Проектирование блока буферной памяти

Проектирование блока буферной памяти

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Владимирский Государственный Университет»

Кафедра ВТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине:

«Схемотехника ЭВМ»

на тему:

«Проектирование блока буферной памяти»

Выполнил: студент гр. ЗЭВМ-105

Ильчик В.В.

Принял: Барашев А.Ф.

Владимир 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Техническое задание

2 Разработка структурной схемы

3 Разработка функциональной схемы

4 Выбор элементной базы

5 Выбор блока питания

7 Расчет надежности

Заключение

Список используемых источников

Введение

В настоящее время, когда компьютерные системы развиваются быстрее всего во всем мире, не говоря уже о супер стремительном росте вычислительных скоростей, появляется проблема разработки внешних дополнительных устройств, для выполнения той или иной специфической задачи. Сейчас нереально разрабатывать и продавать узкоспециализированные компьютерные системы, для широкого круга пользователей. Большинство пользователей просто требует, чтобы их компьютер выполнял множество различных функций, вот например самые распространенные из них, это аудио и видео возможности, а с появлением интернета компьютер превратился в очень удобное и мощное средство общения и не только посредством текста, пользователи хотят разговаривать и видеть друг друга. Как мы видим, возможности современных компьютерных систем далеко ушли от тех, для выполнения которых была придумана ЭВМ. Но для дополнительных функций нужны и дополнительные аппаратные и программные средства. Например, для ввода в компьютер графической информации используется сканер или телекамера, а с развитием общества такие потребности быстро растут.

Сложность таких устройств не велика, но если требуется высокое качество и при этом на ввод информации нужно затратить минимум времени, то сложность таких устройств очень резко возрастает.

Трудность заключается в том, что все эти устройства изготавливаются из элементной базы, а ее возможности тоже не безграничны. Поэтому иногда возникает потребность в обновлении самого алгоритма устройства, принципа работы и так далее, а на это необходимо затратить большое количество знаний.

Разработкой таких систем занимается целый ряд организаций, о чем свидетельствует увеличение до нескольких десятков в год числа проводимых НИР и ОКР и число выданных авторских свидетельств на устройства ввода и устройства отображения информации типа ТВ.

В настоящее время среди пользователей широко распространенны сканеры таких хорошо известных фирм как Hewlett Packard, Mustek, Canon. Много фирм продают устройства сопряжения видеокамеры с компьютером, называемых декодерами.

При использовании сканера возникает необходимость в точном перемещении считывающего устройства, в связи с чем возникают трудности при расчетах и изготовлении механических движущихся частей, а также с их заменой и ремонтом. Этих недостатков лишено устройство, основанное на считывании с помощью видеокамеры.

Выбор производится исходя из нужной скорости и нужного разрешения считывания. Так для большей скорости и меньшего разрешения используют видео камеру, а для меньшей скорости и большего разрешения используют сканер.

Основой таких устройств является преобразователь кода, в задачей которого является преобразование аналогового сигнала с телекамеры в цифровой, понятный для ЭВМ. Разработку этого устройства будем выполнять, пытаясь затратить как можно меньше элементов, то есть учитывая простоту реализации, но в тоже время наиболее качественно и выполняющей все поставленные задачи, а также максимально эффективное использование элементной базы.

Цель курсовой работы - получение навыков исследования и проектирования функциональных узлов, блоков и устройств вычислительной техники;

систематизация, закрепление и расширение теоретических знаний по синтезу логических схем и использованию современных интегральных микросхем для построения узлов ЭВМ;

приобретение навыков конструирования печатных плат;

закрепление навыков в работе с расчетной и справочной литературой;

приобретение навыков графического изображения структурных и принципиальных схем.

Задача заключается не только в изучении большого многообразия ИС, но и в развитии навыков активного их использования, проектирования на их основе более сложных узлов, блоков и устройств.

1 Техническое задание

Необходимо спроектировать блок преобразования к виду по сечениям, используемый при вводе информации с промышленной телевизионной установки со следующими параметрами:

Размер изображения -N*M где N- число столбцов обрабатываемого изображения, M - число строк изображения;

Число сечений - K.

N=256

M= 512

K= 3

Необходимо рассмотреть следующие вопросы:

Описание режимов работы устройства при вводе изображения;

Спроектировать блок преобразования к виду “по сечениям”;

Разработать структурную, функциональную и принципиальную схему устройства;

Выбрать блок питания;

Рассчитать надежность;

Вычертить структурную, функциональную и принципиальную схему блока.

2 Разработка структурной схемы

Процесс разработки любых устройств и систем содержит стадии теоретического и практического проектирования. На высшем уровне которого используется наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности системы.

Для разработки структурной схемы и определения основных технических характеристик на этапе схемотехнического проектирования определим основные блоки устройства, технические характеристики, а также опишем общий алгоритм работы устройства.

Съем информации осуществляется с помощью стандартной промышленной телевизионной установки (ПТУ). Поле M на N элементов. Число градаций яркости 3.

Важнейшей частью современных систем управления и обработки информации, систем автоматического проектирования, а также систем автоматической идентификации людей по биометрическим признакам, являются устройства ввода в ЭВМ визуальной информации и устройства ее отображения.

Обычно такие системы имеют в своем составе устройство воспринимающее информацию об исследуемом объекте, блок регистровой памяти, служащий для записи и хранения информации в режимах работы воспринимающего устройства с последующей перезаписью информации в память ЭВМ.

В настоящее время складывается тенденция освобождать центральные ЭВМ от управления сложными внешними устройствами, которые способны самостоятельно решать ряд задач и строятся по двум наиболее рациональным с технической точки зрения схемам построения: устройства подчиненного цикла и как устройства автономного цикла. В курсовом проекте целесообразно разработать устройство автономного цикла, для того, чтобы не загружать ЭВМ выполнением задач управления устройством.

Такое устройство можно подключить к одному из каналов ввода-вывода ЭВМ и оно будет работать как обычное внешнее устройство.

Правда создание устройства подчиненного цикла требует значительного усложнения устройства.

На существующем уровне развития техники можно считать целесообразным физическое разделение этапов, реализуемое в устройствах автономного цикла. При этом устройство будет связано с ЭВМ только типом промежуточного носителя информации и структурой ее записи. В процессе ввода и анализа изображения ЭВМ не взаимодействует с устройством, что значительно повышает эффективность использования машинного времени. Их взаимодействие начинается только при окончании занесения информации в буферный блок памяти устройства.

Рассчитаем основные характеристики разрабатываемого устройства.

Телевизионный растр, образованный линейной прогрессивной разверткой, при которой полный растр за один период кадровой развертки Тк, создается одновременный движением луча по горизонтали вдоль оси X и по вертикали, вдоль оси Y. Отклоняющие сигналы формируются генераторами строчной и кадровой разверток, входящими в состав устройства управления приемником типа ТВ.

Каждая строка по горизонтали, в соответствии с заданием разбивается на N - элементов (точек), а каждый столбец по вертикали - на M элементов. В результате информацию получаем о NxM элементах поля изображения. Соответственно объем ББП должен составлять 256х512 ячеек.

Параметры устройства: Тк - время кадра, Тк = 20 мс. Так как появление изображения асинхронно, то время записи ограничено пределами одного кадра.

Длительность строки 50 мкс, время обратного хода луча 14 мкс. Вдоль строки расположено 512 элементов, т.е. время обработки одного элемента tобр.э:

Частота смены элементов:

Требуемый объем памяти на одно изображение: 128К x 3.

За время обработки одного элемента при вводе визуальной информации необходимо реализовать следующие основные функции: из полного телевизионного сигнала выделить и сформировать видеосигнал. Преобразовать амплитуду сигнала в цифровой код, записать цифровой код в блок буферной памяти.

Так как время обработки одного элемента 0,1 мкс, при использовании памяти статического типа нет необходимости использовать промежуточный регистровый накопитель, т.к время доступа к ячейке памяти значительно меньше.

Структурная схема устройства приведена на рисунке 1.

Опишем алгоритм функционирования устройства.

Сигнал, поступающий от устройства ввода изображения содержит в себе следующую информацию: синхроимпульсы (кадровый, строчный) и видеосигнал. Для их выделения из полного телевизионного сигнала используется блок селекции сигналов.

Выделенные синхроимпульсы подаются в блок управления вводом информации и используются в дальнейшем для тактирования работы устройства при вводе информации. Выделенный видеосигнал подается на аналого-цифровой преобразователь параллельного действия.

Блок АЦП оцифровывает выделенный видеосигнал. Полученное значение яркости записывается в блок буферной памяти.

По окончании ввода данных в ББП выполняется их передача в ЭВМ. Управление устройством при этом режиме работы осуществляется программным обеспечением ЭВМ (драйвером устройства)

Для представления изображения в виде “по сечениям” используется блок выделения сечений.

Блок управления формирует тактовые импульсы и управляющие последовательности. При вводе информации блок управления генерирует последовательность адресов, по которым необходимо осуществить запись в ББП.

Т.о. необходимо предусмотреть два режима работы устройства:

1. Режим ввода информации с ПТУ;

2. Режим передачи информации в ЭВМ.

В режиме ввода информации управление осуществляется блоком управления. В режиме передачи данных устройством будет управлять ЭВМ.

3 Разработка функциональной схемы

На основании полученной структурной схемы устройства разработаем его функциональную схему. Определим входные и выходные сигналы для блоков и опишем их назначение.

Блок селекторов должен выполнять функцию выделения из полного телевизионного сигнала кадрового, строчного и тактового синхроимпульса, а также видеосигнала.

На вход блока подается:

1. Полный видеосигнал от ПТУ - Video.

На выходе:

1. Кадровый синхроимпульс - КСИ ;

2. Строчный синхроимпульс - ССИ;

3. Видеосигнал - Video.

Блок АЦП выполняет оцифровку выделенного аналогового видеосигнала.

На вход блока подается:

1. Видеосигнал - Video.

На выходе:

1. Оцифрованный видеосигнал - DVideo[0..2].

В качестве АЦП применим блок из трёх компараторов (рис2). Это просто и не дорого. На вход подаётся видео сигнал,а с выходов снимаются сигналы одного уровня, логической еденицы, именуемый «код Джонсона».

Блок буферной памяти предназначен для хранения информации об изображении. Для хранения изображения в ББП каждый элемент кодируется 1-м битом. Организация памяти - 128К x 3.

На вход блока подается:

1. Оцифрованный видеосигнал - DVideo[0..2];

2. Адрес текущей ячейки - Adr[0..13];

3. Управляющий сигнал чтение/запись - W/R;

На выходе:

1. Оцифрованный видеосигнал - DVideo[0..2].

Блок управления предназначен для формирования управляющих сигналов.

На вход блока подается:

1. Кадровый синхроимпульс - КСИ ;

2. Строчный синхроимпульс - ССИ;

3. Сигнал запуска - Пуск;

4. Сигнал сброса - Reset;

5. Сигнал CS от ЭВМ.

6. Сигнал сброса - Reset;

На выходе:

1. Тактовый синхроимпульс - СИ;

2. Адрес для ББП - Adr[0..13];

3. Управляющий сигнал чтение/запись для ББП- W/R;

4. Управляющий сигнал CS для ББП.

5. Сигнал начала кадра НК

6. Сигнал начала строки НС

7. Сигнал конца строки КС

8. Сигнал окончания ввода изображения - Ready.

Функциональная схема устройства приведена на рис. 3.

МБУ - местный блок управления управляет работой остальных блоков устройства. Рассмотрим структурные части, необходимые в МБУ. Для синхронизации и управления устройством используются сигналы КСИ и ССИ, входящие в ПТС. Для их выделения необходим селектор синхроимпульсов (СС), основа которого- аналоговая микросхема. Для запуска устройства необходим некий сигнал, вводим еще один модуль - модуль формирования сигнала начала рабочего кадра (НК). Также необходим модуль формирующий сигналы управления для АЦП и ББП.

По вертикали телевизионный кадр содержит 625 строк, из них 47 строки генерируются во время КГИ. В пределах кадра используем 512+47=559 строк. Неиспользуемые 625-559 =66 строк располагаем по периферии кадра сверху и снизу, для формирования наиболее устойчивой рабочей области.

За начало отсчета кадра примем момент совпадения выделенных из ПТС КСИ и ССИ. Учитывая неиспользуемые строки и строки, совпадающие с действием КГИ за начало рабочего кадра выберем начало 32 строки от момента совпадения КСИ и ССИ.

Для обеспечения работы устройства ввода визуальной информации в тактах телевизионной камеры необходимо синхронизировать начало импульсной последовательности частоты 10 МГц строчными синхроимпульсами. На время обратного хода строчной и кадровой разверток блокировать работу устройства ввода-вывода

Формирование сигнала НК происходит по схеме 1. КСИ устанавливает триггер в единицу, сигнал с прямого выхода триггера открывает с одной стороны вентиль. С другой стороны вентиля открывается ССИ, и сигналы подаются на вход делителя. С выхода делителя появится 32-ой ССИ, который используется как импульс НК. Этот сигнал опрокинет триггер в нулевое состояние, прерывая счет числа строк.

Схема1.

Так как считывается только 512 строк с момента подачи импульса НК, следовательно, необходимо разрешить работу преобразователя только в этот момент времени, для этого нужно сосчитать 512 строк, но разрешение преобразователя 64х512, следовательно считываться будет только одна строка из четырёх, в течение только первого полукадра, для этого применяется схема, аналогичная первой, но с делителем на 4. Для формирования импульса завершения работы устройства используется делитель на 64.

Страницы: 1, 2