沈陽航空航天大學(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34010104學(xué)號2013040101179姓名張萌萌指導(dǎo)教師丁一軍說明結(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。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)表或撰寫過的研究結(jié)果，也不包含其它教育機(jī)構(gòu)使用過的材料。與我一同工作的同學(xué)對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在報(bào)告中做了明確的說明并表示了謝意。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111設(shè)計(jì)原理112設(shè)計(jì)思路213設(shè)計(jì)環(huán)境3第2章詳細(xì)設(shè)計(jì)方案421頂層方案圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4211創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計(jì)文件4212器件的選擇與引腳鎖定522底層各功能模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)5221不歸零制（NRZ）的設(shè)計(jì)5222見“1”就翻不歸零制（NRZ1）的設(shè)計(jì)6223調(diào)相制（PM）的設(shè)計(jì)7223調(diào)相制（PM）的設(shè)計(jì)7224調(diào)頻制（FM）的設(shè)計(jì)9225改進(jìn)型調(diào)頻制（MFM）的設(shè)計(jì)1023仿真調(diào)試11231建立仿真波形文件及仿真信號選擇及結(jié)果分析11232編譯、綜合、適配12第3章編程下載與硬件測試1331編程下載1332硬件測試及結(jié)果分析13參考文獻(xiàn)15附錄（程序清單或電路原理圖）16第1章總體設(shè)計(jì)方案11設(shè)計(jì)原理為了提高磁表面儲存器的性能，擴(kuò)大儲存容量，加快存取速度，不僅要了解磁記錄的物理過程和記錄介質(zhì)與磁頭的性能，而且要研究磁記錄方式對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11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”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11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）。12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)的信號狀態(tài)，然后與第二個(gè)信號狀態(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。13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)。U3IDT71V016SA是64KX16位存儲器能保存大容量的程序。C0C5D0D5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。A0A7、B0B7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)志中斷申請標(biāo)志等等。K007K407是四十個(gè)開關(guān)用于輸入外部信號。EDA環(huán)境XILINXFOUNDATIONF31設(shè)計(jì)軟件XILINXFOUNDATIONF31是XILINX公司的可編程器件開發(fā)工具，該平臺功能強(qiáng)大，主要用于百萬邏輯門設(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、硬件描述語言（HDL）編輯器、LOGIBLOX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，可用來對設(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。第2章詳細(xì)設(shè)計(jì)方案21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/輸出信號安排到XCV200指定的引腳上去，實(shí)現(xiàn)芯片的引腳鎖定。211創(chuàng)建頂層圖形設(shè)計(jì)文件圖21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。可利用XILINXFOUNDATIONF31ECS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21所示。212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XLINXXCV200可編程邏輯芯片。（2）引腳鎖定把頂層圖形文件中的輸入/輸出信號安排到XLINXXCV200芯片指定的引腳上去，實(shí)現(xiàn)芯片的引腳鎖定，各信號及XLINXXCV200芯片引腳對應(yīng)關(guān)系如表21所示。表21信號和芯片引腳對應(yīng)關(guān)系磁記錄波形發(fā)生器內(nèi)部信號圖形文件中的輸入/輸出信號XCV200芯片引腳00100CLKCLK213DATADATA101NRZNRZ152NRZ1NRZ1147PMPM178FMFM184MFMMFM18522底層各功能模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)221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222邏輯表達(dá)式QDDATA圖221NRZ芯片圖形符號圖222NRZ波形生成電路圖圖223NRZ波形仿真波形圖222見“1”就翻不歸零制（NRZ1）的設(shè)計(jì)NRZ1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232邏輯表達(dá)式T（Q0DATAQ0）Q（Q0DATAQ0）Q圖231NRZ1芯片圖形符號圖232NRZ1波形生成電路圖233NRZ1波形仿真波形圖223調(diào)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)儲存起來。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。或門的一端接計(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)在位起始處翻轉(zhuǎn)。具體電路如圖242邏輯表達(dá)式T（DATAQ）Q0Q0Q（DATAQ）Q0Q0）Q圖241PM芯片圖形符號圖242PM波形生成電路圖圖243PM波形仿真波形圖224調(diào)頻制（FM）的設(shè)計(jì)圖251FM芯片圖形符號調(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?；蜷T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251邏輯表達(dá)式TQ0DATAQ0QQ0DATAQ0Q圖252FM波形生成電路圖253FM波形仿真波形圖225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?；蜷T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262。邏輯表達(dá)式T（DATAQ）Q0Q0DATA）Q圖261MFM芯片圖形符號圖262MFM波形生成電路圖263MFM波形仿真波形圖23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設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。231建立仿真波形文件及仿真信號選擇及結(jié)果分析仿真結(jié)果如圖27。通過對仿真波形結(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27磁記錄波形發(fā)生器功能仿真波形圖232編譯、綜合、適配利用XILINXISE編譯器對頂層圖形文件進(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。第3章編程下載與硬件測試31編程下載利用XILINXISE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。32硬件測試及結(jié)果分析利用XCV200實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行硬件功能測試。磁記錄波形發(fā)生器輸入數(shù)據(jù)通過XCV200實(shí)驗(yàn)板的輸入開關(guān)實(shí)現(xiàn)，輸出數(shù)據(jù)通過XCV200實(shí)驗(yàn)板的LED指示燈實(shí)現(xiàn)，其對應(yīng)關(guān)系如表31所示。XCV200芯片引腳信號XCV200實(shí)驗(yàn)板CLEK03CLKCLOCK脈沖信號DATAK02NRZA6NRZ1A7PMA5FMA4MFMA3表31XCV200實(shí)驗(yàn)板信號對應(yīng)關(guān)系利用表31中的輸入?yún)?shù)作為輸入數(shù)據(jù)，逐個(gè)測試輸出結(jié)果，即用XCV200實(shí)驗(yàn)板的開關(guān)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32所示的硬件測試結(jié)果。表32硬件測試結(jié)果輸入信號輸出信號CLECLKDATANRZNRZ1PMFMMFM011100000111100101000111010001000100011101110010010001000100011101110010表32硬件測試結(jié)果續(xù)注CLK上升沿有效對表32與表11的內(nèi)容進(jìn)行對比，可以看出硬件測試結(jié)果是正確的，說明電路設(shè)計(jì)完全正確。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VERILOGHDL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)自動化（EAD）教程M北京北京理工大學(xué)大學(xué)出版社，20057杜建國VERILOGHDL硬件描述語言M北京國防工業(yè)出版社，20048（美）西里提張雅綺等譯VERILOGHDL高級數(shù)字設(shè)計(jì)M北京電子工業(yè)出版社，20059曹昕燕EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M北京清華大學(xué)出版社，2006附錄（電路原理圖）1電路原理圖圖41總電路設(shè)計(jì)圖42FM部分設(shè)計(jì)圖43PM部分設(shè)計(jì)圖44MFM部分設(shè)計(jì)圖45NRZ部分設(shè)計(jì)圖46NRZ1部分設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過本次計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)我學(xué)到了很多，我的課程題目是磁記錄波形發(fā)生記錄器，共分為5個(gè)模塊，分別是NRZ，NRZ1，PM，F(xiàn)M，MFM。這個(gè)實(shí)驗(yàn)要求我們通過使用XILINXFOUNDATION軟件來實(shí)現(xiàn)各模塊的電路圖，然后仿真結(jié)果，并下載至機(jī)箱上進(jìn)行試驗(yàn)。在這個(gè)過程中我碰