Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

[irt.od.ua]КонспектАПСПК / КонспектАПСПК

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
10.02.2016
Размер:
1.65 Mб
Скачать

Конспект лекций по дисциплине

«Аппаратные и программные средства персональных компьютеров»

Автор: Муранов А.С., доц. каф. РТС

1992-2007

1

Часть 1. Проектирование цифровых устройств на базе ПЭВМ

Лекция 1. Этапы и методы разработки цифровых устройств на базе ПЭВМ

Цель курса: Приобретение навыков проектирования цифровых устройств (ЦУ) на базе ПЭВМ, изучение архитектуры и схемотехники ПЭВМ, а также

возможности сопряжения специализированных ЦУ с ПЭВМ.

Темпы развития вычислительной техники очень высоки. В 1945 году требовалось не более 5 компьютеров, а их мощность едва ли превышала возможности современного калькулятора. В настоящее время в мире эксплуатируется около миллиарда компьютеров. При этом мощность обычного персонального компьютера во много раз больше вычислительных возможностей NASA при запуске космического корабля на Луну. Подавляющее большинство персональных ЭВМ используются для офисных задач (печатная машинка и блуждание по Интернет), а также для мультимедийных применений (кино и компьютерные игры).

Установлено, что 90% знаний люди получили за последние 30 лет. Поэтому информация о достижениях вычислительной техники содержится, в основном, в периодических изданиях и в Интернет.

1.1.Зачем необходим персональный компьютер радиоинженеру?

продвинутый пользователь

-офисные приложения для подготовки документации: Office97, 2000, XP

-специализированные пакеты:

-для математических и физических расчетов: MathCAD, MathLab.

-для схемотехнического моделирования: MicroCAP, Circuit Maker.

-для конструирования: PCAD, OrCAD, AutoCAD .

-универсальные языки программирования: C++, HTML.

-сборка оптимальных конфигураций ПЭВМ.

менеджмент и эксплуатация компьютеров и компьютерных систем

-менеджер-консультант по аппаратным средствам ПЭВМ

-системный администратор.

разработка цифровых систем на базе ПЭВМ.

1.2.Преимущества и недостатки цифровых устройств по сравнению с аналоговыми устройствами

Цифровая техника находит повсеместное применение, постепенно оттесняя аналоговые методы обработки. Это связано с целым рядом преимуществ цифровых методов:

1.Программируемость (гибкость алгоритма работы устройства).

2.Эффективное хранение информации (электронная память).

3.Возможность реализации более широкого класса алгоритмов.

4.Высокая точность вычислений и стабильность результатов.

2

5.Помехозащищенность, предсказуемость при проектировании и простота тиражирования (технологическая устойчивость).

К недостаткам цифровых устройств по сравнения с аналоговыми относят:

1.Меньшее быстродействие.

2.Значительное количество элементов (сложность).

3.Заметная задержка при обработке сигнала (эхо).

4.Повышенное энергопотребление.

5.Высокая стоимость.

6.Окружающая среда по своей сути - аналоговая и поэтому требуется преобразование аналог-цифра-аналог.

1.3.Типовая функциональная схема радиотехнической системы

Типовая функциональная схема РТС представлена на рис. 1.1.

┌────────────────<┤ ЦАП ╞<═════╗

 

┌────┐

└─────┘

┌────┐

┌─────v──┐

┌─────┐

┌─╨──┐

│ Обьект ├───>┤ АО ├───>┤ АЦП ╞═══>┤ ЦО │<════>┤ ПИ │

└────────┘

└────┘

└─────┘

└────┘

└────┘

Рис. 1.1. Типовая функциональная схема РТС

Характерными составляющими РТС являются Объект, с которым контактирует система, аналоговая (АО) и цифровая (ЦО) обработки сигналов от объекта, средства сопряжения между аналоговой и цифровой частями системы, а также потребитель информации (ПИ), в интересах которого функционирует система.

В изучаемой дисциплине сосредотачивается внимание на схемотехническом проектировании системы ЦО, реализуемой в виде ЦУ:

┌─────────────────────────────────────┐

┌────┐

│┌──────────────┐

┌───┐

┌──────┐│<────┤ БП │

││ СВ

┌──┐

│ C │

│ ЭВМ

││

└────┘

││

│БУ│

│ О │

││

┌────┐

││

└──┘

│<──>│ П │<──>│(ПЭВМ)│<────>│ ПИ │

││┌──┐

┌──┐ ┌──┐│

│ Р │

││

└────┘

│││ДЛ│

│МП│ │ЭП││

│ Я │

││

 

││└──┘ └──┘ └──┘│

│ Ж │

││

 

│└──────────────┘

└───┘

└──────┘│

 

└─────────────────────────────────────┘

 

Рис. 1.2. Структура цифрового устройства

В состав ЦУ входят специализированный вычислитель (СВ) с блоком управления (БУ), дискретной логикой (ДЛ), микропроцессором (МП) и элементами памяти (ЭП). ДЛ, МП и ЭП образуют структуру реализации алгоритма, в соответствие с которым работает СВ. БУ генерирует сигналы и команды, оживляющие работу устройства.

Кроме того, через схему сопряжения осуществляется связь с универсальной ЭВМ (ПЭВМ) и внешним потребителем информации (ПИ). ПЭВМ должна иметь открытую архитектуру и выполняет следующие важные функции.

1)Управление режимами работы СВ.

2)Универсальные вычисления.

3

3)Хранение информации.

4)Связь с потребителем путем ввода/вывода и отображения информации. Существенным элементом ЦУ является блок питания (БП), который дол-

жен быть адекватен требованиям по энергопотреблению, помехозащищенности и габаритам ЦУ.

1.4. Этапы проектирования цифровых устройств

Разработка ЦУ проводится по этапам согласно рис. 1.3.

Проект начинается с идеи, оформленной в виде технического задания (ТЗ) на будущее устройство. Затем следует комплекс научно-исследовательских работ (НИР). На этом этапе проводят синтез алгоритмов работы, определяют системные требования (разрядности, частота, быстродействие и др.) и формируют функциональную схему. Далее следуют инженерные разработки (ИР) структурной схемы, которая учитывает способ реализации устройства.

Идея

 

ТЗ

 

НИР

 

ИР

 

КР

 

ПС

 

Проект

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3. Этапы проектирования ЦУ

Здесь, как правило, стремятся обеспечить минимум аппаратной части за счет эффективной программной поддержки. По структурной схеме разрабатывают принципиальную схему. Качество принципиальной схемы определяют с помощью моделирования на ПЭВМ. Далее выполняются конструкторские разработки (КР), приемо-сдаточные испытания опытного образца (ПС) и оформление комплекта документации, достаточного для серийного изготовления изделия.

1.5. Пример проектирования рекурсивного и трансверсального цифрового фильтра

Требуется разработать цифровой аналог инерционного звена (ФНЧ 1-го порядка) с частотой среза 1.5 МГц и с отношением С/Ш 48 дБ. Полоса частот

– Fh= 3 МГц.

Исходя из правила " 6 дБ на разряд ", получаем 8-разрядное представление входных данных, а на основании теоремы Котельникова находим тактовую частоту цифрового устройства – FT=(3…4)*Fh=10 МГц (T=100 нС).

Передаточная функция инерционного звена K(p)=1/(0.25pT + 1).

При синтезе рекурсивного фильтра соответствующая передаточная функция цифрового эквивалента может быть получена с помощью билинейного преобразования

K(Z) = K(p) при p = (1-Z-1)/(1+Z-1)2/T.

В нашем случае K(Z) = 0.67 * (1+ Z-1) / (1+0.33 Z-1), чему соответствует функциональная схема

4

x(n)┌─────┐

┌─────┐

┌───┐

y(n)

───>┤ 0.67├───┬──>┤ 1/Z ├────>┤

├──────┬────>

└─────┘

│ └─────┘

 

└──────────────>┤ + │

 

┌─────┐

┌──v──┐

 

│-0.33├────>┤

│ 1/Z │

 

└──^──┘

└───┘

└──┬──┘

 

└───────────────────┘

Рис. 1.4. Функциональная схема цифрового фильтра

Следует проверить полученный результат: для ФНЧ и РФ сумма всех коэффициентов прямой и обратной ветви равна единице (в рассмотренном примере 0.67+0.67-0.33=1). Для ПФ и ФВЧ сумма коэффициентов прямой ветви равна нулю.

Структурная схема цифрового устройства учитывает способ выполнения элементов функциональной схемы и дополняется блоком управления и синхронизации сигналов. Учитывается, что операция Z-1 есть задержка на один такт, умножение на постоянный множитель реализуется на ПЗУ (см. лекцию 3), суммирование чисел производится попарно, а входной сигнал Di сопровождается синхронизирующими импульсами Si. Тогда структурную схему устройства представим как

┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐

Di═══>│ПЗУ│══╦══>│ r │═══>│ + │══>│ + │═════╦═════>Do

└─┬─┘ ║

└┬─┬┘

└─^─┘

└─^─┘

└──┬─║─ ─ ┘ │ W

┌───┐│ ╚══════════════╝

┌───┐

┌─V─┐

Si───>│

├┴────────│───────┐

│ПЗУ│<══│ r │ ┌─>So

│БУ

│ R

└─┬─┘ R └┬─┬┘ │

├─────────┤

└───────┴─ ─ ─ ┘ ├──┘

└───┘ W

└────────────────────────┘

Рис. 1.5. Структурная схема устройства

Здесь r - регистр; R, W - сигналы чтения и записи.

При синтезе трансверсального фильтра принимают во внимание импульсную характеристику аналогового прототипа. Трансверсальный фильтр представляет собой линию задержки с N отводами, которые через весовые коэффициенты Ai подсоединены к общему сумматору. Значения Ai совпадают со значениями импульсной характеристики аналогового прототипа с шагом t=1/FT. Количество отводов фильтра N определяет точность аппроксимации в области нижних частот. Число N выбирается так, чтобы отличие в переходной характеристике цифрового фильтра и прототипа не превышало 5…10%.

Di│ ──────

──────

├──/──────\────/──────\───

Si│

┌──┐

┌──┐

R ├────┴──┴────────┴──┴───── W ├────┐ ┌────────┐ ┌───── ├────┴──┴────────┴──┴─────

Рис. 1.6. Диаграммы сигналов ЦУ

5

Для определения структуры БУ и описания работы устройства необходимо изобразить диаграммы сигналов в различных точках схемы (рис. 1.6). В нашем случае Si и R совпадают, а сигнал W инвертирован по отношению к R.

Перед составлением принципиальной схемы необходимо провести моделирование устройства на ЭВМ. С целью определения разрядности устройства строят его переходную характеристику (ПХ) и сравнивают с ПХ аналогового прототипа. Считается разрядность достаточной, если отличия ПХ не превышают 5-10%.

Общая структура программы такова:

Задают n разрядность цифрового устройства

Обнуляют все регистры

Входной сигнал равен четверти динамического диапазона: S0=2(n-2)

В цикле в i-м такте активизируются состояния регистров и формируется выходной сигнал в целочисленном виде. Запоминается новое состояние регистров для следующего такта.

Выходной сигнал ПХ нормируется к величине S0

Элементная база устройства определяется требуемым быстродействием и может быть выбрана из справочной литературы.

В рассматриваемом примере в качестве ПЗУ может быть использована серия 556РТ5, а остальные микросхемы (МС) - 1533. Регистр r - ИР27, сумматор - ИМ6. После выбора элементной базы на основании функциональной изображают принципиальную схему устройства.

Контрольные вопросы

1.Зачем радиоинженеру необходимо знание аппаратной и программной части ПК?

2.Каковы преимущества и недостатки цифровых систем?

3.Функциональная схема цифровой радиотехнической системы.

4.Опишите этапы проектирования цифровой системы.

5.Какова последовательность проектирования цифрового устройства на базе ПЭВМ?

6

Лекция 2. Элементы электронной памяти в цифровых устройствах

2.1. Классификация элементов памяти

Таблица 2.1.

 

Элементы электронные памяти

 

ПЗУ (ROM)

 

ОЗУ (RAM)

Внешние ЗУ

МПЗУ (ROM)

 

Стат. ОЗУ

Flash-

ППЗУ (PROM)

 

(SRAM)

Card/SSD

 

Динам. ОЗУ

PRAM

 

 

ПЛМ (PLM)

 

(DRAM)

MRAM/

 

 

 

 

Рег. ОЗУ

РПЗУ (RPROM)

SSTRAM

(RG)

 

 

 

 

УФ стирание

Электр. стирание

СППЗУ (EPROM)

ЭСППЗУ (Flash)

 

 

В таблице 2.1. приведены наиболее часто используемые или наиболее перспективные разновидности электронной памяти.

Статические ОЗУ – высокие быстродействие и цена. Динамические ОЗУ – среднее быстродействие и цена.

Флэш-память – низкое быстродействие и цена. Ограниченный ресурс записи (100000раз).

2.2. Постоянные запоминающие устройства

Предназначены для долговременного хранения информации и используются только в режиме чтения данных (Read Only Memory).

Матрица

ЭП

 

┌───────┐ ┌─────┐1 ┌ ─ ─ ─ ─ ─ │ ┐

┌─────┐

А4──>┤Регистр├──>┤ Деш.├──────*──*──────*

│Схема├───PR

... │адреса

│...│ адр.├──────┼──┼──────┤

├<──┤прогр├───Upr

А10─>┤строк

│ │строк│... │ │ │

│ │

├──>┤ ├──────*──*──────* └─────┘

└───────┘

└──^──┘128

└ │ ─│─ ─ ─ │ ┘

┌────┘

1│

│16

┌───────┐ │ ┌─────┐1

┌─┴──┴──────┴─┐

А0──>┤Регистр├─│─┤ Деш.├────┤

Схема

... │адреса │.│.│ адр.│... │ считывания │

А3──>┤столб. ├─│─┤столб├────┤

 

└───────┘ │ └──^──┘16

└─┬─────────┬─┘

┌───────┐ │

┌─┴─────────┴─┐

CS#──>┤ Схема ├─┴────┴──────>┤

Схема

├───> DIO0...DIO7

OE#──>┤управл.│

 

│ ввода/вывода│

└───────┘

 

└─────────────┘

Рис. 2.1. Структура ПЗУ

7

Типовая структурная схема ROM К573РФ2 представлена на рис. 2.1. Работа ROM описывается следующей таблицей истинности.

Таблица 2.2.

CS#

OE#

PR#

Upr,V

DIO

Режим работы

0

1

0

12.5

DI

Запись

0

0

1

12.5

DO

Контроль

0

0

1

5

DO

Считывание

0

0

1

0

DO

Данные изготовителя

1

X

X

5

Z

Хранение

Масочные ПЗУ программируются на заводе-изготовителе. Роль элементов памяти выполняют перемычки в виде металла, диода или МОП транзистора. Наличие перемычки дает логический 0 (1), отсутствие - логическую 1 (0).

Программируемые ПЗУ формируются пользователем однократно с помощью программатора путем пережигания плавких перемычек. В качестве перемычек используются нихром, титан-вольфрам (К556), поликристаллический кремний (К541), силицид платины (К1608).

Репрограммируемые ПЗУ позволяют многократно перезаписывать информацию. Стирание данных осуществляется либо электрическим сигналом (FLASH-память), либо ультрафиолетовым облучением кристалла (EPROM). Запись данных производится с помощью программатора. В РПЗУ в качестве перемычки используется МОП транзистор с двойным затвором. При этом для FLASH-памяти используется технология МНОП (Металл AlНитрат кремния Si3N4Окисел кремния SiO2Полупроводник Si) , либо технология ЛИЗМОП (Металл-Окисел-Полупроводник с Лавинной Инжекцией Заряда). Для EPROM применяется технология ЛИЗМОП. На рис. 2.2. представлены транзисторы структуры МНОП и ЛИЗМОП, их передаточная характеристика, а также включение элементов памяти в накопителе по схеме NAND.

 

Al Затвор

Ic │

Лог.1 /

Лог.0 /

Исток

╔ ══ ╗

Сток

/

/

╒═╗SiO2║Si3N4 ║

╔═╕

/

/

│ ╚════╝──────╚═══╝ │

/

/

├───n+─┴──────┴─n+──┤

/

/

p-Si

/

/

└─────────┬─────────┘

└────/────┬────/─────────

Подложка

 

 

Uсч

Uзи

Управляющий

 

Матрица

Ucc1

 

затвор

 

DCX ┌ ─ ─ ─ ─ │ ─ ─ ─ ─ ┐

Исток ╔

══

Сток

<─────┬─────│────────

╒═╗SiO2║

══

╔═╕

│ │ ║├──┘

│ ╚════╝──ПЗ──╚═══╝ │

└─║├──┐ ЭПij

 

├───n+─┴──────┴─n+──┤

└ ─ ─ ─ ─ │ ─ ─ ─ ─ ┘

p-Si

 

 

║├──┘ VTj

 

└─────────┬─────────┘

┌─║├──────────> СВВ

Подложка

 

DCY

 

Рис. 2.2. Структуры МНОП и ЛИЗМОП

8

Программирование ПЗУ с плавкими перемычками сводится к пропусканию через них прожигающих импульсов тока (30мА). За один цикл программирования уничтожается одна перемычка. Импульсы тока подводятся к выводам данных МС, поэтому необходимо устанавливать цепи разделения между шиной данных и выходами МС.

ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием программируются по словам из нескольких байт в следующей последовательности:

1)Устанавливается адрес ячейки памяти и данные для программирования.

2)Подключается программирующее напряжение Upr. Для большинства МС Upr=12.5 V.

3)Подаются управляющие сигналы PR#, OE#, CS# в течение 1 мс. В это время происходят заряды затворов ЛИЗМОП транзисторов.

4)Проверяется сделанная запись. Это достигается путем переключения управляющих сигналов Upr=5 V, PR#=1 и чтения программируемой ячейки ПЗУ.

5)Оценивается правильность сделанной записи. Если ячейка не запрограммировалась, то повторяют запись по п.3. В случае неудачи в более чем 50-и попытках, процесс программирования прекращается.

6)В случае удачного программирования осуществляется допрограммирование импульсом 3 мс и переход к следующей ячейке памяти.

Стирание информации в ПЗУ производят лампами с парами ртути в кварцевых баллонах на расстоянии 3...0.5 см в зависимости от мощности лампы. Время стирания до 30 минут. Выводы МС должны быть закорочены. В "чистой" МС все ячейки имеют состояние лог. 1.

Интересно отметить, что на этом же программаторе (если не подавать Upr>5V) можно записать информацию и в статическое ОЗУ. Это позволяет использовать SRAM в качестве отладочных кристаллов.

Программирование МС с электрическим стиранием аналогично рассмотренному выше, однако, подводимые опорные напряжения, как по нумерации выводов, так и величине и знаку отличаются для различных типов МС даже в одной серии. Стирание МС также как и запись осуществляется путем подачи опорных напряжений. Как правило, "чистая" МС имеет состояние лог. 0 для всех ячеек.

Особый класс запоминающих устройств представляет программируемая логическая матрица (ПЛМ), которая состоит из операционной части в виде матриц И, ИЛИ, входных и выходных усилителей У1, У2, а также из программирующей части: адресных формирователей FА1, FА2 и дешифратора кода адреса программирования DCPR. На рис. 2.3. в качестве примера изображена структура ПЛМ К556РТ1.

Матрица И выполняет операции конъюнкции над 16 входными переменными и их инверсными значениями. Требуемые логические произведения получаются путем выжигания ненужных перемычек между строками и столбцами. Можно получить до 16 логических произведений, каждое из которых со-

9

держит до 16 переменных и их инверсий.

PR ────────┬───────────────────┐

 

 

┌─v─┐

12 ┌─────┐ 12

┌─v─┐ 6

 

 

╔>╡FА2╞═══>╡DC PR╞<═══╡FА1╞<═══════════════╗

║ └─^─┘

└──╥──┘

└─^─┘

 

Ucc────────┤

║ 48

└──────────┬────────── OE#

0..5║ ┌─v─┐

┌──v──┐

┌─────┐

┌─v─┐

═════╩>╡ > │

32 │Матр.│

│Матр.│ 8 │ > │0..4 ║

А ══════>╡ ╞═══>╡ И │

│ ИЛИ ╞<══>╡ ╞<════╩══>DO0..DO7

6..15 └───┘

└──╥──┘ 48

└──^──┘

└───┘

 

 

╚══════════╝

 

 

Рис. 2.3. Структура PLM

Матрица ИЛИ способна сформировать до 8 логических сумм, а выходной усилитель обеспечивает до 5 значений функций в прямом или инверсном виде над входными величинами. Таким образом, общее число точек коммутации в ПЛМ составляет 48*8*5= 1920.

Программирование ПЛМ осуществляется в 3 этапа: вначале пережигаются ненужные перемычки в матрице И, затем в матрице ИЛИ и, наконец, в выходных усилителях, что обеспечивает прямое или инверсное значение выходных величин.

В настоящее время в персональных компьютерах используется BIOS в микросхемах по флэш-технологии, что обеспечивает их перепрограммирование прямо в процессе работы.

Контрольные вопросы

1.Дайте классификацию элементов памяти.

2.Структурная схема постоянного запоминающего устройства.

3.Опишите принцип работы ПЗУ с УФ стиранием.

4.Каково назначение и принцип построения ПЛМ?

5.Что такое флэш-технология и как она используется в ПЭВМ?

10