Проектирование операционных устройств с микропрограммным управлением - Курсовая работа

Многие приложения, такие как моделирование динамических объектов, управление движением (особенно управление движением совокупности объектов), обработка сигналов и изображений в реальном времени, реалистичная компьютерная графика, связаны с многократным выполнением сравнительно простых операций, причем требуют выполнения до нескольких миллиардов операций в секунду. Последовательное выполнение большого числа элементарных шагов при компьютерном решении задачи занимает относительно большое время. Кроме того, независимость аппаратных средств от сложности решаемой задачи имеет и оборотную сторону - даже для простейших задач нужны блоки, образующие компьютер в целом. Таким образом, простые задачи и задачи, которые должны решаться в реальном масштабе времени, могут привести к необходимости применения аппаратных вариантов решения.Под операционным устройством понимают вычислительный узел, способный многократно выполнять любое преобразование из набора, предусмотренного для этого узла, каждый раз, когда на него поступает сигнал, инициирующий преобразование (команда). Это может быть связано с тем, что на некоторых шагах используются результаты, полученные на предыдущих шагах, или с тем, что данные поступают, а результаты должны выдаваться в определенной последовательности, или с наличием ограничений на затраты оборудования. При высоких требованиях к производительности элементарные действия стараются распределять между несколькими параллельно работающими блоками, причем для алгоритмов, предусматривающих использование результатов некоторого шага на последующих шагах, применяют конвейерную реализацию. Однако при умеренных требованиях по производительности с целью уменьшения объема оборудования однотипные операции выполняют последовательно в одном и том же блоке, даже если операции функционально независимы. Часто становится оправданной частичная перестройка функций операционных блоков в процессе исполнения команды.В данном дипломном проекте рассматривается проектная процедура ПЛИС типа SOPC реализованная на базе микроконтроллера MCS-48. В состав разрабатываемой системы должен входить 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь, записывающий по запросу параллельный код в буферное ОЗУ емкостью 256 двенадцатиразрядных слов, 8 входов и 8 выходов, для дискретных сигналов и блок сравнения двух входных восьмиразрядных кодов с содержимым регистра установок, которое задается программным обеспечением МП-ядра и сохраняет значения текущих установок.В рамках данного дипломного проекта при анализе возможных вариантов реализации МП-ядра ограничиться рассмотрением вариантов, базирующихся на MCS-51, поскольку при этом упрощается процедура перевода большинства решений MCS-48 на MCS-51.К основным можно отнести следующие варианты реализации: 1) использование обычного контроллера семейства MCS-51, автономных средств аналого-цифровой обработки и размещение всей дискретной части проекта в ПЛИС (для конкретности будем ориентироваться на ПЛИС фирмы Altera); 3) использование микроконтроллера, совместимого по системе команд с MCS-51 со встроенными средствами аналого-цифровой обработки (для определенности будем ориентироваться на применение БИС ADUC812 фирмы Analog Devices), и реализация недостающих дискретных элементов в ПЛИС фирмы Altera; 4) использование БИС класса SOPC фирмы Triscend семейства Е5, содержащей в качестве МП-ядра встроенный микроконтроллер 8032 и конфигурируемую логику типа FPGA, и реализация внешнего аналого-цифрового преобразования (для определенности протокола будем ориентироваться на применение БИС AD7892 фирмы Analog Devices). Первый вариант реализации (рисунок 1) предполагает использование в качестве МП-ядра классической микросхемы MCS-51 (одну из БИС фирмы Atmel) и применение БИС ПЛ фирмы Altera для реализации недостающих дискретных компонентов. Требуемые объем и скорость заполнения буферной памяти заставляют при выборе типа ПЛИС ориентироваться на семейства, содержащие встроенные блоки ОЗУ - т. е. типа FLEX10K.Функции между SW и HW к стандартным для всех МП-систем оборудование соответствуют рисунку 5. Необходимость аппаратной реализации сравнения содержимого регистра установок с данными каналов В и С, так же как аппаратная поддержка режима записи данных в блок памяти (RAM) и управление работой аналого-цифрового преобразователя (ADC) связаны со скоростными требованиями к обработке соответствующих данных. В нашем примере сигналом, инициирующим запись блока данных (128 слов) в память, является сигнал start, а квитирующим сигналом, определяющим допустимость начала нового цикла записи, является нулевое значение сигнала Busy.Блочная схема устройства приведена на рисунке 6. Элементы структуры должны опираться на ресурсы программируемой логики кристалла Е5 (CSL-логики). Блок Cnt_Adc отвечает за управление отдельными циклами преобразования и запись одиночных данных от аналого-цифрового преобразователя в промежуточном регистре. Блок обеспечивает прием блока данных заданной длины и формирует сигналы, требуемые для записи принимаемых о

Содержание

Введение

1. Аналитический раздел

1.1 Анализ оборудования

1.2 Постановка задачи проектирования

1.3 Сравнительный анализ

2. Конструкторский раздел

2.1 Построение функциональной модели

2.2 Построение структурной схемы

2.3 Выбор программного обеспечения

3. Проектный раздел

3.1 Проектирование основных компонентов блока Cnt_ADC

3.2 Проектирование управляющего автомата Avt_ADC

3.3Тестирование программного описания автомата

3.4 Разработка общей структуры блока Cnt_ADC

3.5 Проектирование общей схемы сборки проекта из отдельных фрагментов

4. Экономический раздел

4.1 Исходные данные для проекта

4.2 Нормы затрат на проектирование и внедрения микропроцессорной системы

4.3 Расчет эксплуатационных расходов

4.4 Расчет и построение диаграммы общей стоимости системы

4.5 Расчет прибыли разработчика системы

4.6 Расчет затрат, связанных с покупкой, внедрением и использованием системы и их окупаемости

5. Раздел безопасности и жизнедеятельности и охраны труда

5.1 Организация рабочего места

5.2 Рекомендации по организации труда и отдыха

5.3 Параметры микроклимата

5.4 Вентиляция и отопление

5.5 Организация освещения

5.6 Расчет освещения в помещении

5.7 Расчет искусственного освещения

5.8 Нормирование шума и вибрации

5.9 Электробезопасность и пожаробезопасность

5.10 Статическое электричество и молниезащита

5.11 Электромагнитное излучение

Заключение

Список используемой литературы

Роль и значение компьютеров в современной жизни общеизвестны. Аппаратные методы решения задач также важны и в ряде случаев незаменимы. Многие приложения, такие как моделирование динамических объектов, управление движением (особенно управление движением совокупности объектов), обработка сигналов и изображений в реальном времени, реалистичная компьютерная графика, связаны с многократным выполнением сравнительно простых операций, причем требуют выполнения до нескольких миллиардов операций в секунду.

Последовательное выполнение большого числа элементарных шагов при компьютерном решении задачи занимает относительно большое время. Кроме того, независимость аппаратных средств от сложности решаемой задачи имеет и оборотную сторону - даже для простейших задач нужны блоки, образующие компьютер в целом. Таким образом, простые задачи и задачи, которые должны решаться в реальном масштабе времени, могут привести к необходимости применения аппаратных вариантов решения.

Для создания аппаратных средств решения задач нужен набор различных элементов, узлов и устройств. Такой набор можно реализовать на микросхемах разного уровня интеграции: малого (МИС), среднего (СИС), большого (БИС) и сверхбольшого (СБИС). Применение БИС/СБИС и исключение из схемы МИС и СИС существенно улучшает параметры аппаратуры (стоимость, быстродействие, надежность, экономичность по потребляемой мощности и др.).

Для некоторых разновидностей СБИС программируемой логики возможна реконфигурация в оперативном режиме, т. е. без извлечения микросхемы из работающей системы и с высокой скоростью. Оперативное программирование микросхем - путь для новых принципов построения аппаратуры.

В связи с этим тема дипломного проекта «Проектирование операционных устройств с микропрограммным управлением» является актуальной.

Цель дипломного проекта: на примере разработки микропроцессорной системы модернизировать более раннюю разработку устройства на базе микроконтроллера MCS-48, предназначенного для увлажнения дыхательной смеси.