Уровни и аспекты проектирования МКС

 

Уровни	Аспекты
Функциональ- ный	Алгоритмичес- кий	Конструкторс- кий	Технологичес- кий
	Постановка задачи	Разработка закона функционирова-ния МКС. Проектирование-схем алгоритмов.	–	–
	Системный (структурный)	Архитектурный (машинный)	Стойка, панель	Разработка принципиальной схемы технологическо-го процесса
	Функционально-логический	Программирова-ние модулей.	ТЭЗ, модуль	Разработка маршрутов технологическо-го процесса
	Схемотехничес-кий. Компонентный	Микропрограм-мный	Кристалл интегральной микросхемы	Проектирование технологических операций

 

Основные задачи функционально-логического и программного уровней:

- детализация функций выполняемых каждым блоком и устройством;

- разработка функциональных и принципиальных схем всех устройств;

- алгоритмическая реализация функций, выполняемых программным путем, и предоставление алгоритмов на одном из принятых алгоритмических языков или Ассемблере;

- синтез контролирующих и диагностических тестов.

На схемотехническом и микропрограммном уровнях разрабатыва-ются принципиальные схемы и простейшие программные модули, осу-ществляется запись рабочих программ в ПЗУ ОМК.

Конструкторский аспект включает в себя иерархические уровни проектирования стоек, панелей, типовых элементов замены (ТЭЗов), модулей и кристаллов (чипов) интегральных микросхем.

Технологический аспект включает в себя иерархические уровни определения принципиальной схемы технологического процесса, т.е. состава и последовательности этапов изготовления МКС, разработки маршрутов технологических процессов, т.е. определении состава и последовательности операций, выбора баз и группы технологического оборудования, проектирования технологических операций.

Блочно-иерархический подход, рассмотренный выше, позволяет достаточно просто распределить, в случае необходимости, интеллекту устройств или систем между несколькими микроконтроллерами. При этом каждую глобальную задачу или даже задачу меньшей размерности можно "поручить" решать отдельному микроконтроллеру. Очевидно, что в этом случае неизбежно возникает задача организации хороших интерфейсных связей как между отдельными ОМК и МКУ, так и между МКУ и ЭВМ, стоящими на более высокой ступени иерархии в МКС (например, в локальных управляющих сетях на основе ОМК). Причем, для связи ОМК в пределах одного МКУ целесообразно использовать более простые (нестандартные) интерфейсы. Стандартные же интерфейсы типа I2C или RS-232 есть смысл использовать для обмена данными между МКУ или МКУ и ЭВМ в пределах одной МКС.

На каждом из рассматриваемых уровней разработчику приходится решать задачи синтеза и анализа. Целью задачи синтеза является получение конкретных вариантов проектируемой аппаратуры, а целью задачи анализа - изучение свойств вариантов аппаратуры и их оценка.

Различают структурный и параметрический синтез. Цель струк-турного синтеза - получение структуры устройства, т.е. состава элементов и способа связи их между собой. Задачу выбора оптимальной структуры называют структурной оптимизацией. Цель параметрического синтеза - определение числовых значений параметров элементов и устройств, причем задачу получения оптимальных значений параметров называют параметрической оптимизацией.

При решении задач анализа используют модели проектируемой системы. Различают физические и математические модели. Физическими моделями являются различного рода макеты, стенды. Математическая модель - это совокупность математических объектов (чисел, переменных, векторов, множеств и т.п.) и отношений между ними, которая адекватно отображает свойства проектируемого объекта. Математические модели могут быть функциональными, если они отражают физические или информационные процессы, протекающие в моделируемом объекте, и структурными, если они отображают только структурные (в том числе и геометрические) свойства объектов.

Функциональные модели, как правило, задаются в виде аналити-ческих соотношений, а структурные - в виде графов и матриц. При проектировании МКС, разработке и отладке программ функционирования МКУ широко используют функциональные модели работы МКУ, реа-лизуемые на ЭВМ.

 

1.1.2. Схема процесса проектирования.

На рис.1.2 представлена типичная для рассматриваемых уровней схема процесса проектирования.

Разработка аппаратуры по предъявляемому техническому заданию начинается с анализа возможностей реализации требований ТЗ. В ТЗ на разработку отдельных устройств МКС входят: перечисление всех функций, выполняемых каждым устройством; условия работоспособности устройства; требования к его входным и выходным параметрам; данные о содержании и форме информации, которой данное устройство обменивается с другими устройствами аппаратуры; элементная база для построения устройства. В случае положительного результата анализа разрабатывают модели для структурного и параметрического синтеза аппаратуры. В соответствии с разработанными моделями генерируется исходный вариант аппаратуры, параметры которого оцениваются с позиций удовлетворения условий работоспособности. Если для синтезируемого варианта структуры обеспечивается выполнение условий работоспособности с заранее оговоренным запасом (с учетом допустимых отклонений реально достигнутых значений параметров аппаратуры), то задача синтеза считается решенной. При этом результаты проектирования оформляют в виде необходимой технической документации. В случае невыполнения условий работоспособности проводят анализ возможности улучшения характеристик синтезированного варианта объекта путем изменения структуры и управляемых параметров в рамках применяемых моделей для структурного синтеза и параметрической оптимизации. В случае невозможности выполнения этого производят корректирование ТЗ на проектируемые объект. Таким образом, процесс проектирования носит итерационный характер, итерации могут включать в себя и более одного уровня проектирования, необходимость возврата к предыдущему уровню может обнаружиться на любом последующем уровне проектирования.

 

Требования ТЗ

 

нет

 

 

да

 

 

 

да

 

нет нет

 

 

да

 

Рис.1.2. Схема процесса проектирования

 

Проектирование сложных технических систем производится на основе главных критериев:

- качества проектирования;

- стоимости проектирования;

- сроков разработки;

- количества занятых специалистов-разработчиков.

Возможность формализации в процессе проектирования МКС и итерационный характер проектирования с учетом перечисленных критериев делает предпочтительным выбор автоматизированных методов проектирования МКС. Разработка же микроконтроллерной части аппаратуры без использования автоматизированных методов проектирования и отладки программ МКС в настоящее время практически невозможна.

 

1.1.3. Методика решения задач проектировния

Реализация блочно-иерархического подхода к проектированию сложных систем может быть осуществлена либо в восходящей, либо в нисходящей последовательности решения задач проектирования разных уровней. Нисходящее проектирование (проектирование "сверху вниз") характеризуется тем, что решение задач проектирования верхних уровней предшествует решению задач проектирования нижних уровней. При этом исходные данные для проектирования представляются в виде ТЗ для высшего иерархического уровня. Восходящее проектирование предусматривает обратную последовательность решения задач. Объекты проектируемые на каждом уровне, являются базовыми для реализации верхних уровней.

При разработке МКС находит применение как нисходящее, так и восходящее проектирование. Представление о проектируемых объктах на разных уровнях разработки МКС задаётся математическими моделями, описывающими возможные структуры объекта и протекающие в них

процессы.

При функциональном проектировании аппаратуры используются следующие модели и методы.

На системном уровне модель проектирования должна отражать не-обходимую совокупность функциональных элементов системы, взаимос-вязь между этими элементами и процессы преобразования информации. Поэтому для решения задач структурного синтеза используется аппарат теории систем, теории графов и сетей, теории преобразования сигналов, теории информации, дискретного математического программирования и др. Задача анализа на этом уровне заключается в определении параметров и характеристик, описывающих процесс обработки информации в системе. При этом нужно оценить производительность и относительную загрузку работы всех функциональных элементов системы, точность и достоверность преобразования информации, основные параметры и характеристики спроектированных МКС. Математическим аппаратом анализа на системном уровне являются теория массового обслуживания, теория вычислительных систем.

На функционально-логическом и схемотехническом уровнях про-ектирования МКС разрабатываются функциональные и принципиальные схемы всех цифровых и аналоговых устройств аппаратуры. На этих уровнях в математических моделях отображаются переменные и дейс-твия, которые выполняются моделируемым устройством в соответствии с алгоритмом функционирования. При этом информационные переменные отождествляются с сигналами и каждому сигналу ставится в соот-ветствие некоторая физическая величина - напряжение или ток на выходе каждого элемента. Математический аппарат, используемый для решения анализа и синтеза на этом уровне: теория электромагнитных цепей, математическая логика и теория цифровых автоматов, нелинейное программирование, положения теории вероятностей и математической статистики.

При решении задач алгоритмического проектирования применяются алгоритмические языки различных уровней, теория алгоритмов, теория вычислительных систем и программирование.