Проектирование операционных устройств с микропрограммным управлением

 

Содержание

 

 

 

 

 

Введение

Роль и значение компьютеров в современной жизни общеизвестны. Аппаратные методы решения задач также важны и в ряде случаев незаменимы. Многие приложения, такие как моделирование динамических объектов, управление движением (особенно управление движением совокупности объектов), обработка сигналов и изображений в реальном времени, реалистичная компьютерная графика, связаны с многократным выполнением сравнительно простых операций, причем требуют выполнения до нескольких миллиардов операций в секунду.

Последовательное выполнение большого числа элементарных шагов при компьютерном решении задачи занимает относительно большое время. Кроме того, независимость аппаратных средств от сложности решаемой задачи имеет и оборотную сторону — даже для простейших задач нужны блоки, образующие компьютер в целом. Таким образом, простые задачи и задачи, которые должны решаться в реальном масштабе времени, могут привести к необходимости применения аппаратных вариантов решения.

Для создания аппаратных средств решения задач нужен набор различных элементов, узлов и устройств. Такой набор можно реализовать на микросхемах разного уровня интеграции: малого (МИС), среднего (СИС), большого (БИС) и сверхбольшого (СБИС). Применение БИС/СБИС и исключение из схемы МИС и СИС существенно улучшает параметры аппаратуры (стоимость, быстродействие, надежность, экономичность по потребляемой мощности и др.).

Для некоторых разновидностей СБИС программируемой логики возможна реконфигурация в оперативном режиме, т. е. без извлечения микросхемы из работающей системы и с высокой скоростью. Оперативное программирование микросхем — путь для новых принципов построения аппаратуры.

В связи с этим тема дипломного проекта «Проектирование операционных устройств с микропрограммным управлением» является актуальной.

Цель дипломного проекта: на примере разработки микропроцессорной системы модернизировать более раннюю разработку устройства на базе микроконтроллера MCS-48, предназначенного для увлажнения дыхательной смеси.

 

 

 

 

 

 

 

1 Аналитический раздел

Под операционным устройством понимают вычислительный узел, способный многократно выполнять любое преобразование из набора, предусмотренного для этого узла, каждый раз, когда на него поступает сигнал, инициирующий преобразование (команда). Часто реализация команды требует последовательного выполнения нескольких шагов. Это может быть связано с тем, что на некоторых шагах используются результаты, полученные на предыдущих шагах, или с тем, что данные поступают, а результаты должны выдаваться в определенной последовательности, или с наличием ограничений на затраты оборудования.

При высоких требованиях к производительности элементарные действия стараются распределять между несколькими параллельно работающими блоками, причем для алгоритмов, предусматривающих использование результатов некоторого шага на последующих шагах, применяют конвейерную реализацию. Однако при умеренных требованиях по производительности с целью уменьшения объема оборудования однотипные операции выполняют последовательно в одном и том же блоке, даже если операции функционально независимы.

Часто становится оправданной частичная перестройка функций операционных блоков в процессе исполнения команды. Элементарное действие в этом случае называют микрооперацией. Несколько одновременно выполняемых действий объединяются микрокомандой. Последовательность микрокоманд, исполняемых в процессе реализации команды, называют микропрограммой.

Языки проектирования дискретных устройств, позволяют описать любой алгоритм в последовательной форме, т. е. через последовательность операторов присваивания и принятия решений. Однако более удобный и чаще используемый подход к проектированию операционных блоков вычислительных устройств заключается в разделении устройства на два блока — устройство управления и операционный блок. При этом в операционном блоке выполняются преобразования данных, а устройство управления обеспечивает необходимую последовательность микроопераций, выполняемых в операционном блоке, передавая на входы операционного блока управляющие сигналы (микрокоманды). Последовательность действий, а значит управляющих сигналов, зависит как от результатов выполнения операций в операционном блоке, так и от внешних сигналов.

Управляющий блок удобно описывать в форме конечного автомата того или иного типа. Операционный блок обычно представляют как набор регистров, логических блоков, буферных схем, а также коммутируемых связей между ними.

1.1 Анализ оборудования

В данном дипломном проекте рассматривается проектная процедура ПЛИС типа SOPC реализованная на базе микроконтроллера MCS-48.

В состав разрабатываемой системы должен входить 12 -разрядный аналого-цифровой преобразователь, записывающий по запросу параллельный код в буферное ОЗУ емкостью 256 двенадцатиразрядных слов, 8 входов и 8 выходов, для дискретных сигналов и блок сравнения двух входных восьмиразрядных кодов с содержимым регистра установок, которое задается программным обеспечением МП-ядра и сохраняет значения текущих установок. Использование схем класса СИС и МИС должно быть в модернизированном варианте минимизировано за счет применения схем программируемой логики.

На начальном этапе проектирования необходимо  разделить функции между программным обеспечением, опирающимся на стандартные компоненты микроконтроллерной части системы, и специфическим аппаратным обеспечением.

Для размещения программного обеспечения требуется 16 Кбайт памяти. Стандартное для всех МП-систем оборудование.

1.2 Постановка задачи проектирования

В рамках данного дипломного  проекта при анализе возможных вариантов реализации МП -ядра ограничиться рассмотрением вариантов, базирующихся на MCS -51, поскольку при этом упрощается процедура перевода большинства решений MCS -48 на MCS -51. В качестве элементов программируемой логики  будем ориентироваться на продукцию фирмы Altera. Это допустимо, поскольку проектируемый прибор не должен обладать каким-либо исключительными свойствами — малым потреблением мощности, обеспечением секретности разработки (наличием битов секретности), требованием радиационной стойкости и, соответственно, ориентации на ПЛИС с пережигаемыми перемычками.

1.3 Сравнительный анализ

Реализация проекта возможна в различных вариантах. В соответствии с заданием анализироваться будут варианты, имеющие в качестве МП-ядра тот или иной вариант контроллера MCS -51.

К основным можно отнести следующие варианты реализации:

1) использование обычного контроллера семейства MCS -51, автономных средств аналого-цифровой обработки и размещение всей дискретной части проекта в ПЛИС (для конкретности будем ориентироваться на ПЛИС фирмы Altera);

2) использование БИС класса SOPC generic фирмы Altera и мегафункции фирмы CAST для реализации МП -ядра;

3) использование микроконтроллера, совместимого по системе команд с MCS -51 со встроенными средствами аналого-цифровой обработки (для определенности будем ориентироваться на применение БИС ADuC812 фирмы Analog Devices), и реализация недостающих дискретных элементов в ПЛИС фирмы Altera;

4) использование БИС класса SOPC фирмы Triscend семейства Е5, содержащей в качестве МП -ядра встроенный микроконтроллер 8032 и конфигурируемую логику типа FPGA, и реализация внешнего аналого -цифрового преобразования (для определенности протокола будем ориентироваться на применение БИС AD7892 фирмы Analog Devices).

Первый вариант реализации (рисунок 1) предполагает использование в качестве МП -ядра классической микросхемы MCS -51 (одну из БИС фирмы Atmel) и применение БИС ПЛ фирмы Altera для реализации недостающих дискретных компонентов. Необходимый объем памяти команд требует использования БИС семейства AT87F55 или АТ89С55 либо применения внешней памяти команд (EEPROM Insraction), что в свою очередь предполагает включение в состав ПЛИС специального регистра, защелкивающего старшие разряды адреса, — Reg_BD. Требуемые объем и скорость заполнения буферной памяти заставляют при выборе типа ПЛИС ориентироваться на семейства, содержащие встроенные блоки ОЗУ — т. е. типа FLEX10K. Последнее заставляет включить в состав устройства специальное загрузочное ПЗУ (память конфигурации ПЛИС). Суммарные затраты на комплектацию устройства составят сумму в несколько десятков долларов. Конструктивно (как видно из рисунка) система должна содержать 5 или 6 корпусов ИС.

Рисунок 1- Вариант реализации проекта на БИС МК фирмы Atmel и БИС ПЛ фирмы  Altera

Второй вариант реализации имеет укрупненную функциональную схему, соответствующую приведенной на рисунке 2. Основу проекта составляет ПЛИС класса SOPC generic, конфигурация которой включает МП -ядро (на базе стандартной мегафункции) и требуемую дополнительную логику: выходной регистр Reg_D , регистр формирования адреса памяти команд Rеg_BD, входные регистры Reg_A, Reg_B и Reg_C, буфурное ОЗУ (RAM) и автоматы, управляющие работой ADC и ОЗУ (Avt_RAM). Помимо БИС ПЛ схема содержит дополнительные элементы: ИС времязадающего генератора (OSC), ИС ПЗУ конфигурации (EEPROM config), ИС ПЗУ команд (EEPROM Instuction), ИС аналогового коммутатора (MUX) и ИС АЦ преобразователя (ADC). Поскольку мегафункция микроконтроллера в этом варианте реализации требует (в зависимости от скоростных требований) от 2400 до 2860 логических ячеек, то для воплощения проекта понадобится БИС ПЛ класса не ниже 10К50.

Рисунок 2 – Вариант реализации проекта на БИС ПЛ класса SOPC generic

 

Стоимость ее в варианте семейства FLEX10K превысит 200 долларов, поэтому ориентация на такой проект будет экономически неоправданной при выпуске даже опытной партии устройств. Реализация этого варианта может иметь смысл только для ускорения проектных работ. Перевод проекта на более современные типы ПЛИС (например, схемы класса АСЕХ) существенно улучшает экономические показатели (стоимость БИС не превысит 30 долларов), однако это приводит к необходимости построения системы с различными (5 и 3,3) уровнями питающих напряжений.

Третий вариант реализации (рисунок 3) является самым экономичным по числу требуемых для реализации системы числа микросхем. Основу схемы образуют две БИС (БИС ADuC812 фирмы Analog Devices и БИС ПЛ фирмы Altera). БИС ADuC812 фирмы Analog Devices разработчики отнесли к классу микропреобразователей (MicroConverter), поскольку она содержит на одном кристалле микроконтроллер, память, АЦП и ЦАП. Для реализации устройства дополнительно потребуется одна БИС конфигурационного ПЗУ (EPROM) и одна ИС времязадающего генератора (OSC).

Рисунок 3 – Вариант реализации проекта на БИС ADuC812 и BИC ПЛ EPX10K10

 

Структура устройства, конфигурируемого в БИС ПЛ, сохраняет элементы предыдущих вариантов. Стоимость БИС класса ADuC812 фирмы Analog Devices не превышает 15 долларов, но и стоимость БИС ЕРХ10К10 фирмы Altera чуть больше 10 долларов. Приобретение средств, сопровождающих разработку, может потребовать затрат порядка 100 долларов.

Последний вариант рисунок 4, опирающийся на продукцию фирмы Triscend, потребует для своей реализации, помимо БИС семейства Е5, четырех схем СИС (организация БИС семейства Е5 позволяет объединить в одной БИС ПЗУ память команд МК и память конфигурации БИС ПЛ — EEPROM). Блоки, реализуемые конфигурируемой системной логикой (CSL) кристалла Е5, функционально совпадают с блоками, размещенными в БИС ПЛ предыдущего варианта.

Рисунок 4- Вариант реализации проекта на БИС ПЛ класса SOPC фирмы Triscend E5

Стоимость БИС семейства в зависимости от тактовой частоты и количества конфигурируемых ячеек системной логики может колебаться от 10 до 100 долларов. Сформулированные требования повлекут за собой использование ИС с логическими ресурсами, характерными для БИС типа ТЕ5002, что значительно удорожит проект до 170 долларов. Основным достоинством последнего варианта, помимо минимизации числа корпусов ИС, является высокая надежность продукции, простота отладки опытной партии и легкость контроля конечной продукции при серийном изготовлении. Именно это и позволяет на нем остановиться. Дополнительными факторами, определяющими целесообразность реализации проекта на кристаллах типа SOPC (в примере — БИС фирмы Triscend), является возможность совершенствования и модернизации проекта, включая полное изменение аппаратной и программной начинки кристалла (т. е., практически, реализацию других проектов), без каких -либо конструктивных изменений.

 

 

 

 

 

 

2 Конструкторский раздел

2.1 Построение функциональной модели

Функции между SW и HW к стандартным для всех МП-систем оборудование соответствуют рисунку 5. Необходимость аппаратной реализации сравнения содержимого регистра установок с данными каналов В и С, так же как аппаратная поддержка режима записи данных в блок памяти (RAM) и управление работой аналого-цифрового преобразователя (ADC) связаны со скоростными требованиями к обработке соответствующих данных. На рисунке требуемые блоки управления имеют названия C n t _ c m p , c n t _ A D C и будут использоваться в дальнейшем описании.

Рисунок 5 – Функциональная схема аппаратно реализуемых фрагментов проекта

Для этого этапа проектирования характерно (как минимум, предварительное) согласование внешних и внутренних (между SW и HW) интерфейсных функций разрабатываемой системы. В нашем примере сигналом, инициирующим запись блока данных (128 слов) в память, является сигнал start, а квитирующим сигналом, определяющим допустимость начала нового цикла записи, является нулевое значение сигнала Busy. Запись в память должна производиться в последовательности: старшие 8 разрядов результата преобразования, младшие 4 разряда того же результата. О завершении записи блока данных программное обеспечение МП-ядра должно быть проинформировано выставлением сигнала прерывания int.

2.2 Построение структурной схемы

Блочная схема устройства приведена на рисунке 6. На рисунке 6 опущены соединения БИС SOPC с загрузочным ПЗУ и схемой тактового генератора. Элементы структуры должны опираться на ресурсы программируемой логики кристалла Е5 (CSL -логики). Функциональное назначение блоков следует из их названий. Схема укрупненно отображает следующие процессы.