МИНОБРНАУКИ РОССИИ
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
В. С. АНДРЕЕВ Д. Н. БУТУСОВ Т. И. КАРИМОВ
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2018
1
УДК 004.312.001.2(07) ББК З 973.26–02я7
А65
Андреев В. С., Бутусов Д. Н., Каримов Т. И.
А65 Основы проектирования цифровых систем: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 30 с.
ISBN 978-5-7629-2410-8
Содержит описание методики разработки цифровых устройств на основе двух распространенных аппаратных платформ: микроконтроллеров AVR, ARM, Arduino и ПЛИС. Лабораторные работы даны в порядке возрастания сложности, от знакомства с аппаратными платформами до создания законченного цифрового устройства. Каждая из лабораторных работ содержит постановку задачи, указания к выполнению и тестовые задания по вариантам. Предложены варианты заданий на курсовое проектирование.
УДК 004.312.001.2(07) ББК З 973.26–02я7
Рецензент– к. т. н., ведущ. спец. науч.-произв. фирмы«Модем» А. С. Гудков.
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
ISBN 978-5-7629-2410-8 |
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018 |
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Подавляющее большинство цифровых устройств (ЦУ) сегодня является программируемым, и их разработка в большей степени сводится к написанию программного обеспечения, нежели к схемотехническому проектированию. Навыки разработки ЦУ сегодня востребованы не только в сфере проектирования электроники. Тенденция к интеграции ПЛИС и процессоров (что можно наглядно иллюстрировать на примере процессора Intel Xeon), распространение компактных одноплатных компьютеров типа Raspberry Pi, развитие мобильных устройств и Интернета вещей (IoT) постепенно уменьшает разрыв между программистами и разработчиками электроники.
С помощью простой в освоении среды и модульной платформы Arduino можно в кратчайшие сроки развертывать полноценные интеллектуальные IoT-системы. Мощные микроконтроллеры STM32 делают возможным построение портативных многофункциональных систем, медицинских и измерительных устройств миниатюрного размера с запущенной на них операционной системой реального времени. Программирование этих контроллеров мало чем отличается от программирования персональных компьютеров. Для ПЛИС, напротив, коды пишутся на специальных языках описания аппаратуры. При этом ПЛИС позволяют решать задачу не программным (в командах процессора) а аппаратным образом на уровне логических вентилей. По производительности такое устройство на задачах с естественным параллелизмом может в тысячи раз превосходить процессор общего назначения.
3
ВВЕДЕНИЕ
Разработчик, имея только идею или обобщенное техническое задание на разработку нового устройства, неизбежно сталкивается с вопросом выбора аппаратной платформы. На его решение могут влиять различные факторы, в том числе и субъективные: платформа может быть хорошо известна разработчику, в его распоряжении уже могут быть средства разработки и отладки под нее и т. п. Однако в подавляющем большинстве случаев целесообразность выбора той или иной платформы диктуется функциональными и экономическими параметрами будущего устройства. Перечислим основные аппаратные платформы, их краткие характеристики и особенности применения.
•Микроконтроллеры (МК) – миниатюрные компьютеры на одной интегральной схеме, содержащие одно или несколько процессорных ядер, память (ОЗУ, ПЗУ) и средства ввода-вывода. Главная область применения микроконтроллеров – встраиваемые системы управления, где имеют значение их миниатюрные размеры и низкая стоимость. В неактивном («спящем») режиме энергопотребление микроконтроллеров может составлять единицы микроватт, что актуально для устройств с автономным питанием.
Вто же время МК могут быть достаточно мощными и применяться там, где требуется высокая производительность.
•Цифровые сигнальные процессоры (англ. Digital Signal Processor,
DSP) – специализированные микропроцессоры, архитектура которых оптимизирована для решения задач цифровой обработки сигналов. Алгоритмы цифровой обработки сигналов требуют выполнения большого количества математических операций, таких как сложение и умножение и арифметические аппаратные блоки MAC (англ. Multiplier-Accumulator) позволяют осуществлять две эти операции за один такт. Многие DSP поддерживают векторизацию, т. е. выполнение одной и той же операции над несколькими байтами данных.
•Одноплатные компьютеры (англ. Single Board Computer, SBC) – мик-
рокомпьютеры, собранные на одной печатной плате, на которой также размещены ЦПУ, память, устройства ввода–вывода, цепи питания и другие необходимые компоненты. Строго говоря, микрокомпьютер не является прямой альтернативой упомянутым выше типам вычислительных устройств. Одноплатные компьютеры – это вычислительные системы, построенные на базе МК, DSP или специализированных процессоров, выпускающиеся серийно в форм-факторе печатных плат с размещенными на них необходимыми пери-
4
ферийными устройствами и разъемами, предназначенные для быстрого прототипирования, изготовления и развертывания встраиваемых систем.
•ПЛИС и системы на кристалле. Программируемая логическая инте-
гральная схема (ПЛИС – англ. field-programmable gate array, FPGA, или programmable logic device, PLD) – электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем логика работы ПЛИС не закладывается в них при изготовлении, а задается самим разработчиком. Программы для ПЛИС пишутся на так называемых языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др. Основным преимуществом ПЛИС является то, что они предоставляют возможность реализовать специализированные вычислительные архитектуры, которые могут быть в тысячи раз эффективнее CPU и GPU по времени выполнения и в сотни раз по энергопотреблению.
•Специализированные заказные микросхемы. Для работы в условиях специальных воздействий либо в случае больших серий целесообразным решением является создание специализированных заказных микросхем (англ. application-specific integrated circuit, ASIC). На таких микросхемах, часто со-
держащих более 100 млн транзисторов, могут размещаться системы на кристалле, включая микропроцессор, блоки памяти, аппаратные интерфейсы и др. Для описания топологии заказных микросхем используются языки описания аппаратуры, такие как Verilog и VHDL.
5