Методические указания

1. ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

1.1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа по дисциплине "Вычислительные системы и микропроцессорная техника" способствует развитию у студентов навыков проектирования цифровых устройств на современной элементной базе (БИС и микропроцессорах). Она помогает закрепить полученные ранее теоретические знания по оптимальному построению разрабатываемых устройств и микропроцессорных вычислителей и применению этих зна­ний для решения нестандартных задач, ранее не описанных в литера­туре.

Необходимо не только построить реальное работающее устройст­во, но и доказать, что это устройство, в некотором смысле, являет­ся наилучшим - наиболее просто решающим поставленную задачу, по­этому многовариантность решения является обязательным условием, позволяющим достигнуть поставленной в работе цели.

1.2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Задание выдается в течение первой недели преподавателем-консультантом на вводной лекции, на которой каждый студент получает индивидуальное задание на курсовую работу. В задании указывается дата выдачи и защиты работы, приводятся исходные данные к разраба­тываемому устройству.

Всякое цифровое устройство служит для преобразования входной информации в выходную, поэтому содержанием главной части задания является описание входной, выходной информации и требуемого зако­на преобразования. Возможны формы задания в виде: словесной форму­лировки, формулы преобразования, таблиц или графиков, эпюр напря­жений, схемы алгоритма и др.

Как правило, главная часть задания сопровождается вспомога­тельными требованиями к проектируемому устройству. К ним можно от­нести:

1. быстродействие, время задержки на формирование выходных сигналов и тактовую частоту устройства;

2) способ синхронизации с источником и потребителем инфор­мации;

3) наличие внутренней индикации;

4) способы схемного самоконтроля работоспособности устрой­ства;

5) потребляемую мощность;

6) ограничения в выборе элементной базы;

7) наличие элементов ручного управления - кнопок, тумблеров, переключателей;

8) характер питания (автономное, общее);

9) инициализацию устройства при включении питания и т.д.

Некоторые вспомогательные требования могут не указываться. В этом случае студент либо уточняет эти требования вместе c препо­давателем, либо аргументированно выдвигает эти требования само­стоятельно.

Основная группа тем, выдаваемых преподавателем, связана с разработкой специализированных устройств обработки информации с различными законами преобразования входных кодов в выходные. На­пример, темы могут быть сформулированы следующим образом:

1. На вход устройства приходит код А{1:64}. Определить в этом коде комбинации вида 11011 и установить номера разрядов, где расположены нули этих комбинаций.

2. Дан параллельный код А{1:64}. Разработать устройство, формирующее разность числа единиц и нулей кода, и выразить эту разность в прямом коде.

Тема задания может определяться также и тематикой научно-исследовательской работы студентов на кафедрах или СКБ, если она связана с построением цифровых вычислителей и по своему уровню не ниже стандартного задания на проектирование по дисциплине "Вычис­лительные системы и микропроцессорная техника".

1.3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Работа с учетом многовариантности построения устройства вклю­чает в себя следующие этапы.

1.3.1. Уточнение задания

На этом этапе работа студент должен проанализировать задание, уточнить сведения о характеристиках и параметрах проектируемого устройства и определить дополнительную информацию, необходимую для реализации устройства в виде технического макета. Эта часть работы является наиболее ответственной, так как в правильной по­становке задачи содержится 50% ее решения.

В ходе уточнения задания должно быть определено то что подается на вход устройства и то что снимается с выхода устройства в виде функциональной схемы и эпюр напряжений. Функциональная схема раскрывает входные и выходные сигналы (названия и разрядность шин по которым они будут передаваться). Эпюры напряжений раскрывают последовательность поступления данных на устройство и их считывания с устройства. Необходимо определить разрядность выходного кода для выдачи результата.

Входные и выходные данные должны сопровождаться управляющими сигналами (УСТРОБ, УСЧИТ), которые оповещают устройство что в данный момент времени на шине установлены данные. В случае если данные в разрабатываемое устройство поступают порциями, по окончании обработки для приема следующей порции данных устройство должно формировать сигнал готовности (УГОТ).

1.3.2. Выбор направления и обсуждение вариантов решения задачи

В данной курсовой работе необходимо разработать цифровое устройство в регистровом исполнении.

При регистровом методе реализации цифрового устройства необ­ходимо обосновать выбор одного оптимального варианта из несколь­ких возможных вариантов. Сравнение вариантов и выбор простейшего решения может производиться на различных этапах: составления схе­мы алгоритма, операционного описания устройства, разработки функ­циональной, а также принципиальной схемы устройства. Возможна реа­лизация нескольких вариантов с последующим сравнительным анализом в конце курсовой работы.

Рекомендуется в качестве одного из направлений регистровой реализации использовать стандартную структуру микропроцессорного вычислителя на КР580ВМ80, для которой в обязательном порядке со­ставляется программа на языке ассемблера [19, 20]. Программа отлаживается на персональных ЭВМ, микроЭВМ или на лабораторной микроЭВМ "Микролаб". В последнем случае ассемб­лерная программа вручную транслируется в программу на машинном язы­ке в системе команд микропроцессора KP580BM80.

Обсуждение вариантов решения ведется в словесной форме, общей для различных методов технического решения задачи.

При построении ОУ стремятся к некоторому оптимальному, с точ­ки зрения разработчика, техническому решению. Оптимальность может проявляться в уменьшении количества операционных элементов, сокра­щении их размеров (разрядности), упрощении связи между ними, использовании стандартных структур, увеличении регулярности в по­строении устройства, использовании укрупненной элементной базы (БИС, СБИС).

Основные вопросы оптимальности построения ОУ решаются на эта­пе составления алгоритма его функционирования путем использования стандартных или специализированных процедур преобразования опера­тивной информации, выбора элементной базы и выявления соотношений между комбинационными и регистровыми преобразованиями.

Так, построение оптимальных комбинационных схем было связано с минимизацией логических выражений, построение оптимальных авто­матов - с минимизацией числа внутренних состояний, выбором типа триггера, оптимизацией логических схем формирования функций воз­буждения и функций выхода.

Операционные устройства (ОУ) предназначены для реализации цифровых вычислительных устройств, позволяющих выполнять операционное преобразование информации. ОУ состоит из двух основных частей - операционного и управляющего автоматов, между которыми и разделены все функции ОУ. Структурная схема ОУ изображена на рис. 1.

Рис. 1. Общая структурная схема операционного устройства

Операционный автомат предназначен для выполнения собственно преобразований информации. Он состоит из операционных элементов (ОЭ) автоматного (регистрового) и комбинационного типов, соединен­ных между собой управляемыми коммутируемыми связями. Общая конфи­гурация операционного автомата непосредственно определена соста­вом реализуемых в ОУ операций.

Управляющий автомат предназначен для выработки всей совокуп­ности управляющих сигналов, распределенных во времени и простран­стве, обеспечивающих необходимое управление всеми ОЭ операционно­го автомата и их связями. Каждая операция, предназначенная для вы­полнения в ОУ, распадается на последовательность элементарных ша­гов - микроопераций, выполняемых в операционном автомате с помощью управляющих сигналов - микрокоманд, в определенной последо­вательности вырабатываемых в управляющем автомате. Вся совокупность микрокоманд, необходимых для выполнения какой-либо операции в ОУ, называется микропрограммой.

В процессе функционирования ОУ между его частями, а также между ОУ и внешней средой (другими устройствами ЭВУ или устройства­ми РЭА) происходит обмен различными информационными и управляющи­ми словами и сигналами, представленными на рис. 1. Входная опера­тивная информация из внешней среды поступает на операционный авто­мат и после соответствующей обработки в нем возвращается во внеш­нюю среду. Управляющая информация о конкретном типе выполняемой операции также из внешней среды подается в виде команды на управ­ляющий микропрограммный автомат, который по этому сигналу начина­ет вырабатывать соответствующую микропрограмму. Микрокоманды, свя­занные с управлением операционным автоматом, поступают на него из управляющего автомата. Обратно из операционного автомата в управ­ляющий подаются осведомительные сигналы (признаки: больше-меньше нуля, равно нулю, переполнение и пр.), вырабатывающиеся в опера­ционном автомате при выполнении в ней некоторых микроопераций. Эти сигналы могут использоваться управляющим автоматом для измене­ния порядка следования микрокоманд микропрограммы.

Синтез операционных устройств состоит из следующих этапов:

1) определение набора микроопераций (набор типов ОЭ с их описаниями);

2) Анализируются возможные алгоритмы реализации этой опера­ции с точки зрения аппаратных затрат, времени выполнения и степе­ни близости этих алгоритмов к алгоритмам других операций набора. Из всех рассмотренных алгоритмов выбирается тот, который наиболее полно отвечает указанным требованиям.

3) Для выбранного алгоритма составляется микропрограмма, и на ее основе определяется структура операционного устройства.

4) Определяется полный набор микроопераций (и осведомительных сигналов) и на его основе синтезируется полная структура ОУ.

1.3.3. Составление схемы алгоритма

Алгоритм – это определенным образом организованная последовательность действий, за конечное число шагов приводящая к решению задачи. Схема алгоритма включает в себя совокупность операторов преобразования и операторов перехода (рис. 1.1). Схема начинается с оператора "Начало", который может обозначать включение устройства, инициализацию начального состоя­ния, начало обработки входных сигналов и т.д., и завершается опера­тором "Конец", который может обозначать окончание обработки очеред­ного кода, переход в режим ожидания, выключение устройства и т.д. На степень детализации алгоритма никаких ограничений не накладывается, необходимо следить лишь за тем, чтобы разветвления и циклы проявляли себя в схеме алгоритма явным образом.

Желательно, чтобы в операторах преобразования и переходов имена шин и операционных элементов использовались явно. Условия переходов должны записываться содержательно в виде логических или арифметических выражений, а не в виде переменной, обозначаемой P_i. Использование идентификаторов допустимо, если они являются именами разрядов устройств или шин. При составлении схемы алгоритма целесообразно отделять действия, выполняемые человеком-оператором, от действий, выполняемых устройством управления, так как только по­следние требуют технической реализации.

Если разрабатывается несколько алгоритмов, то их представле­ние должно быть предельно идентичным, поскольку только в этом слу­чае можно качественно и количественно сравнивать предлагаемые ре­шения.

При разработке алгоритма необходимо учитывать имеющуюся в распоряжении разработчика элементную базу.