Программа виртуального синтеза цифровых схем с учётом особенностей динамического режима работы - Курсовая работа

1.3 Описание тела программыПеречень принятых сокращений ВАС - Военная академия связи.Программа позволяет эмулировать виртуальную рабочую среду для сборки, отладки, а также проверки функционирования устройств на базе цифровых интегральных микросхем. В работе произведена неполная эмуляция элементной базы ТТЛ и ТТЛШ, а не готовых технических устройств, что позволяет учащимся по мере возможностей самостоятельно производить проектирование, сборку и отладку исследуемых схем. Программа также может использоваться при написании курсовых и дипломных проектов, связанных с аппаратными разработками на базе цифровых микросхем. Использование данной программы также рекомендуется при изучении предметов «Схемотехника ЭВМ» (ДД - 420 - 10) и «Организация ЭВМ и систем» (ДД - 420 - 4). Практическая значимость решения данной задачи с годами только растет, поскольку с развитием средств вычислительной техники (ВТ), при постоянном совершенствовании программного обеспечения (ПО) ускоренно расширяются возможности компьютерной эмуляции.Так, например, при изучении предмета «Микропроцессорные системы» (ДД - 420 - 14) она полностью обеспечивает проведение практических занятий на персональных компьютерах (ПК) по темам: «Проектирование на ПК и виртуальная отладка устройства преобразования сигналов» (8 учебных часов), а также «Проектирование на ПК и виртуальная отладка вычислительного устройства» (8 учебных часов). При изучении предмета «Архитектура вычислительных машин» (ДД - 420 - 24) данное ПО полностью обеспечивает выполнение курсового проекта с использованием средств ВТ (8 учебных часов). Кроме того, оно обеспечивает проведение практического занятия на ПК по теме: «Проектирование на ПК и виртуальная отладка вычислительного устройства» (4 учебных часа).Программа написана с использованием платформы С Builder, ее использование требует персонального компьютера на базе центрального процессора не ниже Intel Pentium I, с установленной операционной системой не ниже Windows 95. На данный момент в программе используются микросхемы двадцати трех типов, и производится работа по дальнейшему увеличению их количества. При выборе языка программирования для написания проекта на ЭВМ, возникает необходимость формулировки требований к программе: - графическая точность воспроизводимых объектов (все эмулированные в программе устройства должны максимально соответствовать оригиналам); Необходимость создания небольшого, хорошо структурированного кода, имеющего высокую скорость работы, требует применения двух подходов: объектно-ориентированного программирования (ООП) и использования языка программирования «С». Его упрощенное описание сводится к следующему: При запуске любой программы в ОС Windows, на экране появляется окно с множеством кнопок, разделов меню, окон редактирования, списков и т.п.Результаты произведенной работы свидетельствует о достаточной полноте решения поставленных задач. Использование предлагаемой разработки в учебном процессе уже охватывает 28 учебных часов по двум изучаемым дисциплинам. Курсанты с искренним интересом относятся к занятиям, позволяющим самостоятельно составить принципиальную схему исследуемого устройства и тут же, на практике, убедиться в его работоспособности.

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных обозначений

Введение

1. Основная часть

1.1 Возможности применения программы в учебном процессе

Целью предлагаемой разработки является создание программного обеспечения (ПО), используемого в учебном процессе в военных и гражданских ВУЗАХ. Программа позволяет эмулировать виртуальную рабочую среду для сборки, отладки, а также проверки функционирования устройств на базе цифровых интегральных микросхем. В работе произведена неполная эмуляция элементной базы ТТЛ и ТТЛШ, а не готовых технических устройств, что позволяет учащимся по мере возможностей самостоятельно производить проектирование, сборку и отладку исследуемых схем.

Программа также может использоваться при написании курсовых и дипломных проектов, связанных с аппаратными разработками на базе цифровых микросхем. Она может стать хорошим подспорьем при проведении самых разнообразных лабораторных работ. Преподаватель получает дополнительные возможности контроля знаний учащихся посредством имеющейся электронной библиотеки исправных и неисправных схем. Составлены методические разработки для проведения лабораторных работ, предполагающие отдельные варианты заданий для каждой бригады курсантов. Подобный подход позволяет учесть как индивидуальную подготовленность учащихся, так и специализацию всей группы в целом.

В Военной академии связи (ВАС) предлагаемое ПО уже применяется в учебном процессе при изучении таких специальных предметов, как «Микропроцессорные системы» (ДД - 420 - 14) и «Архитектура вычислительных машин» (ДД - 420 - 24). Использование данной программы также рекомендуется при изучении предметов «Схемотехника ЭВМ» (ДД - 420 - 10) и «Организация ЭВМ и систем» (ДД - 420 - 4). Кроме указанных дисциплин, предлагаемая разработка может найти применение при изучении любого предмета, связанного с цифровой схемотехникой.

Проблема эмуляции рабочей среды для построения и отладки всевозможных электронных устройств возникла давно и до сего дня не теряет своей актуальности. Практическая значимость решения данной задачи с годами только растет, поскольку с развитием средств вычислительной техники (ВТ), при постоянном совершенствовании программного обеспечения (ПО) ускоренно расширяются возможности компьютерной эмуляции. Задачи, еще недавно казавшиеся невыполнимыми, такие как, например, компьютерное моделирование работы процессорного устройства, сегодня уже не кажутся особо сложными.

Проблема компьютерного моделирования работы электронных устройств в последние годы вызывала живой интерес программистов, как в нашей стране, так и за рубежом. Оригинальными и популярными вариантами ее решения стали такие известные в мире программы, как Simulink, WORKBENCH и LABVIEW. Указанные типы ПО являются мощной и надежной базой для решения множества инженерных задач.

Однако универсальность подобных разработок может создать определенные неудобства при их использовании в педагогических целях. Отображение элементов составленной схемы посредством условных графических обозначений (УГО) не создает эффекта живого контакта с реальным техническим устройством и не способствует лучшему усвоению материала. С другой стороны, универсальность и сложность указанного выше ПО требует длительной подготовки учащихся к работе с подобной программой. Затраты времени, отводимого на данную подготовку, ведут к сокращению числа остальных учебных часов. Использование программы, оперирующей с фотографически точными изображениями микросхем, по мнению авторов, способствует лучшему осмыслению изучаемого материала.

Проблемы педагогического характера способствовали принятию решения о самостоятельной разработке ПО, узкоспециализированного для виртуальной сборки цифровых схем. Можно сказать, что на текущий момент прямого аналога данное ПО не имеет. С учетом объема, занимаемого программой, ее скоростных качеств, а также личных предпочтений авторов, в качестве платформы программирования был избран Borland C Builder 6.

Необходимость компьютерного моделирования учебной лабораторной базы обусловливается тем, что используемая в настоящее время во многих ВУЗАХ лабораторная база для изучения цифровой электроники не всегда удовлетворяет современным требованиям. Стенды, выпускаемые ранее отечественной промышленностью, устарели. В тоже время новых стендов, отражающих современное развитие вычислительной техники, не создается, что часто и вполне оправданно вынуждает прибегать к собственноручному изготовлению макетов (подобный подход практикуется в некоторых учебных заведениях).

Но это не может решить существующих проблем: - Чаще всего исследуется лишь одна микросхема или один тип микросхем, что сужает диапазон проводимых исследований.

- В условиях жесткой сборки отсутствует возможность изменения конфигурации схемы.

- Отсутствие возможности самостоятельной сборки схемы, отладки ее работы и устранения найденных неисправностей.

- Не предусматривается самостоятельное проектирование цифровых схем (по мнению авторов - главный недостаток).

- Не предусмотрено выполнение различными бригадами различных вариантов лабораторных работ.

- Отсутствие возможности контроля знаний посредством электронной библиотеки неисправных схем - самостоятельного нахождения неисправности и ее устранения.

- Любая сборка (и в первую очередь нефабричная) не исключает вероятности частых поломок, что может стать особенно нежелательно с учетом возможной неподготовленности студентов или курсантов.

Все сказанное относится как к самодельным стендам, так и к стендам, выпускаемым промышленностью.

Решение не всех, но многих вопросов (по крайней мере, всех перечисленных) дает использование компьютерного моделирования учебной лабораторной базы.

Возможности применения предлагаемой разработки выходят за рамки учебного процесса. Она может эффективно использоваться в научно-исследовательских учреждениях и на производстве. Для выпуска электронной продукции предполагаются стадии разработки, сборки и отладки выпускаемого изделия. Все эти стадии требуют наличия квалифицированного персонала. Они также связаны со значительными временными затратами. Применение предлагаемой программы требует лишь наличия соответствующего компьютера и одного оператора. Таким образом, сводятся к минимуму как аппаратные, так и временные затраты, связанные со всеми тремя перечисленными стадиями производства. Так, например, виртуальная сборка устройства, включающего 5 - 6 цифровых микросхем средней и даже большой степени интеграции обычно занимает всего лишь 15 - 20 минут, чего, конечно, нельзя ожидать в условиях сборки реальной.

Включение в тело программы таких элементов, как виртуальный логический анализатор и многофункциональный виртуальный генератор - устройств, по своим параметрам во многом превосходящих свои реальные аналоги, делают разработку самодостаточной, не требующей никаких дополнительных элементов.

Результаты произведенной работы свидетельствует о достаточной полноте решения поставленных задач. Использование предлагаемой разработки в учебном процессе уже охватывает 28 учебных часов по двум изучаемым дисциплинам. Возможно дальнейшее увеличение количества учебного времени, обеспечиваемого применением данной программы, за счет использования ее при изучении других предметов. Курсанты с искренним интересом относятся к занятиям, позволяющим самостоятельно составить принципиальную схему исследуемого устройства и тут же, на практике, убедиться в его работоспособности.

Отличительной особенностью последнего варианта разработанной программы явилась возможность проверки работы исследуемых устройств не в статическом режиме, посредством подачи одиночных импульсов, а в динамике. Решение данной задачи осуществилось посредством введения в тело программы виртуального генератора импульсов и 128-канального логического анализатора с памятью на 256 логических перепадов.

Проявленный учащимися интерес к используемому программному обеспечению облегчил работу преподавателя, позволил повысить качество знаний, получаемых курсантами.

Возможности применения предлагаемого ПО не ограничиваются учебными заведениями. Оно может использоваться в научно-исследовательских институтах военного и гражданского профиля, а также на производстве.

1. Архангельский А.Я. Программирование в C Builder 6., М.: Бином, 2004. 1152 с.

2. Шилдт Герберт. Полный справочник по С , 4-е издание. : Пер. с англ. М. : Издательский дом “Вильямс”, 2004. 704 с.

3. Шило В. Л. Популярные микросхемы ТТЛ. М: “Аргус”, 1993. - 64 с.: ил.

4. Лебедев О.Н. и др. Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы. Микросхемы памяти: Справочник. М.: Радио и связь, 1999. 248 с.: ил.

5. Бунтов В.Д., Макаров С.Б. Цифровые и микропроцессорные радиотехнические устройства: Учеб. Пособие. СПБ.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2005. 399 с.

Рис.4 Рабочее поле программы

Главное меню

Рис.5 Позиция «Файл».

Включает в себя следующие опции: - Новый проект

- Открыть проект

- Лабораторные работы (открывается соответствующая директория)

- Примеры (заранее собранные схемы)

- Сохранить

- Сохранить Как…

- Выйти

(Все опции имеют стандартное назначение).

Рис.6 Позиция «Вид».

Включает в себя следующие опции: - Последняя дорожка (соединение)

(Отображается лишь оно - рекомендуется при составлении сложных схем, когда в связи с большим числом соединений бывает трудно наблюдать сам факт проведения соединения).

- Цветные дорожки

(Соседние соединения отображаются разными цветами. В программе задано шестнадцать цветов, однако, возможно увеличение их количества. Использование данной опции удобно для наглядного просмотра соединений при составлении сложных схем.)

- Удалить дорожки

(Удаляются все соединения).

- Подсветка ножек

(Выделяются красным цветом все выходы, питание и «земля». Рекомендуется для предотвращения попытки соединения двух выходов микросхем, не обладающих Z-состоянием.)

- Сетка

(Может быть вызвана на рабочее поле - рекомендуется для более точного позиционирования элементов и придания схеме более эстетичного вида).

- Список объектов

(Возможность его удаления позволяет расширить рабочее поле).

- Панель кнопок

(Возможность удаления пиктографического меню - также ведет к расширению рабочего поля).

- Информационная панель

(Возможность удаления подсказки в низу экрана).

- Цвет

(Выбор цвета рабочего поля).

Рис.7 Позиция «Инструменты».

Включает следующие опции: - Генератор

(Вызов генератора. Используется виртуальный четырехфазный генератор со сдвигом фаз на 1800. Имеется возможность дискретного изменения его частоты от 0,5 Гц до 10 МГЦ. Также допускается генерация конечного числа импульсов, количество которых задается в специально вызываемом меню.)

- Логический анализатор

(Вызывается только после вызова генератора. Имеет практически неограниченное число каналов (изза ограничений рабочего поля - до 128). Имеет внутреннюю память - запоминает до 256 перепадов импульсов. При необходимости данный параметр легко увеличить.)

Рис.8 Позиция «Помощь».

- Справочник микросхем

- О программе

(Все опции имеют стандартное назначение. В программу введен электронный справочник микросхем, включающий микросхемы, используемые разработкой. Введение данной опции существенно экономит учебное время, поскольку отпадает необходимость выдачи справочного материала.)

Рис.9 Пиктографическое меню

Все основные команды главного меню представлены в пиктографическом меню под ним. В пиктографическом меню представлены лишь те команды, использование которых происходит наиболее часто: - Новый проект

- Открыть проект

- Сохранить

- Сетка

- Цветные линии

- Последнее соединение

- Подсветка выходов

- Генератор

- Логический анализатор

- Справочник микросхем

Рис.10 Вкладки

В работе программы используются две основные вкладки: «Микросхемы» и «Дополнительно».

- Вкладка «Микросхемы» позволяет вывести на рабочее поле любую из микросхем, представленных деревом объектов.

Для этого открывается соответствующий класс микросхем, нужная микросхема помечается левой кнопкой мыши и, не отпуская ее, «перетаскивается» на рабочее поле. Допускаются неоднократные вызовы одной и той же микросхемы.

- Вкладка «Дополнительно» позволяет вывести на рабочее поле переключатели (из 0 в 1), кнопки, индикаторы четырех цветов, надпись, напряжения логического нуля и логической единицы.

Рис.11 Вызванная микросхема совместно с индикаторными и вспомогательными устройствами

1. - рабочая область (поле);

2 - соединение (дорожка) - графическая линия, соединяющая ножки устройств.

3 - объект (интегральная микросхема или вспомогательное устройство).

Работа с программой

Рис.12 Перемещение и удаление

Вызванный объект (микросхему, вспомогательный элемент или надпись) можно переместить или удалить, наведя на него курсор, нажав правую кнопку мыши, и, выбрав левой кнопкой нужное действие. При перемещении возникает передвигаемый мышью контурный образ объекта. Фиксация нового положения объекта осуществляется передвижением курсора (не нажимая кнопок мыши) на новое место с последующим нажатием левой кнопки.

Рис.13 Выполнение соединений

Производится левой кнопкой мыши при нажатии и удержании кнопки. Соединение производится от выхода ко входу.

Удаление соединений аналогично удалению объекта. При наведении курсора на соединение оно маркируется (становится черным). Удаление объекта возможно только после удаления всех его соединений.

Создание надписи

Во вкладке «Дополнительно» выбирается позиция «Подпись». Не отпуская левой кнопки мыши, выбранная позиция перетаскивается на рабочее поле программы. В той точке рабочего поля, где будет отпущена кнопка мыши, появится надпись. В появившееся при отпускании кнопки окно ввести текст надписи и нажать кнопку «ОК».

Перемещение надписи аналогично перемещению микросхемы.

В качестве практических рекомендаций по применению предлагаемого ПО приведем лишь одну из методических разработок для проведения лабораторных работ (разработка приводится с некоторыми сокращениями).

Лабораторное занятие №1

Логический узел на элементах ТТЛ

Предмет исследования: Логические схемы на элементах ТТЛ (серии: К 155, К 531, К 555, КР 1533, КР 1531)

Цели занятия: 1. Уяснить процессы прохождения сигналов в логических схемах на элементах ТТЛ.

2. Приобрести необходимые навыки в сборке цифровых схем.

3. Практически ознакомиться с работой логических вентилей.

Порядок выполнения работы: 1. Ознакомление с работой стенда: 1.1. Проделать все действия, предусмотренные в разделе «Краткие теоретические сведения» (раздел не приводится).

1.2. Ознакомиться с работой электронного справочника микросхем, изучить назначение выводов исследуемых логических вентилей ознакомиться с УГО изучаемых микросхем.

1.3. Вызвав одну из микросхем на экран и, удобно расположив ее (например, микросхему 155ЛИ1 - 2И), виртуально «собрать» на экране схему включения логического элемента (Рис.14). Желательно в верхней части рабочего поля помещать индикаторные элементы, под ними - микросхемы, а в нижней части - вспомогательные элементы.

1.4. Продемонстрировать преподавателю работу данной схемы.

1.5. Составить таблицу истинности рассмотренного вентиля: A B Q

Табл.1

1.6. Добавив к вентилю микросхемы 155ЛИ1 логический инвертор (микросхема 155ЛН1), построить схему инвертирующего вентиля: 1.7. Продемонстрировать преподавателю работу данной схемы.

1.8. Составить аналогичную п.1.3. таблицу и занести схему включения и таблицу в отчет

2. Построение логических функций с использованием заданных микросхем: 2.1. Используя заданные микросхемы: 1533ЛИ1 (2И), 1533ЛЛ1 (2ИЛИ), 1533ЛН1 (НЕ), 1533ЛАЗ (2И-НЕ), составить схемы, реализующие логические функции, соответствующие своему варианту.

2.2. Построить в отчете логическую схему, соответствующую своему варианту и показать ее преподавателю.

2.3. «Собрать» на экране схему, соответствующую своему варианту.

2.4. Составить таблицу истинности «собранной» схемы и занести ее в отчет. Результаты показать преподавателю.

3. Проверка теоремы де Моргана.

3.1. Для четных вариантов: Используя вентили И и НЕ построить схему вентиля ИЛИ, «собрать» ее и составить таблицу истинности.

Для нечетных вариантов: Используя вентили ИЛИ и НЕ построить схему вентиля И, «собрать» ее и составить таблицу истинности.

3.2. Поменять четные и нечетные варианты и повторить действия.

Таблицы истинности и схемы занести в отчет.

4. Построение одноразрядного управляемого инвертора.

(В зависимости от управляющего сигнала информационный сигнал либо поступает со входа на выход без изменения, либо инвертируется)

4.1. Используя три логических вентиля: И-НЕ, ИЛИ, И, спроектировать указанную схему и показать ее преподавателю.

4.2. «Собрать» составленную схему.

4.3. Составить таблицу истинности управляемого инвертора и вместе со схемой занести в отчет.