Пристрій арифметичного ділення за методом квадратичної апроксимації

Робота програми полягає  у визначенні коефіцієнтів k1 та k2, при умові, що похибка між значеннями виразів та не буде перевищувати .

 

Рис. 2.1. Блок-схема алгоритму роботи програми

Для реалізації алгоритму роботи програми зображеного на рис. 2.1., було створено шість функцій: Dil_f1, Dil_f2, Koeficient, Perevirka, Run та Vuvid.

Функція Dil_f1 розбиває функцію 1/у на N частин в діапазоні х(0.5; 1):

void Dil_f1 () {

p=0.5;

for (i=0;i<=n;i++) {

x1[i]=p;

y1[i]=1/x1[i];

p=p+(0.5/n);

}

}

Функція Dil_f2 визначає значення N фрагментів функції х²:

void Dil_f2 () {

for (i=0;i<=n;i++) {

x2[i]=-((1/(x1[i]*x1[i]))/2);

y2[i]=x2[i]*x2[i];

}

}

Функція Koeficient визначає значення N коефіцієнтів k1 та k2:

void Koeficient () {

for (i=0;i<=n;i++) {

k1[i]=(-(x1[i]-x2[i]));

k2[i]=y1[i]-y2[i];

}

}

Функція Perevirka здійснює перевірку на перевищення допустимої похибки для усіх можливих значень х, в разі виявлення перевищення – збільшується кількість фрагментів на які розбиваються функції в 2 рази та повторно запускається алгоритм функцією Run.

void Perevirka () {

double x=0.5, y, d;

int j;

j=0;

for (i=0; i<(pow(2.0,15.0)); i++) {

if (x>(x1[j])) {

j++;

}

y=k2[j]+(k1[j]+x)*(k1[j]+x);

d=fabs(1/x-y);

if (d>1.5*(pow(10.0,-5.0))) {

n=n*2;

Run();

}

x=x+(0.5/pow(2.0,15.0));

}

}

void Run () {

Dil_f1();

Dil_f2();

Koeficient();

Perevirka();

}

Функція Vuvid записує усі  значення коефіцієнтів k1 та k2 у файли  К1. txt та К2.txt:

void vuvid () {

for(i=0;i<n;i++){

koef1<<k1[i]<<endl;

koef2<<k2[i]<<endl;

}

}

Повний код програми наведено в додатку А.

 

 

2.3. Опис елементної бази та засобів проектування

2.3.1. Огляд програмного пакету  Visual C++ 2010 Express

Програма визначення коефіцієнтів К1 та К2 була розроблена в середовищі Microsoft Visual Studio 2010 Express Edition. Microsoft Visual Studio – серія продуктів фірми Майкрософт, які включають інтегроване середовище розробки програмного забезпечення та ряд інших інструментальних засобів. Ці продукти дозволяють розробляти як консольні програми, так і програми з графічним інтерфейсом, в тому числі з підтримкою технології Windows Forms, а також веб-сайти, веб-додатки, веб-служби як в рідному, так і в керованому кодах для всіх платформ, що підтримуються Microsoft Windows, Windows Mobile, Windows CE, .NET Framework, .NET Compact Framework та Microsoft Silverlight. На рис. 2.2. показано вікно програмного середовища Microsoft Visual Studio 2010 Express Edition.

Рис. 2.2. Вікно програмного  середовища Visual Studio 2010 Express Edition

 

На рис. 2.3. зображено вікно створеного проекту для визначення коефіцієнтів.

Рис. 2.3. Вікно створеного проекту  в середовищі Visual C++ 2010 Express

Visual C++ 2010 Express, є частиною продуктової  лінійки Visual Studio 2010 Express – це вільний  набір інструментів, які розробники  для Windows будь-якого рівня можуть  використовувати для створення  власних застосунків. Visual C++ - потужна  мова, яка надає розробнику повний  і детальний контроль незалежно,  чи створюєте ви Win32 або застосунки, які керуються .NET Framework.

2.3.2 Загальні характеристики САПР Quartus II

При роботі з мікросхемами програмованої логіки основним інструментом є САПР. Фірма Altera пропонує два САПР MAX + PLUS II і Quartus II. Кожен САПР підтримує  всі етапи проектування: Введення проекту, Компіляція, Верифікація і  Програмування. Кожен САПР має Tutorial (Самовчитель), який встановлюється при  інсталяції пакета. Tutorial складається  з занять, в ході якихпроходиться  весь цикл проектування від введення проекту до програмування мікросхем. При інсталяції також встановлює файли, що описують проект так, що в  ході вивчення Tutorial можна пропускати окремі заняття і використовувати  готові файли. Наприклад, можна пропустити "Введення проекту" і перейти до "Компіляції" проекту, використовуючи готові файли.

Рис. 2.4. Вікно програмного  пакету Quartus II

САПР MAX + PLUS II є більш простим  в освоєнні в порівнянні з Quartus II. Він підтримує сімейства MAX, FLEX і ACEX, які містять мікросхеми з 5В  харчуванням і кількістю функціональних перетворювачів від 32 до 4992 і має  меншу кількість налаштувань. Цей  САПР фірма Altera не розвиває і рекомендує переходити на Quartus II.

САПР Quartus II є основним. Фірма Altera активно його розвиває. Він підтримує  всі нові сімейства мікросхем  і має особливостями, яких немає  в MAX + PLUS II.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.5.Таблиця сімейств мікросхем, підтримуваних різними САПР фірми Altera

2.3.3. Основні етапи проектування НВІС ПЛ

Основні етапи проектування НВІС ПЛ:

1. Технічне завдання

2. Введення опису проекту (поведінкове  або структурний)

3. Моделювання (функціональне)

4. Синтез:

• Перетворення опису проекту в  схему на заданій елементній базі

• Оптимізація схеми з урахуванням  обмежень по швидкодії і займаної площі ПЛІС

5. Розводка та розміщення внутрішніх  ресурсів ПЛІС з урахуванням  накладених обмежень по швидкодії  і займані ресурси

6. Часовий аналіз – перевірка відповідності створеної ПЛІС умовам швидкодії ТЗ

7. Моделювання на вентильному  рівні

• Тимчасове моделювання

• Окнечная перевірка правильності функціонування

8. Тестування та налагодження  ПЛІС в складі системи (ISP, JTAG, Signal tap)

Основні можливості пакету Quartus II v.4.1:

• Різні способи введення поведінкових структурних описів проекту

• Інтегровані засоби допомоги для  створення складних проектів Mega Wizard & SOPC

• Система синтезу

• Система рзмещенія внутрішніх ресурсів і розводки ПЛІС

• Система моделювання

• Система часового аналізу і  аналізу споживаної енергії

• Система програмування ПЛІС

• Засоби оптимізації швидкодії LogicLock

• Система інтеграції з іншими САПР

• Система пректирования блоків Цифровий обробки сигналів (DSP)

• Інтегровані засоби розробки ПЗ для мікро-ЕОМ

• Підтримка використання IP-модулів

• Підтримка ОС - Windows, Solaris, HPUS, Linux

Способи введення опису проекту:

• У рамках пакету Quartus

ü Текстовий введення (VHDL, AHDL, Verilog)

ü Редактор пам'яті (Hex, Mif)

ü Схемні введення

• Можливість введення проекту в  інших САПР (EDIF, HDL, VQM)

• Можливість використання мегафункцій  і IP-модулів

• Змішаний спосіб

Текстовий введення опису проекту:

• Можливості:

Ø Нумерація ліній

Ø Використання заготовок мовних конструкцій

Ø Відображення ключових слів кольором

• Використовувані мови

Ø AHDL (Altera Hardware Design Language), розширення *. Tdf

Ø VHDL (Verilog Hardware Design Language), розширення *. Vhd

Ø Verilog - розширення *. V

Схемне введення опису проекту:

При схемному введенні опису проекту  можуть використовуватися:

• Найпростіші логічні елементи

• Параметризуємі модулі

• Мега-функції Altera

• Раніше створені компоненти (тестовим та ін способами)

Рис. 2.6. Вікно створеного проекту  приладу арифметичного ділення в

Quartus II

 

3. ПРОЕКТНО-РОЗРАХУНКОВИЙ РОЗДІЛ

3.1. Розробка функціональної схеми пристрою

Пристрій арифметичного ділення  за методом квадратичної апроксимації проектувався на ПЛІС Altera Cyclon III, за допомогою програмного пакету Quartus II.

На входи пристрою поступають нормалізовані  значення двох чисел в вигляді  з плаваючою комою:

• Хм – 16-ти розрядне значення мантиси першого числа;
• Хп – 8-ми розрядне значення порядку першого числа;
• Ум – 16-ти розрядне значення мантиси другого числа;
• Уп – 8-ми розрядне значення порядку другого числа.

Ці значення записуються у регістри Рг 1МХ, Рг 1ПХ, Рг 1МУ, Рг 1ПУ. За допомогою майстра плагінів було створено Рг 1МХ, Рг 1МУ – 16-ти розрядні D-тригери та Рг 1ПХ, Рг 1ПУ – 8-ми розрядні D-тригери. На рис. 3.1 зображено етапи створення регістрів.

З регістра Рг 1МХ та ПЗП К1 дані поступають на суматор СМ1 на виході котрого отримуємо 17-ти розрядне значення. Це значення подається на обидва входи перемножувача ПМ1, на виході якого отримуємо 18-ти розрядне значення (К1+Х)² котре записується у регістр Рг 3МХ.

На входи суматора СМ2 поступають 18-ти розрядні значення з ПЗП К2 та регістра Рг2МХ на виході отримуємо 18-ти розрядне значення К2+(К1+Х)² котре записується у регістр Рг 3МХ.

На входи перемножувача поступають 16-ти розрядні значення з регістрів  Рг 3МХ та Рг 3МУ, результат перемноження надходить на схему нормалізації.

Рис. 3.1 Етапи створення регістрів

 

3.2. Розрахунок надійності роботи пристрою

Усі властивості об’єкту, що характеризують його надійність, безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність, мають  кількісні характеристики, які оцінюються відповідними показниками. 

Так як відмови являються  випадковими подіями, кількісні  характеристики надійності мають ймовірний  характер. До показників надійності відносяться: інтенсивність відмов  (t); ймовірність безвідмовної роботи  P(t); напрацювання на відмову  Т.

Інтенсивність відмов (t)    визначає, яка частина елементів по відношенню до всіх елементів в середньому виходить з ладу за одиницю часу, і знаходиться у довідковій літературі.Ймовірність безвідмовної роботи – це ймовірність того, що на протязі даного інтервалу часу відмова об’єкту не виникне. Поряд з ним використовується показник ймовірності відмови Q(t), який визначається як

Q(t) = 1 – P(t). (3.1)

Середнє напрацювання на відмову  Т є  очікуване напрацювання об’єкту  до першої відмови.

Для проведення розрахунку приймаємо наступні припущення:

• відмови електронних радіовиробів  (ЕРВ) є подіями випадковими незалежними;
• випадкові інтервали часу безвідмовної роботи розподілені по експоненціальному закону;
• однотипні  ЕРВ  є  рівноцінними;
• відмова будь-якого  ЕРВ, який входить в розрахунок, приводить за собою відмову всього пристрою;
• всі  ЕРВ  знаходяться в однакових умовах.

Розрахунок проводиться  по відомим даним про інтенсивність  відмов елементів, які складають  пристрій. Середня сумарна інтенсивність  відмов () знаходиться за виразом

_, (3.2)

де:  N      -   кількість типів ЕРВ пристрою ( включаючи пайки);

    -   кількість ЕРВ одного типу; 

  -  інтенсивність відмов  ЕРВ  і-го типу при нормальних  навантаженні  і температурі середовища;

   -   коефіцієнт, що враховує умови експлуатації;

- добуток   коефіцієнтів,  що враховують конструктивно-технологічні  особливості ЕРВ.

Розрахунок середнього значення напрацювання на відмову проводиться  за формулою

                                                         То.сер = 1 /  (3.3)

Ймовірність безвідмовної роботи знаходиться як

P(t) = .  (3.4)

Для розрахунку середньої  сумарної інтенсивності відмов складаємо  таблицю      (табл.3.1).      Середнє напрацювання на відмову  складає                                      

                                    То.сер  =  1 / 106,2 · 10^-6  =  9416,19 (год).

Ймовірність безвідмовної роботи пристрою за різні інтервали часу розраховуємо і зводимо в таблицю (табл. 3.1.), на базі якої будуємо графік  Р = f (t)   (рис.3.2).

Таблиця 3.1.

Вартість комплектуючих  виробів та матеріалів

Комплектуючі вироби	Кількість, шт.	Вартість за одиницю, грн.	Сума, грн.
Матеріали:
Припой ПОС-61	0,01	1,95	0,02
Склотекстоліт СФ-2-1,5-35	0,2	7,85	1,57
Каніфоль ГОСТ 1668-80	0,01	9,75	0,98
Спирт технічний	0,02	5,5	0,11
Лак електроізоляційний ФЛ-48	0,01	1,63	0,02
Комплектуючі:
EP1C4А324C6  корпус PQFP240	1	34,2	34,2
SN74LS630	1	12	12
EPCS4S8	1	25	25
SN74V293PZA	2	23,5	47
74HC244  корпус TSSOP20	1	1,87	1,87
NM93CS56LEM8	1	43,70	43,70
С2-23-0,125	4	0,04	0,16
К53-14	1	4,05	4,05
К10-17-113	1	0,077	0,077
Резонатор кварцовий JCO8-3-B	1	9,22	9,22
Всього	14	153,657	177,277