Методологія інженерного проектування

Размещено на http://www.allbest.ru

Міністерство освіти і науки України

Запорізький національний технічний університет

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

Методологія інженерного проектування

напрям підготовки 6.050702 Електромеханіка

спеціальність 8.05070201 Електричні машини і апарати,

8.05070207 Електромеханічне обладання енергоємних виробництв

інститут, факультет, відділення Фізико-технічний інститут

електротехнічний факультет

Підготовлено: ст.. викладачем

Скрупською Л.С.

Запоріжжя 2015 рік

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ З АВТОМАТИЗАЦІЇ ПРОЕКТУВАННЯ

1.1 Основні визначення

Проектування - розробка технічної документації, що дозволяє виготовити заданий пристрій із заданими функціями для роботи в заданих умовах.

Стратегія проектування - функціональна декомпозиція. Вона визначається тим, що на першому етапі створюється абстрактна структура системи, яка задовольняє вимогам ТЗ. Потім вона розбивається на підсистеми, які разом реалізують функцію системи. Далі кожна підсистема може бути розбита на складові ще нижчого рівня і т.д., поки остання структура не буде складатись з неділимих компонентів. Для цього використовується концепція “чорного ящика”. Для чорного ящика розробляється функціональна специфікація, що включає зовнішній опис блоку (входи і виходи) і внутрішній опис - функцію або алгоритм роботи: Y = F(X,t), де X - вектор вхідних величин, Y- вектор вихідних величин, t - час.

Параметри компонентів, з яких складається система (пристрій), що проектується, будемо називати внутрішніми, параметри системи, по яких оцінюється його якість, -- вихідними, параметри діючих на систему зовнішніх інформаційних сигналів -- вхідними, а параметри навколишнього середовища -- зовнішніми.

При декомпозиції функція F розбивається на більш прості функції F1, F2,…,Fк, між якими повинні бути встановлені визначені зв'язки, що відповідають прийнятому алгоритмові реалізації функції F.

У результаті розбивки кінцевим результатом є структура. Структура системи ієрархічна. Перехід від функції до структури - синтез. Синтез неоднозначний. Вибір найкращого варіанта здійснюється за результатами аналізу, коли перевіряється правильність роботи та деякі показники, що характеризують пристрій, задані, як правило, у ТЗ або ЧТЗ.

Декомпозиція функцій блоків виконується доти, поки не отримають типові функції, кожна з яких може бути реалізована тією або іншою мікросхемою або типовим рішенням. Якщо використовуються ПЛІС (програмовані користувачем логічні ІС), то декомпозиція виконується вже для цієї ПЛІС в відповідності до складу функціональних бібліотек САПР таких ПЛІС. інженерний проектування електронний автоматизація

Процес проектування є багатокроковим і ітераційним з поверненням назад і переглядом раніше прийнятих рішень.

Проектна процедура - формалізована сукупність дій, виконання яких закінчуються прийняттям проектного рішення.

Проектне рішення - проміжний або остаточний опис об'єкта проектування, необхідне та достатнє для подальшого продовження або закінчення проектування.

Проектна операція - формалізована дія, що є частиною проектної процедури, алгоритм якої залишається незмінним для ряду інших проектних процедур.

Під автоматизованим проектуванням розуміється такий спосіб проектування, при якому систематично використовується ПК при раціональному розподілі функцій між людиною й ПК. На ПК вирішуються задачі, що піддаються формалізації, за умови, що рішення з її допомогою більш ефективне, ніж “ручне”. Необхідність рішення задач автоматизації проектування на основі системного підходу як у частині його організації, так і в частині апаратних обчислювальних засобів та їхнього програмно-математичного забезпечення, призвело до створення систем автоматизованого проектування (САПР).

САПР - це складна програмно-інформаційно-апаратна людино-машинна система, побудована по ієрархічному принципу, так що кожен рівень ієрархії відображає відповідний рівень проектування

САПР будується за агрегатним принципом, тобто це відкрита система, що розвивається з максимальним використанням уніфікованих модулів (окремих підсистем, технічних засобів і т.д.). Це дозволяє створити на основі базового варіанта САПР будь-якої потрібної користувачеві конфігурації.

Вимоги уніфікації програмних модулів передбачають їх повну інформаційну сумісність без переробки вхідних і вихідних даних.

1.2 Рівні та задачі проектування

Окремим рівням декомпозиції функціонального опису апаратури відповідають окремі рівні її складності. Самий верхній рівень складності апаратури - система, вона складається з пристроїв, пристрій - з функціональних вузлів, а вузли - з електрорадіовиробів ЕРВ (транзисторів, резисторів, трансформаторів, мікросхем і т.д.). Функціональний вузол відрізняється від пристрою тим, що не має самостійного експлуатаційного застосування. Наприклад, ПК - це система, блок живлення, мікропроцесор, пам'ять - пристрої, генератор синхроімпульсів, регістри - функціональні вузли. Це ділення досить умовне. Так, наприклад, мікросхема відноситься до компонентного рівня, хоч щодо своєї внутрішньої складності може бути віднесена до вузла, приладу або навіть системи.

Традиційно процес проектування відповідно до рівнів складності апаратури розбивається на наступні рівні:

- системний,

- функціональний,

- схемотехнічний,

-конструкторсько-технологічний.

Хоча загальна методологія процесу проектування достатньо традиційна, але зміст, методи і засоби проектування для різних рівнів відрізняються і істотно залежать від вибраних елементної бази, САПР та засобу реалізації кінцевого продукту.

На кожному з цих рівнів використовуються свої поняття, свій математичний апарат, свої типові компоненти та рішення (табл. 1.1)

На системному (структурному) рівні проектування на основі аналізу ТЗ визначається архітектура, тобто склад компонентів і інформаційні зв'язки між ними, основні характеристики майбутньої системи (продуктивність, точність, надійність і т.д.), вибирається елементна база для її побудови, приймаються рішення про розподіл функцій між програмною й апаратною або між аналоговою і цифровою частинами системи. Елементна база, до речі, є визначальною для вибору відповідної САПР і подальшої технології проектування системи. Це самий складний, важко формалізуємий рівень проектування, багато в чому залежний від досвіду, знань і інтуїції розробника.

Таблиця 1.1- Рівні проектування і їхнє математичне забезпечення

Рівень складності ЕРВ	Рівень проектування	Підрівень проектування	Математичний апарат	Моделі, програми
Обчислювальні системи, комплекси, мережі,…	Системний, (структурний)	Системний, структурний	Системний аналіз, досліджування операцій, теорія СМО, статистичний аналіз	Імітаційні моделі, GPSS-PC
Функціональні пристрої (МП,ЗП, передатчики, лічильники, регістри,…)	Функціональний	Регістрових передач, логічний, макромодельный	Теорія цифрових автоматів, алгебра логіки, теорія САР, спектральний аналіз	Інформаційні моделі, макромоделі, Activ-HDL, МАЕС-П
Тригери, логічні елементи, генератори, підсилювачі,…	Схемотехнічний	Макромодельний, елементний	Теорія електричних кіл, чисельні методи рішення ЗДР	Еквівалентні електричні схеми, МАЕС-П
Шафи, панелі, плати, модулі,…	Конструкторсько-технологічний	Компанування, розміщення, трасування, технологічний	Теорія графів	Графові моделі, PCAD

На рівні функціонального проектування визначаються алгоритми функціонування апаратних і програмних компонентів системи, визначається отримання заданої послідовності вихідних сигналів та часових співвідношень між ними на основі знань наближеної або ідеалізованої форми вхідних і внутрішніх сигналів.

Для ЦС (КС) на цьому рівні можна виділити два підрівня: регістрових передач і логічний. Підрівень регістрових передач описує систему в вигляді блоків (модулів), які зберігають і трансформують дані. Це регістри, суматори, компаратори, керуючі автомати і т.д., робота яких описується відповідними функціями або алгоритмами. На логічному підрівні всі ці модулі складаються з вентилів, робота яких описується відповідними булевими рівняннями або таблицями істинності з урахуванням часових затримок.

На схемотехнічному рівні на блоки попереднього рівня розроблюються принципові електричні схеми, програми, готуються тестові і контрольні дані, пророблюється точна форма сигналів для окремих електронних вузлів і пристроїв, уточнюються їхні внутрішні та вихідні параметри з урахуванням різних дестабілізуючих факторів.

На конструкторсько-технологічному рівні здійснюється прив'язка електричної схеми до конструктивних елементів і технологічних процесів виробництва. На цьому етапі вирішуються задачі компонування і розміщення елементів і вузлів, здійснення друкованих і провідникових з'єднань, а також задачі тепловідводу, захисту від шкідливих впливів і т.п., розробляються технологічні процеси та оснастка для виготовлення окремих блоків і системи в цілому.

1.3 Способи проектування

При проектуванні ЕРВ використовують різні методи,. основними з яких є:

- неавтоматизований розрахунок;

- фізичне моделювання;

- натурне макетування;

- математичне моделювання на ПК.

Неавтоматизований розрахунок виконується по заздалегідь

отриманих формулах. Недоліки неавтоматизованого розрахунку -- низька точність, обмежені функціональні можливості і т.д. -- загальновідомі і не мають потреби в обговоренні.

Фізичне моделювання - це дослідження об'єктів однієї фізичної природи за допомогою об'єктів, що мають іншу фізичну природу, але однаковий з першими математичний опис. В основі фізичного моделювання лежить звичайно принцип електрофізичних аналогій. Як спосіб проектування електронних об'єктів він використовується досить рідко, частіше його застосовують для вивчення супутніх роботі схем теплових і інших процесів, математичне моделювання яких занадто складно і трудомістко.

Натурне макетування -- один з найбільш старих і розповсюджених способів проектування електронних об'єктів. Його головна перевага - максимальна вірогідність результатів, обумовлена роботою з реальними схемами, а не їхніми наближеними моделями. Крім того, макетування приваблює наочністю одержуваних результатів. У той же час макетування має ряд значних недоліків. Основні з них - висока вартість, тривалість створення макету, обмежені можливості макетування.

Під математичним моделюванням на ПК розуміється весь комплекс питань, пов'язаних зі складанням математичної моделі пристрою і її використанням на ПК у процедурах розрахунку, аналізу, оптимізації і синтезу. У порівнянні з макетуванням математичне моделювання на ПК має наступні переваги.

У задачах розрахунку за допомогою моделі можна знайти вихідні параметри схем або їхні характеристики, які не можна безпосередньо виміряти на макеті через недоступність точок виміру, що особливо характерно для інтегральних схем.

У задачах аналізу моделювання дозволяє проаналізувати вихідні параметри і характеристики схеми в граничних і аварійних режимах, фізична реалізація яких небезпечна для макета. Крім того, моделювання дозволяє виконати, наприклад, розрахунок серійної придатності й аналіз різних статистичних характеристик схеми без її запуску в серію, аналіз впливу на схему зовнішніх умов без реальних кліматичних і інших випробувань, аналіз нереалізованих на макеті залежностей вихідних параметрів схеми від внутрішніх, наприклад, залежностей вихідних параметрів схеми від внутрішніх параметрів транзистора.

У задачах оптимізації можливості макета обмежені невеликим числом елементів, які регулюються, тоді як у моделі можна варіювати будь-які параметри, домагаючись максимального поліпшення вихідних параметрів.

У задачах синтезу моделювання виконує перевірку правильності функціонування синтезованих схем шляхом розрахунку їхніх математичних моделей. Очевидно, це можна зробити набагато швидше, ніж виконати макетування кожної синтезованої схеми.

Разом з тим варто відзначити, що не можна цілком замінити макетування моделюванням. Перераховані переваги моделювання мають місце лише в тому випадку, якщо проектувальник має у своєму розпорядженні добре відпрацьований комплекс програм, що містять перевірені, досить точні моделі елементів електронного об'єкта, що гарантують достовірність результатів проектування. Якщо ж необхідно спроектувати нову оригінальну схему, то макетування цієї схеми може виявитися більш прийнятним із-за неточності моделей, які використовуються в програмі.

Крім того, навіть проектуючи схему шляхом її моделювання, розроблювачі схем часто перевіряють остаточні результати проектування на дослідному макеті, однак, зрозуміло, такий спосіб проектування не можна назвати макетуванням, хоча зрештою і приходиться мати справу з макетом.

2. МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ

2.1 Загальні уявлення про математичні моделі

Математичною моделлю ММ якого-небудь об'єкта називається будь-яке формалізоване (записане за допомогою математичних, тобто умовних однозначно трактуємих символів) опис, що відображує стан або поведінку об'єкта з необхідним ступенем точності в заданих умовах.

Вимоги до математичних моделей: універсальність, економічність, точність.

Основними характеристиками моделі є тип робочого сигналу, спосіб представлення, характер залежностей, рівнянь, тощо.

За типом робочого сигналу розрізняють аналогові (безперервної дії) та цифрові (дискретні) моделі. З точки зору способів представлення моделей, можливо виділити аналітичні моделі як найбільш прості, алгоритмічні моделі як найбільш точні й універсальні, табличні моделі як найбільш швидкі щодо витрат машинного часу на їхню обробку, але потребуючих великих обсягів пам'яті, еквівалентні електричні схеми, за яких складаються описуючі їх рівняння. За характером залежностей - лінійні та нелінійні і т.п.

Зазначені в табл. 1.1 моделі можна реалізувати на основі двох підходів -- інформаційного і фізичного.

При інформаційному підході визначається лише перетворення вхідного сигналу у вихідний без вивчення внутрішніх фізичних процесів і без урахування фізичних законів збереження або рівноваги, що визначають або супроводжують це перетворення. У зв'язку з цим всі інформаційні моделі мають вигляд «чорного ящика» з односпрямованим проходженням інформації, для якого відома функція або алгоритм F перетворення вхідного сигналу x у вихідний у: у = F(х). Інформаційний підхід використовується при системному і функціональному проектуванні.

При фізичному підході моделі враховують реальні фізичні закони і використовуються в основному на схемотехнічному рівні.

2.2 Математичний опис електронних об'єктів на різних рівнях проектування

Схемотехнічний рівень. Досліджуючи властивості напівпровідникового тіла, в ньому можна виділити кінцеве число елементарних часток і, які можна представити електричними параметрами Ri і Ci. Характеристикою стану тіла замість поля, потенціалу і струму стане вектор V(t) падінь напруг і струмів I(t) через Ri і Ci, тобто математична модель перетворюється в еквівалентну електричну схему з зосередженими електричними параметрами R, L, C, Е, J, G, а відповідні їй рівняння перетворюються в систему ЗДР

,

де V, - вектори змінних та їх похідних, що описують електричний стан об'єкта.

Такі рівняння з заданими початковими умовами описують без-перервні процеси зміни станів у досліджуваному об'єкті, процес зміни струмів і напруг при подачі вхідних електричних сигналів або зміни параметрів зовнішнього середовища. Якщо досліджуються тільки сталі стани, то математична модель перетворюється в

F( V ) = 0.

Для рішення вищенаведених рівнянь використовуються чисельні методи інтегрування і рішення нелінійних алгебраїчних рівнянь.

На схемотехнічному рівні моделі компонентів аналогових і цифрових схем зображуються у вигляді еквівалентних електричних схем. Однак перехід до моделей верхніх ієрархічних рівнів для аналогових і дискретних компонентів здійснюється по різному.

Функціональний рівень. Моделі компонентів для функціонального проектування -- це функції або алгоритми, що дозволяють за заданою формою вхідного сигналу Х_вх(t) або X_вх() знайти форму вихідного сигналу X_вих(t) або X_вих(), де t - час, - частота сигналу.

Для аналогової апаратури на функціональному рівні переходять до моделей і методів макромоделювання. Вони носять інформаційний характер, що виражається в наступному:

а) як елементи розглядаються частини електричних схем, ІМС, функціональні вузли;

б) використовуються змінні одного типу ( напруги U або струми I ), які називаються сигналами;

в) поширення сигналу одностороннє від входу до виходу;

г) не враховується вплив навантаження на функціонування елементів.

Однак процеси розглядаються в безперервному часі зі збереженням безперервності змінних. Як правило, використовують математичний апарат ЗДР, чисельні методи, теорію САР, перетворення Лапласа, спектральний аналіз.

Проектування цифрових систем (КС, ПК, МП і т.д.) на функціональному рівні засновано на застосуванні дискретних математичних моделей, в яких виконана дискретизація змінних. При створенні дискретних математичних моделей застосовуються ті ж допущення, що і для аналогових математичних моделей (інформаційний підхід). Об'єкт, що моделюється, представляється сукупністю взаємозалежних логічних елементів, стан яких характеризує змінні, які приймають дискретні значення 0,1, 0,Х,1- тризначна логіка , 0,1,Х,h,e-п'ятизначна логіка і т.д.

Безперервний час t заміняється дискретною послідовністю моментів часу t_к, при цьому Д t = t_к+1 - t_к - тривалість такту.

Моделі на функціональному рівні описуються або відповідними алгоритмами (моделі суматорів, АЛП, регістрів і т.д.), або булевими рівняннями, або таблицями істинності для вентилів. При цьому може враховуватися затримка вихідного сигналу.

Більшою математичною моделлю об'єкта є скінченний автомат СА (керуючий пристрій). Функціонування СА описується системою логічних рівнянь:

Z _к+1 = f₁ (Z _к , X _к),

Y _к = f₂ (Z _к , X _к),

де Z _к+1 , Z _к - вектори внутрішніх змінних об'єкта в моменти часу t_к+Дt та t_к відповідно;

X _к,Y _к - вектори вхідних і вихідних змінних в момент часу t_к..

Математичним апаратом, що використовується для аналізу цифрових пристроїв на функціональному рівні, є булева алгебра і теорія скінченних автоматів.

Системний рівень. Моделі компонентів для системного проектування вважаються ідеальними щодо виконання своїх функцій, тому що на системному (структурному) рівні найчастіше вивчаються лише характеристики структури (точність, надійність, продуктивність і т.д.), обумовлені тим або іншому способом з'єднання компонентів і їх складом, а не похибками в їх роботі.

На цьому рівні проектування ПК і цифрових систем (ЦС) переважно поширені моделі систем масового обслуговування (СМО). Для таких моделей характерно те, що в них відображаються об'єкти двох типів - заявки на обслуговування й обслуговуючі апарати (ОА).

При проектуванні ЦС заявками є задачі, а ОА - функціональні блоки системи (процесори, модулі пам'яті, комутатори та інші). Заявка може знаходиться в стані «обслуговування» або «очікування», а ОА в стані «вільний» або «зайнятий». Стан СМО характеризується станом її ОА і заявок. Зміна станів називається подією.

Моделі СМО використовуються для дослідження процесів, що відбуваються в цій системі при подачі на вхід потоку заявок. За результатами дослідження визначаються найбільш важливі вихідні параметри ВР: продуктивність, імовірність і середній час рішення задач, коефіцієнт завантаження устаткування і т.д.

Математична модель, яка відображує поведінку об'єкта в часі в термінах СМО при заданих зовнішніх впливах, називається імітаційною.

Конструкторсько-технологічний (технічний) рівень. На цьому рівні виконуються задачі компоновки і розміщення елементів і вузлів та їх друкованих чи провідникових з'єднань для конструктивних модулів всіх рівнів (елемент, блок, плата, шафа і т.д.). Тому тут використовується теорія графів та графові моделі.

Крім цих задач вирішуються задачі тепловідводу, електричної та механічної стійкості, захисту від зовнішніх впливів і т.п.

На цьому рівні випускають технічну документацію, потрібну для виготовлення і експлуатації системи і її складових частин.

На основі конструкторської документації виконується технологічна підготовка виробництва, яка забезпечує розробку технологічних процесів виготовлення окремих блоків і всієї системи в цілому.

3. АВТОМАТИЗАЦІЯ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТУВАННЯ

3.1 Постановка задачі

Основна задача системного проектування це перехід від технічного завдання (ТЗ) до формального опису системи, що проектується. ТЗ, зазвичай, є сумішшю мовного та технічного опису, його формалізація приводить до виявлення основних блоків системи та їх зв'язків і взаємодії. Формально це перший етап декомпозиції - розбиття задачі на окремі підзадачі. Він самий складний, важко формалізуємий рівень проектування, багато в чому залежний від досвіду, знань і інтуїції розробника. Тут в пригоді можуть стати такі математичні методи, як системний аналіз, теорія операцій.

Далі визначаються основні характеристики майбутньої системи (продуктивність, точність, надійність і т.д.), вибирається елементна база для її побудови, приймаються рішення про розподіл функцій між програмною й апаратною або між аналоговою і цифровою частинами системи. Елементна база, до речі, є визначальною для вибору відповідної САПР і подальшої технології проектування системи.

Проектування структури системи починається з синтезу її початкового варіанта. Цей синтез виконується кваліфікованими розроблювачами на основі наявних у них досвіду розробки аналогічних структур або автоматично за допомогою відповідних САПР. На цьому етапі об'єкт проектування представляється у вигляді структурної схеми, тобто сукупності взаємно зв'язаних досить великих завершених блоків. Для КС такими блоками можуть бути процесори, модулі пам'яті, комутатори, пристрої вводу/виводу і т.д.

При цьому іноді фізичні канали зв'язку між блоками розглядаються як окремі блоки з відповідними параметрами, а графічні зв'язки між блоками в структурній схемі вважаються ідеальними каналами зв'язку.

Даними при проектуванні структурної схеми звичайно є:

- тип, параметри і характеристики окремих блоків структури, наприклад, надійність, точність, пропускна здатність, час спрацьовування і т.п.;

- вимоги до вихідних параметрів і характеристик усієї структурної схеми -- продуктивності, вартості, надійності, точності і т.д.

Мета проектування структурної схеми полягає в тому, щоб, варіюючи типами, параметрами і зв'язками блоків, знайти таку структуру, що мала би задані вихідні параметри і характеристики. Обмеженнями при проектуванні структури можуть бути номенклатура блоків, їхні гранично припустимі характеристики, число зв'язків та ін.

Наприклад, при розробці структурної схеми інформаційно-обчислювальної системи виходять з аналізу розв'язуваних системою задач, пропускної здатності каналів зв'язку, швидкості роботи зовнішніх пристроїв, оперативної пам'яті, арифметичного пристрою і т.д. При цьому запропонована структура повинна задовольняти деяким поставленим вимогам по продуктивності, вартості, надійності і т.п.

Синтезована структурна схема повинна бути проаналізована. Малий час, що відводиться на проектування систем, велика складність і вартість не дозволяють робити аналіз на макетах системи, тому аналіз структурних схем виконується або аналітичними методами, або методами імітаційного моделювання на ПК.

3.2 Способи структурного моделювання

Аналітичне моделювання. При аналізі системи робота кожного блоку може бути описана у вигляді аналітичного виразу, що відповідає розв'язуваній задачі. Наприклад, при визначенні імовірності безвідмовної роботи системи кожний із блоків характеризується власною імовірністю безвідмовної роботи. Взагалі аналітичне рішення задачі може бути отримане за умови, що функції, що описують поведінку окремих блоків, добре відомі, не мають точок розривів, а відхилення параметрів блоків невеликі.

Методика аналітичного способу моделювання полягає в складанні математичного опису системи з погляду розглянутих характеристик, обчислення цих характеристик при значеннях параметрів, що відповідають обраній структурі, і оцінці отриманих значень. Так, імовірність відмови за якийсь час t системи, що складається з паралельно і послідовно з'єднаних блоків, для кожного з яких задані щільності розподілу імовірності відмови f(t), може бути обчислена з урахуванням наступних співвідношень.

При заданій щільності розподілу f{t) імовірність відмови блоку за час t визначається виразом . Для паралельно з'єднаних блоків (дублюючих один одного), що має імовірності відмов Q₁(t) і Q₂(t), сумарна імовірність відмов визначається як Qnap(t)=Q₁(t)Q₂(t); для послідовно з'єднаних (не дублюючих) блоків - як Qnocл(t)=Q₁(t)+Q₂(t) - Q₁(t)Q₂(t).

З урахуванням цих співвідношень для системи може бути знайдений загальний вираз для обчислення відмов за час t, по якому і визначається імовірність відмов за конкретно заданий час.

Використання аналітичних моделей дозволяє витратити значно менше праці на одержання рішення, ніж при використанні імітаційного моделювання. Однак випадковий характер явищ, що відбуваються в елементах системи (шуми, відмови, час опрацювання), і зовнішніх впливів, складність системи в цілому і нелінійності елементів затрудняють складання аналітичних моделей. Аналітичні методи застосовуються для простих систем і елементів, однак навіть у цих випадках розраховуються лише лінійні стаціонарні і нелінійні безінерційні системи. Як правило, застосування аналітичних моделей вимагає прийняття деяких спрощуючих припущень. Крім того, при використанні аналітичних моделей зміни, внесені в систему, приводять до істотної переробки аналітичних виразів, що їх описують.

Імітаційне моделювання. На даний час найбільш часто при аналізі структурних схем використовуються методи імітаційного моделювання. Це викликано тим, що на відміну від аналітичної імітаційна модель, будучи алгоритмічною за способом представлення, може бути створена практично для будь-якої системи, а внесення змін в імітаційну модель істотно простіше, ніж в аналітичну.

Для імітаційного моделювання розробляється відповідна модель імітуючої системи. Модель будується так, щоб відобразити досліджувані характеристики системи (надійність, точність, продуктивність). Побудова моделі системи здійснюється на основі її опису. Опис системи представляється у виді схем, текстів, формул, таблиць експериментальних даних, що характеризують пропоновану структуру і функціонування системи, і містить також характеристики зовнішніх впливів і навколишнього середовища.

3.3 Типові задачі структурного моделювання

Звичайно при структурному проектуванні мають справу з двома типами задач. У цих задачах або визначається якість функціонування системи (надійність, точність), або система розглядається з позицій теорії масового обслуговування і при моделюванні визначається наявність черг запитів до пристроїв, простої пристроїв, коефіцієнт використання пристроїв, пропускна здатність.

Методи імітаційного моделювання використовуються при рішенні задач обох типів. Розходження в рішенні задач полягають у способах моделювання роботи окремих пристроїв. У задачах першого типу передбачається досить точний аналітичний (або алгоритмічний) опис роботи кожного з блоків системи з погляду поставленої задачі. У задачах другого типу кожний із блоків системи описується статистичними характеристиками, що визначають час його роботи (математичне очікування часу обробки, дисперсія і т.п.).

Робота системи для задач першого і другого типів аналізується шляхом багаторазового розрахунку реакцій системи на випадкові зовнішні впливи або випадкові варіації параметрів її пристроїв. Статистична обробка результатів, отриманих при моделюванні, дає оцінки характеристик моделюючої системи, на основі яких виконується корекція схеми і моделі. Схематично послідовність операцій структурного проектування представлена на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 - Загальна схема процесу структурного проектування

Розглянемо більш детально два приклади таких задач.

Дослідження надійності системи. Надійність системи залежить від надійності окремих блоків і від структури системи.

Нехай є структурна схема системи (рис. 3.2). Робота кожного блоку описується оператором, що формує на виході блоку випадковий процес:

Характеристики _i(t) кожного блоку знаходяться експериментально або за результатами розрахунку.

При визначенні працездатності всієї системи в цілому визначається працездатність кожного з її блоків і потім за структурною схемою прораховується надійність системи. При цьому послідовне з'єднання блоків i,j відповідає логічному множенню (кон'юнкції) , а паралельне -- логічному додаванню (диз'юнкції) .

Рисунок 3.2 - Структурна схема системи для визначення надійності

Для схеми на рис. 3.2 вираз для обчислення стану системи має такий вигляд:

Тут одиничне значення v(t) відповідає справності системи.

Програма реалізації моделі зводиться до цифрової імітації процесів _i(t), обчисленню v(t) у кожен момент t за вищенаведеною формулою і статистичній обробці значень v(t) на заданому інтервалі часу Т. У результаті багаторазового повторення експерименту, що імітує роботу системи протягом заданого часу T, одержують інформацію про поведінку системи у виді значень «справна -- несправна» для кожного моменту моделювання. Далі за цими результатами визначають статистичні характеристики системи, такі як середній час наробітку на відмовлення, імовірність справного стану протягом деякого часу Т і т. п.

Моделювання продуктивності системи. Нехай система складається з трьох пристроїв, що мають часи обслуговування t₀₁,t₀₂,t₀₃..На систему надходить потік заявок, інтервал t між якими випадковий і підкоряється статистичному законові (t). Нехай спосіб обслуговування заявок, названий дисципліною обслуговування, полягає в тому, що заявка надходить послідовно до кожного із трьох пристроїв і обслуговується будь-яким першим вільним з них, якщо ж вільних пристроїв немає, заявка пропадає. Необхідно знайти імовірність P обслуговування заявок за час Т.

Процес імітаційного моделювання пояснюється на рис. 3.3.

Рисунок. 3.3 - Приклад обслуговування заявок

Момент появи заявок t_i імітується шляхом моделювання інтервалів t_i в момент t_i, друга -- у момент , де -- випадкова величина, третя -- у момент і т.д. Відповідно до рис. 5.3 заявки 5 і 8 пропадуть.

Моделюючи процес обслуговування заявок на інтервалі Т, повторюючи п раз моделювання і розраховуючи в кожному експерименті оцінку імовірності P_i обслуговування заявок як відношення виконаних заявок до загального числа заявок, можна знайти, шукану величину . Змінюючи дисципліну обслуговування, наприклад, ставлячи заявки в чергу, можна підвищити імовірність Р.

Як пристрої можуть виступати окремі обчислювальні машини або процесори обчислювальної системи, накопичувачі на магнітних дисках (НМД), що обслуговують запити від процесора, комутатори телефонних станцій, що відповідають на запити абонентів, оператори РЛС і т.п.

3.4 Організація структурного моделювання

Задачі структурного моделювання, що полягають у визначенні таких характеристик, як точність, надійність, чутливість, смуга пропускання системи і т.п., тобто задачі визначення технічних характеристик РЕА звичайно вирішуються з використанням універсальних процедурно-орієнтованих алгоритмічних мов типу Фортран, Паскаль, Сі.

Задачі моделювання структур з метою визначення пропускної здатності і продуктивності систем, простоїв і зайнятості пристроїв, тобто задачі, які розв'язуються з позицій систем масового обслуговування, досить специфічні. Так, у них необхідно враховувати час моделювання, моделювати зовнішнє середовище шляхом генерації потоку запитів, моделювати реакції пристроїв, що працюють паралельно в системі, створювати черги до пристроїв, займати і звільняти пристрої, враховувати статистичні дані про роботу системи і т.д. Реалізація перерахованих операцій з використанням універсальних алгоритмічних мов скрутна. Тому для задач імітаційного моделювання розроблені спеціальні проблемні мови. До них відносяться Сімула, Сімскрипт, GPSS, SMPL і інші.

Ці спеціалізовані мови призначені тільки для моделювання. Фактично за цими назвами стоять системи моделювання з власними мовами опису задач. Так, у них маються вбудовані лічильники модельного часу, вбудовані генератори випадкових сигналів і впливів програми збору й обробки статистичних даних і т.д. Це складні програмні комплекси, що звичайно перевершують по складності системи програмування, що використовують універсальні алгоритмічні мови Фортран, Сі та ін..

Принципи організації моделювання. При моделюванні структур систем з метою з'ясування динаміки їхні роботи використовуються поняття: процес, активність, подія.

Під процесом розуміють опис алгоритму роботи деякої частини системи в термінах роботи її блоків. У свою чергу робота кожного блоку задається активністю. Блок активний, якщо до нього був запит і він знаходиться в стані обробки запиту. Основною характеристикою активності є час. При моделюванні роботи блоку цей час задається або може бути визначено. Активність (тобто виконання яких-небудь операцій) ініціюється в результаті здійснення подій. Це зміна стану якого-небудь об'єкта системи або запит ззовні системи. Закінчення роботи якого-небудь блока - закінчення активності -- є подією, що може збудити інші активності. Процес є логічно зв'язаним набором активностей. Виділення понять активності і процесу визначається рівнем розгляду системи. Так, при розгляді на більш високому рівні процес може розглядатися як активність, а при розгляді з більшим ступенем деталізації активність може розглядатися як процес і складатися з набору інших активностей. Процеси, активності і події є основними елементами, за допомогою яких можна описати динамічну поведінку системи.

Структурне моделювання динаміки поведінки системи зводиться до наступних основних дій.

1. Моделювання часу надходження зовнішніх запитів. Момент їхньої появи визначається відповідно до відомих статистичних характеристик зовнішніх процесів.

Наприклад, запити від процесора до дискової пам'яті мають звичайно експоненціальний розподіл з середнім часом, обумовленим характером розв'язуваних задач і продуктивністю процесора.

2. Моделювання дій, що відповідають подіям, які відбуваються в системі (визначення реакції на зовнішні запити і на закінчення активностей). До цих дій відносяться звільнення і заняття окремих блоків системи, визначення виконання умов, необхідних для ініціації наступних активностей, ініціації активностей та ін.

3. Моделювання інтервалів часу активних станів блоків системи. Час активного стану блоку обчислюється на імовірнісної або детермінованої основи в залежності від принципів роботи блоку.

4. Спостереження за поведінкою системи і збір статистичних даних протягом заданого інтервалу часу моделювання. Визначається час простою блоків, наявність і розміри черг до них, відсоток зайнятості в часі і т.п.

Важливим моментом у програмах моделювання є спосіб спостереження за часом і його облік. У ранніх програмах час поступово збільшувався на деяку досить малу величину t, при цьому щораз аналізувався стан моделюючої системи. В сучасних програмах використовується подійний принцип, що полягає в тому, що стан моделюючої системи аналізується в моменти виникнення подій у моделі. Технічно це реалізується з застосуванням списку майбутніх подій.

У цей список у процесі моделювання упорядковано (у порядку збільшення часу) записується кожна подія, що повинна відбутися в системі, і момент часу, коли воно відбудеться. Час же появи подій визначається тривалістю виконання активностей або за допомогою моделювання зовнішніх запитів. У тому чи в іншому випадку воно або відомо, або обчислюється на підставі характеристик процесів. Поточна подія, оброблювана системою, зчитується з вершини списку. Ця подія ініціює які-небудь активності. Для цих активностей обчислюються моменти завершення, що і заносяться в список майбутніх подій. Потім зчитується наступна подія зі списку, виконуються необхідні дії і т.д. У моменти зчитування подій відбувається зміна показань лічильника модельного часу, що завжди показує час настання останньої обробленої події.

4. АВТОМАТИЗАЦІЯ ФУНКЦІОНАЛЬНО-ЛОГІЧНОГО ПРОЕКТУВАННЯ

4.1 Постановка задачі

Як уже відзначалось раніше центр тяжіння автоматизованого проектування в даний час переміщується зі схемотехнічного у функціональне і системне проектування. Більшість РЕА збирається з готових функціональних блоків. Так, в області виробництва комп'ютерів одержало широке поширення так зване “викруткове” виробництво, коли комп'ютери збираються з готових частин, що випускаються різними фірмами.

У таких випадках функціональне моделювання (ФМ) може виявитися чи ледве не єдиним способом верифікації (перевірки правильності) проекту ще до зборки системи з окремих частин. ФМ є так само необхідним етапом при розробці КС або цифрових пристроїв на ПЛІС.

Використання ПЛІС - це кардинальний шлях для реалізації систем в цілому на ІС високого рівня інтеграції. Одним із останніх досягнень в цій сфері є системи на кристалі SOC (Systems On Chip), які інтегрують процесорний модуль, пам'ять і реконфігуруєму вентильну матрицю для реалізації потрібних специфічних апаратних засобів.

До складу КС можуть входити і аналогові компоненти. Так, в САК, САУ, АСУТП, які також можна віднести до КС, комп'ютером є тільки керуючий пристрій, а всі інші блоки , як правило, аналогові.

Для проектування цих систем використовуються різні САПР.

Як раніше уже відзначалося, функціональне моделювання аналогової і цифрової апаратури істотно різниться.

4.2 Функціональне моделювання аналогової РЕА

Суть функціонального моделювання аналогових РЕА складається в розбитті РЕА на окремі функціональні блоки (елементи 1...5 на рис. 4.1), кожний з яких виконує те або інше функціональне перетворення сигналу (підсилення, обмеження, інтегрування і т.д.), і розрахунку форми сигналу і його основних параметрів у кожній точці отриманої функціональної схеми.

Рисунок 4.1 - Представлення пристрою для функціонального моделювання

Сигнали - це змінні одного типу ( напруги U або струми I). Під формою сигналу розуміється або залежність сигналу від часу Х(t) при моделюванні в часовій області, або еквівалентне представлення сигналу у вигляді зображення по Лапласу Х(р) або залежності від комплексної частоти j при моделюванні в частотній області.

Основною вимогою при ФМ є висока швидкість моделювання, необхідна для того, щоб за короткий час можна було досліджувати велике число різних варіантів функціональних схем. Оскільки етап проектування функціональної схеми відноситься до початкових етапів загального процесу проектування, то високої точності від ФМ не потрібно.

Моделі функціональних блоків одержують або у виді макромоделей або інформаційних моделей.

Основними допущеннями, характерними для ФМ, є розв'язка (незалежність) окремих блоків функціональної схеми (Rвх=, Rвих=0), і односпрямованість поширення сигналів у блоках.

Помітимо, що при складанні функціональних схем не можна допускати об'єднання (замикання) виходів різних елементів, наприклад елементів 3 і 4 на рис. 4.1, оскільки це приводить до невизначеності вихідного сигналу.

Математичні методи, які застосовуються при ФМ аналогової апаратури: теорія електричних кіл, чисельні методи рішення ЗДР, теорія САР і САУ, перетворення Лапласа, спектральний аналіз. В разі використання перетворення Лапласа виникає суттєве обмеження: в моделях не повинно бути нелінійних інерційних елементів.

Для функціонального моделювання САР і САУ, АСУТП використовують різні системи SCADA (Sypervisory Control and Data Acquisition). Але якщо моделі в операторній формі V_вих (р) = h(р) V_вх(р) представити в вигляді еквівалентних електричних схем, то функціональне моделювання таких систем можливо виконувати за допомогою систем схемотехнічного моделювання без будь-яких обмежень (див. п.3.5.3).

4.3 Функціональне моделювання цифрових пристроїв

4.3.1 Постановка задачі

Як уже відзначалося, функціональне моделювання цифрових схем істотно відрізняється від аналогових, хоча тут і використовуються інформаційні моделі, але методи моделювання інші.

По ступеню деталізації (подробиці, точності) розрізняють функціональне моделювання на рівні системи команд, реєстрових передач, логічному (вентильному).

Рівень команд характеризується представленням пристрою у виді програмно - доступних функціональних вузлів: оперативної і кеш - пам'яті, АЛП, регістра команд, РЗП і т.д. Моделі цього рівня описують процеси виконання різних команд та фрагментів програм і використовуються для перевірки відповідності функціональної схеми (ФС) заданим принципам функціонування ПК і системі команд.

Рівень реєстрових передач - на ньому елементами моделей пристроїв є моделі регістрів і схем міжрегістрових передач. Перевіряється правильність реалізації заданих алгоритмів функціонування, часових діаграм без конкретизації схемної реалізації.

Як правило, рівні команд і реєстрових передач об'єднуються .

Логічний рівень характеризується використанням повних моделей, що складаються з моделей окремих логічних елементів (тригерів, елементів І-НІ, АБО-НІ і т.д.). Ці моделі можуть відображати виконання логічних функцій з урахуванням часових затримок.

Задачі функціонального моделювання: верифікація функціональних і принципових схем дискретних пристроїв, розробка й аналіз контролюючих і діагностуючих тестів.

4.3.2 Моделювання на рівні регістрових передач

При моделюванні цифрових систем ЦС на рівні регістрових передач КС описується в вигляді модулів (блоків), які зберігають та трансформують (опрацьовують) дані. Їх можна умовно розділити на блоки, що відносяться до тракту передачі і опрацювання даних (опе-раційний пристрій або інформаційний тракт), і пристрій керування (рис.4.2).

До операційного пристрою відносяться регістри для зберігання даних і блоки, що перетворюють дані (суматори, перемножувачі, компаратори, лічильники, АЛП і т. д.). До операційного пристрою можна віднести і оперативну пам'ять.

Рисунок 4.2 - Структура пристрою, що моделюється

Пристрій керування забезпечує потрібну послідовність елементарних операцій (читання, запис і перезапис інформації, зсув інформації і т.п.). Такі операції прийнято називати мікроопераціями, або мікрокомандами. Звичайно в ЦС кожній мікрооперації відповідає власний ініціюючий сигнал.

Моделі компонентів ЦС представляються функціями, що ними виконуються, без розкриття внутрішньої структури, часу спрацьовування, затримок і т.п. Струми, напруги, пороги спрацьовування пристроїв, навантажувальні здібності не враховуються при моделюванні на регістровому рівні. Наприклад, моделлю тригера є елементарний пристрій, що зберігає один біт інформації, моделлю п - розрядного регістру - пристрій, що зберігає п біт інформації. Типи тригерів, що складають регістр, і спосіб побудови регістра не приймаються до уваги.

Модель пристрою керування (керуючого автомата), зазвичай будується на основі оператора вибору GASE, використовуючи в якості ключа вибору варіанта змінну стану автомата в поточний момент часу. В середині кожного варіанта визначаються вихідні сигнали, які формуються в відповідності до вхідних, і перехід до наступного стану автомата.

Сигнали моделюються рядками, що складаються з нулів і одиниць. Ці рядки відповідають станові регістрів, лічильників, шин передачі інформації.

Робота ЦС проходить по тактах. У кожнім такті роботи пристрій керування формує сигнали, що ініціюють виконання деяких дій в операційному пристрої. Як правило, ЦС працює по програмі, що зберігається в пам'яті, і виконувані в кожен конкретний момент часу дії визначаються поточною командою програми. Реалізація кожної команди програми здійснюється за декілька синхротактів, протягом яких виконується необхідна сукупність мікрооперацій. У кожної ПК набір мікрооперацій точно визначений, кількість їх у реальних ПК складає від декількох десятків до декількох сотень.

Викладені принципи роботи ЦС реалізуються в програмах моделювання на реєстровому рівні. Робота моделюючої програми протікає по синхротактах, усередині кожного з яких виконується одна або кілька мікрооперацій.

Таким чином, моделювання ЦС на рівні реєстрових передач полягає в покомандній імітації виконання машинної програми, записаної в пам'яті цієї ЦС, і аналізі перетворень інформації, представленої у двійковій формі, що циркулює між функціональними пристроями. Машинна програма, що моделюються, записана на рівні машинних команд, відіграє роль вхідних даних для моделюючої програми. Керування роботою моделюючої програми здійснюється за допомогою директив.

4.3.3 Логічне моделювання

При логічному моделюванні можуть вирішуватися досить різноманітні задачі: перевірка логіки роботи схем, аналіз перехідних процесів, визначення надійності роботи схем у залежності від розкиду параметрів комплектуючих елементів, генерація тестів і т.п. У залежності від поставленої задачі вибирається метод моделювання. Основними відмітними рисами методів є: спосіб обліку часу поширення сигналу в схемі, спосіб кодування сигналів, спосіб реалізації програми, черговість моделювання елементів (рис. 4.3).

Рисунок 4.3 - Класифікація методів логічного моделювання

У залежності від способу обліку часу поширення сигналу методи поділяються на синхронний (без урахування затримок в елементах схеми) і асинхронний (з урахуванням затримок); у залежності від способу представлення сигналів -- на двійковий і багатозначний (трійковий, п'ятизначний і т.д.), по способі організації роботи програми моделювання -- на метод компіляції і метод інтерпретації; по організації черговості моделювання наскрізний і подійний (рис. 4.15).

Синхронне логічне моделювання. При синхронному моделюванні моделі елементів представляються їхніми логічними функціями без урахування затримок сигналів, а сигнали -- значеннями 0 і 1. Синхронне моделювання застосовується для оцінки правильності логічного функціонування дискретних пристроїв без урахування перехідних процесів. Моделювання роботи схеми зводиться до обчислення значень сигналів на виходах логічних елементів схеми по заданих вхідних сигналах. Моделювання проводиться для кожної зміни сигналів на входах. Звичайно ці зміни зв'язані із синхросигналами, тому і значення сигналів на виходах елементів обчислюються для кожного синхросигнала. Передбачається, що в проміжку між синхросигналами вхідні сигнали не міняються, а перехідний процес у схемі завершується протягом якогось t, меншого періоду повторення тактуючих сигналів.

Найбільш зручне використання синхронного моделювання для аналізу роботи комбінаційних схем у сталому режимі. У цьому випадку результат моделювання точно відповідає реальній схемі.

Кожний з елементів схеми описується логічним рівнянням Y=f(x₁, x₂ ..., x_п), де Y -- вихідний, х₁, x₂, ... x₃ -- вхідні сигнали елемента. У результаті вся схема описується системою таких рівнянь. Синхронне моделювання зводиться до їхнього рішення послідовно одне за іншим. Під рішенням логічного рівняння розуміється обчислення логічного значення Y по відомих логічних значеннях х₁, х₂, ..., x_n.

Особливістю синхронного моделювання є рішення логічних рівнянь у визначеному порядку, що відповідає послідовності проходження сигналів через елементи схеми. Для визначення цього порядку схему попередньо потрібно ранжувати, щоб до моменту рішення кожного рівняння Y=f(x₁, x₂ ..., x_п) значення всіх x₁, .... x_n були відомі. При ранжуванні приймається, що вхідні сигнали схеми до моменту початку її моделювання відомі і їм привласнюється ранг r=0.

Для виконання ранжування схем розроблені відповідні формальні алгоритми, задача звичайно вирішується автоматично в самій системі моделювання.

Трохи складніше моделюються логічні схеми зі зворотними зв'язками (рис. 4.4). Для розгляду принципів моделювання таких схем зручно в коло зворотного зв'язку ввести елемент затримки (у схемі на рис. 4.4 -- елемент D). У реальних схемах затримка D як фізичний елемент відсутній, а затримка відбувається через кінцевий час спрацьовування комбінаційних схем.

Рисунок - 4.4 Логічна схема зі зворотними зв'язками

При моделюванні логічних схем зі зворотними зв'язками схема ранжується і моделюється як звичайна комбінаційна схема в припущенні, що в місці включення елемента затримки коло зворотного зв'язку тимчасово розмикається і колам зворотного зв'язку, підключеним до входів елементів, привласнюється ранг 0, такий же як і вхідним колам. При цьому вважається, що по колам зворотного зв'язку на входи елементів подаються сигнали, що відповідають раніше заданим станам 0 або 1. Схема моделюється і нові обчислені значення сигналів зворотного зв'язку подаються на входи елементів через деякий час t, рівний часу затримки кола зворотного зв'язку.

...