного
Tзд= 5 Tclk = 151,5 нс;
-погрешность вычислений = 2 – L = 2 – 24 = 5,9*10 –8 ;
-потребляемая мощность
Фп=14,495 Вт;
-надежность устройства приближенно оценивается по следующей формуле
P(10000)=exp(-1-Nис)t, где - интенсивность отказов микросхемы выбранного типа. Интенсивность отказа разъема принимается равной интенсивности отказов микросхем. Приняв для микросхем и разъема велечину =1*107 час-1,получим:
P(10000)=0,913.
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
22
В периферийной зоне платы рядом с лицевой планкой размещаются контрольные гнезда.
Тепловой режим обеспечивается средствами естественного воздушного охлаждения. В целях защиты элементов и печатной платы от влаги ТЭЗ покрывается лаком ПФЛ-86.
Ремонтоспособность обеспечивается :
-наличием контрольных точек для подсоединения измерительной аппаратуры при настройке и контроле за работой препроцессора;
-разработкой с помощью САПР диагностического и проверяющего теста.
ТК2.034.126.ПЗ
Лист
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
23
В процессе выполнения курсового проэкта были освоены методика проектирования вычислительных устройств на основе современной элементной базы и синтез принципиальных схем, электрических схем функциональных элементов по их формальному описанию.
ТК2.034.126.ПЗ
Лист
Изм.
№ документа
Подп.
Дата
24
ТК2.034.126.ПЗ
Изм.
№ документа
11 10 2014
1 стр.
28 09 2014
1 стр.
04 09 2014
1 стр.
04 09 2014
1 стр.
15 10 2014
1 стр.
16 12 2014
1 стр.
25 09 2014
1 стр.
10 10 2014
1 стр.