磁記錄波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告課程設(shè)計(jì)名稱：計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目：磁記錄波形發(fā)生器院（系）：計(jì)算機(jī)學(xué)院專 業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)班 級(jí)：34010104學(xué) 號(hào)：2013040101179姓 名：張萌萌指導(dǎo)教師：丁一軍說(shuō)明：結(jié)論（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）作為相關(guān)教環(huán)節(jié)考核必要依據(jù)；格式不符合要求；數(shù)據(jù)不實(shí),不予通過(guò)。報(bào)告和電子數(shù)據(jù)必須作為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象重復(fù)的關(guān)鍵依據(jù)。目 錄學(xué)術(shù)誠(chéng)信聲明 本人聲明：所呈交的報(bào)告（含電子版及數(shù)據(jù)文件）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)工作及取得的研究結(jié)果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注或致謝中所羅列的內(nèi)容以外，報(bào)告中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)

2、的研究結(jié)果，也不包含其它教育機(jī)構(gòu)使用過(guò)的材料。與我一同工作的同學(xué)對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在報(bào)告中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。報(bào)告資料及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)若有不實(shí)之處，本人愿意接受本教學(xué)環(huán)節(jié)“不及格”和“重修或重做”的評(píng)分結(jié)論并承擔(dān)相關(guān)一切后果。 本人簽名: 日期： 年 月 日第1章 總體設(shè)計(jì)方案 1 1.1 設(shè)計(jì)原理.1 1.2 設(shè)計(jì)思路.2 1.3 設(shè)計(jì)環(huán)境.3第2章詳細(xì)設(shè)計(jì)方案.4 2.1頂層方案圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).42.1.1 創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計(jì)文件.42.1.2 器件的選擇與引腳鎖定.5 2.2 底層各功能模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).52.2.1 不歸零制（NRZ）的設(shè)計(jì).52.2.2 見“1”就翻不歸零制（

3、NRZ 1）的設(shè)計(jì).62.2.3 調(diào)相制（PM）的設(shè)計(jì).72.2.3 調(diào)相制（PM）的設(shè)計(jì).72.2.4調(diào)頻制（FM）的設(shè)計(jì).92.2.5改進(jìn)型調(diào)頻制（MFM）的設(shè)計(jì).102.3 仿真調(diào)試.112.3.1建立仿真波形文件及仿真信號(hào)選擇及結(jié)果分析.112.3.2編譯、綜合、適配12第3章 編程下載與硬件測(cè)試.133.1 編程下載.133.2 硬件測(cè)試及結(jié)果分析.13參考文獻(xiàn).15附錄（程序清單或電路原理圖）16-19-課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第1章 總體設(shè)計(jì)方案第1章 總體設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)原理 為了提高磁表面儲(chǔ)存器的性能，擴(kuò)大儲(chǔ)存容量，加快存取速度，不僅要了解磁記錄的物理過(guò)程和記錄介質(zhì)與磁頭的性能，而

4、且要研究磁記錄方式對(duì)提高記密度和可靠性的影響。 磁記錄方式是一種編碼方法，指的是按照某種規(guī)律將一連串二進(jìn)制數(shù)字信息變換成存儲(chǔ)介質(zhì)磁層的相應(yīng)磁化翻轉(zhuǎn)形式，并經(jīng)讀寫控制電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換規(guī)律。 磁記錄方式的寫入電流波形可分為歸零制（RZ）、不歸零制（NRZ）、見“1”就翻不歸零制（NRZ1）、調(diào)相制（PM）、調(diào)頻制（FM）、改進(jìn)調(diào)頻制（MFM）。本次課程設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)的是后五種。 圖1.1 磁記錄方式波形圖 （1）不歸零制（NRZ） 這種波形的特點(diǎn)是輸入數(shù)據(jù)序列中由“1”變?yōu)椤?”時(shí)和由“0”變?yōu)椤?”時(shí)波形在位周期的起始處發(fā)生翻轉(zhuǎn)。（2）見“1”就翻不歸零制（NRZ1） 這種磁記錄方式波形的特點(diǎn)是當(dāng)記

5、錄“1”時(shí)在位周期的中心發(fā)生翻轉(zhuǎn)，當(dāng)記錄“0”時(shí)波形不發(fā)生變化。（3）調(diào)相制（PM） 調(diào)相制又成為相位編碼，它是利用兩個(gè)相位相差180度的磁化翻轉(zhuǎn)方向代表“0”和“1”。其波形特點(diǎn)是記錄數(shù)據(jù)“0”時(shí)磁化翻轉(zhuǎn)方向由負(fù)變?yōu)檎涗洈?shù)據(jù)“1”時(shí)從正變?yōu)樨?fù)，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上“1”或“0”時(shí)在位周期的起始處也要翻轉(zhuǎn)一次。 （4）調(diào)頻制（FM） 調(diào)頻制的記錄波形特點(diǎn)是，記錄“1”時(shí)，不僅在位周期的中心產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)，而且在位與位之間也必須翻轉(zhuǎn)。記錄“0”時(shí)，位周期中心不翻轉(zhuǎn)，但位與位之間要翻轉(zhuǎn)一次。 （5）改進(jìn)調(diào)頻制（MFM） 這種記錄方式的波形特點(diǎn)是，記錄數(shù)據(jù)“1”時(shí)在位周期中心翻轉(zhuǎn)一次，記錄“0

6、”時(shí)不翻轉(zhuǎn)。當(dāng)連續(xù)記錄兩個(gè)或兩個(gè)以上“0”時(shí)，在位周期的起始位置翻轉(zhuǎn)一次。圖1.1 給出了這五種磁記錄方式的波形圖（寫入電流和磁化強(qiáng)度）。 1.2 設(shè)計(jì)思路（1）磁記錄波形發(fā)生器設(shè)計(jì)成由五部分組成。每一部分分別完成一個(gè)波型的產(chǎn)生?？梢圆捎迷韴D設(shè)計(jì)輸入方式，可用觸發(fā)器、邏輯門電路和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。采用串行輸入的方式輸入數(shù)據(jù)。觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，由計(jì)數(shù)器控制翻轉(zhuǎn)位置是在位中心還是在位間。（2）因?yàn)檫@幾種波形有的在位中心進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，有的則在位間。所以將主脈沖作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)Q0的輸出為“1”時(shí)，表示當(dāng)前脈沖為位間沿；輸出“0”就是位中心上升沿。（3）在生成PM波形和MFM波形時(shí)，需要判斷輸入序列中是

7、否有連續(xù)的“1”或“0”，因此需要設(shè)計(jì)比較電路。用兩個(gè)D觸發(fā)器，兩個(gè)D觸發(fā)器接不同的脈沖，用一個(gè)D觸發(fā)器記錄前一個(gè)的信號(hào)狀態(tài)，然后與第二個(gè)信號(hào)狀態(tài)相比較，產(chǎn)生結(jié)果。（4）波形翻轉(zhuǎn)由T觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)即可。 1.3 設(shè)計(jì)環(huán)境·硬件環(huán)境：偉福COP2000型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀、XCV200實(shí)驗(yàn)板、微機(jī)；XCV200實(shí)驗(yàn)板：在COP2000 實(shí)驗(yàn)儀中的FPGA 實(shí)驗(yàn)板主要用于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，它的核心器件是20 萬(wàn)門XCV200 的FPGA 芯片。用FPGA 實(shí)驗(yàn)板可設(shè)計(jì)8 位16 位和32 位模型機(jī)。U3 IDT71V016SA 是64Kx16 位存儲(chǔ)器能保存大容量的程序。C0-C5

8、 D0-D5 是12 個(gè)7 段數(shù)碼管用于顯示模型機(jī)內(nèi)部的寄存器總線數(shù)值。A0-A7、B0-B7 是16 個(gè)LED 發(fā)光二極管用于顯示模型機(jī)內(nèi)部的狀態(tài)例如進(jìn)位標(biāo)志零標(biāo)志中斷申請(qǐng)標(biāo)志等等。K0(0-7)-K4(0-7)是四十個(gè)開關(guān)用于輸入外部信號(hào)。·EDA環(huán)境：Xilinx foundation f3.1設(shè)計(jì)軟件Xilinx foundation f3.1：是Xilinx公司的可編程器件開發(fā)工具，該平臺(tái)功能強(qiáng)大，主要用于百萬(wàn)邏輯門設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由設(shè)計(jì)入口工具、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具、設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具三大部分組成。設(shè)計(jì)入口工具包括原理圖編輯器、有限狀態(tài)機(jī)編輯器、硬件描述語(yǔ)言（HDL）編輯器、LogiBLO

9、X模塊生成器、Xilinx內(nèi)核生成器等軟件。氣功能是：接收各種圖形或文字的設(shè)計(jì)輸入，并最終生成網(wǎng)絡(luò)表文件。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具包括流程引擎、限制編輯器、基片規(guī)劃器、FPGA編輯器、FPGA寫入器等軟件。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具用于將網(wǎng)絡(luò)表轉(zhuǎn)化為配置比特流，并下載到器件。時(shí)設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具包括功能和時(shí)序仿真器、靜態(tài)時(shí)序分析器等，可用來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)中的邏輯關(guān)系及輸出結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，并詳盡分析各個(gè)時(shí)序限制的滿足情況。課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第2章 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案第2章 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案2.1 頂層方案圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)磁記錄波形發(fā)生器的邏輯功能，采用原理圖設(shè)計(jì)輸入方式完成，電路實(shí)現(xiàn)基于XCV200可編程邏輯芯片。在完成原理圖的功能設(shè)計(jì)后，把輸入/輸出

10、信號(hào)安排到XCV200指定的引腳上去，實(shí)現(xiàn)芯片的引腳鎖定。2.1.1創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計(jì)文件圖 2.1 頂層設(shè)計(jì)原理圖頂層圖形文件主要由觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器和邏輯門構(gòu)成， 由NRZ、NRZ1、PM、FM、MFM五個(gè)模塊組裝而成的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體?？衫肵ilinx foundation f3.1 ECS模塊實(shí)現(xiàn)頂層圖形文件的設(shè)計(jì)，頂層圖形文件結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。2.1.2器件的選擇與引腳鎖定（1）器件的選擇由于硬件設(shè)計(jì)環(huán)境是基于偉福COP2000型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀和XCV200實(shí)驗(yàn)板，故采用的目標(biāo)芯片為Xlinx XCV200可編程邏輯芯片。（2）引腳鎖定把頂層圖形文件中的輸入/輸出信號(hào)安排到Xlinx

11、 XCV200芯片指定的引腳上去，實(shí)現(xiàn)芯片的引腳鎖定，各信號(hào)及Xlinx XCV200芯片引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。磁記錄波形發(fā)生器內(nèi)部信號(hào)圖形文件中的輸入/輸出信號(hào)XCV200芯片引腳0 0 100CLKCLK213 DATA DATA 101 NRZ NRZ 152 NRZ1 NRZ1 147 PM PM 178FM FM 184 MFM MFM 185 表2.1 信號(hào)和芯片引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系2.2 底層各功能模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)2.2.1 不歸零制（NRZ）的設(shè)計(jì) NRZ波形和數(shù)據(jù)序列的波形是一樣的，所以只需一個(gè)D觸發(fā)器就可實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)器的D端直接接數(shù)據(jù)序列，脈沖端接電路的主脈沖。具體電路如圖2.

12、2.2 邏輯表達(dá)式：Q=D=DATA 圖2.2.1 NRZ芯片圖形符號(hào)圖2.2.2 NRZ波形生成電路圖 圖2.2.3 NRZ波形仿真波形圖2.2.2 見“1”就翻不歸零制（NRZ 1）的設(shè)計(jì)NRZ 1 的波形特點(diǎn)是遇到“1”時(shí)在位周期的中心翻轉(zhuǎn)，在位間不發(fā)生變化。T觸發(fā)器的特點(diǎn)是當(dāng)輸入為“1”時(shí)輸出波形可發(fā)生翻轉(zhuǎn)。所以，可將數(shù)據(jù)端和計(jì)數(shù)器的Q0端相與之后接到T觸發(fā)器的T輸入端。具體電路如圖2.3.2邏輯表達(dá)式：T=（Q0 DATA+Q0）Q=（Q0 DATA+Q0）Q圖 2.3.1 NRZ1芯片圖形符號(hào) 圖 2.3.2 NRZ1波形生成電路 圖2.3.3 NRZ1波形仿真波形圖2.2.3 調(diào)

13、相制（PM）的設(shè)計(jì) 根據(jù)PM波形的特點(diǎn)，在每個(gè)位周期的中心都要翻轉(zhuǎn)，當(dāng)遇到連續(xù)的“1”或者連續(xù)的“0”時(shí)，在位周期的起始處翻轉(zhuǎn)。在這一部分的設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵在如何判斷輸入序列中有連續(xù)的“1”或“0”。具體設(shè)計(jì)思路是，對(duì)當(dāng)前位周期內(nèi)的數(shù)據(jù)狀態(tài)和前一個(gè)位周期內(nèi)的數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行比較。采用兩個(gè)D觸發(fā)器，接不同的脈沖，就可以把上一個(gè)狀態(tài)儲(chǔ)存起來(lái)。然后用一個(gè)同或門比較前后兩個(gè)狀態(tài)是否相同。由于波形在位中心和位起始處都有翻轉(zhuǎn)，所以用一個(gè)或門接到T觸發(fā)器的T端?；蜷T的一端接計(jì)數(shù)器的 Q0，表示在每個(gè)位中心翻轉(zhuǎn)；或門的另一端，則是接上面的同或門的輸出和Q0取非輸出相與之后的結(jié)果，表示遇到連續(xù)的“1”或“0”時(shí)在位起始

14、處翻轉(zhuǎn)。具體電路如圖2.4.2邏輯表達(dá)式：T=（DATAQ）Q0+Q0Q=（DATAQ）Q0+Q0）Q圖2.4.1 PM芯片圖形符號(hào)圖2.4.2 PM波形生成電路圖圖2.4.3 PM波形仿真波形圖2.2.4調(diào)頻制（FM）的設(shè)計(jì) 圖2.5.1 FM芯片圖形符號(hào)調(diào)頻制波形的特點(diǎn)是在每個(gè)位周期起始處都翻轉(zhuǎn)，只有當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“1”時(shí)才在位中心翻轉(zhuǎn)。同生成PM波形電路類似，用一個(gè)或門接到T觸發(fā)器的T 端。或門的一端接Q0的非，表示在每個(gè)位周期的起始處都翻轉(zhuǎn)，另一端接數(shù)據(jù)端和Q0相與后的結(jié)果，表示當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“1”時(shí)在位中心翻轉(zhuǎn)一次。具體電路如圖2.5.1 邏輯表達(dá)式：T=Q0 DATA+Q0Q=(Q0

15、DATA)+Q0)Q 圖2.5.2 FM波形生成電路圖2.5.3 FM波形仿真波形圖2.2.5改進(jìn)型調(diào)頻制（MFM）的設(shè)計(jì) 在判斷數(shù)據(jù)序列中是否有連續(xù)的“0”時(shí)，可以直接運(yùn)用PM波形生成電路中的前后狀態(tài)比較電路，只是把同或門改成或非門就可以了。同前面的電路類似，用一個(gè)或門接到T觸發(fā)器的T 端。或門的一端接數(shù)據(jù)端Q0相與后的結(jié)果，表示當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“1”時(shí)在位中心翻轉(zhuǎn)一次；另一端接上面的或非門的輸出和Q0取非輸出相與之后的結(jié)果，表示遇到連續(xù)的“0”時(shí)在位起始處翻轉(zhuǎn)。具體電路如圖2.6.2。 邏輯表達(dá)式：T=（DATA+Q） Q0+Q0 DATA）Q圖2.6.1 MFM芯片圖形符號(hào) 圖2.6.2 M

16、FM波形生成電路 圖2.6.3 MFM波形仿真波形圖2.3 仿真調(diào)試仿真調(diào)試主要驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路邏輯功能、時(shí)序的正確性，本設(shè)計(jì)中主要采用功能仿真方法對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。2.3.1 建立仿真波形文件及仿真信號(hào)選擇及結(jié)果分析仿真結(jié)果如圖2.7。通過(guò)對(duì)仿真波形結(jié)果分析，五種磁記錄方式波形圖都符合設(shè)計(jì)要求，從而證明電路圖的設(shè)計(jì)也是正確的。圖2.7 磁記錄波形發(fā)生器功能仿真波形圖2.3.2編譯、綜合、適配利用Xilinx ISE編譯器對(duì)頂層圖形文件進(jìn)行編譯、綜合、優(yōu)化、邏輯分割、適配和布線，生成可供時(shí)序仿真的文件和器件下載編程文件。課程設(shè)計(jì)報(bào)告 第3章 編程下載與硬件測(cè)試第3章 編程下載與硬件測(cè)試3.1

17、編程下載利用Xilinx ISE的編程下載功能，將得到的*.bin文件下載到XCV200實(shí)驗(yàn)板的XCV200可編程邏輯芯片中。3.2 硬件測(cè)試及結(jié)果分析利用XCV200實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行硬件功能測(cè)試。磁記錄波形發(fā)生器輸入數(shù)據(jù)通過(guò)XCV200實(shí)驗(yàn)板的輸入開關(guān)實(shí)現(xiàn)，輸出數(shù)據(jù)通過(guò)XCV200實(shí)驗(yàn)板的LED指示燈實(shí)現(xiàn)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3.1所示。 XCV200芯片引腳信號(hào)XCV200實(shí)驗(yàn)板CLEK0：3CLKCLOCK脈沖信號(hào)DATAK0：2NRZA6NRZ1A7PMA5FMA4MFMA3表3.1 XCV200實(shí)驗(yàn)板信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系利用表3.1中的輸入?yún)?shù)作為輸入數(shù)據(jù)，逐個(gè)測(cè)試輸出結(jié)果，即用XCV200實(shí)驗(yàn)板的開關(guān)

18、K1、K2輸入數(shù)據(jù)，脈沖端CLOCK輸入脈沖同時(shí)觀察LED1、 LED2、LED3、LED4、LED5的輸出，得到如表3.2所示的硬件測(cè)試結(jié)果。表3.2 硬件測(cè)試結(jié)果輸 入 信 號(hào) 輸 出 信 號(hào)CLECLKDATANRZNRZ1PMFMMFM011100000111100101000111010001000100011101110010010001000100011101110010表3.2 硬件測(cè)試結(jié)果續(xù)注:CLK上升沿有效對(duì)表3.2與表1.1的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，可以看出硬件測(cè)試結(jié)果是正確的，說(shuō)明電路設(shè)計(jì)完全正確。課程設(shè)計(jì)報(bào)告 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 姜雪松.可編程邏輯器件和EAD設(shè)計(jì)技術(shù) M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20052 范延濱.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理、接口與EDA設(shè)計(jì)技術(shù)M.北京：北京郵電大學(xué)出版社，20063 王冠.Verilog HDL與數(shù)字電路設(shè)計(jì)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20054 江國(guó)強(qiáng).EAD技術(shù)習(xí)題與實(shí)驗(yàn)M.北京：電子工業(yè)出版社，20055 王愛英.計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)(第4版)M.北京：清華大學(xué)出版社，20066 柳春風(fēng).電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EAD）教程M.北京：北京理工大學(xué)大學(xué)出版社，20057 杜建國(guó).Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，20048 （美）西里