Проектирование универсальной микро-ЭВМ

Содержание

Введение 4

1 Функциональное проектирование 5

1.1 Анализ исходных данных 5

1.2 Выбор и обоснование элементной базы 6

1.3 Выбор и обоснование структурной схемы 22

2 Структурное проектирование 26

2.1 Разработка структуры блока ЦП 26

2.2 Разработка структуры блока памяти 29

2.3 Разработка структур интерфейсных устройств 32

2.4 Разработка системного интерфейса 49

3 Схемотехническое проектирование 53

3.1 Расчёт электрических параметров элементов 56

3.2 Обеспечение электрической совместимости элементов 60

4 Конструкторско-технологический расчёт печатной платы 62

Заключение 70

Список используемых источников 71

Приложение А – Схема электрическая функциональная БрГТУ.091342.006 Э2

Приложение Б – Схема электрическая принципиальная БрГТУ.091342.006 Э3

Приложение В – Плата печатная БрГТУ.091342.006

Приложение Г – Чертёж сборочный БрГТУ.091342.006 СБ

 

 

Введение

Жизнь современного человека невозможно представить без современных технологий, основная концентрация которых сосредоточена на программном обеспечении, сети Интернет и, конечно же, компьютерах.

Микропроцессоры и микроЭВМ применяют в различных областях современной промышленности (в управлении технологическими процессорами, информационных и измерительных комплексах, энергетике, медицине и др.) На базе выпускаемых микропроцессоров и микроЭВМ созданы высокопроизводительные устройства числового программного управления.

Разработка, производство и  использование микроЭВМ и микропроцессорной техники требуют подготовки соответствующих специалистов. Для подготовки инженеров различных специальностей по вопросам правильного применения микропроцессорной техники и микроЭВМ необходимо наличие определённых базовых практических навыков в построении универсальных ЭВМ на базе тех же микропроцессоров. Поэтому данный курсовой проект будет посвящён схемотехническим вопросам построения узлов микроЭВМ, а также аппаратурных средств сопряжения системы сбора, ввода и преобразования информации.

Большое количество специализированных микроЭВМ на производстве выполняется в качестве универсальных, а уже потом дополняется какими–то специальными элементами и возможностями в зависимости от необходимой ситуации. Аналогично и в данном курсовом проекте – целью его является проектирование универсальной микроЭВМ. Для достижения этой цели необходимо провести последовательность из следующих шагов:

• функциональное проектирование;
• структурное проектирование;
• схемотехническое проектирование.

В целом, данный курсовой проект позволит более детально разобраться  с архитектурой, принципами построения и сопровождения универсальных микроЭВМ, а также позволит научиться их проектировать из имеющихся СБИС.  

1 Функциональное проектирование

1.1 Анализ исходных данных

Проектирование новой  микроЭВМ обычно начинается с описания её архитектуры, представляющей собой модель микроЭВМ с точки зрения программиста. Модель в процессе проектирования преобразуется в структуру микроЭВМ, определяющую состав, назначения и взаимные связи необходимых аппаратурных компонентов, реализующих желаемую архитектуру.

Многие аппаратурные компоненты выбираются из выпускаемых промышленностью СБИС и применяются в качестве крупных строительных блоков микроЭВМ. Блочное, или модульное, проектирование микроЭВМ резко повышает производительность труда проектировщика, надёжность и качество микроЭВМ и является основным методом создания новых микроЭВМ и микропроцессорных систем.

Современная промышленность выпускает большое разнообразие различных СБИС, которые могут входить в состав проектируемой микроЭВМ. Чем более скоростная схема и чем больше функций она выполняет, тем она, как правило, дороже. Поэтому при создании универсальной микроЭВМ на основе СБИС первоначально сформулируем исходные характеристики, которыми должно будет обладать проектируемое устройство. Это позволит максимально отрегулировать отношения цена/качество разработки. Также это будет способствовать некоторому сужению номенклатуры используемых при разработке СБИС, а значит, облегчит процесс поиска соответствующих микросхем. Основные характеристики проектируемой микроЭВМ даны в исходных данных к курсовому проекту. Перечислим их, при этом, давая некоторую оценку.

a) Разрядность шины данных  должна быть 8 бит. Это означает, что максимальная разрядность операндов, которые могут быть обработаны одной командой – восемь бит. Также это значение свидетельствует о том, что далее по тексту понятие «слово» будет соответствовать данным размерностью восемь бит. Разрядность шины резко ограничивает возможные модели микропроцессоров, которые могут быть применены.

б) Объём ОЗУ типа ИС СЗУПВ  – 8K слов, объём ПЗУ – 16K слов. Первый параметр будет влиять на размер выполняемой программы, которая будет управлять данной микроЭВМ. Второй параметр будет влиять на размер хранимых системой команд и исходных данных, необходимых для загрузки выполняемой программы в ОЗУ и выполнения. Разрядность шины практически определяет количество используемых СБИС ОЗУ и ПЗУ и характер их включения в общую систему микроЭВМ.

с) Быстродействие процессорного  модуля должно быть не менее 6 млн. команд пересылки регистр-регистр в секунду. Этот параметр будет влиять на выбор  соответствующей модели микропроцессора  и соответствующего блока генератора тактовых импульсов и кварцевого резонатора для обеспечения требуемого быстродействия. Частоту кварцевого резонатора следует выбрать как  минимум в три раза больше частоты  одного такта МП.

д) Количество клавиш устройства ввода – 16. Будет использоваться для получения информации от пользователей.

д) Устройство отображения (УО) должно будет состоять из 1 строки из 8 7-сегментных символов. Количество строк  отображения и количество символов в строке определит характер управления и способ подключения к системе УО, а также его внутреннюю организацию.

е) Система должна будет  иметь параллельный интерфейс на 2 порта вывода с аппаратным квитированием. Этот параметр указывает минимальное количество параллельных портов, которые должна иметь система и способ их организации в ней. Будет влиять на выбор СБИС параллельного интерфейса.

ж) Система должна будет  иметь асинхронный последовательный интерфейс со скоростью не менее 600 бит/с, 7-ми битный, работающий только на вывод без контроля на чётность/нечётность. Этот параметр будет влиять на выбор СБИС последовательного интерфейса или на характер его организации за счёт дискретных элементов.

Проведённый анализ исходных данных значительно поможет в выборе СБИС основной элементной базы системы  и при её обосновании в следующем пункте.

1.2 Выбор и обоснование элементной базы

Современные системы ЭВМ  строятся, в основном, по модульному принципу. Это значит, что вся вычислительная система состоит из нескольких блоков или отдельных СБИС, выполняющих свои строго определённые функции и соединённых по определённой топологии. Это позволяет уменьшить стоимость микроЭВМ, уменьшить габаритные размеры системы и мощность потребления. Это означает, что без увеличения общих затрат микроэлектронная технология позволяет обществу произвести в сотни и тысячи раз больше ЭВМ, чем ранее. Поступим по тому же принципу и выберем основные стандартные БИС и СБИС разрабатываемой универсальной микроЭВМ.

Выбираем СБИС микропроцессора (МП) — программно-управляемого устройства, предназначенного для обработки  цифровой информации и управления процессом этой обработки. В качестве процессора будем использовать Intel i8088, так как он наиболее подходит к имеющейся у нас шине данных, разрядностью 8 бит. Команда пересылки регистр-регистр на i8088 выполняется за два такта, а быстродействие микропроцессора по заданию курсового проекта – 6 млн. команд в секунду, следовательно, для обеспечения заданного быстродействия микропроцессор должен работать на частоте 12 МГц (2∙6∙10⁶ Гц). Отсюда следует, что длительность одного такта (Т) микропроцессора равна около 83 нс. Следовательно, время выборки адреса в микросхемах памяти не должно превышать 2∙83 = 166 нс. Микропроцессор i8088 может работать на частотах до 60 Мгц, что соответствует требованию задания курсового проекта. i8088 выполнен по n-МОП технологии и представляет собой 16-разрядный микропроцессор с 8-разрядной внешней шиной данных и 20-разрядной шиной адреса, что позволяет непосредственно адресоваться к 1 Мб памяти. Адресное пространство портов ввода/вывода i8088 составляет 64/64 Кбайт, а в самом микропроцессоре реализована многоуровневая система прерываний (256 источников прерываний) и имеется механизм организации прямого доступа к памяти. Микросхема выпускается в 40-выводном DIP-корпусе.

Микропроцессор i8088 может работать в двух режимах: минимальном и максимальном. В минимальном режиме микропроцессор формирует все сигналы для управления внутрисистемным интерфейсом и используется для построения однопроцессорных ЭВМ. В максимальном режиме микропроцессор используется для построения многопроцессорных систем, в которых сигналы управления шиной вырабатываются системным контроллером на основании кода, сформированного микропроцессором. Так как проектируемая микроЭВМ – однопроцессорная, то микропроцессор будет работать в минимальном режиме.

Краткие технические характеристики процессора i8088:

• тактовая частота (МГц): 8 (модель 8088-2), 12 (модель 8088-1);
• разрядность регистров: 16 бит;
• разрядность шины данных: 8 бит;
• разрядность шины адреса: 20 бит;
• объём адресуемой памяти: 1 Мбайт;
• количество транзисторов: 29 000;
• техпроцесс (нм): 3000 (3 мкм);
• площадь кристалла (кв. мм): ~30;
• напряжение питания: +5 В;
• корпус: 40-контактный пластиковый DIP;
• разъём: нет (микросхема припаивалась к плате).

Процесс выполнения любой команды  в МП состоит из следующих этапов:

1. Извлечение кода команды и  операндов (если это требуется)  из памяти.

2. Выполнение команды.

3. Запись результата (если  это требует команда).

Условное графическое  изображение схемы микропроцессора Intel i8088 показано на рисунке 1.2.1, а назначение его выводов – в таблице 1.2.1.

Рисунок 1.2.1 – УГО микросхемы МП Intel i8088

Таблица 1.2.1 – Назначение выводов микропроцессора i8088

Обозначение	Номер вывода	Назначение
AD7-AD0	9-16	Выводы адреса/данные.
A15-A8	2-8, 39	Выводы старшей тетрады адреса.
A19/ST6, A18/ST5, A17/ST4, A16/ST3	35-38	Выбор старшей тетрады адреса.
RD	32	Read – выходной сигнал чтения. Указывает на то, что МП выполняет цикл чтения.
READY	22	Входной сигнал готовности, подтверждающий, что ячейка памяти или устройство ввода/вывода, адресуемое в команде, готово к взаимодействию с МП при передаче данных.
INTR	18	Входной сигнал запроса (при  Н-уровне) маскированного прерывания. Если прерывания разрешены, МП переходит к подпрограмме обработки прерывания, в противном случае игнорирует этот сигнал.
TEST	23	ТЕСТ: вход анализируемой  командой 'wait for test''. Если вход ТЕСТА является НИЗКИМ уровнем, выполнение продолжается, в противном случае процессор ожидает в состоянии ''ожидание''. Этот вход синхронизируется непосредственно в течение каждого цикла часов на передовом фронте CLK.
NMI	17	Вход немаскируемого запроса-прерывания.
RESET	21	Вход аппаратурного сброса МП. Запрещаются прерывания.
CLK	19	Вход импульса синхронизации.
Vcc	40	Vcc: + 5V ±10% вывод питания.
GND	1, 20	GND: вывод земли.
MN/MX	33	Вход задания работы i8088 в минимальном/максимальном режиме.
M/IO	28	Доступ к памяти = низкий уровень, порты ввода/вывода = высокий уровень
WR	29	Строб записи вывода.
INTA	24	Подтверждение запроса-прерывания по входу INTR, активный НИЗКИЙ уровень в течение T2, T3, и Tw каждого прерывания подтверждает цикл.
ALE	25	Строб присутствия адреса на выводах AD15..AD0.
DT/R	27	Направление передачи данных (1 – из МП, 0 – в МП).
DEN	26	Разрешение данных при  нуле.
HOLD, HLDA	31,30	HOLD: вход запроса захвата системного интерфейса. HLDА: выход разрешения захвата системного интерфейса.
SSO	34	ЛИНИЯ СТАТУСА: логический эквивалент SO в максимальном режиме.

Данный микропроцессор имеет ограниченную нагрузочную  способность своих выходов, поэтому  для подключения к его выходам  устройств, воспользуемся  микросхемой  КР580ВА86 – двунаправленным 8-разрядным шинным формирователем, обладающий повышенной нагрузочной способностью. А также микросхемой КР580ИР82 – адресным регистром. Условные графические обозначения приведены на рисунках 1.2.2 и 1.2.3 соответственно.

Входы шинного формирователя T (направление информации) и CS (управление состоянием выходов) шинного формирователя подключаются к выходам микропроцессора DT/R и DEN соответственно. Входы DA0...DA7 шинного формирователя подключаются к выходам AD0...AD7 микропроцессора.

Рисунок 1.2.2 – УГО ИС КР580ВА86

Адресный регистр служит для формирования адреса. Так как  в данной микропроцессорной системе  адрес может формировать только микропроцессор, то выходы адресного регистра всегда будут активны, следовательно, на вход ОЕ необходимо подать напряжение логического нуля. На вход C (защелкивание входной информации) подается сигнал ALE микропроцессора, а на информационные входы DI0...DI7 подаются сигналы с выходов AD0...AD7 микропроцессора. Сигналы с выходов DO0...DO7 адресного регистра подаются на шину адреса.

Рисунок 1.2.3 – УГО ИС КР580ИР82

Тактирование работы  МП БИС i8088  осуществляет генератор тактовых импульсов i8284. Микросхема i8284 представляет собой  тактовый генератор и задающее устройство для микропроцессора i8088. Ее значение – формирование тактовых сигналов для микропроцессора и периферийных устройств, а также сигналов «Reset» и «Ready». УГО микросхемы приведено на рисунке 1.2.4, а назначение выводов – в таблице 1.2.2.

Микросхема состоит из следующих  функциональных узлов: задающего мультивибратора, делителей на 2 и на 3, формирователя  тактового сигнала, схем синхронизации  и выбора задающей частоты и схем формирования сигналов «Reset» и «Ready». При использовании кварцевого резонатора возможна работа на его гармониках. В микросхеме i8284 имеется три частотных выхода: OSC – мультивибратор, CLK – тактовый сигнал МОП и PCLK – периферийный тактовый сигнал ТТЛ. Основная частота кварцевого резонатора, тактовая частота процессора и импульсы синхронизации связаны следующим образом F_рез= 3∙F_CLK = 6∙F_PCLK, то есть для обеспечения необходимого быстродействия необходим кварцевый резонатор на частоту 36 Мгц, при этом тактовая частота процессора – 12 Мгц, а частота синхронизации – 6 Мгц.

Выход OSC может подключаться к другим генераторам i8284 в качестве источника  внешней частоты. Сигнал OSC используется также для тактирования схемы управления динамическим ОЗУ. Сигнал OSC инвертирован по отношению к сигналу мультивибратора, управляющему тактовым сигналом CLK. Скважность импульса OSC равна 2. Периферийный тактовый сигнал PCLK образуется путём деления на 2 частоты сигнала CLK. Он предназначен для тактирования различных периферийных устройств, работающих на уровнях сигнала ТТЛ.