Дипломдық жобаның мақсаты цифрлық жүйелерді бағдарламалы
жүктеу/скачать 3,28 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 2 Бағдарламалы құрылымды құрылғылар құру жолдарын зерттеу 32
- 3 Бизнес жоспар 44
- 4 Өмipтipшiлiк қауiпciздiгi 52
- Қорытынды 62 Әдебиеттер тізімі 63 Қосымша А 65
- 1 Бағдарламалы құрылымды микросұлбалар 1.1 Бағдарламалы құрылымды құрылғылар
- 1.2 Вентилдік матрицалар
| 7
8
9
10
Дипломдық жобаның мақсаты цифрлық жүйелерді бағдарламалы логикалық жиналым сұлбалар негізінде құруды мүмкіндіктерін зерттеу болып табылады. Бағдарламалы логикалық жиналым сұлбалардың қызмет мүмкіндіктерін зерттеуде MAX PLUS ІІ бағдарламалық ортасы пайдаланылады. Жобаны жүзеге асыру үшін «ЕВ-136» оқу стенді арқылы зерттеу нәтижелері алынды. «Өміртіршілік қауіпсіздігі» бөлімінде еңбек жағдайларына, жұмыс орнына талдау жасалынды. Жұмыс орнында кондиционерлеу және өрт қауіпсіздігі шаралары, эвакуация бойынша есептеулер жүргізілді. «Бизнес жоспар» бөлімінде енгізілген ақпараттық жүйенің өзіндік құнын есептеу жүргізілді.
Целью дипломного проекта является – исследование возможностей создании цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. Для исследовние возможностей создании цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем использована среда программрование MAX PLUS ІІ. Результат исследование был получен с учебного стенда «ЕВ-136». В разделе «Безопасность жизнедеятельности» проведен анализ условий труда, рабочего помещения. На основании полученных данных сделан расчет системы кондиционирования, план эвакуации, так же
расчет пожаробезопасности в помещении. В разделе «Бизнес план» произведен расчет себестоимости внедряемой системы. Annotation The purpose of the graduation project is - creating a feasibility study of digi- tal systems based on programmable logic integrated circuits. Opportunities for investigation is the creation of digital systems based on programmable logic integrated circuits used programming MAX PLUS II. Results of the study was obtained from the training kit «ЕВ-136». In the section «Safety» analysis of working conditions, working space . Based on these data , calculations of air conditioning systems, evacuation plan, as well calculation fire indoors. In the section "Business Plan" calculated the cost of the implemented system.
11
Мазмұны Кіріспе 12
15
1.1 Бағдарламалы құрылымды құрылғылар 15
1.2 Вентилдік матрицалар 16
1.2.1 GA түрлері 17
1.3 Пайдаланушы бағдарлайтын вентилді матрицалар 19
1.3.1 FPGA құрамындағы логикалық блоктар 19
1.3.2 FPGA-ның енгізу/шығару блоктары 23
1.3.3 FPGA-ның арабайланыс жүйелері 24
1.4 Бағдарламалы күрделі логикалық сұлбалар 24
25
1.4.2 CPLD-ның енгізу/шығару блоктары 27
1.4.3 CPLD-ның байланыс жүйелері 28
1.5 Қиыстырма архитектуралы БЛЖС 28
29
1.5.2 Енгізілген жады блоктары 31
32
2.1 EB-136 қондырғысының суреттемесі 32
2.1.1 Қондырғының аппараттық бөлігі 32
2.1.2 MAX+Plus II бағдарламасының редакторлары 35
2.2 Бағдарламалы құрылымдар негізіндегі матрицалы көбейткіш 38
2.2.1 Матрицалы көбейту 38
2.2.2 ТЖҚ(ПЗУ) негізіндегі көбейткіш сұлбасын құру 41
44
3.1 Бағдарламамен қамтамасыз етудегі еңбек сыйымдылығын есептеу 46
3.2 Бағдарламалық қамсыздандыру шығынының есебі. 47
51
52
4.1 Кoмпьютepлiк кабинeттeгi жұмыc жағдайын талдау 52
4.2 Өpттiң пайда бoлу жағдайын ecкepiп эвакуациялық жoлдаpды eceптeу 54 4.3 Өpт қауiпciздiгi шаpалаpы 57
58
62
63
65
85
87
12
Кіріспе Цифрлық техниканың алуан түрлі құралдары (ЭЕМ, өлшеулер жүргізуге және технологиялық процестерді автоматтандыруға арналған микропроцессорлық жүйелердің және т.б.) барлығы да біркелкі элементтер базасында құрылады. Цифрлық құрылғылардың (ЦУ) элементтік базасын жиналымды сұлбалар (ЖС) құрады. ЖС күрделілігінің сипаттамасы ретінде кристалда орналастырылған базалық элементтер санымен бағаланатын, жиналым деңгейі алынады. Жиналым деңгейлерінің айырмашылығына қарай ЖС бірнеше категорияға бөлінеді: КЖС, ОЖС, ҮЖС, АҮЖС (кішігірім, орташа, үлкен және аса үлкен ЖС). КЖС қарапайым логикалық түрлендірімдерді жүзеге асырады және олар өздерінің әмбебаптылығымен сипатталады – олар арқылы кез келген ЦҚ құруға болады. ОЖС түрінде шамалыразрядты регистрлер, санауыштар, де- шифраторлар, қосуыштар және т.б. сияқты, іскерлігі жағынан толықтай бітірілген құрылғылар шығарылады. Іскерлігі жағынан жеке мақсаттарға арналғандығынан, олардың әмбебаптылығы төменірек болады, сондықтан олардың көптеген түрі шығарылады. Күрделі құрылымы мыңдаған, тіпті миллиондаған логикалық элементтер арқылы жүзеге асырылған ҮЖС мен АҮЖС шығарылуымен, әмбебаптылық төмендеу проблемасы одан әрі қайшылана түсті – оларды жобалауға кететін аса
үлкен шығын
олардың тар
бағытта мамандандырылуымен қиылыспас еді. Бұл қайшылықтың шешілімі микросұлбаның мамандандырылуын бағдарлау сферасына ауыстыру арқылы, яғни микропроцессорлар мен бағдарламалы құрылымды ҮЖС/АҮЖС пайдаланылуы арқылы табылды. Микропроцессор, оның командалар жүйесіне кіретін, командалар тізбесін (бағдарламаны) орындайды. Бағдарламаны ауыстыру арқылы, әртүрлі есептерді бір ғана микропроцессорда шешуге болады. Өзгеше айтқанда, бұл жағдайда аппараттық құралдың құрылымы шешілетін есептің сипатымен байланысты емес, яғни ол өзгермеген түрінде қалады да, микропроцессормен орындалатын әрекеттердің тәртібі ғана өзгереді. Бұл жеке микропроцессордың құнын олардың шығарылым көлемін ұлғайту арқылы кемітуге мүмкіндік береді. Бағдарламалы құрылымды ҮЖС/АҮЖС, арабайланыстарын пайдаланушының (системотехник) өзі қалыптастыратын (бағдарлайтын) көптеген логикалық блоктары орналастырылған, кристалл түрінде шығарылады. Бұл кристалдарды, жеке пайдаланушыларға алақтамай, көптеп шығаруға мүмкіндік береді. ЖС құрылымын системотехниктің өзі шешілуші есептің сипатына сәйкесті бағдарлайды. Кристалдың блоктары мен элементтері арасындағы байланыстарды жүзеге асырудың, яғни оның құрылымын бағдарлаудың қазіргі заманда сан-алуан тәсілдері бар. 13
Микропроцессорлар информация өңделуін, командаларға сәйкесті, көптеген жеке әрекеттерді тізбелеп орындау арқылы жүргізеді. Есептің күрделілігі оның орындаушы аппараттық құралдарына емес, бағдарламаға ғана әсер етеді. Микропроцессор әрекеттерінің тізбелі сипаты қажетті тезәрекеттілікті қамтамасыз етпеуі мүмкін. Бағдарламалы құрылымды ҮЖС/АҮЖС информация өңделуін, бұл процесті тізбелі орындалатын қарапайым әрекеттерге бөлмей-ақ жүргізуге мүмкіндік береді. Пайдаланушы, шешілетін есептің мазмұнына қарай, ондағы түрлендірімдердің құрылғының көптеген бөліктерінде қатар жүргізілетіндей етіп бағдарлай алады. Бағдарланған құрылғының күрделілігі есеп күрделілігіне байланысты болады. Сонымен, бағдарламалы құрылымды ҮЖС/АҮЖС, күрделілігі микросұлбаның жиналым деңгейімен, яғни олардың құрылым мүмкіндігімен шектелетін, есептерді тез шешуге, ал микропроцессорлық құралдар – кез келген күрделілікті есепті шешуге мүмкіндік береді, бірақ соңғысы кемірек тезәрекеттілікпен орындалады. Информацияны цифрлық өңдеу жүйелерінің құрамына жалпы жағдайда процессор, жады, перифериялық құрылғылар және интерфейстік сұлбалар кіреді. Процессор, қажетті есепті өзіне тән командалар жүйесіндегі нақтылы командаларды тізбелі түрде орындайтын стандартты құрылғы. Жады да, қызметі қандай жүйе болса да бірдей болып қалатын, стандартты микросұлбалармен жүзеге асырылады. Стандартты ҮЖС/АҮЖС, оның жобалануына кететін шығынның көптеп шығарылатын микросұлбаларға бөлінетіндігінен, олар жиналым деңгейі жағынан алғы қатарда. Стандартты бөліктерімен қатар жүйеде, нақтылы құрылғының түріне байланысты, жүйенің стандартты емес бөліктері де болады. Оларға жүйе блоктарын басқару құрылғылары, олардың өзара әрекеттесуін қамтамасыз ету құрылғылары және т.б. жатады. Жүйенің бұндай стандартты емес бөліктері бұрын жиналым деңгейі кішігірім және орташа келетін микросұлбалармен жүзеге асырылғанды. КЖС мен ОЖС қолданылуы құру жұмысын күрделендіреді, жүйенің сенімділігі мен тезәрекеттілігін кемітеді. Бірақ бұндай жұмыстарға арнайы ЖС-ларға сұраныс беру көптеген қаражат қажет қылатын аса қиын жұмыс. Бұл қайшылық бағдарламалы және қайта бағдарламалы құрылымды ҮЖС/АҮЖС қолданылуы арқылы өз шешімін тапты. Осы айтылғандарға байланысты, менің бакалавриаттық шығарым жұмысым ретінде, БЛЖС командалар жүйесінің құрамындағы командалардың орындалу ерекшеліктерін анықтап, оларды сол ерекшеліктеріне байланысты ұтымды пайдалану арқылы бірнеше түрлі қызмет атқаратын, БЛЖС жүйелер құрып, олардың жұмыс бағдарламаларын құру және олардың негізінде оқу процесіне қолдануға жарамды сәйкесті ұсыныcтар беру тапсырылды. Шығарым жұмысыма қойылған тапсырманы орындау мынадай жеке мәселелерді шешу арқылы орындалды: 14
Бағдарламалы логикалық жиналым сұлбаларының жалпылама құрылымымен және олардың ішкі құрама бөліктемелерінің, яғни сәйкесті қызмет буындарының құрылым принциптерімен танысу;
мен жұмыс мүмкіндіктері жағынан ерекше түрлерімен танысып, олардың ішінде сәйкесті пәнді оқыту барысындағы зертханалық сабақтарға пайдалануға ыңғайлы түрін таңдау;
EB-136 қондырғысының құрама буындарының жұмыс мүмкіндіктері мен оның командаларының орындалу ерекшеліктеріне негізделген құрылымдар құрып, олардың сәйкесті жұмыс бағарламаларын дайындау және оларды зерттеу. Бакалавриаттық шығарым жұмысыма қойылған тапсырманың және оған байланысты туынды мәселелердің шешілу барысы жұмыс жазбасында келесі тәртіппен баяндалды: Бірінші бөлімде БЛЖС-тың жалпылама құрылымы қарастырылып, екінші бөлімде EB-136 қондырғысының негізінде техникалық қолданымға арналған бірнеше құрылымның жұмыс бағыты баяндалып, сәйкесті жұмыс бағдарламаларының жалпылама түсініктемесі келтірілді. Үшінші тарауда істелген жұмысыма байланысты экономикалық есептеу нәтижелері келтіріліп, төртінші тарауда техникалық қауіпсіздік мәселелері талқыланды. 15
1 Бағдарламалы құрылымды микросұлбалар 1.1 Бағдарламалы құрылымды құрылғылар Бағдарламалы құрылымды ЖС-лардың (БҚЖС) қолданылым аймағы аса кең, олар арқылы жүйенің жеке блоктарын ғана емес, құрамына жадысы мен процессоры енгізілген бүкіл жүйе де құруға болады. Оларды көбіне аз мөлшермен шығарылатын бұйымдарды тез және тиімді тәсілмен құруға пайдаланылады. Айта кететін тағы бір маңызды қолданылым бағыты, ол жүйенің ақырғы жүзеге асырылуы қандай құралдар арқылы болса да, оның бастапқы түрін бағдарламалы құрылымды микросұлбалар арқылы құру аса ыңғайлы болады. БҚЖС бағдарланымдылығы өткізгіштігін пайдаланушының өзі өте кіші мәнге немесе өте жоғары мәнге (яғни, кілттің ажыратылған немесе қосылған жағдайына сәйкесті) қоя алатын, қосполюстіктер түріндегі көптеген кілттер болуымен қамтамасыз етіледі. Кристалда қалыптастырылатын сұлбаның конфигурациясы кілттердің жағдайын қою арқылы беріледі. Қазіргі заманғы БҚЖС-ларда бағдарланушы кілттердің келесі түрлері қолданылады:
antifuse түріндегі жалғамдар;
қос жаппалы ЛИЗМОП транзисторлары;
конфигурация жадысының триггерлерімен басқарылатын кілттік транзисторлар. Аntifuse түріндегі жалғамдды БҚЖС-ны бағдарлау бір рет қана жүргізіледі. Жалғамдар қабаттары “оксид-нитрид-оксид” түрінде кезектескен үшқабатты диэлектрикпен құрылады. Қабаттарының кезектесіміне сәйкесті бұндай жалғамдар ONO (Oxid-Nitrid-Oxid) түрлі жалғамдар деп аталады. Бағдарлау, жалғамды тесіп, электродтар арасында поликремнийлік өткізу арнасын құратын, кернеу импульсімен жүргізіледі. Қалқыма жаппалы ЛИЗМОП транзисторлы элементтер БҚЖС-ларда бағдарламалы жады сұлбаларындағы сияқты пайдаланылады. УК сәулемен өшірілетін элементтерден ешқандай өшірілу мүмкіндігі жоқ EPROM-OTP (OTP, One Time Programmable) варианты бөлініп шықты Конфигурация жадысының триггерлерімен басқарылатын транзисторлық кілт 1.1-суретте көрсетілген. Жаппасы триггерге қосылған кілттік транзистор Т2 триггердің жағдайына байланысты ab аралығын тұйықтайды немесе
ажыратады. БҚЖС-ны
бағдарлау жады
конфигурациясына сәйкесті деректерді енгізу арқылы жүргізіледі. Бұл кезде таңдалым жолындағы (FL, Fetch Line) жоғарғы потенциал Т1 транзисторын қосып, жазу-оқу жолындағы (WRL, Write/Read Line) сигнал триггерді сәйкесті жағдайға қояды. Жұмыс режимінде транзистор Т1 жабық болады да, триггер өзгермес жағдайын сақтайды.
16
1.1 Сурет Кілттік Т2 транзисторын (pass-transistor) бағдарланымды байланыс нүктесі (PIP, Programmable Interconnection Point) деп атауға болады. Конфигу- рациясы триггерлі жадымен берілген БҚЖС-ны қайта бағдарлау жұмыс режимінде кодтар тізбесін триггерлер тізбесіне жазу арқылы жүргізіледі. БҚЖС-ның жалпы қасиеттері туралы айта отырып, құрылымының реттілігіне байланысты олардың аса жоғары деңгейлі жиналыммен жүзеге асырылатындығын айта кету керек. GA құрылымдарынан ерекше, БҚЖС құрылымдарында логикалық элементтермен қатар триггерлер мен т.б. және олардың арабайланыстары да жүзеге асырылған. БҚЖС тұтынушысы ақырғы операцияларды жүргізу үшін оларды жасаушыға байланыспай-ақ, бағдарлауды өзі жүргізеді. Сондықтан бұндай микросұлбаларды стандартты өнімге теңеуге негіз бар, ал бұл белгілі артықшылықтарға – өндірісте шығарылу санының кеңейтілуіне және құнының кемуіне әкеледі. PLA, PAL және GA микросұлбаларының құрылым негізін қалаған идеялар мен олардың бағдарлану принциптері бағдарламалы және қайта бағдарламалы құрылымды логикалық сұлбалардың негізгі даму бағыттарын анықтады. GA бағытының жалғасы – FPGA (Field Programmable Gate Arrays), ал PAL бағытының жалғасы CPLD (Complex Programmable Logic Devices) ЖС болды. Бұл екі құрылымның артықшылық жақтарын біріктіру FLEX (Flexible Logic Element MatriX) аталымды аралас архитектураның құрылуына әкелді. Жиналым деңгейінің көтерілуі кристалда, күрделілігі жағынан түгел жүйеге сәйкес келетін, SOC (Systems On Chip) деп аталатын, сұлбаларды орналастыруға мүмкіндік берді.
Вентилдік матрицалардың (GA, Gate Array) бастапқы үлгілері жоғарыөнімді ЭЕМ-ларының стандартты емес сұлбаларын кіші және орта деңгейлі жиналымды микросұлбаларсыз жүзеге асыруға құрал ретінде шығарылғанды. GA-ның
бірінші ұрпағының негізі –
реттелімді орналастырылған базалық ұяшықтардың (БҰ) жинағы, олардың араларында байланыстар (арналар) құруға бос аймақтар қалдырылған. GA-ның ішкі аймағындағы базалық ұяшықтардың құрамында бір-біріне жалғанбаған элементтердің (транзисторлардың, резисторлардың және т.б.) топтары, ал кристалдың перифериялық аймақтарында, сұлбалық компоненттері GA-ның 17
сыртқы әлеммен байланысын жүзеге асыруға бағытталған, енгізу-шығару ұяшықтары орналастырылған. Сонымен, GA-ны сәйкесті байланыстарды жүзеге асыру арқылы қажетті сұлбаға айналдырылатын бастапқы дайындалым ретінде қарастыруға болады. GA түрлерін суреттеместен бұрын негізгі түсініктер мен анықтамаларға тоқтай кетелік. Базалық ұяшық (БҰ) кристалдың нақтылы аймағында реттелімді қайталанатын сұлбалық элементтердің жинағы екендігі алдында анықталғанды. GA-ның ішкі аймағындағы базалық ұяшықтар матрицалық – базалық ұяшықтар (МБҰ), перифериялық аймақтың ұяшықтары перифериялық базалық ұяшықтар (ПБҰ) деп аталады. GA ұяшықтарын ұйымдастыруға екі тәсіл қолданылады:
болады, ал одан күрделірек қызметтерді жүзеге асыру үшін бірнеше ұяшық пайдаланылады;
болады, ұяшық элементтерінің құрамы ең күрделі түйіннің сұлбасымен анықталады. Қызмет ұяшығы (ҚҰ) – бір немесе бірнеше БҰ элементтерін жалғау арқылы жүзеге асырылатын сұлба. Қызмет ұяшықтарының қоры – GA негізінде жобалау кезінде пайдаланылатын ҚҰ-лар жинамы. Құрамына көптеген (жүздеген) қызмет элементтері, түйіндер және олардың жеке бөліктері кіретін, бұл қор GA-ның жасалуы кезінде құрылады және олар ақырғы құрылғыны құрушыға бір немесе бірнеше БҰ арқылы жүзеге асырылуға мүмкіндік беретін дайын шешімдер ұсынады. Сұлбақұралыстық мәселелер қор құрылуы кезінде шешілгендіктен, пайдаланушы қормен жұмыс істеу арқылы жобалауды қызметтік-логикалық деңгейде жүргізеді. Эквивалентті вентиль (ЭВ) – логикалық функцияны (әдетте екікірісті ЖӘНЕ-ЕМЕС немесе НЕМЕСЕ-ЕМЕС элементін) жүзеге асыруға мүмкіндік беретін, GA элементтерінің тобымен сипатталатын, GA күрделілігін бағалауға арналған түсінік. Жол жүргізу (трассировка) арналары – GA кристалындағы арабайланыстар орналастыруға арналған кеңістіктер. 1.2.1 GA түрлері Бастапқы, және классикалық ретінде қарастырылатын, арналы GA-ның ішкі (орталық) аймағында базалық ұяшықтар мен жол жүргізу арналары орналастырылған. Оларда байланыс құру мүмкіншілігі жоғары, бірақ элементтердің орналастырылым тығыздығы (арабайланыстарға едәуір кеңістіктің бөлінетіндігінен) кемдеу болады. Арналы архитектура, үлкен энергия шашырамын қажет қылатын, бипо- лярлы GA-ларға тән. 18
Арабайланыстар орналастыруға бөлінген аймағы кемітілген, жоғары жиналымды GA құру жолын іздеу арнасыз GA архитектурасына әкелді. Бұндай GA-ның ішкі аймағында тығыз орналастырылған базалық ұяшықтар болады, бірақ арабайланыстар жүргізуге арналған арналар болмайды. Бұл кристалдың БҰ орналасқан кез келген аймағын логикалық сұлба құруға да, арабайланыстар құруға да пайдалануға болады. Арнасыз GA, элементтердің орналастырылуы тығыз және энергия шашырамы аз болатын, КМТШ- сұлбақұралысына тән. GA кристалының перифериялық аймағында, сұлбалық компоненттері енгізу-шығару жұмыстарын жүзеге асыруға бағытталған, арнайы ПБ-лар орналасқан. Өңделуші сигналдар түрі (цифрлық, аналогты) базалық ұяшықтардың сұлбалық элементтерінің құрамына әсер етеді. Бұған бұған байланысты GA цифрлық, аналогты және цифрлы-аналогты болып бөлінеді. Аналогты және цифрлы-аналогты GA құрамында операциялық күшейткіштер, аналогты кілттер мен компараторлар және т.б. құруға мүмкіндік береді. Пайдаланылатын сұлбақұалысына байланысты жіктеме GA-лардың негізгі варианттарын ғана сипаттайды. Максималды тезәрекеттілік варианттары ЭБЛ түріндегі сұлбалармен жүзеге асырылады. КМТШ сұлбақұалысы, алдында айтылғандай, элементтердің орналастырылу тығыздығын көтерілген және энергия шашырамы азайтылған микросұлбалар құруға ыңғайлы. ТТЛШ сұлбақұалысының негізінде тезәрекеттілігі орташа келетін GA жасалады. 1.2-суретте екіқатарлы логикалық элементтер жүзеге асыруға арналған ЭБЛ түрлі GA-ның БҰ-ның құрамы көрсетілген. Ондағы R0 резисторларын параллель немесе тізбелеп қосу арқылы тезәрекеттілігі мен тұтынатын қуаты әртүрлі сұлбалар құруға болады.
1.2 Сурет 1.3-суретте КМОП түрлі GA-ның БҰ-ның бір варианты келтірілген. Оның сұлбалық элементтері ретінде с р- және n-арналы транзисторлар ғана 19
пайдаланылады. Суретте 4 транзисторлы ұяшық сұлбасы көрсетілген. Транзи- сторларды тізбе немесе параллель жалғау арқылы ЖӘНЕ-ЕМЕС және НЕМЕСЕ-ЕМЕС логикалық элементтерінің сұлбаларын жүзеге асыруға болады. Ұяшықтарды күрделендіру қарапайым ұяшықтарды біріктіру арқылы жүргізіледі.
1.3 Сурет жүктеу/скачать 3,28 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|