Современные информационные технологии/1. Компьютерная инженерия

Курганов И.Д.

Криворожский технический университет

Современные подходы к созданию лаборатории “Компьютерной схемотехники”

Стремительные темпы роста в развитии технологий и применяемых методов по проектированию вычислительных устройств делают задачу по реализации и представлению этих технологий в учебном процессе достаточно трудоемкими, так как существует необходимость постоянного обновления программной и технической базы лаборатории. Вторая задача, которая стоит при создании лаборатории и практикума, заключается в том, что в учебном процессе нельзя “сжигать мосты” между технологией проектирования вычислительных устройств с фиксированной структурой на основе жесткой логики и ныне применяемой технологией программированных логических интегральных схем, тем более обе технологии на сегодняшний день активно применяются.

В связи с тем, что дисциплина “Компьютерная схемотехника” является отдельным разделом курса “Архитектура компьютеров” и неразрывно с ним связана, то целесообразно под лабораторией компьютерной схемотехники подразумевать лабораторию типа hardware, которая является практическим применением навыков полученных из курса “Теория цифровых автоматов”. Эти знания закрепляются в лабораторном практикуме “Компьютерная схемотехника” посредством проектирования схемотехнических решений для мультиплексоров, дешифраторов, счетчиков, регистров, что является основой курса “Компьютерная схемотехника”. Прочитанный курс “Архитектура компьютеров” информационно является развитием курса “Теория цифровых автоматов” в вопросах построения вычислительных устройств с точки зрения архитектуры и организации взаимодействия устройств ЭВМ.

Таким образом, создается фундаментальная основа для разработки и проектирования более сложных цифровых устройств, таких как микропроцессор и память. На этом этапе учебного процесса проектирования цифровых устройств можно рассматривать по нескольким направлениям.

Первое включает в себя проектирование микропроцессорных устройств на основе жесткой логики типа КР1531 и секционных микросхем серии КР1804 и др. При этом написание программной части (микрокоманд) для секционных микросхем осуществляется на микроуровне с помощью микроассемблера. Таким образом, разрабатывается микропроцессорное устройство и низкоуровневый язык программирования для этого микропроцессора, который может быть индивидуально специализирован только для этого устройства.

Второе направление основано на применении технологии проектирования микропроцессорных устройств на базе программируемых логических схем ПЛИС, которые позволяют выполнять проектирование цифровых устройств от простых комбинационных схем до создания микропроцессорного устройства с различной организацией его архитектуры, проектирования памяти и системных шин расширения для подключения периферийных устройств. Программная часть такого проекта строится на основе языка программирования VHDL. В качестве среды программирования используются программные средства, разработанные фирмами разработчиками для конкретных моделей ПЛИС, таких фирм как Xilinx, Altera, Actel, Atmel.

Третье направление включат в себя проектирование микропроцессорных систем на базе однокристальных процессоров КР1830ВЕ31, Intel 80C31, 80C51, Atmel AT89C51, AT89C52.

Таким образом, выше названные направления дают возможность всесторонне рассмотреть организацию архитектуры ЭВМ и получить практические знания по проектированию вычислительных устройств как аппаратной части, так и низкоуровневой программной организации их работы.

Нельзя не отметить практического применения лаборатории компьютерной схемотехники для такой дисциплины как “Периферийные устройства”, которая является отдельным разделом курса “Архитектура компьютеров” и рассматривает вопросы проектирования каналов ввода-вывода между оперативной памятью ЭВМ и периферийными устройствами.

Остановимся детально на составе программной и аппаратной части необходимой для организации лаборатории. Как уже говорилось для практического закрепления навыков полученных их курса “Теория цифровых автоматов” необходимо осуществить схематическое построение изученных комбинационных схем по их логическим выражениям и проверить их правильность с помощью моделирования. Для этой цели подходит ряд программных продуктов таких как Electronic Workbench 5.12, Progmols для DOS, afdk 3, Simulink из математического пакета Matlab 7.0.1 и др. Данное программное обеспечение позволяет выполнить всевозможные схемотехнические решения при моделировании цифровых устройств разного уровня сложности.

При исследовании моделей цифровых устройств, которые проектируются на основе программируемых логических интегральных схем, широкое распространение получили системы автоматического проектирования Active HDL, Xilinx ISE WebPack, ModelSim, MAX+PLUS II и Quartus II. Все перечисленные средства проектирования предназначены для организации цифровых устройств на основе языка высокого уровня VHDL.

Для практической реализации рекомендуется использовать конструктор ПЛИС фирмы LDM Systems (см. рис.1), который представляет собой печатную плату размером 97х64х12мм и макетным полем 64х45мм с установленной на ней микросхемой ПЛИС EPM240T100 фирмы Altera семейства MAX II в корпусе TQFP-100. Программирование осуществляется через загрузочный кабель ByteBlasterMV LDM-PB 2.01, подключаемый к LPT-порту компьютера. В комплект входит диск с необходимыми программами:

- Описание к конструктору-ПЛИС;

- Система проектирования ALTERA MAX PLUS II V9.4;

- Описание к ПЛИС семейств MAX 3000A или MAX 7000S [1].

Рис.1 Внешний вид конструктора Рис. 2 Внешний вид конструктора-

ПЛИС LDM-PP 1.хххх контроллера

Для проведения лабораторных работ в целях изучения и проектирования микропроцессорных устройств на базе однокристальной ЭВМ типа 8051 8-bit MCS-51 рекомендуется применять конструкторы - контроллеры LDM-89C5130A. Конструктор-контроллер представляет собой печатную плату размером 108х71х15мм с макетным полем 71х48мм и установленным на ней высокопроизводительной версией 8-разрядного микроконтроллера 80C51 AT89С5130A фирмы ATMEL в корпусе VQFP-64 с флэш-памятью и функциями полноскоростной USB-связи. Внешний вид контроллера представлен на рис.2.

В состав конструктора входит техническое описание, компилятор Keil для написания программы внутрисхемной работы устройства на языке ассемблер, который после компиляции получает расширение HEX и программа Flip 3.1.1 для прошивки программы внутрисхемного функционирования устройства [1].

Таким образом, представленные конструктор ПЛИС и конструктор–контроллер, а также соответствующее методическое обеспечение для курса лабораторных работ позволит выполнить все этапы проектирования, необходимые для выпуска готовых изделий:

- создание проектов устройств;

- синтез структур и трассировку внутренних связей ПЛИС;

- подготовку данных для программирования или конфигурирования ПЛИС (компиляцию);

- верификацию проектов (функциональное моделирование и временной анализ);

- программирование или конфигурирование ПЛИС.

Литература:

1. www.ldm-systems.ru - Разработка электроники на заказ Контрактное производство электроники компания LDM-Systems;

2. www.digitallab.kiev.ua - НТУУ КПІ, Факультет електроніки, Кафедра КЕОА - Конструювання електронно-обчислювальної апаратури, Лабораторія електронних технологій;

3. Сергиенко А.М. VHDL для проектирования вычислительных устройств. - К.: ЧП "Корнейчук", ООО "ТИД "ДС", 2003. - 208 с.