ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ
Кафедра №20
Курсовой проект
На тему: «Программа виртуального синтеза цифровых схем с учётом особенностей эммуляции процессорного устройства»
Исполнил: курсант 351 учебной группы Тютрин Н.Ю.
Проверил: преподаватель кафедры №20
подполковник Мордовин В.Н.
Санкт-Петербург 2009
Содержание
Перечень принятых сокращений
Введение
1. Возможности применения программы в учебном процессе
2. Технические характеристики программы
3. Описание тела программы
3.1 Обоснование выбора языка программирования
3.2 Структура программы
3.3 Принцип работы программы
Заключение
Литература
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6
Приложение 7
Приложение 8
Приложение 9
Приложение 10
Приложение 11
Приложение 12
1. ВАС – Военная академия связи.
2. ВТ – вычислительная техника.
3. ПО – программное обеспечение.
4. ПК – персональный компьютер.
5. УГО – условное графическое обозначение.
6. ООП – объектно-ориентированное программирование.
7. ЯП – язык программирования.
Целью предлагаемой разработки является создание программного обеспечения (ПО), используемого в учебном процессе в военных и гражданских ВУЗах. Программа позволяет эмулировать виртуальную рабочую среду для сборки, отладки, а также проверки функционирования устройств на базе цифровых интегральных микросхем. В работе произведена неполная эмуляция элементной базы ТТЛ и ТТЛШ, а не готовых технических устройств, что позволяет учащимся по мере возможностей самостоятельно производить проектирование, сборку и отладку исследуемых схем.
Программа также может использоваться при написании курсовых и дипломных проектов, связанных с аппаратными разработками на базе цифровых микросхем. Она может стать хорошим подспорьем при проведении самых разнообразных лабораторных работ. Преподаватель получает дополнительные возможности контроля знаний учащихся посредством имеющейся электронной библиотеки исправных и неисправных схем. Составлены методические разработки для проведения лабораторных работ, предполагающие отдельные варианты заданий для каждой бригады курсантов. Подобный подход позволяет учесть как индивидуальную подготовленность учащихся, так и специализацию всей группы в целом.
В Военной академии связи (ВАС) предлагаемое ПО уже применяется в учебном процессе при изучении таких специальных предметов, как «Микропроцессорные системы» (ДД – 420 – 14) и «Архитектура вычислительных машин» (ДД – 420 – 24). Использование данной программы также рекомендуется при изучении предметов «Схемотехника ЭВМ» (ДД – 420 – 10) и «Организация ЭВМ и систем» (ДД – 420 – 4). Кроме указанных дисциплин, предлагаемая разработка может найти применение при изучении любого предмета, связанного с цифровой схемотехникой.
Проблема эмуляции рабочей среды для построения и отладки всевозможных электронных устройств возникла давно и до сего дня не теряет своей актуальности. Практическая значимость решения данной задачи с годами только растёт, поскольку с развитием средств вычислительной техники (ВТ), при постоянном совершенствовании программного обеспечения (ПО) ускоренно расширяются возможности компьютерной эмуляции. Задачи, ещё недавно казавшиеся невыполнимыми, такие как, например, компьютерное моделирование работы процессорного устройства, сегодня уже не кажутся особо сложными.
Проблема компьютерного моделирования работы электронных устройств в последние годы вызывала живой интерес программистов, как в нашей стране, так и за рубежом. Оригинальными и популярными вариантами её решения стали такие известные в мире программы, как Simulink, WorkBench и LabView. Указанные типы ПО являются мощной и надёжной базой для решения множества инженерных задач.
Однако универсальность подобных разработок может создать определённые неудобства при их использовании в педагогических целях. Отображение элементов составленной схемы посредством условных графических обозначений (УГО) не создаёт эффекта живого контакта с реальным техническим устройством и не способствует лучшему усвоению материала. С другой стороны, универсальность и сложность указанного выше ПО требует длительной подготовки учащихся к работе с подобной программой. Затраты времени, отводимого на данную подготовку, ведут к сокращению числа остальных учебных часов. Использование программы, оперирующей с фотографически точными изображениями микросхем, по мнению авторов, способствует лучшему осмыслению изучаемого материала.
Проблемы педагогического характера способствовали принятию решения о самостоятельной разработке ПО, узкоспециализированного для виртуальной сборки цифровых схем. Можно сказать, что на текущий момент прямого аналога данное ПО не имеет. С учётом объёма, занимаемого программой, её скоростных качеств, а также личных предпочтений авторов, в качестве платформы программирования был избран Borland C++ Builder 6.
Необходимость компьютерного моделирования учебной лабораторной базы обусловливается тем, что используемая в настоящее время во многих ВУЗах лабораторная база для изучения цифровой электроники не всегда удовлетворяет современным требованиям. Стенды, выпускаемые ранее отечественной промышленностью, устарели. В тоже время новых стендов, отражающих современное развитие вычислительной техники, не создаётся, что часто и вполне оправданно вынуждает прибегать к собственноручному изготовлению макетов (подобный подход практикуется в некоторых учебных заведениях).
Но это не может решить существующих проблем:
- Чаще всего исследуется лишь одна микросхема или один тип микросхем, что сужает диапазон проводимых исследований.
- В условиях жёсткой сборки отсутствует возможность изменения конфигурации схемы.
- Отсутствие возможности самостоятельной сборки схемы, отладки её работы и устранения найденных неисправностей.
- Не предусматривается самостоятельное проектирование цифровых схем (по мнению авторов – главный недостаток).
- Не предусмотрено выполнение различными бригадами различных вариантов лабораторных работ.
- Отсутствие возможности контроля знаний посредством электронной библиотеки неисправных схем – самостоятельного нахождения неисправности и её устранения.
- Любая сборка (и в первую очередь нефабричная) не исключает вероятности частых поломок, что может стать особенно нежелательно с учётом возможной неподготовленности студентов или курсантов.
Всё сказанное относится как к самодельным стендам, так и к стендам, выпускаемым промышленностью.
Решение не всех, но многих вопросов (по крайней мере, всех перечисленных) даёт использование компьютерного моделирования учебной лабораторной базы.
Возможности применения предлагаемой разработки выходят за рамки учебного процесса. Она может эффективно использоваться в научно-исследовательских учреждениях и на производстве. Для выпуска электронной продукции предполагаются стадии разработки, сборки и отладки выпускаемого изделия. Все эти стадии требуют наличия квалифицированного персонала. Они также связаны со значительными временными затратами. Применение предлагаемой программы требует лишь наличия соответствующего компьютера и одного оператора. Таким образом, сводятся к минимуму как аппаратные, так и временные затраты, связанные со всеми тремя перечисленными стадиями производства. Так, например, виртуальная сборка устройства, включающего 5 – 6 цифровых микросхем средней и даже большой степени интеграции обычно занимает всего лишь 15 – 20 минут, чего, конечно, нельзя ожидать в условиях сборки реальной.
Включение в тело программы таких элементов, как виртуальный логический анализатор и многофункциональный виртуальный генератор – устройств, по своим параметрам во многом превосходящих свои реальные аналоги, делают разработку самодостаточной, не требующей никаких дополнительных элементов.
1. Возможности применения программы в учебном процессе
Предлагаемая разработка может активно использоваться в учебном процессе в ВАС. Так, например, при изучении предмета «Микропроцессорные системы» (ДД – 420 – 14) она полностью обеспечивает проведение практических занятий на персональных компьютерах (ПК) по темам: «Проектирование на ПК и виртуальная отладка устройства преобразования сигналов» (8 учебных часов), а также «Проектирование на ПК и виртуальная отладка вычислительного устройства» (8 учебных часов).
При изучении предмета «Архитектура вычислительных машин» (ДД – 420 – 24) данное ПО полностью обеспечивает выполнение курсового проекта с использованием средств ВТ (8 учебных часов). Кроме того, оно обеспечивает проведение практического занятия на ПК по теме: «Проектирование на ПК и виртуальная отладка вычислительного устройства» (4 учебных часа).
Таким образом, только по двум указанным дисциплинам использование предлагаемой разработки способно обеспечить проведение практических занятий с применением ВТ в объёме 28 часов. Сначала курсанты под руководством преподавателя разрабатывают исследуемый компьютерный узел. Затем виртуально «собирают» его на экране ПК, отлаживают и убеждаются в работоспособности. Для наиболее подготовленных учащихся предполагаются задания повышенной сложности. Фотографически точное (вплоть до бликов и теней) воспроизведение цифровых микросхем, а также вспомогательных и индикаторных элементов создаёт иллюзию работы с реальными техническими устройствами.