4 Построение принципиальной схемы
Схема электрическая принципиальная многофункционального арифметико-логического устройства представлена на графическом чертеже Э3. Подробное описание функционирования данной схемы изложено в пункте 2.
В данном разделе рассмотрим сложение и вычитание чисел с плавающей точкой. Для выполнения данной операции используются двоичный четырехразрядный сумматор СМ (серии К155ИМ3) и схема однобайтовых логических операций СОЛО. При сложении (вычитании) чисел с плавающей точкой из оперативной памяти по входной информационной шине ШИВх в АЛУ поступают операнды. Первое слагаемое (уменьшаемое) поступает на входной восьмиразрядный регистр Рг1 (серия К155ИР13), второе слагаемое (вычитаемое) - на входной восьмиразрядный регистр Рг3 той же серии. Знаки слагаемых хранятся в триггерах знаков (D-триггерах - К155ТМ2) - ТгЗн1 и ТгЗн2. Смещенные порядки слагаемых пересылаются в четырехразрядные регистры РгС и РгD (оба серии К155ИР1). Схема СОЛО применяется для сравнения и выравнивания порядков слагаемых. Данная схема является комбинационной, она позволяет реализовать поразрядные операции логического умножения И, логического сложения ИЛИ и суммирования по модулю два двумя однобайтовыми операндами. Четырехразрядная схема однобайтовых логических операций состоит из четырех схем поразрядной обработки СПО и схем сравнения слов длиной 1 байт. На Вых1 и Вых2 СОЛО формируются сигналы, определяющие результат сравнения байт по численному значению в соответствии со следующим правилом (таблица 4.1):
Таблица 4.1.
|
Вых1 |
Вых2 |
Результат сравнения |
|
1 |
1 |
D<C |
|
0 |
1 |
D>C |
|
0 |
0 |
D=C |
Сумматор СМ, его входные восьмиразрядные регистры РгА и РгВ (обе ИМС серии К155ИР13) и выходной восьмиразрядный регистр РгСМ используются при сложении (вычитании) мантисс, а также при передаче мантисс со сдвигом в процедурах выравнивания порядков и нормализации результата.
Выравнивание порядков производится
следующим образом. Смещенный порядок числа Х из Рг3 передается в регистр РгD и в выполняющий роль РгСОЛО счетчик
РгСч1, соединенный с выходом СОЛО. Затем в РгС передается смещенный порядок
числа Y. После этого начинается сравнение порядков чисел Х и Y на СОЛО и сдвиг
мантиссы числа с меньшим порядком вправо, при этом значение смещенного порядка
Y меняется до тех пор, пока он не станет равным смещенному порядку Х. Порядок Z
берется равным большему порядку слагаемых. Чтобы не делать лишних сдвигов мантиссы,
превратившейся в процессе выравнивания порядка в 0, на счетчике циклов СчЦ фиксируется
предельное число сдвигов, равное числу цифр мантиссы. При выполнении сдвига на один
разряд мантиссы содержимое СчЦ уменьшается на 1. При СчЦ=0 сдвиги прекращаются,
и в качестве результата берется большее слагаемое. После выравнивания порядков
осуществляется сложение мантисс и (при необходимости) нормализация результата. С выхода РгСМ данные
передаются дальше на шину ШИВых.
5 Расчетная часть
Среди многочисленных характеристик, отражающих производительность, эксплуатационные свойства и особенности конструкции схем, выделяют несколько основных, по которым можно произвести оценку в отношении соответствия требованиям, предъявляемым при разработке схемы. К таким характеристикам относят потребляемую мощность, быстродействие, показатели надежности.
5.1 Расчет потребляемой мощности
Потребляемая мощность Рпот. – значение мощности, потребляемой устройством от источника питания в заданном режиме. Расчет мощности представлен в таблице 5.1.
РN пот = Рпот * N,
где РN пот – мощность потребляемая однотипными элементами, мВт;
Рпот – потребляемая мощность одним элементом, мВт;
N – количество элементов.
Таблица 5.1 – Расчет потребляемой мощности.
|
Типы элементов |
Рпот, мВт |
N |
РN пот, мВт |
|
К155ИМ3 |
670 |
3 |
2010 |
|
К155ИР13 |
609 |
7 |
4263 |
|
К555КП13 |
107,6 |
11 |
1183,6 |
|
К155ИР1 |
430 |
3 |
1290 |
|
К155ТМ2 |
78,75 |
2 |
157,5 |
|
К55СП1 |
104,4 |
1 |
104,4 |
|
К155ЛЛ1 |
39,4 |
2 |
78,8 |
|
К555ЛН1 |
23,63 |
4 |
94,52 |
|
К555ЛИ1 |
34,65 |
3 |
103,95 |
|
КР1533КП7 |
50 |
8 |
400 |
Мощность, потребляемая всем устройством:
Рпот общ = Σ РN пот i
где Рпот общ - мощность потребляемая всем устройством, мВт;
РN пот i – мощность потребляемая однотипными элементами, мВт;
Рпот общ = 9685,77 мВт =9,7 Вт.
5.2 Расчет быстродействия
Быстродействие характеризуется наибольшей частотой входных сигналов, при которой не нарушается функционирование схемы. Задержка распространения сигнала при переключении микросхемы с высокого уровня на низкий и наоборот используется для характеристики быстродействия. Более общий параметр - время задержки микросхемы, определяется по формуле:
где tздр – время задержки, нс;
t1,0 – время задержки при выключении микросхемы, нс;
t0,1 – время задержки при включении микросхемы, нс;
Быстродействие устройства определяется по формуле:
где tздр – время задержки сигнала устройством, нс;
tздр i – время задержки сигнала i элементом, нс;
Таблица 5.2 – Расчет быстродействия.
|
Типы микросхем |
tздр.,нс |
|
К155ИМ3 |
40 |
|
К155ИР13 |
30 |
|
К555КП13 |
29,5 |
|
К155ИР1 |
35 |
|
К155ТМ2 |
32,5 |
|
К55СП1 |
37,5 |
|
К155ЛЛ1 |
18,5 |
|
К555ЛН1 |
20 |
|
К555ЛИ1 |
24 |
|
КР1533КП7 |
33 |
tздр. общ.=300 нс.
5.3 Расчет надежности
Свойство изделия в течение определенного времени выполнять заданные функции называется надежностью.
Все свойства объекта, характеризующие его надежность - безотказность, долговечность и сохраняемость, имеют количественные характеристики, которые оцениваются соответствующими показателями.
Поскольку отказы являются случайными событиями, количественные характеристики надежности имеют вероятностный характер.
λ(t) показывает, какая часть элементов по отношению к общему количеству исправно работающих элементов в среднем выходит из строя в единицу времени. Данная величина показывает интенсивность отказов. Среднее время безотказной работы Туст – среднее значение наработки изделий до первого отказа. Интенсивность отказов всего устройства вычисляется по формуле. Расчет в таблице 5.3.
λфакт=λпасп* Кн * Кт * Ni
где λфакт – общая интенсивность отказов, ч-1;
λпасп – интенсивность отказов микросхем по паспорту, ч-1;
Кн – отношение количества используемых ножек элемента к общему количеству ножек;
Кт – температурный коэффициент;
Ni – количество элементов.
λфакт=0,379*10-6 ч-1.
Туст = 1/ λфакт,
где Туст – средняя наработка до отказа, ч;
λфакт – общая интенсивность отказов, ч-1.
Туст =2,64*10-6 ч.
Таблица 5.3 – Расчет надежности.
|
Типы элементов |
λпасп *10-6 |
Кн |
Кт |
Ni |
λфакт*10-6 |
|
К155ИМ3 |
0,1 |
0,895 |
0,1 |
3 |
0,027 |
|
К155ИР13 |
0,1 |
0,91 |
0,1 |
7 |
0,064 |
|
К555КП13 |
0,1 |
1 |
0,1 |
11 |
0,11 |
|
К155ИР1 |
0,1 |
0,833 |
0,1 |
3 |
0,025 |
|
К155ТМ2 |
0,1 |
0,5 |
0,1 |
2 |
0,01 |
|
К55СП1 |
0,1 |
0,71 |
0,1 |
1 |
0,007 |
|
К155ЛЛ1 |
0,1 |
1 |
0,1 |
2 |
0,02 |
|
К555ЛН1 |
0,1 |
1 |
0,1 |
4 |
0,04 |
|
К555ЛИ1 |
0,1 |
1 |
0,1 |
3 |
0,03 |
|
КР1533КП7 |
0,1 |
0,57 |
0,1 |
8 |
0,046 |
