Разработка модуля постоянного запоминающее устройства бортовой цифровой вычислительной машины с функцией коррекции ошибки

Устройства могут питаться от шины, тогда их можно разделить на два класса:Низкая мощностьВысокое напряжениеРазница здесь в том, что устройства с низким энергопотреблением не могут потреблять более 100 мА. А устройства большой мощности должны потреблять не более 100 мА только на этапе настройки. После настройки хостом они могут потреблять до 500 мА.Кроме того, устройства могут иметь собственный источник питания. В этом случае они могут получать до 100 мА от шины, а все остальное - от своего источника.Структура данных интерфейса USBВся информация передается в кадрах, которые отправляются через определенные промежутки времени. В свою очередь, каждый фрейм состоит из транзакций.Рисунок 3.8 - Передача данных на USBКаждый кадр включает в себя пакет SOF (начало кадра), затем следуют транзакции для разных конечных точек, и все это заканчивается пакетом EOF (конец кадра). Если быть точным, EOF - это не совсем пакет в обычном понимании этого слова - это временной интервал, в течение которого обмен данными запрещен.Каждая транзакция выглядит так:Рисунок 3.9 - Структура транзакции USBПервый пакет (называемый пакетом токена) содержит информацию об адресе USB-устройства, а также номер конечной точки, для которой предназначена эта транзакция. Кроме того, в этом пакете хранится информация о типе транзакции. Пакет данных - с ним все понятно, это данные, которые передает хост, или конечная точка (в зависимости от типа транзакции). Последний пакет - Статус - предназначен для проверки успешности получения данных.Пакет токенов:Рисунок 3.10 - Структура пакета токенаПакеты токенов бывают трех типов:ВИзНастраиватьНачало кадраПакет In сообщает нашему USB-устройству, что хост готов принять от него информацию. Пакет Out, с другой стороны, сигнализирует о готовности и желании хоста поделиться информацией. Пакет установки необходим для использования передачи управления. Что ж, пакет Start Of Frame используется для инициирования начала кадра.В зависимости от типа пакета значение поля PID в пакете Token может принимать следующие значения:Пакет токена типа OUT - PID = 0001Пакет токенов типа IN - PID = 1001Пакет токена типа SETUP - PID = 1101Пакет токенов типа SOF - PID = 0101Перейдем к следующей части пакета Token - полям Address и Endpoint - они содержат адрес USB-устройства и номер конечной точки, для которой предназначена транзакция. Что ж, поле CRC - это контрольная сумма.Здесь есть еще один важный момент. PID включает 4 бита, но во время передачи они дополняются еще 4 битами, которые получаются путем инвертирования первых 4 бита.Пакет данных - то есть пакет данных:Рисунок 3.11 - Структура пакета данныхВ пакете Token только вместо адреса устройства и номера конечной точки здесь находятся переданные данные.Пакеты статуса и пакеты SOF:Рисунок 3.12 - Структура пакета статусаPIDможет принимать только два значения:Пакет был получен правильно - PID = 0010Ошибка при получении пакета - PID = 1010Пакеты начала кадра:Рисунок 3.13 - Структура пакета SOFНовое поле Frame - содержит номер переданного кадра.В качестве примера рассмотрим процесс записи данных на USB-устройство. То есть рассмотрим пример структуры кадра записи.Фрейм состоит из транзакций и выглядит так:Рисунок 3.14 - Структура кадра записи USBSETUP транзакции:Рисунок 3.15 - Структура транзакции SETUPSETUP транзакция:Рисунок 3.16 - Структура транзакции OUTТочно так же при чтении данных с USB-устройства кадр выглядит так:Рисунок 3.17 - Структура кадра чтения USBВ транзакции:Рисунок 3.18 - Структура транзакции IN3.5 Разработка принципиальной схемыРазработанная принципиальная электрическая схема модуля ПЗУ БЦВМ, приведена на рис.3.19.Рисунок 3.19 – Электрическая принципиальная схема ПЗУ БЦВМВ этой схеме используется описанная выше микросхема контроллера DD1 (STBD2010) и одна микросхема флеш-памяти DD2 (HY27UA081G1M) емкостью 1 ГБ.Перечень элементов модуля ПЗУ с указанием типа используемых электронных компонентов, их номиналов и типов корпусов приведен в Приложении 3.При использовании всех 16 бит контроллера ввода / вывода устройство может использовать микросхемы памяти с 16-битной шиной данных. Это увеличит скорость обмена с микросхемами, но несколько усложнит разводку печатной платы.Напряжение питания на устройство подается от интерфейса USB через разъем USB. Элементы L1, CP1 и C1 обеспечивают высокочастотную и низкочастотную фильтрацию этого напряжения. Контроллер D1 генерирует из него напряжения питания 3,3 и 1,8 В, которые необходимы для питания ядра самого контроллера, а также для питания микросхем памяти. Дополнительная фильтрация питающих напряжений осуществляется блокировочными конденсаторами С4 - С6. Переключатель SA1, который управляет выводом GP1 контроллера, позволяет запретить запись в микросхемы памяти, чтобы защитить информацию от стирания. Выход контроллера GP0 управляет светодиодом HL1 через ограничивающий резистор R7, который отвечает за индикацию рабочего режима контроллера (управление памятью). Резисторы R1 и R2 обеспечивают согласование входов контроллера с дифференциальными сигналами DM и DP интерфейса USB. Остальные резисторы устройства служат в качестве опорных резисторов, которые повышают уровни сигналов контроллера до напряжения питания или до потенциала земли. Кварцевый резонатор ZQ1 вместе с конденсаторами С2 и С3 обеспечивает формирование задающей частоты регулятора 24 МГц.Схема не требует настройки и при правильной сборке начинает работать сразу после подключения устройства к USB-интерфейсу компьютера. При первом подключении операционная система компьютера обнаружит новое устройство и установит драйверы, необходимые для его работы в автоматическом режиме. В будущем устройство будет входить в состав компьютера как съемный диск, с помощью которого можно будет выполнять любые операции чтения, записи и стирания информации, как с обычным жестким диском.3.6 Выводы к главе 3В главе 3 выбрана элементная база модуля ПЗУ БЦВМ, модель NANDконтроллера, модель NANDпамяти и тип используемого интерфейса - USB, на основании данной элементной базы разработана электрическая принципиальная схема модуля ПЗУ БЦВМ. Устройство основано на самой современной элементной базе от ведущих мировых производителей, отвечает современным требованиямпо производительности, объему хранимой информации, имеет небольшие массо-габаритные показатели. Так как устройство основано на полупроводниковой твердотельной технологии, не имеет движущихся механических частей, оно обладает высокой надежностью в эксплуатации.4 Экономическая часть4.1 Анализ конкурентоспособностиЭффективность проектных решений определяется, прежде всего, техническим уровнем создаваемого оборудования.Технический уровень продукта – относительная характеристика качества, полученная в результате сравнения значений показателей качества оцениваемого продукта и базового; для сравнения, как правило, выбираются показатели, наиболее полно отражающие качественные характеристики объекта.На данный момент на рынке есть аналог разрабатываемого устройства. Это устройство было выбрано для сравнения, потому что оно подходит по сравнительным параметрам с разрабатываемым устройством.Для сравнения сформируем таблицу со значениями основных параметров и показателей как для проектируемого устройства, так и для базовой версии. Выбранные параметры сравниваемых изделий с их числовыми значениями приведены в таблице 4.1.Таблица 4.1 – Сравнительные параметры устройств ФАРПоказатели качестваЗначение параметров базового устройстваЗначение параметров нового устройстваНадежность, балл55Мощность передатчика, балл22Максимальная дальность обнаружения, балл55Потребляемая мощность, балл45Зона контроля, балл55Масса/габаритные показатели, балл34КПТУ для базовой модели принимается равным 1. Для расчета КПТУ нового продукта воспользуемся следующей формулой:где, - коэффициент значимости i-го параметра;- относительные единичные показатели качества;n – количество показателей качества на данный момент.При расчете КПТУ важно определить весовые коэффициенты , которые показывают значимость (степень влияния) каждого i-го параметра на величину благотворного эффекта.Относительные единичные показатели качества рассчитываются по формуле:, здесь Pнi, Pбi– абсолютные значения i-го показателя качества соответственно новой и базовой модели, которые берутся из таблицы значений основных параметров и показателей проектируемого и базового устройств.Тип формулы выбирается исходя из того, что увеличение относительного показателя будет соответствовать повышению качества продукта.Наиболее широко используемый метод основан на экспериментальных оценках. По этому методу:1. Вводятся обозначения показателей качества: X1, X2, X3 ... Xn;2. Составляется квадратная матрица смежности размера n * n и сравниваются их важность для продукта относительно друг друга. В этом случае используются знаки ''> '', '' <'' и '' = '';3. Заменяются знаки с коэффициентами предпочтения αi соответственно «>» на 1,5; `` <'' на 0,5; '' = '' на 1;4. Находится сумма построчно;5. Определяются абсолютные значения Bi путем матричного умножения строк квадратной матрицы на вектор-столбец6. Рассчитываются относительные значения параметров bi:Строим квадратную матрицу смежности размером (n · n) и сравниваем важность параметров для базовых и новых устройств относительно друг друга.Определим абсолютные значения Bi путем матричного умножения строк квадратной матрицы на вектор-столбец. Результаты приведены в таблице 4.3.Таблица 4.3 – Матрица смежностиX1X2X3X4X5X6BiB’iX111.51.51.511.580.22X20.511.51.50.51.56.50.18X30.50.5110.514.50.125X40.50.5110.514.50.125X511.51.51.511.580.22X60.50.5110.514.50.125B361Таблица 4.4 – Бальная оценка значимости параметров B’iМодель0.22X10.18X20.125X30.125X40.22X50.125X6Разрабатываемая (А)535554Базовая (Б)535453Рассчитываем показатель конкурентоспособности для каждой из анализируемых моделей:4.2 План производстваНа начальном этапе организации предприятия составляется производственный план. Уставный капитал предприятия создается в размере 50% от минимальных годовых затрат каждого из организаторов. Наемные работники пока не задействованы. Для производственного цеха сдается небольшое помещение, оборудовано пять рабочих мест: научный сотрудник; научно-технический и научно-вспомогательный персонал; производственники. Сначала производятся прототипы. На этом этапе планируется изначально протестировать первые модели устройства, настроить его параметры и решить организационные и финансовые проблемы. На следующем этапе планируется привлечение инвестиций в проект и аренда спецтехники с расширением производственных площадей. Вопрос о возможном составе персонала, уровне их профессиональной подготовки и, как следствие, привлекают наемных работников. Ведется поиск потенциальных партнеров, инвесторов, прорабатываются каналы продаж и продвижение продукции на рынке.Таблица 4.7 – Этапы и трудоемкость проведения опытно-конструкторских работ№п/пНаименование этаповСрок выполнения, днейЭскизный проект:1Анализ ТЗ, патентный поиск72Разработка структурной и принципиальной схемы153Разработка ТЗ на конструирование7Технический проект:4Разработка конструкторской документации7Рабочий проект:5Изготовление комплектующих46Сборка17Испытание28Техническая документация2Итого: 454.3 Организационный планДля выполнения проектных работ планируется сформировать рабочую группу в составе: руководителя отдела разработки, инженера-разработчика, инженера-конструктора, технолога, слесаря, начальника отдела технического контроля.Таблица 4.8 – Организация работ№ п/пНаименование этаповИсполнители (по категориям)Трудоемкость,в чел/дняхПродолжительность работы, дниЭскизный проект:1Анализ ТЗ, патентный поискНачальник отделаразработки772Разработка структурной и принципиальной схемыИнженер-разработчик510153Разработка ТЗ на конструированиеИнженер-разработчик77Технический проект:4Разработка конструкторской документацииИнженер-конструктор77Рабочий проект:5Изготовление комплектующихСлесарь-технолог446СборкаСлесарь-сборщик117ИспытаниеНачальник ОТК228Техническая документацияНачальник отделаразработки22Итого:45Рисунок 4.1 – График выполнения работ4.4 Расчет себестоимости и договорной ценыВ мировой практике разработаны стандартные, сопоставимые процедуры оценки коммерческих инвестиционных проектов. Все методы определения эффективности вложений основаны на составлении дисконтированных сумм вложений и доходов. Информационной базой для расчета показателей инвестиционной эффективности является так называемый поток платежей. Он формируется с течением времени из сумм чистой прибыли (со знаком плюс) и инвестиционных затрат (со знаком минус), называемых участниками потока платежей. Чистая прибыль - это сумма денежных поступлений, полученных в каждом интервале планирования (например, каждый год), за вычетом всех реальных платежей, связанных с их получением. Таким образом, чистая прибыль равна сумме чистой прибыли (за вычетом налогов) и амортизации.Критерии эффективности коммерческих инвестицийЧистый денежный поток –Д, генерируемый инвестиционным проектом в течении каждого года жизни проекта, и определяется по формуле 4.3:В выражении (4.3) сделаны следующие обозначения:ЧП – это годовая чистая прибыль от продажи созданной продукции. А - годовые отчисления по амортизации;ИЗ - инвестиционные затраты. Амортизация – это не поток платежей или поступлений, а инвестиционный ресурс, который остается у компании.Годовая чистая прибыль определяется по формуле 4.4:В выражении (4.4) сделаны следующие обозначения:ВР – годовой объем продаж; ЭР – годовые операционные (эксплуатационные) расходы (затраты на хозяйственную деятельность); Т – ставка налога на прибыль (0.2). Инвестиционные затраты ИЗ находятся как сумма затрат в основной и оборотный капитал:В выражении (4.5) сделаны следующие обозначения:Изо – инвестиционные затраты в основной капитал;ИЗоб – инвестиционные затраты в оборотный капитал.Инвестиционные затраты в основной капитал:Примем в расчете следующие значения:где,  - инвестиции в основное технологическое оборудование; - инвестиции во вспомогательное оборудование; - стоимость монтажа и пуско-наладки оборудования; - стоимость транспортировки оборудования; - прочие инвестиционные расходы, значимые для проекта (патентование, лицензирование и др.).Рассчитаем затраты на материалы и закупаемые комплектующие из расчета75 рублей за 1 доллар США и сведем их в таблицу 4.9.Таблица 4.9 – Затраты на материалы и комплектующиеПеречень элементовСтоимость 1шт. ( руб.)Кол-во шт.Всего(тыс. руб.)1. Коннектор USB101102. Конденсаторы107703.Резисторы107704.Индуктивности201205.Светодиоды101106.КонтроллерSTBD201011211127.FLASH памятьSTBD2010751758.Резонаторы кварцевые201209.Стеклотекстолит10110Итого материалов397 Транспортно-заготовительные расходы59.55Итого:456.55Таблица 4.10 – Расчет основной заработной платы№ п/пНаименование этаповИсполнителиМес.окладТрудоемкость (чел/дни)Оплатаза деньОплатаЗа этапЭскизный проект:1Анализ ТЗ, патентный поискНачальник отделаразработки20000076667466672Разработка структурной и принципиальной схемыИнженер-разработчик150000155000750003Разработка ТЗ на конструированиеИнженер-разработчик1500007500035000Технический проект:4Разработка конструкторской документацииИнженер-конструктор1200007400028000Рабочий проект:5Изготовление комплектующихСлесарь-технолог9000043000120006СборкаСлесарь-сборщик900001300030007ИспытаниеНачальник ОТК1200002400080008Техническая документацияНачальник отделаразработки120000240008000Итого:45215667Вычислим себестоимость изделия.Таблица 4.11 – Калькуляция себестоимости изделияСтатьи затратЗатраты на единицу, р.ОбоснованиеПеременные затраты1.Материальные затраты456.55По данным предприятия2.Основная заработная плата производственных рабочих21.567По данным предприятия3.Дополнительная заработанная плата производственных рабочих4.31320% от п.24.Отчисления на социальные нужды7.76430% от п.2и п.3Постоянные затраты5. Накладные расходы43.134200% от осн. З.п.6. Амортизация45Итого полная себестоимость Сп578.328Для расчета отпускной цены готового изделия возьмем ставку 25%, с учетом компенсации удорожания производства, тогда плановая цена реализации составит: 722,91 руб.4.5 Обоснование экономической целесообразностиПервоначальный оборотный капитал необходим для запуска проекта. Когда проект еще не «продвинут» и не переведен на самофинансирование, потребность в начальных оборотных средствах рассматривается как потребность в инвестициях. Чтобы упростить выпускной проект, потребность в начальном оборотном капитале можно принять равной годовым операционным затратам (общий операционный бюджет проекта).Наиболее распространенным критерием эффективности инвестиций в мировой практике является чистая приведенная стоимость проекта (чистая приведенная стоимость –NVP), которая представляет собой приведенную стоимость будущих проектов денежных средств, генерируемых инвестиционным проектом в течение жизненного цикла (жизненного цикла) проекта:где,t – количество интервалов жизни проекта;T – срок жизни проекта;Dt – чистый денежный поток в t – году ;i – ставка дисконта.Реальная годовая ставка сравнения iкак правило может составить в размере 10%. Результаты расчета эффективности по критерию NPV приведены в таблице 4.12. Годовые продажи составят:Годовые эксплуатационные расходы:Годовая чистая прибыль:Если предположить, что для запуска проекта требуется 12% операционных затрат, тогда:Представим сумму инвестиционных затрат в основной капитал в размере:Тогда общие инвестиционные затраты составят:Если мы предположим, что жизненный цикл товара составляет 4 года и в течение этого периода необходимо возместить инвестору стоимость инвестиционных затрат в основные средства (500 млн руб.), То ежегодные амортизационные отчисления составят 100 млн руб./год при равномерной амортизации.Таблица 4.12 – Расчет чистой приведенной стоимости будущих денежных потоков от проектаПоказателиИнтервал планирования, год01231. Годовой объем продаж, тыс. рублей7229.17229.17229.12. Инвестиционные затраты, тыс. рублей-1693.9933. Годовые эксплуатационные расходы, тыс. рублей5783.285783.285783.284. Валовая прибыль, тыс. рублей1445.821445.821445.825. Налог на прибыль, тыс. рублей289.164289.164289.1646. Чистая прибыль, тыс. рублей1156.6561156.6561156.6567. Амортизация, тыс. рублей4545458.Чистый денежный поток, тыс. рублей-1693.9931201.6561201.6561201.6569. Дисконтный множитель (i=0.1)10.910.830.7610. Приведенный поток денежных средств , тыс. рублей-1693.9931093.507997.344913.25811. Чистая приведенная стоимость будущих потоков денежных средств NPV, тысяч рублей-492.337601.1701598.5442501.806Из таблицы 4.12 мы можем видеть, что проект за жизненный цикл, 4 года, обеспечил миллионов рублей, что говорит об экономической целесообразности проекта.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ соответствии с поставленной целью, в рамках данной дипломной работы был разработан модуль постоянного запоминающего устройства БЦВМ с функцией коррекции ошибок. В ходе в ходе выполнения работы были решены следующие задачи: 1. Проведенобзор научно-технической литературы по теме исследования с целью выявления современного уровня техники, приведена классификация устройств ПЗУ, выбран тип памяти, используемый при разработке устройства.2. Выполненанализ методов коррекции ошибок в информационных каналах внешних запоминающих устройств.3.Выбран метод коррекции ошибок, используемый ПЗУ БЦВМ на основе кодов Рида-Соломона;4. Рассмотрена функциональная схемакоррекции битовых ошибок контроллера NANDиспользуемого при разработке ПЗУ БЦВМ;5.Разработана структурно/функциональная схема модуля ПЗУ БЦВМ;6. Выбрана элементная база для проектирования устройства – контроллер NAND, flashпамять NAND, при условии полной совместимости работы отдельных блоков и элементов;7. Разработана электрическая принципиальная схема модуля ПЗУ БЦВМ.В заключительной главе рассмотрены экономические вопросы, разработан организационный план, производственный план, рассчитана себестоимость изделия и договорная цена. Дано обоснование экономической целесообразности проекта.В результате выполнения дипломной работы цель достигнута, все поставленные задачи решены.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1. Микропроцессорные системы лекция №8 «Подсистема памяти микропроцессорной системы» Электронный ресурс, URL: https://portal.tpu.ru/SHARED/a/ALEX1479/study/dis1_mpt/Tab4/Лекция%208.pdf2. Ю.А.Адаян. Помехоустойчивое кодирование, Из-во РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, М.: 2009. - 79 с.3. ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ: Составители: Давыдов А.В., Мальцев А.А. Учебно-методические материалы для магистрантов и аспирантов Исследовательской школы «Колебательно-волновые процессы в природных и искусственных средах». – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2014. – 123 с.4. Конопелько В.К. Контроль ошибок в цифровых устройствах: Учеб. пособие по курсам «Теория кодирования» и «Цифровые и микропроцессорные устройства» для студ. спец. 45 01 03 «Сети телекоммуникаций» дневной и заочной форм обучения / В.К. Конопелько, А.А. Борискевич. – Мн.: БГУИР, 2003. – 18 с.5. Blahut, R.E. Theory and practice of error control codes / R.E. Blahut. –Reading, Massachusetts, USA: Addison-Wesley, 1983. – 500 p.6. Wicker, S.B. Reed-Solomon codes and their applications / S.B. Wicker,V.K. Bhargava. – New York City, New York, USA: IEEE Communications Society.IEEE Information Theory Society. IEEE Press, 1994. – 322 p.7. Ошибки NAND памятииметодыборьбысними, электронныйресурсURL:https://andiriney.ru/oshibki-nand-pamyati/8. Описание интерфейса USB. Полный обзор и структура пакетов данных, электронный ресурс, URL:https://microtechnics.ru/osnovy-interfejsa-usb/9. Баженов, А.В. ОСНОВЫ БОРТОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХМАШИН/ Учебное пособие с грифом УМО. [Текст]/ А.В. Баженов-2-е изд., перераб. – Ставрополь: СВВАИУ (ВИ) , 2008. – 338 с.10. Баженов, А.В. Основы цифровой схемотехники. Ч.1.Теоретические основы цифровой обработки сигналов / А.В.Баженов, В.В. Закалюжный. Конспект лекций. - Ставрополь:СВАИУ, 1998.- 136 с.11. Баженов, А.В. Авиационные вычислительные машины исистемы. Ч.2. Бортовые цифровые вычислительные машины / А.В.Баженов, А.А. Федотов. Конспект лекций. - Ставрополь: СВАИУ,1995.- 139 с.12. Алексеев, Ю.Я. Помехозащищенность авиационныхрадиолокационных систем/ Ю.Я. Алексеев, В.Н. Антипов, В.А.Ефимов, В.И Меркулов, И.Н. Умнов / Под редакцией В.А.Ефимова.-М.: ВАТУ, 2001.-271 с.13. Документация производителя контроллера NAND, электронный ресурс, URL: http://www.datasheet-pdf.com/mobile/960933/STBD2010.html14.Документация производителя flashпамяти NAND, электронный ресурс, URL:https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/103437/HYNIX/HY27UA081G1M.html15. Принцип работы NAND-памяти, электронный ресурс, URL:https://club.dns-shop.ru/blog/t-101-ssd-nakopiteli/36168-printsip-rabotyi-nand-pamyati/ПРИЛОЖЕНИЕ А. Структурная схема модуля ПЗУ БЦВМПРИЛОЖЕНИЕ Б. Электрическая принципиальная схема модуля ПЗУ БЦВМ ПРИЛОЖЕНИЕ В. Перечень элементовПозиционноеобозначениеНаименованиеКоличествоПримечаниеКонденсаторыC1KVE-6.3-1016.3 В 10 мкФC2,C5-C70402-0.1мкФ4C3-C40402-22нФ2РезисторыR1-R20402-50Ом±5%2R30402-620Ом±1%1R4-R6,R80402-10кОм±5%4R70402-510Ом±5%1ДиодыHL1Чип KP-16981ИндуктивностиL1чип 1812100 мкГн1МикросхемыDD1STBD20101QFN-48DD2HY27UA081G1M1TSOp-48КоннекторыUSBUSB тип АРезонаторы кварцевыеZQ1HC-49 24 МГц1