Выбор и описание используемой серии элементов

Пояснительная записка

к курсовой работе
по дисциплине

«Узлы и устройства ЭВМ»

Вариант №10

Выполнил: Головин В.В.

группа 1305

Преподаватель: Фураев И.А.

Санкт-Петербург

2014 г.

Содержание

1. Задание……………………………………………………………………………………...3

2. Введение…………………………………………………………………………………….4

3 Сравнительный анализ возможных вариантов реализации……………………………..5

3.1 Описание возможных вариантов реализации разрабатываемого узла на уровне функциональных схем без конкретизации логического базиса………………….….5

3.1.1. Схема на основе реверсивного счетчика……………………………...…..5

3.1.2. Схема на основе компаратора…………………………………………......6

3.2 Выбор наилучшего варианта реализации………………………………………..8

4 Выбор и описание используемой серии элементов……………………………………...9

4.1 Выбор типа системы элементов и конкретной серии…………………………....9

4.2 Описание элементов используемой серии в целом……………………..……….9

4.3 Условные обозначения, назначение отдельных выводов и технические характеристики конкретных микросхем, используемых в разрабатываемом узле...10

5. Выбор и описание интерфейсных микросхем, необходимых для сопряжения разрабатываемого узла с заданным интерфейсом………………………………………….12

6. Разработка принципиальной схемы узла, включая схему сопряжения с интерфейсом..13

7. Ориентировочный расчет максимального времени переходных процессов в схеме и потребляемой мощности………………………………………………………………………14

7.1 Расчет максимального времени переходных процессов………………………….14

7.2 Расчет потребляемой мощности…………………………………………………….14

8. Заключения и выводы по проделанной работе……………………………………………14

9. Список используемой литературы…………………………………………………………14

Задание

Шифр: задание – 10, вариант – 1, система элементов – 6, критерий затрат – 2.

Рисунок 1. Упрощенная временная диаграмма работы преобразователя.

Разработать узел для преобразования n-разрядного параллельного кода в широтно-модулированный импульсный сигнал. Пример выхода представлен на рисунке 1.

Узел работает в режиме запуска-останова. Входной код, сигналы пуска и останова постопают из процессора.

Моменты приема информации отстоят друг от друга на время T(Nmax+1), где T – период сигнала, Nmax – максимальное числовое значение входного кода.

Разрядов n=8.

Система элементов ТТЛШ (серии 530, 531, 533, 1533), критерий затрат – максимум быстродействия.

Тип используемого интерфейса – Microbus.

2. Введение

Микроэлектроника является одной из наиболее быстро развивающихся областей науки и техники. Непрерывно улучшаются технические характеристики и расширяются функциональные возможности микроэлектронных изделий – интегральных схем. Совершенствование микросхем достигается благодаря прогрессу в физике, технологии и схемотехники.

Все разнообразные средства цифровой техники: ЭВМ, микропроцессорные системы измерения и автоматизации технологических процессов, цифровая связь и телевидение и т.д. строятся на единой элементной базе, в состав которой входят чрезвычайно разные по сложности микросхемы – от логических элементов, выполняющих простейшие операции, до сложнейших программируемых кристаллов, содержащих миллионы логических элементов.

Важнейшей задачей, решаемой с помощью методов и средств микросхемотехники, является схемотехническая разработка новых типов интегральных схем. Одним из крупнейших достижений микроэлектроники и вычислительной техники является создание микропроцессоров.

Следует заметить, что отсутствие отечественных микросхем современного уровня компенсируется сейчас доступностью зарубежной элементной базой.

3. Сравнительный анализ возможных вариантов реализации

3.1. Описание возможных вариантов реализации разрабатываемого узла на уровне функциональных схем без конкретизации логического базиса

3.1.1 Схема на основе реверсивного счетчика

Необходимо получить широтно-модулированный импульсный сигнал из 8-разрядного параллельного кода. Для этого используем реверсивные счетчики с предустановкой.

Процессор формирует прямой параллельный код и подает на порт процессора, затем производится предустановка счетчиков потенциальным сигналом. Далее вырабатывается сигнал старта (фронт) на D-триггер, у которого на выходе при сигнале START формируется единичный потенциальный сигнал. Запускается счетчик. Так как код на входе у нас прямой, следовательно, с каждым тактом необходимо вычитать единицу; при переполнении первого счетчика (когда все разряды Q0..Q3 равны нулю) происходит перенос на следующий счетчик. Так происходит до тех пор, пока выходы обоих счетчиков не будут равны нулю. Выход переноса второго счетчика подается на вход D-триггера. Выход на D-триггере становится равным нулю на процессор идет сигнал, уведомляющий о завершении работы. Для выполнения следующего цикла сброс счетчиков не требуется, так как выполняется предустановка.

Реализуем счетчики наращиванием на основе четырёхразрядных счетчиков. В качестве примера возьмем синхронные реверсивные 533ИЕ7: К555ИЕ7 (двоичный, рис. 2).

Рисунок 2. Счетчик К555ИЕ7.

Функциональная схема узла предоставлена в приложении 1.

Временная диаграмма работы схемы (для одного из счетчиков) представлена в приложении 3.

3.1.2 Схема на основе компаратора

Необходимо получить широтно-модулированный импульсный сигнал из 8-разрядного параллельного кода. Для этого возьмем компаратор с двоичным счетчиком.

Процессор формирует прямой параллельный код, который подается из портов процессора на входы P₀..P₇ компараторов. Далее вырабатывается сигнал старта (фронт) на D-триггер, у которого на выходе при сигнале START формируется единичный потенциальный сигнал. Производится запуск первого двоичного счётчика. Код с выхода счетчика сравнивается с кодом, который подается из портов процессора на компаратор, когда они будут равны на выходе “=” появится ноль. Запустится второй счетчик. Так происходит до тех пор, пока последний третий компаратор не выдаст на выходе“=” ( ) ноль. Выходы компараторов через элемент “или” подаются на вход CL D-триггера. Выход на D-триггере становится равным нулю, на процессор идет сигнал, уведомляющий о завершении работы. Для выполнения следующего цикла сброс счетчиков выполняется процессором через Reset.

В качестве примера возьмем четырехразрядный компаратор К555СП1, аналог приведен на рисунке 3 (SN74LS85).

Рисунок 3. 4-разрядный цифровой компаратор К555СП1.

Функциональная схема узла предоставлена в приложении 2.

3.2. Выбор наилучшего варианта реализации

Заданным критерием оптимизации является максимальное быстродействие.

Из схемы 1 видно, что основные временные задержки будут возникать при переключении D-триггера, счетчики являются синхронными. Схема №2 так же имеет D-триггер, который выдает на выходе единичный сигнал необходимой нам длительности, но кроме этого на них присутствует дополнительная логика состоящая из элементов сравнения: компаратора, а так же дополнительные элементы “и” и “или”. Это звено дает дополнительную задержку в цикле работы.

В схеме построенной на реверсивных счетчиках сигнал будет проходить через 2 четырехвходовых счетчика ИЕ7, D-триггер и двухвходовой элемент “и”. Во второй схеме – через 2 асинхронных счетчика, два компаратора (два на 4 разряда), элемента “и” на 4 входа, элементы “и” на два входа и D-триггер.

Итак, по критерию максимального быстродействия, выберем схему реализации на основе реверсивного счетчика.

Расчет мощности

Мощность складывается из двух составляющих: статической и динамической.

P = Pстат + Pдин

Pдин = ((Сн + Свых)*E2 * Fмакс)

Сн = См + к * Свх =15 * 10^-12 + 1 * 10 * 10^-12 =25 нФ

P = ((25 + 30) * 25 * 100 * 10⁶) * 10^-12 + 2*0, 17 + 0, 12 = 0, 597 Вт

Список использованной литературы

Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование цифровых устройств: Учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2012. – 896с.
Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ – Санкт –Петербург, 2000.
Блинков О.Е., Смирнов А.М., Угрюмов Е.П. Узлы и устройства ЭВМ: Методические указания к курсовому проектированию. – ЛЭТИ – Санкт –Петербург, 1991.

Пояснительная записка

к курсовой работе
по дисциплине

«Узлы и устройства ЭВМ»

Вариант №10

Выполнил: Головин В.В.

группа 1305

Преподаватель: Фураев И.А.

Санкт-Петербург

2014 г.

Содержание

1. Задание……………………………………………………………………………………...3

Задание

Шифр: задание – 10, вариант – 1, система элементов – 6, критерий затрат – 2.

Рисунок 1. Упрощенная временная диаграмма работы преобразователя.

Узел работает в режиме запуска-останова. Входной код, сигналы пуска и останова постопают из процессора.

Разрядов n=8.

Система элементов ТТЛШ (серии 530, 531, 533, 1533), критерий затрат – максимум быстродействия.

Тип используемого интерфейса – Microbus.

2. Введение

3. Сравнительный анализ возможных вариантов реализации

3.1.1 Схема на основе реверсивного счетчика

Рисунок 2. Счетчик К555ИЕ7.

Функциональная схема узла предоставлена в приложении 1.

Временная диаграмма работы схемы (для одного из счетчиков) представлена в приложении 3.

3.1.2 Схема на основе компаратора

В качестве примера возьмем четырехразрядный компаратор К555СП1, аналог приведен на рисунке 3 (SN74LS85).

Рисунок 3. 4-разрядный цифровой компаратор К555СП1.

Функциональная схема узла предоставлена в приложении 2.

3.2. Выбор наилучшего варианта реализации

Заданным критерием оптимизации является максимальное быстродействие.

Итак, по критерию максимального быстродействия, выберем схему реализации на основе реверсивного счетчика.

Выбор и описание используемой серии элементов

4.1. Выбор типа системы элементов и конкретной серии

У нас в стране обширна номенклатура выпускаемых интегральных микросхем, делящихся на серии элементов по способу функциональной организации: КМОП, ТТЛ(Ш), ЭСЛ.

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL) — разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики).

В ТТЛШ реверсивные счетчики и D-триггеры присутствуют в серии 533 (микросхемы К555ИЕ7 и К555ТМ2 соответственно).

4.2. Описание элементов используемой серии в целом

Высокое быстродействие в сочетании с низкой потребляемой мощностью и большой нагрузочной способностью, широкий набор логических и интерфейсных микросхем серии 1533 позволяет создавать вычислительные устройства цифровой автоматики с качественно новыми характеристиками и высокими технико-экономическими показателями.

Существенной особенностью серии KPL533 является наличие интерфейсных и буферных микросхем, обладающих повышенной нагрузочной способностью по выходу в состоянии высокого и низкого уровня (10Н=15 мА, [q^=24 мА) и меньшей, в сравнении с серией КР1531, мощностью потребления при практически сравнимом быстродействии. Микросхемы серии КР1533, имеющие функциональные аналоги в других сериях, совпадают с ними в части разводки выводов в корпусе. Это позволяет проводить полную замену микросхем серий К555, К533, К155, КР1531 и добиваться уменьшения размеров блоков питания, уменьшения рассеиваемой мощности и повышения надежности.

Микросхемы серии КР1554 обладая всеми преимуществами КМОП микросхем, превзошли новейшие серии ТТЛ ИС по быстродействию и нагрузочной способности по выходу, что позволит разработчикам аппаратуры существенно улучшить технические и технико-экономические характеристики разрабатываемых изделий.

Сравнительные характеристики серий логических микросхем параметров микросхем-аналогов. Все изменения в установленном порядке вносятся в технические условия, номера которых приведены в описании на каждую микросхему.

Таблица 4.1

Наименование параметра	Обозн.	К555	КР1533	КР1561		КР1554	Единица измерения
Технология		ТТЛШ	ТТЛШ	КМОП	КМОП	КМОП
Аналог		74LS	74ALS	Н4000	74НС	74АС
Диапазон напряжений питания	Ucc	5+5*	5+10*	3, 0-15	2.0-6.0	2.0-6, 0	В
Диапазон температур	т	-10+70	-10+70	-10+70	-40+85	-40+85	°С
Входное	UlH	2, 0	2.0	3, 15	3.15	3, 15	В
напряжение	UlL	0.8	О.В	0.9	0, 9	1.35	в
Выходное	Ион	2.7	2.7	UccrO.1	UCC-0, 1	Ucc-0, 1	в
напряжение	%	0.5	0, 5	0.1	0, 1	0.1	В
Входной ТОК	IlH			+0.3	+1.0	+1, 0	мкА
1ц	-400	-200	-0, 3	-1.0	-1.0	мкА
Выходной ТОК		-0.4	-0, 4	-0.44	-4, 0	-24	мА
%	6, 0	8.0	0.44	. 4, 0		мА
Запас помехоустойчивости тип/макс		0, 3 0.7	0.4 0, 7	0, 8 1.25	0, 6 1, 25 '	1.25 1.25	В
Ток потребления на вентиль	h	0.4	0, 2	0, 0005	0.0005	0, 0005	мА
Мощность потребления на вентиль (статическая)	Рв	2, 0	1.2	0, 0025	0, 0025	0.0025	нбт
Энергия переключения	э	14.0	6.6	0.02	0, 02	0.01	пДж
Частота переключения СЬтриггера	рмакс	33.0	50.0	6.0	50, 0	150.0	НГи
Время задержки распространения (ЛАЗ) тип/макс	ч	10.0 15, 0	5.0 11.0	40.0 160, 0	10, 0 23, 0	4.0 8, 5	нс
Время задержки распространения (ТМ2) (вход С - выход данных) тип/макс	tp	25.0 40, 0	12.0 1.8, 0	60.0 420.0	23, 0 44.0	8.0 10, 5	НС

Примечания.

1. Статические параметры представлены для диапазона температур.

2. Значения параметров 1в, Рв. Э. FMaKC. рассчитаны по типовым значениям.

3. Значения параметров tp представлены для К555 при U(x=5, OB, CL=15n®; для КР1533, 1564, КР1554 - при UCq=5. ОВ+10*. CL=SOnO; типовое значение - при 25°С; максимальное значение для КР1533 - в диапазоне от -10 до +70°С; максимальное значение для для КР1554 - в диапазоне от -45 до +85°С,

4.3. Условные обозначения, назначение отдельных выводов и технические характеристики конкретных микросхем, используемых в разрабатываемом узле.