Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Эвм и периферийные устройства

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО КОНТРОЛЬНО-КУРСОВОЙ РАБОТЕ

по дисциплине

ЭВМ И ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА

Направление подготовки: 230100 «Информатика и вычислительная техника»

Профили подготовки: «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», «Автоматизированные системы обработки информации и управления», «Системы автоматизированного проектирования», «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»

Квалификация выпускника: бакалавр

Формы обучения: очная, очно-заочная

Тула 2012 г.

Методические указания по контрольно-курсовой работе составлены доцентом Ю.И. Лебеденко и обсуждены на заседании кафедры электронных вычислительных машин факультета кибернетики,

протокол №__ 9 __ от "__ 10 __"____ февраля _____ 20 12 г.

Зав. кафедрой________________В.С. Карпов

Методические указания по контрольно-курсовой работе пересмотрены и утверждены на заседании кафедры электронных вычислительных машин факультета кибернетики,

протокол №___ от "___"____________ 20___ г.

Зав. кафедрой________________В.С. Карпов

протокол №___ от "___"____________ 20___ г.

Зав. кафедрой________________В.С. Карпов

протокол №___ от "___"____________ 20___ г.

Зав. кафедрой________________В.С. Карпов

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................................................................... 3

1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНО-КУРСОВОЙ РАБОТЫ..................... 3

2.ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНТРОЛЬНО-КУРСОВОЙ РАБОТЕ............................. 3

2.1 Тематика контрольно-курсовой работы.................................................................................. 4

2.2 Исходные данные к контрольно-курсовой работе................................................................. 5

2.3 Задание на контрольно-курсовую работу............................................................................... 5

2.4 Объем контрольно-курсовой работы....................................................................................... 6

2.5 Оценка результатов контрольно-курсовой работы................................................................ 6

3.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ НАД ЗАДАНИЕМ........................................... 6

3.1 Основные этапы выполнения работы.................................................................................... 6

3.2 Методические указания к выполнению отдельных этапов работы..................................... 7

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................................................... 10

ВВЕДЕНИЕ

Контрольно-курсовая работа по курсу «ЭВМ и периферийные устройства» выполняется либо по реальному заданию, выданному преподавателем в рамках индивидуального задания по НИРС, либо по типовому заданию. Контрольно-курсовая работа выполняется в 7 семестре. Она выполняется на базе знаний и навыков, полученных студентами при изучении дисциплин «Алгоритмические языки и программирование», «Основы электротехники и электроники», «Системное программное обеспечение».

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Контрольно-курсовая работа выполняется с целью закрепления знаний по курсу «Организация ЭВМ и систем» и получения практических навыков самостоятельного проектирования элементарных вычислительных систем.

Задачами курсовой работы являются:

- практическое овладение методикой проектирования вычислительной системы на основе современной элементной базы, технических средств вычислительной техники, на основе теории организации ЭВМ;

-оценка параметров разрабатываемой системы и применения мер по повышению ее качества;

Решение перечисленных задач невозможно без знания ряда смежных дисциплин, изучаемых в 1 - 6 семестрах и умения пользоваться справочной литературой.

2.ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНТРОЛЬНО-КУРСОВОЙ РАБОТЕ

2.1.Тематика контрольно-курсовой работы

В контрольно-курсовой работе разрабатывается вычислительная система, предназначенная для реализации заданного алгоритма обработки входных цифровых данных структурно состоящая из устройств:

-персональной ЭВМ (ПЭВМ) типа IBM PC/AT-386 и выше;

-устройства ввода (УВ), связанного с ПЭВМ через стандартный интерфейс.

Структура системы представлена на рис. 1.

Рис.1. Структура разрабатываемой вычислительной системы.

Устройство ввода состоит из блока цифровой программной обработки и интерфейсного блока, работающих одновременно и обеспечивающих обработку и ввод информации в ПЭВМ.

Разрабатываемая система должна функционировать в режиме реального времени, т.е. запаздывание потока результатов от потока входной информации должно быть ограничено. В задании предполагается, что ПЭВМ строится с использованием IBM-совместимой архитектуры и использует стандартное программное обеспечение, поэтому предметом разработки в контрольно-курсовой работе являются только структура УВ и его программное обеспечение.

ПЭВМ программно реализует ряд функций приема, обработки и накопления информации. Блок цифровой обработки должен обеспечивать вычисление функции входных значений в соответствии с вариантом задания; выходной формат УВ также определяется в соответствии с вариантом.

Структура проектируемого устройства ввода относится к классу ОКОД. УВ функционально представляет собой предпроцессорное устройство, работающее с ПЭВМ параллельно и обеспечивающее ускорение процесса обработки данных.

Взаимодействие ПЭВМ и УВ может быть организовано по типу обслуживания по программе, в которой обмен данными осуществляется по инициативе ПЭВМ и под ее управлением. ЦП ПЭВМ выполняет программный опрос состояния готовности УВ, путем считывания состояния УВ через интерфейс. В процессе выполнения программы ЦП ПЭВМ анализирует готовность УВ и при наличии готовности принимает данные, в противном случае повторно анализирует готовность УВ.

Другим вариантом взаимодействия ПЭВМ и УВ является синхронизация по времени (от таймера): рассчитав время выполнения одного цикла УВ, можно через заданный интервал инициировать выполнение программы обмена данными. Как в первом, так и во втором случаях, сигналом синхронизации может быть запрос прерывания.

УВ имеет собственную резидентную память программ и память данных, в качестве которой может использоваться регистровая память. Обобщенная структура УВ приведена на рис. 2

Рис. 2. Структура УВ: ПЗУ - постоянное запоминающее устройство (память программ), СМ - системная магистраль УВ, ОЗУ - оперативное запоминающее устройство (память данных).

Конкретная конфигурация УВ определяется вариантом задания: в частности, кроме системной магистрали устройство может содержать дополнительную шину ввода-вывода, процессор может иметь сложную составную структуру, в которую входит арифметический сопроцессор (АСП).

Задачами проектирования в процессе выполнения курсовой работы являются:

разработка структурной или функциональной электрической схемы УВ;

разработка программного обеспечения УВ;

оценивание параметров всей системы в целом на основе исходных данных и полученных параметров разработанного УВ.

Критерием качества проектирования УВ может являться отношение:

где t₃ - заданное значение допустимого запаздывания выходного потока данных относительно входного, t_cp - время вычисления заданной функции (один из основных параметров УВ), N_мc - число микросхем в схеме УВ, m - разрядность системной магистрали УВ.

Для разработанного УВ требуется определить характеристики построенной системы (допустимый диапазон частот f_вх обновления входных данных, погрешность преобразования E_А, значение фактического запаздывания выходного потока данных относительно входного t_A).

2.2.Исходные данные к контрольно-курсовой работе

Исходные данные определяются в соответствии с номером варианта (определяемого номером студента в списке групп учебного потока).

Вариант задания определяется индексами r0, r1, r2, r3, вычисляемыми по порядковому номеру N студента в потоке с помощью операции взятия остатка от деления:

r0=mod(N/7); r1=mod(N/4); r2=mod(N/2); r3=mod(N/3).

Индекс r0 определяет элементную базу блока цифровой обработки:

r0=0 –система на базе однокристальной микроЭВМ типа MCS-48;

r0=1 – система на базе процессора К580;

r0=2 - система на базе процессора x86 (К1810) в минимальном режиме;

r0=3 – система на базе процессора x86 (К1810) в максимальном режиме;

r0=4 – сопроцессорная конфигурация ЦП и АСП на базе процессора x86 (К1810);

r0=5 – система на базе процессора Motorola 68000;

r0=6 – система на базе процессора ARM.

Индекс r1 определяет вид функции, выполняемой блоком цифровой обработки:

r1=0 – среднее арифметическое N последовательно принятых входных значений;

r1=1 – частное от деления двух последних принятых входных значений;

r1=2 – остаток от деления двух последних принятых входных значений на предыдущее;

r1=3 – квадратный корень суммы квадратов N последовательно принятых входных значений;

Значение N отдельно задается преподавателем.

Индекс r2 определяет тип синхронизации при обмене данными:

r2=0 – с синхронизацией по готовности данных (программное считывание регистра состояния);

r2=1 – c синхронизацией от таймера (по расчетному времени выполнения программы).

Индекс r3 определяет тип стандартного интерфейса для связи УВ и ПЭВМ:

r3=0 – параллельный порт;

r3=1 – последовательный порт (по протоколу RS – 232C);

r3=2 – интерфейс системной шины (стандарты Multibus, ISA, PCI)

Конкретные значения допустимой точности вычислений, которая определяется разрядностью входных и выходных данных также задает преподаватель - руководитель проекта. Они могут быть скорректированы в ходе выполнения работы.

2.3.Задание на контрольно-курсовую работу

Задание на выполнения работы выдается отдельно на каждого студента, включая индивидуальные задания. В течении первых четырех недель с момента выдачи задания исходные данные могут быть откорректированы по согласованию с руководителем ККР. Индивидуальное задание должно быть согласованно с лектором, ведущим курс «Организация ЭВМ и систем» и утверждено заведующим кафедрой.

2.4.Объем контрольно-курсовой работы

Результаты выполнения работы представляются в виде пояснительной записки объемом 10 - 15 машинописных страниц (без приложений) или в тетради объемом 12 – 18 листов. Необходимые структурные и функциональные схемы обычно оформляются в виде рисунков, входящих в текст записки, однако возможно их оформление в виде графического приложения (чертежей, выполненных в соответствии со стандартами [1 – 5].

Пояснительная записка (ПЗ) к контрольно-курсовой работе должна содержать:

титульный лист,

задание на проектирование,

введение,

основное содержание,

заключение,

список использованных источников,

приложение, содержащее документацию и другие материалы, не вошедшие в перечень графической части (листинги программ, таблицы, графики и т.д.).

В основное содержание ПЗ рекомендуется включить следующие разделы:

- анализ задания;

- выбор и обоснование структурной и, если необходимо, функциональной схемы организации микропроцессорной вычислительной системы;

- разработка вопросов взаимодействия в микропроцессорной системе;

- -обоснование алгоритмов выполнения машинных операций и способов вычисления адресов операндов;

- разработка программ, обеспечивающих функционирование микропроцессорной вычислительной системы;

- определение параметров подсистемы памяти;

- анализ динамических параметров и качества системы.

2.5.Оценка контрольно-курсовой работы

Выполненная и оформленная полностью контрольно-курсовая работа представляется руководителю на проверку, который оценивает ее и выставляет оценку «зачтено» («не зачтено»). Кроме того, качество ККР, степень самостоятельности при ее выполнении, а также равномерность выполнения по времени могут служить основанием для выставления оценок текущей аттестации по дисциплине «Организация ЭВМ и систем».

3.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ НАД ЗАДАНИЕМ

3.1Основные этапы выполнения работы:

Разработка вычислительной системы состоит в выполнении следующих этапов:

Э1 - анализ задания и синтез варианта структурной организации вычислительной системы на основе составления и анализа алгоритма вычисляемой ею функции, изучение литературы;

Э2 - разработка алгоритмов вычисления функций на языке микроопераций, выполняемых заданной элементной базой;

Э3 - разработка функциональной схемы УВ в виде синтеза функциональных схем его основных модулей (для систем на базе комплекта К1810);

Э4 - разработка программного обеспечения УВ;

Э5 – уточнение параметров и элементов системы в соответствии с разработанными программами;

Э6 - оценивание параметров всей системы в целом, оформление результатов.

По согласовании с преподавателем некоторые этапы могут быть сокращены.

3.2Методические указания к выполнению отдельных этапов работы

Э1,Э2. Прежде всего, требуется получить алгоритм вычисления заданной функции. Варианты алгоритма требуется оценить по числу потребных операций в соответствии с заданной структурой и элементной базой.

Особенностью разрабатываемой системы является то, что организация взаимодействия ПЭВМ с УВ осуществляется через стандартный интерфейс ввода – вывода, к которому УВ подключено как внешнее устройство.

Наиболее простая структура блока цифровой обработки получается при использовании однокристальной микроЭВМ, например, К1816ВЕ48 [8]. Однако, в этом случае задача проектирования сводится к обоснованному выбору и грамотному использованию ресурсов интегральной микросхемы. Построение процессора УВ на базе однокристального микропроцессора обычно не вызывает затруднений, т.к. описывается в многочисленных источниках. При этом используют микросхемы стандартных комплектов К580, К1810 [9, 10, 11]. Для этих случаев в работе целесообразно проработать функциональную схему УВ по типовым вариантам, приведенным в указанной литературе.

Варианты структуры с использованием сопроцессора подробно рассмотрены в [10, 12]. В подобных случаях наиболее важным моментом в проектировании системы является распределение работы между ЦП устройства ввода и арифметическим сопроцессором (процессором ввода/вывода). Для реализации системы на базе процессоров ARM, Motorola рекомендуется использовать в качестве справочного источника [23]. Вопросы повышения производительности системы путем распараллеливания операций освещены в [12, 13, 14].

Параллельный интерфейс может быть реализован на основе БИС КР580ВВ55А, представляющий собой программируемый параллельный порт на 24 линии ввода/вывода. Стробирующие сигналы, синхронизирующие передачу данных, генерируются программно, обеспечивая скорость передачи данных около 5 Кбайт/с. Последовательный интерфейс может быть реализован на основе БИС КР580ВВ51А, представляющий собой программируемый универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (УСАПП). Для взаимодействия по стандартному протоколу RS-232С он программируется на асинхронный режим. При этом обеспечивается скорость передачи информации до 19200 бод. [9]. При сопряжении УВ с ПЭВМ через системную шину следует учитывать используемые разрабатываемым устройством адреса портов ввода/вывода и линии запросов прерываний.

Э2. Алгоритм вычисления функции составляется на языке ассемблера используемого микропроцессора [8, 9, 10, 12, 15,16, 23]. По числу команд, по типам команд определяется требуемое число машинных циклов вычисления функции, время вычисления, которое сравнивается с заданным значением. Эта оценка может быть выполнена путем моделирования вычисления функции. По результатам сравнения могут быть приняты меры по повышению быстродействия вычисления функции – путем распараллеливания, конвейеризации или использованием других способов [13, 14, 23].

Э3.. Выполняется синтез и анализ функциональных схем отдельных модулей УВ: процессора, модуля памяти и интерфейсного блока. Делается выбор средств сопряжения функциональных модулей с системной магистралью. По результатам составляются функциональные схемы модулей УВ. Функциональная схема модуля должна показывать основные микросхемы и другие детали устройства и все значимые связи между ними. На ней шины адресов и данных показаны обычно в виде одиночных линий с указанием разрядности. Как отдельные сигнальные проводники показаны линии синхронизации и управления. Проводники питания и заземления можно опустить.

Операнды могут храниться или в общем блоке памяти УВ, или в отдельном блоке памяти – памяти данных, или в регистровой памяти внутри процессора УВ.

Емкость памяти данных определяется выражением:

Q_z= k (N_пр + 2N_исх + N_кр), (1)

где N_пр, N_исх, N_кр, - соответственно количество ячеек памяти для хранения промежуточных, исходных данных и конечных результатов, k>=1, - коэффициент учитывающий затраты памяти для организации команд защиты и контроля.

Часть этой памяти реализуется в виде РП:

Q_рп =< N_пр + N_исх + N_кр

Равенство в этом выражении имеет место при Q_рп=<Q_{рп доп}, где Q_{рп доп} – допустимое значение емкости РП, определяемое ограничением возможностей регистровой адресации, конструктивными и другими соображениями. Далее память данных распределяется между двумя модулями РП и ОЗУ и определяется механизм обмена данными между этими модулями в процессе решения задачи. В этом случае РП выполняет роль кэш-памяти.

Емкость памяти программ определяется выражением:

Q_n=< N_n + N_k + N_nn + N_T + N_non

где N_n, N_k, N_nn, N_T, N_non, - количества ячеек памяти соответственно для размещения программ, констант, подпрограмм, теста контроля, программ обработки прерываний.

Емкость памяти программ уточняется на этапе Э5 после синтеза программного обеспечения.

Блок памяти рекомендуется выполнять на микросхемах статического типа, не требующих регенерации. Исходными данными для проектирования модуля ОЗУ являются: емкость модуля; ограничения на время выборки, время цикла обращения, электрические параметры.

Процесс проектирования модуля ОЗУ сводится к решению следующих задач:

-выбор типа микросхемы ЗУ и определения их количества;

-построение функциональной схемы модуля ОЗУ;

-выбор микросхем для реализации схем управления: регистра адреса, дешифратора строк микросхем, обеспечивающих требуемую разрядность хранимых слов, регистров данных;

-расчет электрического сопряжения микросхем ОЗУ и схем управления и выбор элементов, используемых в качестве буферных формирователей;

-проектирование блока управления модуля ОЗУ.

Методика решения перечисленных задач приведена в [17, 18].

Аналогично выполняется проектирование модуля ПЗУ.

Интерфейсный блок в зависимости от варианта задания может быть построен на основе БИС программируемого параллельного интерфейса КР580ВВ55А, БИС последовательного интерфейса КР580ВВ51А или на основе буферных регистров КР1810ИР82 и др.

Интерфейсный блок (контроллер ввода/вывода (КВВ)) может быть построен на основе упомянутых выше БИС программируемого параллельного или последовательного интерфейса или на основе многорежимных буферных регистров (КР1810ИР82 и др.)

При использовании БИС КР580ВВ55А блок может быть построен по схеме (рис. 3.), в которой БИС программируется на режим О (простой ввод – вывод). Управление обменом осуществляется программным путем. Формат управляющего слова, формат слова состояния, временные диаграммы при вводе и выводе и текст программного обеспечения канала параллельного интерфейса приведены в [9].

Рис. 3. Функциональная схема КВВ с параллельным интерфейсом: BF – буферные усилители, DCA – дешифратор адреса.

Э4. Программное обеспечение УВ должно состоять из программ (программы), выполняющих контроль аппаратуры, ввод данных, их обработку и передачу в ПЭВМ. Оно составляется на языке Ассемблера.

Задачами разработки программного обеспечения (ПО) являются:

-разработка программы вычисления заданной функции;

-разработка программного обеспечения интерфейса ввода и вывода данных.

При проектировании ПО решают задачи разбиения ПО на модули и разработки межмодульных интерфейсов, разработки отдельных модулей: основного и подчиненных.

Основной модуль выполняет функции начальной установки УВ, управляет последовательностью выполнения полученных модулей. Подчиненные модули выполняют отдельные функции. Управление основному модулю передается после включения питания по командам безусловного перехода или по внешнему сигналу пуска, воспринимаемому программным опросом его состояния.

При проектировании ПО можно использовать литературу [9, 12, 15].

Э5. Для верификации схемы, получению уточненных оценок параметров и временных диаграмм отдельные модули УВ можно моделировать средствами САПР Р–CAD, однако не исключается также функциональное моделирование схем средствами любого языка программирования высокого уровня.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ.

2.ГОСТ 19.701-90 ЕСПД. Схемы алгоритмов, программы данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения.

3.ГОСТ 2.743-91 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники.

4.ГОСТ 2.708-81 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники.

5.Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД – М.: Издательство стандартов, 1989 – 325с.

6. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В. Якубовский и др. –М.: Радио и связь, 1989. –496с.

7. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб,: «КОРОНА – принт», 1998. – 400 с.

8. Однокристальные микро ЭВМ: Справочник /Боборыкин А.В., Липовецкий Г.П. и др.. – М.: МИКАП, 1994. – 400 с.

9. Проектирование микропроцессорной электронно-вычислительной аппаратуры: Справочник /В.Г.Артюхов, А.А.Будняк, В.Ю, Лапий и др. – К.: Техника, 1988. – 263 с.

10. Микропроцессорный комплект К1810:структура, программирование, применение. Справочная книга/ Ю.М. Казаринов, В.Н. Номоконов, Г.С. Подклетнов, Ф.В. Филиппов/. – М.: Высшая школа, 1990. – 269 с.

11. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник / под ред., В.А. Шахнова – М.: Радио и связь, 1988. – Т1. –368с.; - Т2. –368с

12.Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. Архитектура, программирование и проектирование микропроцессорных систем. Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1990. – 304 с.

13.Хоккни Р., Джессхоуп К. Параллельные ЭВМ. Архитектура программирование и алгоритмы – М.: Радио и связь, 1986. – 340с.

14.Коугн П.М. Архитектура конвейерных ЭВМ – М.: Радио и связь, 1985. – 230с.

15.Абель П. Язык Ассемблера для IBM PC и программирования – М.: Высш. школа, 1992. – 447с.

16. Хамахер К., Вранешич З., Заки С. Организация ЭВМ. – СПб.: Питер, 2003. – 848 с.

17. Применение интегральных микросхем памяти: Справочник А.А. Дерюгин и др. – М.: Радио и связь, 1994. – 232с.

18. Лебедев О. Н. Применение микросхем памяти в электронных устройствах: Справ. пособие – М.: Радио и связь, 1994. –216с

19. Токарев В.Л. Схемотехника ЭВМ. Методические указания по выполнению курсового проекта – Тула: ТГТУ, 1993 – 42с.

20.Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П.П. Мальцев и др. – М.: Радио и связь, 1994. –240с.

21.Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике: Справочник / Р.В. Данилов и др. – М.: Радио и связь, 1987. –384с.

22. Хамахер К. Организация ЭВМ/ К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки; пер. с англ. – СПб.: Питер, 2003. – 848 с.

Воспользуйтесь поиском по сайту: