СПЕЦІАЛІЗОВАНИЙ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИЙ ПРИСТРІЙ (курсова робота). 05 ПЗ. Розрахунок швидкодії схеми 25

• Название: Розрахунок швидкодії схеми 25
• Анкор: СПЕЦІАЛІЗОВАНИЙ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИЙ ПРИСТРІЙ (курсова робота
• Дата: 29.11.2022
• Размер: 466.47 Kb.
• Имя файла: 05 ПЗ.docx
• Тип: Розрахунок; #819593

Зміст

Вступ 2

1.Огляд літератури 3

1.1Регістри 3

1.2Тригер 7

1.2.1Класифікація тригерів 8

1.3Мікропроцесори 9

2.Проектування спеціалізованого обчислювальногопристрою 11

2.1Елементна база 11

2.1.1Характеристика мікроконтролера ATmega162 11

2.1.28-ми розрядний регістр зсуву К155ИР13 14

2.1.3Логічний елемент І 14

2.1.4Логічний елемент АБО 14

2.1.5D-тригер К155ТМ1 15

2.1.6Шифратор 8 в 4 К155ИД1 15

3.Розробка схемотехнічного рішення 16

3.1Розробка блоку формування двійково-десяткового коду 16

3.2.Структурна схема 17

3.3 Функціональна схема 19

3.3.Принципова електрична схема 19

3.4.Елементна база 22

3.6 Розрахунок швидкодії схеми 25

4.Моделювання 26

Висновки 29

Список використаної літератури 30

Вступ

У курсовому проекті розроблено спеціалізований обчислювач, який працює у складі мікропроцесорної системи керування технологічним об’єктом (процесом) повинен забезпечити математичну обробку інформаційних сигналів {x_i}, за заданою функціональною залежністю з відповідною точністю ε. Наведено структурну, функціональну і принципову схеми заданого пристрою, проведено моделювання і перевірку роботи принципової схеми, побудовано часові діаграми функціонування пристрою.

Особливістю завдання до курсового проекту є розробка керуючого блоку, що не виготовляється промисловістю. Розробка спеціалізованого обчислювача була здійснена на основі мікроконтролера AТMega168. Також були застосовані регістри різної розрядності, відповідно, які нам були потрібні для обрахунку. Для цілої частини виділено 4 розряди, а для дробової – 8 розрядів, відповідно до заданої точності 5∙10^-3. Це три знаки після коми, тобто максимальне число буде 995, а для представлення цього числа потрібно 10 розрядів 2¹⁰=1024.

1. Огляд літератури

   1. Регістри

Регістром - називається типовий функціональний вузол комп'ютера, призначений для приймання, тимчасового зберігання, перетворення і видачі n-розрядного двійкового слова.

Регістри класифікують за такими ознаками:

1. Способом керування записуванням:

- асинхронні.

- синхронні.

2. Способом записування і видачі двійкових слів:

- паралельні (записування і видача слів виконується одночасно всіма розрядами).

- послідовні (за розрядом в напрямку від молодших розрядів до старших або навпаки).

- універсальні (забезпечують як паралельний, так і послідовний обмін інформацією).

У паралельному регістрі на тактуючих D-тригерах (рис. 1.1) код числа, що запам'ятовується, подається на інформаційні входи всіх тригерів і записується в регістр із приходом тактового імпульсу. Вихідна інформація змінюється з подачею нового



Рис. 1.1 У паралельному регістрі на тактуючих D-тригерах.

вхідного слова і приходом наступного імпульсу запису. Такі регістри використовують у системах оперативної пам'яті. Число тригерів в них дорівнює максимальній розрядності збережених слів.

Схема послідовного регістра на D-тригерах з динамічним керуванням (рис. 1.2). По приходу тактового імпульсу С перший тригер записує код X (0 або 1), що перебуває в цей момент на його D-вході, а кожний наступний тригер перемикається в стан, у якому до цього перебував попередній. Так відбувається тому, що записуваний сигнал проходить із входу D-тригера до виходу Q із затримкою, більшої тривалості переднього фронту тактового імпульсу (протягом якого й відбувається запис). Кожний тактовий імпульс послідовно зсуває код числа в регістрі на один розряд. Тому для запису п-розрядного коду потрібно п тактових імпульсів. Чотиризначне число 1011 було записане у відповідні розряди регістра (1-Q4, 0-Q3, 1-Q2, 1-Q1) після приходу четвертого тактового імпульсу. До наступного тактового імпульсу це число зберігається в регістрі у вигляді паралельного коду на виходах Q4,..., Q1. Якщо необхідно одержати збережену інформацію в послідовному коді, то її знімають із виходу Q4 у моменти приходу наступних чотирьох імпульсів (5 - 8). Такий режим називається режимом послідовного зчитування.



Рис.1.2 Схема послідовного регістра на D-тригерах з динамічним керуванням.

Дуже зручні універсальні регістри, що дозволяють здійснювати як послідовний, так і паралельний запис і зчитування. Такі регістри можна використовувати в якості перетворювачів паралельного коду в послідовний і навпаки (рис. 1.3).




Рис.1.3 Схема універсального чотирьох-розрядного зсувного регістра (К555 UP11, К531 UP11)

На базі універсального регістра можна побудувати реверсивний регістр, що здійснює зсув вправо і зсув вліво.

3. Числом ліній для представлення значення одного розряду слова (біта інформації):

- однофазні (значення кожного розряду слова передається по одній лінії зв'язку).

- парафазні (по двох лініях одночасно відображається пряме та інверсне значення розряду).

4. Числом тактів для записування слова:

- одно-.

- дво- .

- багатоактні.

5. Складом мікрооперацій, які виконуються:

- установлювальні.

- записування.

- читання.

- порозрядні.

- логічні.

- зсуву.

- перетворення послідовного коду в паралельний і навпаки;

6. напрямом зсуву:

- односторонні (лівий або правий зсув).

- двосторонні (реверсивні).

7. типом тригерів, що використовуються;

- елементною структурою.

- потенціальні

- імпульсні

- потенціально-імпульсні.

Регістр процесора — комірка швидкодіючої внутрішньої пам'яті процесора, яка використовується для тимчасового збереження операндів, з якими безпосередньо проводяться обчислення, а також часто використовуваних даних з метою швидкого доступу до них.

Крім того, в регістрах зберігається і додаткова інформація, потрібна процесору для функціонування.

За функціональним призначенням регістри процесора поділяються на такі:

Регістри даних — використовуються для збереження цілочисельних даних. В деяких архітектурах, відомих як акумуляторні, такий регістр лише один.

Адресні регістри — зберігають адреси (номери комірок) в пам'яті та використовуються в операціях з пам'яттю. Такі регістри іноді називаються індексними або базовими.

Регістри загального призначення — можуть зберігати і дані, і адреси

Регістри плаваючої коми — призначаються для зберігання даних для обчислень з плаваючою комою

Регістри констант — зберігають.

Векторні регістри — зберігають векторні дані та забезпечують векторні обчислення.

Регістри спеціального призначення — зберігають внутрішню інформацію, необхідну для функціонування процесора (лічильник команд, вказівник стеку, регістр стану процесора).

2. Тригер

Тригер -  електронна логічна схема, яка має два стійкі стани, в яких може перебувати доки не зміняться відповідним чином сигнали керування. Напруги і струми на виході тригера можуть змінюватися стрибкоподібно.

В арифметичних і логічних пристроях для збереження інформації найчастіше використовують тригери – пристрої з двома стійкими станами по виходу, які містять елементарну запам’ятовувальну комірку (бістабільна схема БС) і схему керування (СК). Схема керування перетворює інформацію, яка надходить, на комбінацію сигналів, що діють безпосередньо на входи

елементарної запам’ятовувальної комірки. Для забезпечення надійного перемикання в точках А для деяких тригерів повинні бути кола затримки. З цією метою можуть використовуватися запам'ятовувальні елементи на основі БС того ж типу, що вже є у тригері. Схему такого тригера називають схемою

типу M-S (master-slave), оскільки стан однієї БС, яку називають веденою, повторює стан додаткової БС, яку називають ведучою.

Тригери широко використовуються для формування імпульсів, у генераторах одиничних сигналів, для побудови подільників частоти, лічильників, перерахункових пристроїв, регістрів, суматорів, у пристроях керування тощо.

У більшості серій інтегральних елементів містяться тригери різних типів, у тому числі універсальні.

1. Класифікація тригерів

Тригери класифікуються за наступними критеріями:

• 
  за способом організації логічних зв’язків розрізняють тригери з запуском (RS-тригери); з лічильним входом (Т-тригери); тригери затримки (D-тригери); універсальні (JK-тригери); комбіновані (наприклад, RST-, JKRS-, DRS-тригери).
  

Рис.1.4 Схема асинхронного RS-тригера.



Рис.1.5 Схема D-тригера із статичним входом синхронізації C.



Рис.1.6 Схема JK-тригера зі статичним входом С.

• 
  за способом запису інформації тригери поділяють на несинхронізовані (асинхронні, нетактові) і синхронізовані (тактові).
  
• 
  за кількістю інформаційних входів тригери можуть бути з одним, двома та багатьма входами.
  
• 
  за видом вихідних сигналів тригери поділяються на статичні і динамічні. Статичні тригери – тригери, в яких вихідні сигнали в стійких станах залишаються незмінними в часі. Динамічні тригери – тригери, в яких вихідні сигнали в стійких станах змінюються в часі.
  
• 
  за способом запам’ятовування інформації тригери можуть бути з
  
• 
  логічною і фізичною організацією пам’яті. Перші виконують на логічних елементах І, АБО, НІ, І-НІ, АБО-НІ, І-АБО-НІ і т.д., а другі є елементами запам’ятовувальних пристроїв, у яких використовують нелінійні властивості матеріалів або нелінійні вольт-амперні характеристики компонентів.
  

3. Мікропроцесори

Мікроконтро́лер (англ. microcontroller), або однокристальна мікроЕОМ — виконана у вигляді мікросхеми спеціалізована мікропроцесорна система, що включає мікропроцесор, блоки пам'яті для збереження коду програм і даних, порти вводу-виводу і блоки зі спеціальними функціями (лічильники, компаратори, АЦП та інші).

Використовується для керування електронними пристроями. По суті, це — однокристальний комп'ютер, здатний виконувати прості завдання. Використання однієї мікросхеми значно знижує розміри, енергоспоживання і вартість пристроїв, побудованих на базі мікроконтролерів.

Мікроконтролери можна зустріти в багатьох сучасних приладах, таких як телефони, пральні машини, вони відповідають за роботу двигунів і систем гальмування сучасних автомобілів, з їх допомогою створюються системи контролю і системи збору інформації. Переважна більшість процесорів, що випускаються у світі — мікроконтролери.

При проектуванні мікроконтролерів доводиться дотримувати баланс між розмірами і вартістю з одного боку і гнучкістю і продуктивністю з іншою. Для різних застосувань оптимальне співвідношення цих і інших параметрів може розрізнятися дуже сильно. Тому існує величезна кількість типів мікроконтролерів, що відрізняються архітектурою процесорного модуля, розміром і типом вбудованої пам'яті, набором периферійних пристроїв, типом корпусу.

В той час, як 8-розрядні процесори загального призначення повністю витиснені продуктивнішими моделями, 8-розрядні мікроконтролери продовжують широко використовуватися. Це пояснюється тим, що існує велика кількість застосувань, в яких не потрібна висока продуктивність, але важлива низька вартість. В той же час, є мікроконтролери, з більшими обчислювальними можливостями, наприклад цифрові сигнальні процесори.

Обмеження за ціною і енергоспоживанням стримують також зростаннятактової частоти контроллерів. Хоча виробники прагнуть забезпечити роботу своїх виробів на високих частотах, вони, в той же час, надають замовникам вибір, випускаючи модифікації, розраховані на різні частоти і напругу живлення. У багатьох моделях мікроконтролерів використовується статична пам'ять для ОЗП і внутрішніх регістрів. Це дає контролеру можливість працювати на менших частотах і навіть не втрачати дані при повній зупинцітактового генератора. Часто передбачені різні режими енергозбереження, в яких відключається частина периферійних пристроїв і обчислювальний модуль.

Окрім ОЗП, мікроконтролер може мати вбудовану незалежну пам'ять для зберігання програми і даних. У багатьох контролерах взагалі немає шин для підключення зовнішньої пам'яті. Найбільш дешеві типи пам'яті допускають лише одноразовий запис. Такі пристрої підходять для масового виробництва в тих випадках, коли програма контролера не оновлюватиметься. Інші модифікації контролерів мають можливість багатократного перезапису незалежної пам'яті. На відміну від процесорів загального призначення, в мікроконтролерах часто використовуєтьсягарвардська архітектура.

Програмування мікроконтролерів зазвичай здійснюється на асемблері або Сі, хоча існують компілятори для інших мов. Для відлагодження програм використовуються програмні симулятори (спеціальні програми для персональних комп'ютерів, що імітують роботу мікроконтролера),

внутрішньо схемні емулятори.

2. Проектування спеціалізованого обчислювальногопристрою

   1. Елементна база

При розробці даного курсового проекту були використані наступні елементи:

1. 
   Мікроконтролер ATmega168;
   
2. 
   3 8-ми розрядних регістрів зсуву К155ИР13;
   
3. 
   Два елементи І;
   
4. 
   Два елементи АБО;
   
5. 
   Один D-тригер;
   
6. 
   Один шифратор 8х4;
   

1. Характеристика мікроконтролера ATmega162

Мікроконтролер ATmega168 являє собою 8-ми бітний мікроконтролер з AVR RISC архітектурою. Виконуючи команди за один цикл, ATMega168 досягають продуктивності 1 MIPS при частоті генератора, що задає 1 МГц, що дозволяє розробнику оптимізувати ставлення споживання до продуктивності.



Рис. 2.1 Блок – схема мікроконтролера ATmega168.



Рис. 2.2 Мікроконтролер ATmega168.

Основні характеристики даного мікро контролера наведені в Таблиці 1.

Таблиця 1 Основні характеристики ATmega162

Основні параметри ATmega162
Розрядність	8
Маскове ПЗУ	немає
Flash	16k
EEPROM	512
RAM	1k
Ліній I/O	24
АЦП	немає
Компаратор	є
Вбудований генератор	є
Інтерфейси	SPI/2UART
Робоча частота	1 - 16 МГц
Корпус	TQFP
Напруга живлення	1,8 … 5,5
Температурний діапазон	-40 … 85

2. 8-ми розрядний регістр зсуву К155ИР13

К155ИР13 – це 8-ми розрядний реверсивний регістр зсуву з можливістю паралельного запису інформації (Рис. 2.3)



Рис. 2.3 8-ми розрядний регістр зсуву

3. Логічний елемент І

Логічний елемент І виконує логічну операцію множення (Рис. 2.4)



Рис. 2.4 Логічний елемент І

4. Логічний елемент АБО

Логічний елемент І виконує логічну операцію множення (Рис. 2.5)



Рис. 2.5 Логічний елемент АБО

5. D-тригер К155ТМ1

Тригер — це електронна логічна схема, яка має два стійкі стани, в яких може перебувати доки не зміняться відповідним чином сигнали керування. Напруги і струми на виході тригера можуть змінюватися стрибкоподібно.

D-тригер К155ТМ1 – являє собою тригер затримки (Рис. 2.6)


Рис. 2.6 D-тригер К155ТМ1

6. Шифратор 8 в 4 К155ИД1

Шифратор — логічний пристрій, що виконує логічну функцію перетворення n-розрядного коду в k-розрядний m-ковий (найчастіше двійковий) код.

Двійковий шифратор виконує логічну функцію перетворення k-кового однозначного коду в двійковий.

Якщо кількість вхідних даних (входів) рівна кількості можливих комбінацій сигналів на виході, то такий шифратор називається повним,в іншому випадку — неповним (Рис. 2.7)



Рис. 2.7 Шифратор 8 в 4 К155ИД1

3. Розробка схемотехнічного рішення

   1. Розробка блоку формування двійково-десяткового коду

Згідно з технічним завданням, потрібно спеціалізований обчислювач, який буде працювати у складі мікропроцесорної системи керування технологічним об’єктом (процесом) повинен забезпечити математичну обробку інформаційних сигналів {x_i}, за заданою функціональною залежністю з відповідною точністю ε= 5∙10^-3 Потрібно провести схемотехнічну розробку операційної частини та керуючого автомата обчислювача у логічному базисі ІС серій МОН(КМОН).

Вхідними даними є число хв діапазоні{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}, яке повинно подаватися на вхід пристрою. На виході повинно отримуватися значення цілої і дробової частини числа. Результат зберігається у регістрах.

2. Структурна схема

Пристрій реалізовано у вигляді набору функціонально-завершених блоків. Кожен блок відповідає за певний тип перетворення даних. На функціональній схемі (рис. 3.1) зображено основні блоки пристрою для введення даних.



Блок формування

унітарного

двійково-го коду

Перетворювач в прямий двійковийкод


мікроконтролер


Блок регістрів з паралельним записом






Блок виведення резльтату







Блок керування






Рис. 3.1. Структурна схема

Блок формування унітарного коду формує вхідний код який подається на шифратор і перетворюється у прямий двійковий код.

Далі прямий двійковий код подається на вхід мікроконтролера який виконує обрахунок виразу за заданою точністю.

Через блок керування формується сигнал який проводить запуск процесу обрахунку виразу. Результат виводиться на порти мікроконтролера у 2 етапи по 8 розрядів для забезпечення правильності результату і запобігання переповнення. Результат зберігається у блоці регістрів з паралельним записом.

3.3 Функціональна схема

Схема складається з таких елементів: керуючий блок, 2 блоки регістрів, мікроконтролер.



Рис.3.2 Функціональна схема пристрою

2. Принципова електрична схема

Вхідні сигнали подаються на керуючий блок який складається з шифратора на мікросхемі К155ИД1, D-тригера К155ТМ1, двох елементів І і двох елементів АБО.

Перетворений сигнал (4 біти) подається на порт мікроконтролера. Одночасно через керуючий блок подається тактовий сигнал, який позначений у вхідному конекторі, як CLK.



Рис. 3.3 Керуючий блок

Обрахунок проводиться мікроконтролером ATmega 168 рис.3.4



Рис. 3.4. Мікроконтролер ATmega 168

Після обрахунку виразу результат з’являється на портах C і B мікроконтролера і подаються на входи регістрів. Ціла частина буде знаходитися в чотирьохрозрядному регістрі, а дробова буде знаходитися у 8 розрядному регстрі. Потому з виходів регістрів дані подадуться на вихід схеми. (Рис. 3.5).



Рис. 3.5. Блок виведення

2. Елементна база

КМОН логіка побудована на комплементарній логіці на транзисторах метал-оксид-напівпровідник. Мікросхеми КМОН логіки виготовляють на польових транзисторах. Для пристрою використані компоненти перелічені в таблиці 2.

Табл. 2 Список використаних компонентів

Позначення	Назва		Кількість		Примітка
DD1	К155ИД1		1
DD8	К155ТМ1		1
DD6	ATmega 168		1
DD8	К155ИР13	1
DD9	K155ИР1	1
DD5	К176ИР3	1

3.5 Програмування спеціалізованого обчислюючого пристрою

Для обрахунку виразу з точністю 5∙10^-3 , потрібно розробити прораму для мікроконтролера ATmega168.

Програмування пристрою виконується мовою програмування С яка дозволяє суттєво зменшити витрати на написання коду в порівнянні з мовою асемблера.

Код програми наводиться нижче:

#include

#define F_CPU 1000000UL

#include

#include

float toPow(int number, int value)

{

float result = number;

for (int i=1;i
result *= number;

return result;

}

void work(void)

{

int x = PINB;

int div_part;

int mod_part;

int iter = 3;

float result;

unsigned char buffer[3];

int counter = 1;

while(1){

x = PINB;

result = 1/ toPow((1+(x)), iter);

div_part = result / 1;

mod_part = (int)((result - div_part) * 1000);

itoa(mod_part, buffer, 10);

PORTC = div_part;

PORTA = mod_part;

_delay_ms(1000);

PORTC = div_part >> 8;

PORTA = mod_part >> 8;

_delay_ms(1000);

break;

}

}

int main(void){

DDRD = 0x00;

DDRB = 0x00;

DDRA = 0xFF;

DDRC = 0xFF;

start:

PINA = 0x00;

PINC = 0x00;

while(1){

work();

goto start;

}}}

3.6 Розрахунок швидкодії схеми

Швидкодія схеми визначається часом проходження сигналу від вхідного конектора до останнього розряду блоку регістрів.

t_{затр. Σ} = t_затр(К155ИД1₎ + t_затр(К155ТМ1₎ + * t_затр(ATmega 168_{) +} 2 * t_затр(К155ИР13₎ * t_затр(К176ИР3₎ = 4,2 нс. + 4 * 1,9 нс. + 90 нс.+ 2 * 4 нс + 4 нс = 106,96 нс.

Максимальну частоту вхідного сигналу можна розрахувати за співвідношенням:

Fmax =1/31,1=8920606 Гц

3. Моделювання

Для моделювання роботи пристрою використовується пакет програм Proteus.

Унітарниій вхідний код паралельно подається на шифратор і перетворюється у прямий двійковий код, потім подається на вхід мікро контролера ATmega168. Після натискання кнопки подається сигнал старту обрахунку (рис. 4.1)



Рис. 4.1. Схема Proteus

Після появи сигналу на входах порта D мікроконтролера відбувається старт обрахунку виразу(рис 4.2)



Рис. 4.2. Мікроконтролер ATmega168

Після обрахунку виразу результат з’являється на портах C і B мікроконтролера і подаються на входи регістрів. Ціла частина буде знаходитися в чотирьохрозрядному регістрі, а дробова буде знаходитися у 8 розрядному регстрі. Потому з виходів регістрів дані подадуться на вихід схеми. (рис. 4.3)



Рис. 4.3. Набір вихідних регістрів

Повна схема зображена на рис. 4.4.


Рис.4.4 Повна схема пристрою

Висновки

В даній курсовій роботі розроблено спеціалізований обчислювальний пристрій. Пристрій дозволяє обраховувати вираз з заданою точністю. Оскільки пристрій розроблено на основі КМОН логіки то підвищується його швидкість роботи і зменшується напруга живлення оскільки в цій логіці використовуються польові транзистори (в більшості випадків енергія використовується для перемикання станів).

Після побудови пристрою було проведено розрахунок часових та частотних характеристик, також було проведено моделювання для перевірки правильності функціонування, результати моделювання довели правильність функціонування пристрою.

Список використаної літератури

1. 
   Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник Нефедов А.В. . – М.: Радиософт 2001. – 512 с.
   
2. 
   Интегральные микросхемы. Справочник. / Под ред. Тарабарина. М.: 1985.
   
3. 
   Схемотехника ЭВМ. / Под ред. Соловьева. М. 1985.
   
4. 
   Бабич М.П, Жуков І.А.Комп’ютерна схемотехніка. Навчальний посібник. К.: МК-Прес, 2004. – 412 с.