LS-Sb90197

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ НА КРИСТАЛЛЕ

Электронные методические указания

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2013

УДК 681.3.397

Методы и технологии обработки сигналов в системах на кристалле: эл. метод. указания / Сост.: И. А. Зубакин, Ш. С. Фахми. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 32 с.

Рассмотрены вопросы проектирования цифровых устройств на основе технологии «система на кристалле». Приведены практические примеры проектирования с применением языка VHDL, рассмотрены основные этапы проектирования. На конкретных примерах показаны возможности функциональ- но-логического моделирования цифровых устройств.

Предназначено для студентов, обучающихся по профилю 230103.62 бакалаврской подготовки направления 230100.62 «Информатика и вычислительная техника», инженерно-технических и научных работников, занимающихся разработкой и аппаратно-программным автоматизированным проектированием цифровых устройств различного назначения.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

вкачестве электронных методических указаний

©СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013

Редактор Т. А. Лунаева

_____________________________________________________________

Подписано в печать 27.12.2013. Формат 60 × 84 1/16. Гарнитура «Times New Roman». Печ. л. 2,0.

Тираж 11 экз. Заказ 192.

______________________________________________________________

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

2

Введение

Разрыв в степени интеграции и быстродействии между цифровыми устройствами (ЦУ), реализованными на базе заказных интегральных схем (ИС) и современных программируемых логических ИС (ПЛИС), стремительно сокращается. Появление ПЛИС, содержащих встроенные процессорные ядра, блоки памяти, специализированные сигнальные процессорные и коммуникационные блоки, делает их использование для проектирования сложных систем все более привлекательным. При этом сохраняются такие преимущества ПЛИС, как возможность перепрограммирования и существенно более краткий цикл проектирования. Однако с увеличением степени интеграции и быстродействия возрастают и требования к средствам проектирования ПЛИС. Многие технологии, подходы, ранее свойственные только маршрутам проектирования заказных ИС, становятся обязательными при разработке ПЛИС. Одна из таких технологий – высокоуровневый синтез [1]−[3].

Для успешного выполнения лабораторных работ студенты должны знать: дискретную математику, организацию электронно-вычислительных машин (ЭВМ) и теоретические основы электротехники, а также иметь опыт работы с персональным компьютером (ПК).

Входе выполнения лабораторных работ студенты познакомятся:

∙с методологией проектирования ЦУ;

∙процедурой создания проектов;

∙возможностями текстового и схемного редакторов систем автоматизированного проектирования (САПР) и особенностями создания как простейших, так и иерархических проектов;

∙процедурами поиска и анализа критических путей распространения сигналов, а также процедурами настройки компилятора для их оптимизации;

∙процедурами задания особенностей реализации модулей проекта и размещения выводов сверхбольшой ИС (СБИС).

Кроме того, в ходе выполнения лабораторных работ студенты получат практический опыт:

∙по созданию проекта на основе технологии «система на кристалле»;

∙использованию при вводе проекта библиотек современных САПР;

∙анализу результатов компиляции и разводки созданного ЦУ;

∙анализу временных диаграмм созданного ЦУ;

∙моделированию проекта и настройке модуля программатора.

3

1.МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Внастоящее время в связи с созданием и широким внедрением в инженерную практику микропроцессорных устройств и систем не ослабевает и вновь стимулируется интерес к методам цифровой обработки сигналов (ЦОС) и цифровой передачи информации. Цифровые методы, в свою очередь, придают системам ряд положительных свойств и качеств: повышается верность передаваемой информации, достигается высокая скорость и производительность устройств обработки информации, обеспечивается приемлемая их стоимость, высокая надежность, малое потребление энергии и т. д.

Бурный прогресс вычислительной техники (ВТ) в последние десятилетия привел к широкому внедрению методов ЦОС практически во всех областях научных исследований и народно-хозяйственной деятельности. При этом среди различных применений средств ВТ одно из важнейших мест занимают системы ЦОС, нашедшие применение при обработке данных дистанционного зондирования, медико-биологических исследований, при решении задач навигации аэрокосмических и морских объектов, а также в связи, радиофизике, цифровой оптике и ряде других приложений.

ЦОС – это динамично развивающаяся область ВТ, которая охватывает как технические, так и программные средства. Родственными областями для ЦОС являются теория оптимального приема сигналов и теория распознавания образов. При этом в первом случае основной задачей является выделение сигнала на фоне шумов и помех различной физической природы, а во втором

–автоматическое распознавание, т. е. классификация и идентификация сигнала.

Втеории информации под сигналом понимается материальный носитель информации. В ЦОС под сигналом будем понимать его математическое описание, т. е. некоторую вещественную функцию, содержащую информацию о состоянии или поведении физической системы при каком-нибудь событии. Функция может быть определена в непрерывном или дискретном пространстве изменения времени или пространственных координат.

Вшироком смысле под системами ЦОС понимают комплекс алгоритмических, аппаратных и программных средств. Как правило, системы содержат специализированные технические средства предварительной (или первичной) обработки сигналов и специальные технические средства для вторичной обработки сигналов. Средства предварительной обработки предназначены для

4

обработки исходных сигналов, наблюдаемых в общем случае на фоне случайных шумов и помех различной физической природы и представленных в виде цифровых отсчетов, с целью обнаружения и выделения (селекции) полезного сигнала, его пеленгования и оценки характеристик обнаруженного сигнала. Полученная в результате предварительной обработки полезная информация поступает в систему вторичной обработки для классификации, архивирования, структурного анализа и т. д.

Основными процедурами предварительной обработки сигналов являются процедуры быстрых дискретных ортогональных преобразований, реализуемых в различных функциональных базисах, процедуры линейной алгебры, линейной и нелинейной фильтрации. При этом аппаратная реализация всех преобразований сигналов осуществляется с помощью элементов и узлов цифровой схемотехники. Изучение основных элементов и узлов, а также разработка ЦУ на их основе и является целью данных методических указаний.

Подробное рассмотрение функционирования элементов и узлов цифровой схемотехники рассмотрено в [4]–[6] и в данных методических указаниях не приводится из-за ограниченности объема, а в качестве примера рассматриваются разработка и исследование триггеров.

1.1. Основные типовые методы обработки информации

Основными типовыми методами обработки информации, используемыми при автоматическом или автоматизированном управлении и контроле за производственными или иными процессами, являются:

∙методы сбора информации (ее получение);

∙методы преобразования информации (масштабирование, нормализация, фильтрация, кодирование и т. д.);

∙методы передачи и приема информации;

∙методы хранения, обработки и использования информации.

Информационно-управляющая система (ИУС). В ИУС информацион-

но-измерительное устройство (ИИУ) получает информацию об объекте управления (ОУ) и предварительно ее обрабатывает (рис. 1.1). Получение информации заключается в формировании первичных сигналов, значения которых пропорциональны значениям параметров, характеризующих состояние ОУ. Под ОУ можно понимать как отдельную производственную установку, так и производственный процесс в целом, а под параметрами – выходные координаты объекта, значения температуры, давления, расхода материалов или энергии

5

и т. п. Поскольку большинство таких параметров представлено в аналоговой форме и характеризуется бесконечным множеством значений, то сигналы должны быть нормализованы по своим параметрам, масштабированы и иметь унифицированную форму. ИИУ выдает сигналы на устройство управления (УУ). УУ вырабатывает управляющие сигналы, поступающие на вход исполнительного устройства (ИУ). На выходе ИУ формируются сигналы, управляющие ОУ.

Рис. 1.1. Структурная схема ИУС

Система передачи информации (СПИ). При увеличении расстояния между ИИУ и УУ, а также между УУ и ИУ возникает необходимость передачи информации. На рис. 1.2 показана структурная схема СПИ, состоящая из кодирующего устройства (КУ), передатчика (Прд), линии связи с помехами, приемника (Прм) и декодирующего устройства (ДКУ).

Рис. 1.2. Структурная схема СПИ

Необходимость передачи информации на значительные расстояния возникает не только в пространственно-разнесенных ИУС, но и в системах связи других видов (телеграфной, телефонной, телефаксной и т. д.), а также в вычислительных системах, телемеханических системах и т. д.

В процессе передачи по линиям связи искажаются параметры сигналов, что может привести к искажению информации − к снижению ее верности (вероятности ее правильного приема).

6

Искажение же сигналов обусловлено действием помех, возникающих в линиях связи. Помехи, как правило, имеют случайный характер и их параметры могут не отличаться от параметров сигналов, поэтому они «способны» искажать сигналы и даже «воспроизводить» информацию − трансформировать передаваемое сообщение. Последнее – самое нежелательное событие в передаче информации.

Системы обработки информации (СОИ). Перечисленные ранее типовые методы могут быть формализованы математически и логически. В свою очередь, названные методы оперируют простейшими операциями (арифметическими или логическими), при выполнении которых над некоторыми исходными данными получается новый результат, ранее неизвестный.

Эта общность методов решения разнообразных задач по обработке информации позволила создать отдельный класс устройств и систем, целевым назначением которых (первоначально) была автоматизация вычислительных процедур, − ЭВМ (рис. 1.3). На рис. 1.3 показаны запоминающее устройство (ЗУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), УУ и устройство вводавывода (УВВ).

Рис. 1.3. Структурная схема СОИ

На современном этапе развития вычислительной техники ЭВМ «превратились» в ПК, на основе которых строятся современные компьютерные СПИ и СОИ.

1.2. Триггеры

Все ЦУ принято разбивать на два класса: комбинационные ЦУ (КЦУ) и последовательностные ЦУ (ПЦУ).

Отличительные особенности этих классов ЦУ состоят в следующем. Для КЦУ значения выходных сигналов в некоторый момент времени определяются только значениями входных сигналов в тот же момент времени. Для

7

ПЦУ значения выходных сигналов определяются не только входными сигналами в данный момент времени, но и их значениями в предшествующие моменты времени. Примером, поясняющим принцип работы ПЦУ, является телефон. Чтобы соединиться с определенным абонентом, следует набрать последовательность цифр, соответствующую его номеру. Произойдет ли подключение к нужному абоненту, когда набирается последняя цифра, зависит как от этой цифры, так и от ранее набранной комбинации цифр.

Изменения значений входных сигналов ЦУ происходят дискретно во времени. При этом временные интервалы, в течение которых эти значения сохраняются неизменными, называют тактами работы ЦУ. При этом ПЦУ должно характеризоваться свойством запоминания входных сигналов, т. е. ПЦУ должно обладать памятью. Память ПЦУ может охватывать произвольное, но обязательно конечное число r тактов работы. Поэтому за ПЦУ закрепились также следующие наименования: ЦУ с памятью, многотактные ЦУ, конечные автоматы, цифровые автоматы.

Свойство запоминания информации обеспечивается наличием у ПЦУ r различных устойчивых внутренних состояний Q1, Q2, , Qr , каждое из которых характеризуется определенной комбинацией сигналов во внутренних цепях ПЦУ.

Из вышеизложенного следует, что ПЦУ – это цифровой преобразователь информации, способный принимать различные состояния, хранить (сохранять) их, переходить под воздействием входных сигналов из одного состояния в другое и формировать выходные сигналы. Следовательно, задание оператора, реализуемого ПЦУ, предполагает: во-первых, установление связи

во-вторых, установление связи внутренних сигналов Qk + 1 для (k + 1)-го такта работы ПЦУ со значениями входных сигналов X k и внутренних сигналов Qk для k-го такта работы ПЦУ, т. е. связи вида

Приведенные соотношения именуют функциями (уравнениями) выходов (1.1) и переходов (1.2). Табличные формы представления указанных функций

8

чаще являются более наглядными и удобными для анализа работы ПЦУ. Соответствующие таблицы называются таблицей выходов и таблицей переходов.

Примером простейших ПЦУ являются триггеры. Отличительными особенностями триггеров являются:

1)число внутренних устойчивых состояний равно двум, чему соответствует один сигнал в прямой (Q ) и один в инверсной форме (Q );

2)число выходов у триггера также равно двум, один из них называют прямым, другой – инверсным. Причем значения выходных сигналов равны соответствующим значениям внутренних сигналов. Поэтому для триггеров

принято прямой выход обозначать Q , а инверсный – Q .

Состояние триггера определяется по уровню напряжения на его прямом выходе. Если это напряжение уровня логической «1», т. е. Q =1 (при этом

Q = 0 ), то говорят, что триггер находится в единичном состоянии (в триггер записана «1»). Если же Q = 0 (Q =1) – триггер находится в нулевом состоянии (в триггер записан «0»).

1.2.1. Классификация тригеров

Классификация триггеров может осуществляться по ряду признаков. Важными классификационными признаками являются (рис. 1.4): логика работы и способ записи информации.

Рис. 1.4. Классификация триггеров

По логике работы триггеры разделяют по виду характеристического уравнения (так применительно к триггерам называется уравнение переходов).

9

По этому признаку различают триггеры типов T, D, RS, JK и др. Кроме того, используются комбинированные триггеры, в которых совмещается одновременно несколько типов, и триггеры со сложной входной логикой (группами входов, связанных между собой логическими зависимостями).

Простейший триггер – Т-триггер – имеет один информационный вход (Т), сохраняет свое состояние при подаче на него сигнала уровня логического «0» и изменяет состояние на противоположное при подаче на него сигнала уровня логической «1». Такой триггер также называется счетным (со счетным входом), его условное графическое обозначение (УГО) показано на рис. 1.5, а. Из таблицы переходов этого триггера (табл. 1.1) получим выражение для характеристического уравнения на основе совершенной дизъюнктивной нормальной формы (СДНФ):

Нетрудно видеть, что Т-триггер реализует логическую функцию «сумма по модулю 2».

Другой простейший триггер – D-триггер – также имеет один информационный вход (D), его состояние повторяет входной сигнал предыдущего такта. Такой триггер также называется триггером задержки, его УГО показано на рис. 1.5, б. Из таблицы переходов этого триггера (табл. 1.2) получим выражение для характеристического уравнения на основе СДНФ:

Qk + 1 = Dk Qk + DkQk = Dk , Qk + 1 = Dk Qk + DkQk = Dk .

Двухвходовые RS-триггер и JK-триггер устанавливаются (переключаются) в единичное состояние при подаче сигнала уровня логической «1» на один из входов, обозначаемый S (для RS-триггера) или J (для JK-триггера), и в нулевое состояние при подаче сигнала уровня логической «1» на другой вход – R (для RS-триггера) или K (для JK-триггера). Будем называть такие входные сигналы устанавливающими, или переключающими. При их отсутствии на обоих входах триггеры сохраняют свое состояние. Различия между RS- и JK-триггерами проявляются в их реакциях на одновременную подачу

10