磁记录波形发生器的设计计算机组成原理课程设计

沈阳航空航天大学课程设计报告课程设计名称计算机组成原理课程设计课程设计题目磁记录波形发生器院（系）计算机学院专业计算机科学与技术班级34010104学号2013040101179姓名张萌萌指导教师丁一军说明结论（优秀、良好、中等、及格、不及格）作为相关教环节考核必要依据；格式不符合要求；数据不实,不予通过。报告和电子数据必须作为实验现象重复的关键依据。目录学术诚信声明本人声明所呈交的报告（含电子版及数据文件）是我个人在导师指导下独立进行设计工作及取得的研究结果。尽我所知，除了文中特别加以标注或致谢中所罗列的内容以外，报告中不包含其他人己经发表或撰写过的研究结果，也不包含其它教育机构使用过的材料。与我一同工作的同学对本研究所做的任何贡献均己在报告中做了明确的说明并表示了谢意。报告资料及实验数据若有不实之处，本人愿意接受本教学环节“不及格”和“重修或重做”的评分结论并承担相关一切后果。本人签名日期年月日第1章总体设计方案111设计原理112设计思路213设计环境3第2章详细设计方案421顶层方案图的设计与实现4211创建顶层图形设计文件4212器件的选择与引脚锁定522底层各功能模块的设计和实现5221不归零制（NRZ）的设计5222见“1”就翻不归零制（NRZ1）的设计6223调相制（PM）的设计7223调相制（PM）的设计7224调频制（FM）的设计9225改进型调频制（MFM）的设计1023仿真调试11231建立仿真波形文件及仿真信号选择及结果分析11232编译、综合、适配12第3章编程下载与硬件测试1331编程下载1332硬件测试及结果分析13参考文献15附录（程序清单或电路原理图）16第1章总体设计方案11设计原理为了提高磁表面储存器的性能，扩大储存容量，加快存取速度，不仅要了解磁记录的物理过程和记录介质与磁头的性能，而且要研究磁记录方式对提高记密度和可靠性的影响。磁记录方式是一种编码方法，指的是按照某种规律将一连串二进制数字信息变换成存储介质磁层的相应磁化翻转形式，并经读写控制电路实现这种转换规律。磁记录方式的写入电流波形可分为归零制（RZ）、不归零制（NRZ）、见“1”就翻不归零制（NRZ1）、调相制（PM）、调频制（FM）、改进调频制（MFM）。本次课程设计要设计的是后五种。图11磁记录方式波形图（1）不归零制（NRZ）这种波形的特点是输入数据序列中由“1”变为“0”时和由“0”变为“1”时波形在位周期的起始处发生翻转。（2）见“1”就翻不归零制（NRZ1）这种磁记录方式波形的特点是当记录“1”时在位周期的中心发生翻转，当记录“0”时波形不发生变化。（3）调相制（PM）调相制又成为相位编码，它是利用两个相位相差180度的磁化翻转方向代表“0”和“1”。其波形特点是记录数据“0”时磁化翻转方向由负变为正，记录数据“1”时从正变为负，当连续出现两个或两个以上“1”或“0”时在位周期的起始处也要翻转一次。（4）调频制（FM）调频制的记录波形特点是，记录“1”时，不仅在位周期的中心产生磁化翻转，而且在位与位之间也必须翻转。记录“0”时，位周期中心不翻转，但位与位之间要翻转一次。（5）改进调频制（MFM）这种记录方式的波形特点是，记录数据“1”时在位周期中心翻转一次，记录“0”时不翻转。当连续记录两个或两个以上“0”时，在位周期的起始位置翻转一次。图11给出了这五种磁记录方式的波形图（写入电流和磁化强度）。12设计思路（1）磁记录波形发生器设计成由五部分组成。每一部分分别完成一个波型的产生。可以采用原理图设计输入方式，可用触发器、逻辑门电路和计数器构成。采用串行输入的方式输入数据。触发器实现翻转，由计数器控制翻转位置是在位中心还是在位间。（2）因为这几种波形有的在位中心进行翻转，有的则在位间。所以将主脉冲作为计数器的计数脉冲，当Q0的输出为“1”时，表示当前脉冲为位间沿；输出“0”就是位中心上升沿。（3）在生成PM波形和MFM波形时，需要判断输入序列中是否有连续的“1”或“0”，因此需要设计比较电路。用两个D触发器，两个D触发器接不同的脉冲，用一个D触发器记录前一个的信号状态，然后与第二个信号状态相比较，产生结果。（4）波形翻转由T触发器实现即可。13设计环境硬件环境伟福COP2000型计算机组成原理实验仪、XCV200实验板、微机；XCV200实验板在COP2000实验仪中的FPGA实验板主要用于设计性实验和课程设计实验，它的核心器件是20万门XCV200的FPGA芯片。用FPGA实验板可设计8位16位和32位模型机。U3IDT71V016SA是64KX16位存储器能保存大容量的程序。C0C5D0D5是12个7段数码管用于显示模型机内部的寄存器总线数值。A0A7、B0B7是16个LED发光二极管用于显示模型机内部的状态例如进位标志零标志中断申请标志等等。K007K407是四十个开关用于输入外部信号。EDA环境XILINXFOUNDATIONF31设计软件XILINXFOUNDATIONF31是XILINX公司的可编程器件开发工具，该平台功能强大，主要用于百万逻辑门设计。该系统由设计入口工具、设计实现工具、设计验证工具三大部分组成。设计入口工具包括原理图编辑器、有限状态机编辑器、硬件描述语言（HDL）编辑器、LOGIBLOX模块生成器、XILINX内核生成器等软件。气功能是接收各种图形或文字的设计输入，并最终生成网络表文件。设计实现工具包括流程引擎、限制编辑器、基片规划器、FPGA编辑器、FPGA写入器等软件。设计实现工具用于将网络表转化为配置比特流，并下载到器件。时设计验证工具包括功能和时序仿真器、静态时序分析器等，可用来对设计中的逻辑关系及输出结果进行检验，并详尽分析各个时序限制的满足情况。第2章详细设计方案21顶层方案图的设计与实现磁记录波形发生器的逻辑功能，采用原理图设计输入方式完成，电路实现基于XCV200可编程逻辑芯片。在完成原理图的功能设计后，把输入/输出信号安排到XCV200指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定。211创建顶层图形设计文件图21顶层设计原理图顶层图形文件主要由触发器、计数器和逻辑门构成，由NRZ、NRZ1、PM、FM、MFM五个模块组装而成的一个设计实体。可利用XILINXFOUNDATIONF31ECS模块实现顶层图形文件的设计，顶层图形文件结构如图21所示。212器件的选择与引脚锁定（1）器件的选择由于硬件设计环境是基于伟福COP2000型计算机组成原理实验仪和XCV200实验板，故采用的目标芯片为XLINXXCV200可编程逻辑芯片。（2）引脚锁定把顶层图形文件中的输入/输出信号安排到XLINXXCV200芯片指定的引脚上去，实现芯片的引脚锁定，各信号及XLINXXCV200芯片引脚对应关系如表21所示。表21信号和芯片引脚对应关系磁记录波形发生器内部信号图形文件中的输入/输出信号XCV200芯片引脚00100CLKCLK213DATADATA101NRZNRZ152NRZ1NRZ1147PMPM178FMFM184MFMMFM18522底层各功能模块的设计和实现221不归零制（NRZ）的设计NRZ波形和数据序列的波形是一样的，所以只需一个D触发器就可实现。触发器的D端直接接数据序列，脉冲端接电路的主脉冲。具体电路如图222逻辑表达式QDDATA图221NRZ芯片图形符号图222NRZ波形生成电路图图223NRZ波形仿真波形图222见“1”就翻不归零制（NRZ1）的设计NRZ1的波形特点是遇到“1”时在位周期的中心翻转，在位间不发生变化。T触发器的特点是当输入为“1”时输出波形可发生翻转。所以，可将数据端和计数器的Q0端相与之后接到T触发器的T输入端。具体电路如图232逻辑表达式T（Q0DATAQ0）Q（Q0DATAQ0）Q图231NRZ1芯片图形符号图232NRZ1波形生成电路图233NRZ1波形仿真波形图223调相制（PM）的设计根据PM波形的特点，在每个位周期的中心都要翻转，当遇到连续的“1”或者连续的“0”时，在位周期的起始处翻转。在这一部分的设计中，关键在如何判断输入序列中有连续的“1”或“0”。具体设计思路是，对当前位周期内的数据状态和前一个位周期内的数据状态进行比较。采用两个D触发器，接不同的脉冲，就可以把上一个状态储存起来。然后用一个同或门比较前后两个状态是否相同。由于波形在位中心和位起始处都有翻转，所以用一个或门接到T触发器的T端。或门的一端接计数器的Q0，表示在每个位中心翻转；或门的另一端，则是接上面的同或门的输出和Q0取非输出相与之后的结果，表示遇到连续的“1”或“0”时在位起始处翻转。具体电路如图242逻辑表达式T（DATAQ）Q0Q0Q（DATAQ）Q0Q0）Q图241PM芯片图形符号图242PM波形生成电路图图243PM波形仿真波形图224调频制（FM）的设计图251FM芯片图形符号调频制波形的特点是在每个位周期起始处都翻转，只有当输入数据为“1”时才在位中心翻转。同生成PM波形电路类似，用一个或门接到T触发器的T端。或门的一端接Q0的非，表示在每个位周期的起始处都翻转，另一端接数据端和Q0相与后的结果，表示当输入数据为“1”时在位中心翻转一次。具体电路如图251逻辑表达式TQ0DATAQ0QQ0DATAQ0Q图252FM波形生成电路图253FM波形仿真波形图225改进型调频制（MFM）的设计在判断数据序列中是否有连续的“0”时，可以直接运用PM波形生成电路中的前后状态比较电路，只是把同或门改成或非门就可以了。同前面的电路类似，用一个或门接到T触发器的T端。或门的一端接数据端Q0相与后的结果，表示当输入数据为“1”时在位中心翻转一次；另一端接上面的或非门的输出和Q0取非输出相与之后的结果，表示遇到连续的“0”时在位起始处翻转。具体电路如图262。逻辑表达式T（DATAQ）Q0Q0DATA）Q图261MFM芯片图形符号图262MFM波形生成电路图263MFM波形仿真波形图23仿真调试仿真调试主要验证设计电路逻辑功能、时序的正确性，本设计中主要采用功能仿真方法对设计的电路进行仿真。231建立仿真波形文件及仿真信号选择及结果分析仿真结果如图27。通过对仿真波形结果分析，五种磁记录方式波形图都符合设计要求，从而证明电路图的设计也是正确的。图27磁记录波形发生器功能仿真波形图232编译、综合、适配利用XILINXISE编译器对顶层图形文件进行编译、综合、优化、逻辑分割、适配和布线，生成可供时序仿真的文件和器件下载编程文件。第3章编程下载与硬件测试31编程下载利用XILINXISE的编程下载功能，将得到的BIN文件下载到XCV200实验板的XCV200可编程逻辑芯片中。32硬件测试及结果分析利用XCV200实验板进行硬件功能测试。磁记录波形发生器输入数据通过XCV200实验板的输入开关实现，输出数据通过XCV200实验板的LED指示灯实现，其对应关系如表31所示。XCV200芯片引脚信号XCV200实验板CLEK03CLKCLOCK脉冲信号DATAK02NRZA6NRZ1A7PMA5FMA4MFMA3表31XCV200实验板信号对应关系利用表31中的输入参数作为输入数据，逐个测试输出结果，即用XCV200实验板的开关K1、K2输入数据，脉冲端CLOCK输入脉冲同时观察LED1、LED2、LED3、LED4、LED5的输出，得到如表32所示的硬件测试结果。表32硬件测试结果输入信号输出信号CLECLKDATANRZNRZ1PMFMMFM011100000111100101000111010001000100011101110010010001000100011101110010表32硬件测试结果续注CLK上升沿有效对表32与表11的内容进行对比，可以看出硬件测试结果是正确的，说明电路设计完全正确。参考文献1姜雪松可编程逻辑器件和EAD设计技术M北京机械工业出版社，20052范延滨微型计算机系统原理、接口与EDA设计技术M北京北京邮电大学出版社，20063王冠VERILOGHDL与数字电路设计M北京机械工业出版社，20054江国强EAD技术习题与实验M北京电子工业出版社，20055王爱英计算机组成与结构第4版M北京清华大学出版社，20066柳春风电子设计自动化（EAD）教程M北京北京理工大学大学出版社，20057杜建国VERILOGHDL硬件描述语言M北京国防工业出版社，20048（美）西里提张雅绮等译VERILOGHDL高级数字设计M北京电子工业出版社，20059曹昕燕EDA技术实验与课程设计M北京清华大学出版社，2006附录（电路原理图）1电路原理图图41总电路设计图42FM部分设计图43PM部分设计图44MFM部分设计图45NRZ部分设计图46NRZ1部分设计课程设计总结通过本次计算机组成原理课程设计实验我学到了很多，我的课程题目是磁记录波形发生记录器，共分为5个模块，分别是NRZ，NRZ1，PM，FM，MFM。这个实验要求我们通过使用XILINXFOUNDATION软件来实现各模块的电路图，然后仿真结果，并下载至机箱上进行试验。在这个过程中我碰