9.4. Способи реалізації алгоритмів функціонування цифрових пристроїв.

В залежності від способу реалізації алгоритму функціонування цифрові пристрої поділяються на слідуючі групи.

Перша група – цифрові пристрої с апаратурною реалізацією алгоритму.

Друга група – цифрові пристрої з програмною реалізацією алгоритму.

Третя група – цифрові пристрої з апаратурно-програмною реалізацією алгоритму.

Четверта група – цифрові пристрої з програмно-апаратурною реалізацією алгоритму.

Розглянемо сутність варіантів реалізації алгоритму функціонування цифрових пристроїв.

При апаратурній реалізації всі операції алгоритму реалізуються відповідними функціональними вузлами, а порядок їх виконання – відповідним взаємозв’язком вузлів. Переваги апаратурної реалізації – дуже висока швидкодія пристроїв. Недоліки – дуже обмежені функціональні можливості, великі апаратурні витрати.

При програмній реалізації всі операції алгоритму функціонування реалізуються на основі універсальної ЕОМ у вигляді програми. Переваги програмної реалізації – широкі функціональні можливості і гнучкість, недоліки – низька швидкодія.

При апаратурно-програній реалізації алгоритму частина операцій реалізується апаратурно і частина програмно, при цьому основою є апаратурна реалізація, а програмна використовується по залишковому принципу. До цифрових пристроїв з апаратурно-програмною реалізацією відносяться пристрої з мікропрограмним керуванням і пристрої з мікропроцесорним керуванням. Переваги апаратурно-програмної реалізації – відносно висока швидкодія; функціональна гнучкість; не великі апаратурні витрати. Недоліки – складність проектування; складність узгодження апаратурної та програмної складових, а також складність визначення оптимального перерозподілу між ними.

При програно-апаратурній реалізації алгоритму частина операції реалізується програмою, а друга – апаратурно, але основною є програмна реалізація. Цей варіант реалізації алгоритму використовують за умови, коли основою пристрою є ЕОМ, а спеціалізовані цифрові пристрої або вузли використовують на залишковій основі як засіб забезпечення необхідної швидкодії. Приклади цифрових пристроїв з програмно-апаратурною реалізацією: ЕОМ з цифровими пристроями первинної обробки сигналів; ЕОМ з співпроцесором; ЕОМ з цифровими пристроями вторинної обробки інформації. Переваги програмно-апаратурної реалізації алгоритму – широкі функціональні можливості; висока швидкодія; відносно невеликі апаратурні витрати. Недоліки – складність проектування і налагодження, складність узгодження спеціалізованих цифрових блоків с ЕОМ.

9.5. Принципи проектування цифрових пристроїв.

Виходячи із загальних принципів проектування цифрових пристроїв доцільно використовувати сідаючі принципи проектування пристроїв, що використовуються в радіоелектроніці: універсальність, нарощуваність складності, сумісність, вираховування специфіки елементної бази, комплексна мікромініатюризація, програмність функцій, паралельність обробки, модульність, системний підхід і оптимізація проектування.

Розглянемо сутність реалізації кожного принципу.

Універсальність функціональних вузлів та блоків забезпечує уніфікацію використання цифрових пристроїв і їх окремих частин в різних системах обробки сигналів і інформації. Універсальність є одним із основних принципів проектування, оскільки трудомісткість і ціна розробки нової елементної бази, апаратурного та програмного забезпечення цифрових пристроїв великі і із збільшенням ступеня інтеграції значно збільшується. Універсальність веде до зменшення в певній мірі швидкодії, а також апаратурних витрат цифрових пристроїв.

Нарощуваність функціональної складності цифрових пристроїв може забезпечуватись програмними або апаратурними засобами, в тому числі модульністю побудови. Нарощуваність або розширюваність закладається в апаратуру на рівні проектування вузлів та блоків, при цьому доцільно використовувати властивість нарощуваності готових мікропроцесорних комплектів великих інтегральних схем.

Сумісність інформаційних зв’язків, програм, конструктивних рішень різних рівней складності підвищую гнучкість, універсальність цифрових пристроїв. На рівні елементної бази сумісність забезпечується використанням інтегральних мікросхем одної серії або однієї технології виготовлення, на рівні вузлів, блоків – одним програмним забезпеченням, магістральною організацією зв’язків. Магістральна організація зв’язків знижує швидкодію обробки порівняно з паралельною організацією, але забезпечує уніфікацію підключення вузлів та блоків, можливість нарощування складності, зменшення кількості зв’язків та зовнішніх виводів.

Специфічні особливості розробки апаратури зв’язані в першу чергу з тепловим режимом її роботи, а також з необхідністю забезпечення необхідних умов функціонування. Крім того, актуальними є питання обмеження кількості виводів і зв’язків між вузлами та блоками, завадостійкості, дезінтеграції при переході від елементної бази до готового пристрою та інше.

Комплексна мікромініатюризація (КММ) означає системних підхід до використання в апаратурі засобів мікроелектроніки. До задач КММ відносять вибір оптимального конструктивного рішення, способу компоновки, на приклад, використання модулів з корпусованими ВІС, з корпусованими або безкорпусними мікрозбірками.

Програмованість – один з основних засобів досягнення універсальності, гнучкості, широких функціональних можливостей цифрових пристроїв. В цифрових пристроях радіоелектронних систем програмованими можуть бути не тільки загальний алгоритм функціонування, а також коефіцієнти, що визначають частотні характеристики, чутливість, динамічний діапазон та інші.

Паралельність обробки використовується для реалізації високої швидкодії пристрою в цілому при недостатній швидкодії елементної бази. Підвищення ступеня паралельності обробки дає виграш в швидкодії але за рахунок збільшення апаратурних витрат.

Модульність структурної побудови цифрових пристроїв означає використання декількох основних типів базових модулів. Використовуючи такі універсальні типові модулі, можна нарощувати швидкість обробки, розмірність масивів даних, розрядність та інше. Використання модульності дозволяє скоротити строки проектування та необхідні кошти, але веде до збільшення складності пристроїв та апаратурних витрат.

Системний підхід та оптимізація проектування є основними принципами проектування. В рамках системного підходу проектування пристроїв на більш високому рівні структурної ієрархії необхідно проводити з урахуванням результатів проектування на більш низьких рівнях. Системний підхід обумовлює структурну, схемо технічну, конструкторську оптимізацію з урахуванням можливостей та перспектив елементної бази, технології інтегральних схем, мікросхемотехніки. Оптимальний синтез пристроїв заклечається в розрахунку, розробці схем та конструкцій, що забезпечують найкращі значення заданих параметрів пристроїв.