Построение многопроцессорных модульных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ постановки задачи

1.1 Описание интерфейса И-41

1.2 Анализ методов решения

2. Разработка структурной схемы устройства

2.1 Описание входных и выходных сигналов

2.2 Обобщенный алгоритм функционирования устройства

2.3 Разработка структурной схемы устройства

3. Разработка функциональной схемы устройства

4. Разработка электрической принципиальной схемы

4.1 Общие сведения

4.2 Обоснование выбора элементной базы

5. Описание работы устройства

6. Расчет характеристик устройства

7. Разработка конструкции устройства

Заключение

Приложение А. Функциональная схема устройства

Приложение Б. Электрическая принципиальная схема устройства

Приложение В. Трассировка межсоединений на печатной плате

Техническое задание

Разработать устройство ввода информации заданной формы представления с заданными выходными параметрами:

· число каналов аналогового ввода (N): 16;

· Диапазон входных токов по каждому каналу (Iвх): 0 - 5 мА

· диапазон частот входных сигналов (представленных в форме напряжения переменного тока) (fвых): 0 - 100 Гц

· погрешнотсь преобразования входного сигнала (P): 0.2%

· Интерфейс, используемый для связи с ЭВМ: И-41;

· критерий для выбора элементной базы: минимум корпусов интегральных микросхем.

Введение

Дисциплина "Компьютерная электроника и схемотехника" является одной из основополагающих дисциплин электронного цикла. Основной задачей этой дисциплины является изучение технических свойств и характеристик как отдельных элементов, являющихся базисом логических схем, так и целых узлов компьютерных систем, но не с точки зрения логики их функционирования, а с точки зрению основных параметров их работы (как-то: напряжение, потребляемая мощность, длительности фронтов, частотные, температурные и прочие характеристики и диапазоны).

Задачей данного курсового проекта является получение определенных навыков в разработке устройств электронной аппаратуры с использованием справочной литературы и систем автоматизированного проектирования, так как умение правильно подобрать элементную базу, спроектировать и разработать устройство, использовать компьютерное обеспечение в ходе разработки устройства и создания технической документации - вот только некоторые характерные черты работы современного инженера.

Целью данного курсового проекта является изучение технических характеристик и элементной базы электронно-вычислительных машин, практическое освоение формальных и эвристических методов выбора оптимального варианта реализации из некоторого множества возможных вариантов, обучение приемам расчета, синтеза устройств и оформления конструкторской документации, а также навыкам работы со справочной литературой. алгоритм интерфейс процессор данные

Особенно следует отметить условие использования минимума корпусов интегральных микросхем - как правило, устройство с минимальным числом корпусов потребляет меньше мощности, его легче собрать, упрощается процесс отладки и диагностики схемы устройства и, наконец, чем проще устройство, тем оно надежнее.

1. Анализ постановки задачи

1.1 Описание интерфейса И-41

Интерфейс И-41 предназначен для построения сосредоточенных многопроцессорных модульных систем обработки данных, микропроцессорных комплексов, микроЭВМ, ПЭВМ. Он обеспечивает программный обмен данными одного или нескольких процессоров с запоминающими устройствами и с контроллерами ввода-вывода, прямой доступ к памяти (ПДП) и генерацию прерываний. Интерфейс использует два независимых адресных пространства (памяти и ввода-вывода) и обеспечивает прямую адресацию до 16 Мбайт памяти с использованием 24-разрядного адреса, а также до 64 Кбайт портов ввода-вывода (ПВВ) с использованием 16-разрядного адреса. В циклах обращения к памяти и в циклах ввода-вывода возможны 8- и 16-разрядные передачи данных.

Интерфейс И-41 представляет собой унифицированную систему связей между процессорами, памятью и внешними устройствами и устанавливает единый метод агрегатирования систем. Интерфейс содержит три шины - адреса, данных и управления. Помимо этого, к интерфейсу также относятся средства системы прерываний [1]. Интерфейс содержит 72 линии: 20 линий шины адреса, 16 линий шины данных и 36 линий управления. Состав и назначение сигналов интерфейса приведены в [1, 3].

Интерфейс основывается на принципе "задатчик-исполнитель", имеет асинхронный протокол, мультипроцессорные возможности, раздельные шины адреса и данных.

В И-41 выполняются четыре типа операций передачи данных: чтение из ЗУ или ПВВ, запись в ЗУ или ПВВ. При передаче данных устройство, инициализирующее обмен, подключает адрес ЗУ или ПВВ к линиям адреса, при записи одновременно подключаются данные к линиям данных. Затем формируется соответствующий управляющий сигнал чтения или записи, который воспринимается адресуемым устройством. Это устройство принимает или выдает данные на линию данных и формирует сигнал подтверждения передачи, сигнализируя о выполнении операции. После этого устройство-инициатор обмена отключается от линий магистрали и вслед за ним отключается исполнитель.

Передачей данных управляют два сигнала: признак двухбайтовой передачи BHE и младший разряд адреса.

Линии INT0…INT7 используются для передачи сигналов от источников на контроллеры прерываний.

Сигналы и операции аварии в системе электропитания не входят в обязательный состав интерфейса И-41. Однако в интерфейсе предусмотрен набор сигналов для обработки аварийных ситуаций, а также некоторые дополнительные логические сигналы.

Магистраль интерфейса представляет собой совокупность сигнальных проводников, соединяющих подмножество контактов соединителей на объединительной печатной плате. В каждом месте объединительной платы, предназначенном для установки модуля, имеется по два 96-контактных соединителя (розетки).

Сигналы на интерфейсе имеют стандартные ТТЛ-уровни и могут формироваться шинными формирователями серий К 155 и К 531, а также интерфейсными шинными формирователями серий К 580 и К 1810. Нагрузочная способность передатчиков составляет 16…32 мА.

1.2 Анализ методов решения

Рассмотрим общую идею функционирования разрабатываемого устройства. Устройство выбирает сигнал с одного их входных каналов, преобразовывает его (при необходимости), подвергает аналого-цифровому преобразованию и передает на интерфейс.

После проведения анализ различных аналого-цифровых преобразователей, было обнаружено, что все они переводят в цифровой вид только напряжение, то есть для преобразования тока в напряжения необходимо построить соответствующий преобразователь.

На рисунке 1.2.1 показана эквивалентная схема источника напряжения, управляемого током. Управляющим сигналом является входной ток, однако он должен оказывать как можно меньшее влияние на остальную часть схемы. В идеальном случае re=0. Если пренебречь обратной связью, то уравнения рассматриваемого источника напряжения будут иметь следующий вид:

U1=re*I1+0*I2 (1.2.1)

U2=R*I1-ra*I2 (реальный)

U1=0

U2=R*I1 (идеальный, re=ra=0)

Рисунок 1.2.1 - Эквивалентная схема источника напряжения, управляемого током

Рисунок 1.2.2 - Источник напряжения, управляемый током

При его реализации (рисунок 1.2.2) учитывалось, что точка суммирования является виртуальным нулем (землей) схемы, вследствие чего и удается получить требуемое низкое входное сопротивление. Для выходного напряжения можно записать

U2=-R·I1,

если пренебречь входным током усилителя по сравнению с I1. В реальной схеме источника могут возникнуть дополнительные ошибки, обусловленные сдвигом входного напряжения - они будут тем больше, чем меньше внутреннее сопротивление Rg источника входного сигнала, поскольку сдвиг входного напряжения усиливается в (1+R/Rg) раз.

Одним из способов выбора аналогового канала является последовательный опрос: каналы брабатываются по порядку. Для реализации подобного метода необходимо использование внешнего задающего генератора. Хорошей идеей является использование кварцевого генератора или керамического резонатора, так как кварц обладает довольно высокой стабильностью частоты (как минимум до четвертого знака после десятичной точки), а также низкая зависимость генерируемой частоты от температурных флуктуаций (нестабильность генератора составляет не более 10-6), что позволяет отказаться от использования дополнительных средств термостабилизации. Для получения приемлемого выходного значения с выхода кварцевого генератора необходимо подобрать шунтирующие емкости, а для генераторов, работающих в режимах HS и XT, чтобы избежать гармоник, может потребоваться последовательный резистор. Схема включения кварца приведена на рисунке 1.2.3.



Рисунок 1.2.3 - Схема включения кварца

Для устойчивоq работы устройства в целом, необходимо выполнить развязку по питанию; ввиду того, что используются как аналоговые сигналы, так и цифровые, линии питания и заземления для цифровых и аналоговых сигналов необходимо разделять. Развязка цифрового питания должна производиться относительно цифровой земли, развязка аналогового питания, соответственно, относительно аналоговой земли. Для питания микросхем рекомендуется использовать стабильный источник питания (чем выше стабильность, тем лучше).

Устройства, осуществляющие коммуникацию между собой через какой-либо интерфейс, могут работать в симплексном, дуплексном или полудуплексном режиме.

Симплексный режим крайне прост в реализации и обеспечивает одностороннюю передачу информации.

При работе в дуплексном режиме прием и передача данных могут идти одновременно. В этом случае для переключения из режима передачи данных в режим приема должен использоваться некоторый программный протокол (например, XON/XOFF), однако для мультизадачных систем это, по-видимому, необязательно. Недостаток - если скорость передачи данных превышает скорость обработки данных, использование интерфейса может оказаться проблематичным; также, в случае обнаружения ошибки при приеме/передаче данных может потребоваться пересылка всего пакета данных.

В полудуплексном режиме устройство в один и тот же момент времени может либо принимать, либо передавать данные. В полудуплексном режиме решается проблема быстрой передачи и медленной обработки данных - если устройство не может принять данные, оно выдает сигнал "устройство занято", и передатчик, проанализировав значение сигнала, может повторить передачу через некоторый интервал времени. Целесообразно использовать симплексный режим передачи данных, так как по отношению к интерфейсу разрабатываемое устройство является только источником.

2. Разработка структурной схемы устройства

2.1 Описание входных и выходных сигналов

Все сигналы, используемые в разрабатываемом устройстве, можно разделить на две группы - информационные сигналы и управляющие сигналы.

Информационные сигналы во входных цепях представляют информацию, подлежащую обработке, а в выходных - результирующую информацию.

Сигналы управления и оповещения обязательно используются в любом, даже простейшем, устройстве для обеспечения связи и заданного порядка обмена между устройствами системы, синхронизации их работы. К ним относятся сигналы начальной установки и сброса, готовности, пуска, стробы сопровождения информационных сигналов.

Разрабатываемое устройство будет использовать следующие сигналы:

· входные сигналы:

o информационные сигналы:

§ CHNL.1…CHNL.16 - аналоговые каналы ввода информации;

· выходные сигналы:

o информационные сигналы:

§ DATA.6…DATA.15 - оцифрованный сигнал;

o сигналы оповещения и управления:

§ XACK - строб готовности данных;

· линии заземления и питания:

o VCC - питание микросхем (+5 В);

o GND - цифровая земля;

o AGND - аналоговая земля;

o -5V - аналоговое питание номиналом -5 В.

2.2 Обобщенный алгоритм функционирования устройства

Минимум корпусов интегральных микросхем накладывает ограничения на алгоритм функционирования устройства: очевидно, что чем меньше корпусов ИМС установлено на печатной плате, тем проще будет устройство и, соответственно, алгоритм его функционирования. Следует, однако, отметить, что сказанное справедливо только для устройств с жесткой логикой, для автоматов с программируемой логикой это может оказаться неверным.

Сформулируем алгоритм работы устройства.

1. Считать данные с очередного канала ввода информации.

2. Перевести полученный аналоговый сигнал в цифровой.

3. Выдать оцифрованный сигнал на интерфейс, связывающий устройство с приемником.

4. Перейти к пункту 1 данного алгоритма.

5. Конец.

2.3 Разработка структурной схемы устройства

Электрическая структурная схема определяет основные функциональные части изделия, их назначение, взаимосвязи. Эти схемы разрабатывают при проектировании изделий на стадиях, предшествующих разработке схем других типов, пользуются ими при эксплуатации для общего ознакомления с изделием.

На структурной схеме изображают все основные функциональные части изделия (элементы, устройства и функциональные группы) и основные взаимосвязи между ними. Функциональные части на схеме изображают в виде прямоугольников или условных графических обозначений. В первом случае наименования, обозначения и типы обычно вписываются внутрь прямоугольников.

Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии.

3. Разработка функциональной схемы устройства

Электрическая функциональная схема разрабатывается для того, чтобы разъяснить определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в целом. Эти схемы необходимы для изучения принципа работы изделия, их также используют при наладке, регулировке, контроле и ремонте изделий. На схеме обычно приводят технические характеристики отдельных частей, а также поясняющие надписи, диаграммы или таблицы, определяющие последовательность процессов во времени, параметры в характерных точках (величины токов, напряжений, формы и величины импульсов, математические зависимости). В отличие от принципиальной электрической схемы устройства, на функциональной схеме обозначения элементов могут не совпадать с соответствующими элементами интегральных схем, а отражать только свойства элементов, необходимых для обеспечения функционирования устройства [3].

Бесспорно, что конечный вариант синтеза любого технического устройства неоднозначен: выбор окончательного решения зависит от заданных критериев оптимизации устройства, возможностей имеющейся элементной базы, использования микросхем различной степени интеграции. В настоящем курсовом проекте при выборе элементной базы предпочтение отдавалось элементам, согласующимся между собой по уровням логических сигналов, нагрузочной способности.

4. Разработка электрической принципиальной схемы

4.1 Общие сведения

Электрическая принципиальная схема определяет полный состав элементов и связей между ними и дает детальное представление о принципах работы изделия. Принципиальные схемы служат основанием для разработки других конструкторских документов, например схем соединений и чертежей. На принципиальной схеме изображают все электрические элементы, необходимые для осуществления и контроля заданных электрических процессов, все электрические связи между ними, а также электрические элементы (разъемы, зажимы), которыми заканчиваются входные и выходные цепи. Как правило, принципиальные схемы и их отдельные элементы вычерчивают для изделий в отключенном положении. Элементы на схеме изображают в виде условных графических изображений; при изображении элементов с большим количеством выводов допускается изменять размеры их обозначений по сравнению с приведенными в стандартах, не нарушая ясности схемы.

Каждый элемент, входящий в изделие и изображенный на схеме, имеет позиционное обозначение, составленное из буквенного обозначения и порядкового номера. На принципиальной схеме однозначно определены все элементы, входящие в состав изделия и изображенные на схеме. Как правило, данные об элементах помещают в их перечень, при этом связь перечня с условными графическими изображениями элементов осуществляется через позиционные обозначения.

4.2 Обоснование выбора элементной базы

В качестве основной элементной базы в данной работе были выбраны микросхемы серии CD4000. Основными особенностями данной серии являются широкий диапазон напряжений питания, низкую динамическую мощность, а их статическая мощность измеряется единицами микроватт; но так как бесплатные завтраки бывают только в мышеловке, то и у этой серии есть свои минусы, а именно - низкое быстродействие (не более 6.5 МГц), однако ввиду того, что у входного сигнала низкий диапазон частот, быстродействия микросхем данной серии будет достаточно.

5. Описание работы устройства

На элементах X1, C1, C2 и U1:A выполнен опорный генератор, сигнал с выхода которого попадает на тактовый вход счетчика U2. С выходов Q этого счетчика снимается номер канала аналогового ввода сигнала. На элементах U6…U9, R1…R16 выполнено шестнадцать (по количеству каналов аналогового ввода) источников напряжения, управляемый током, которые переводят входной ток (0…5 мА) в напряжение (-5…0 В). Выходы этих источников подключены к аналоговым коммутаторам U4, U5, которые коммутируют шестнадцать аналоговых сигнала в один в зависимости от значений на выходе счетчика U2 и инвертора U1:D. Аналоговый сигнал затем поступает на вход аналого-цифрового преобразователя U3, с выходов которого он и поступает на интерфейс. Сигнал BUSY# этого преобразователя стробирует передачу данных. На конденсаторах C4…C13 выполнена развязка цифрового и аналогового питаний. Диод D1 защищает схему от включения неправильной полярностью.

6. Расчет характеристик устройства

Быстродействие устройства определяется быстродействием аналого-цифрового преобразователя и аналогового коммутатора, и, пренебрегая величинами малых порядков, получим, что время задержки распространения сигнала от входов коммутатора до выходов преобразователя составляет 2 мкс.

Рассеиваемая устройством мощность составляет порядка 300 мВт.

7. Разработка конструкции устройства

Топологическое конструирование печатной платы включает в себя размещение электрорадиоэлементов на рабочей поверхности печатной платы и трассировку соединений между контактными площадками. Выбор размеров и вида платы может производиться как до процесса конструирования исходя из соображений унификации в пределах устройства, так и в процессе по промежуточным результатам разработки топологии платы [2].

Размещение компонентов на печатной плате осуществляют чаще всего исходя из критерия минимума длины связей и минимума пересечений. Первое условие подразумевает расположение рядом друг с другом элементов, имеющих максимум электрических связей в схеме, второе - минимум переходных отверстий, что обеспечивает технологичность по минимуму числа слоев. Печатные проводники располагают равномерно по рабочей площади печатной платы на максимально возможном расстоянии от соседних элементов проводящего рисунка платы.

В настоящем курсовом проекте предпочтение отдавалось именно минимуму переходных отверстий; следует отметить, что был достигнут абсолютный минимум числа переходных отверстий - 0. Печатные платы, не содержащие переходных отверстий, являются более простыми при изготовлении, а также более надежными (из-за отсутствия необходимости просверливания отверстий).

Следует отметить, что беспереходная трассировка всех межсоединений может привести к увеличению площади самой печатной платы и возникает проблема размещения элементов на плате. Как показала практика, авторасположение элементов, выполняемое различными САПР (например, P-CAD), возможно, является оптимальным, исходя из критерия близости элементов, имеющих максимум межсоединений, однако с точки зрения беспереходной трассировки алгоритм во многих случаях оставляет желать лучшего. Также следует отметить, что при разрешении конфликтов они и те же алгоритмы приходится повторять многократно. Было установлено, что оптимальная последовательность применения выглядит приблизительно следующим образом: Pattern, Memory, Push and Shove, Rip Up, Clean Passes, Evenly Space Tracks, причем Rip Up и Clean могут повторяться. Алгоритм Evenly Space Tracks предназначен для получения более равномерной плотности межсоединенй по поверхности печатной платы.

При проектировании схемы электрической принципиальной (в случае последующей односторонней или беспереходной трассировки) следует отдавать предпочтение элементам, шаг выводов которых превышает ширину и интервал между проводниками (то есть корпуса, между выводами которых можно провести проводник); примерами таких корпусов являются DIP (Dual Inline Package), SIP (Single Inline Package), ZIP, двухрядные PGA и PLCCSOCKET; следует избегать использования микросхем с корпусами LCC, PLCC, MO, QFP, SO, SOJ, SOL. Эта рекомендация справедлива в случае, если схема содержит большое количество межсоединений.

Конструкция устройства представляет собой двухстороннюю печатную плату, изготовленную из стеклотекстолита СТФЭ-1-2ЛК, размером 153Ч128 мм.

Заключение

В ходе выполнения настоящего курсового проекта были решены следующие задачи:

· изучены основные технические характеристики и состав элементной базы для построения требуемого устройства, что потребовало подробного ознакомления с классификацией микросхем, их электрическими параметрами, способами монтажа (лужение, пайка, установка на печатные платы), условиями эксплуатации (диапазон рабочих температур, защита от электрического воздействия) и так далее;

· практически освоены приёмы выбора оптимального варианта реализации узла из множества возможных вариантов; одним из таких приёмов является сопоставление параметров интегральных микросхем с требованиями, предъявленными к аппаратуре и выбор, как серий, так и отдельных типономиналов микросхем, удовлетворяющим этим требованиям и имеющих возможно лучшие технические показатели (быстродействие, помехоустойчивость, малая потребляемая мощность и так далее). На практике отдавалось предпочтение элементам с максимальным быстродействием и минимальной потребляемой мощностью; с целью увеличения помехоустойчивости устройства в целом, элементная база подбиралась так, чтобы свести к минимуму количество неиспользуемых входов микросхем, а также была выполнена развязка схемы по питанию;

· изучены приёмы расчёта и синтеза устройств радиоэлектронной аппаратуры и правила оформления конструкторской документации;

· закреплены навыки работы со справочной литературой, что имеет довольно большое значение.

Схема устройства прошла долгий путь от первоначального варианта к виду, который она имеет сейчас. В целом, работа по проекту представляется завершенной.

Приложение А. Функциональная схема устройства

Приложение Б. Электрическая принципиальная схема устройства

Приложение В. Трассировка межсоединений на печатной плате

Первый слой печатной платы

Второй слой печатной платы

Размещено на Allbest.ru

...