Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБОБЩЁННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1. Стадии жизненного цикла микропроцессорных устройств

Любая сложная техническая система, в том числе и микропроцессорная, существует во времени и пространстве. Жизненный цикл описывает существование системы во времени, а пространство определяет взаимодействие системы с внешней средой в процессе функционирования технической системы.

Под жизненным циклом микропроцессорного устройства будем понимать последовательность процесса его разработки, производства и эксплуатации. Жизненный цикл включает всё время от возникновения идеи создания устройства (системы) до снятия его с эксплуатации. Основные этапы жизненного цикла микропроцессорного устройства (МУ) приведены на рис.

На первой стадии внешнего проектирования (1-ый этап на рис.) ставится цель проектирования, уточняется круг решаемых задач МУ, исследуются свойства внешней среды, определяются характеристики её воздействия на МУ и др. ТЗ на разработку проекта содержит основные требования к МУ и взаимодействию его с внешней средой. ТЗ появляется в результате выполнения внешнего проектирования.

Этапы 2...4 осуществляют внутреннее проектирование. При этом определяется внутренняя структура МУ, технические решения её подсистем и узлов, их конструкция, параметры, режимы эксплуатации и другое. Цель внутреннего проектирования состоит в разработке всей необходимой проектно-конструкторской документации, составляющий рабочий проект системы, который удовлетворяет требованиям ТЗ, т.е. требованиям внешнего проектирования.

Научно-исследовательские работы (НИР) выполняют на этапах ..4, а опытно-конструкторские (ОКР) - на этапах 2...5.

 Рисунок 1 -- Стадии жизненного цикла микропроцессорного устройства

Этап 1- Формирование требований к СМУ. Разработка технического задания (ТЗ) к проекту;

Этап 2 - Предварительное проектирование СМУ;

Этап 3 - Эскизное проектирование СМУ;

Этап 4 - Рабочее (техническое) проектирование СМУ;

Этап 5 - Изготовление. Испытание. Доведение экспериментальных образцов СМУ;

Этап 6 - Серийное изготовление СМУ.

Этап 7 - Эксплуатация. Целевое использование СМУ.

Т1-Т7 - Время, отведённое на реализацию каждого из семи этапов

Внутреннее проектирование связывает научные исследования с практической реализацией и является процессом разработки описания, достаточного для создания ещё не существующего МУ. Здесь осуществляется преобразование ТЗ, оптимизация заданных характеристик МУ и алгоритмов его функционирования, устранение некорректности ТЗ, последовательное детальное представление МУ на различных уровнях для различных стадий проектирования.

Процесс проектирования можно рассматривать с различных точек зрения. Согласно теории информации проектирование представляет процесс преобразования входной информации о МУ, состоянии знаний в рассматриваемой области, опыте проектирования МУ в выходную информацию в виде документации необходимого содержания для производства.

С точки зрения теории принятия решений проектирование процесс принятия проектно - кострукторских решений, результатом которого является получение описания МУ заданной степени детализации, удовлетворяющего ТЗ.

Согласно всему изложенному жизненный цикл можно представить следующей последовательностью действий (рис.2.).

1 - Предварительное проектирование СМУ.

2 - Эскизное проектирование СМУ.

3 - Рабочее проектирование СМУ.

Рисунок 2 -- Схема проектирования

2. Направление и принципы проектирования специализированных микропроцессорных устройств

Узкая ориентация специализированных микропроцессорных устройств (СМУ) позволяет обеспечить их высокую производительность при сравнительно простой архитектуре и ограниченных возможностях элементной базы за счёт наиболее полного соответствия структуры СМУ реализуемому алгоритму. Одни и те же функции могут быть реализованы с помощью разных модулей, объединённых в систему.

Проектирование специализированных микропроцессорных устройств может осуществляться по двум направлениям.

Первое направление основано на использовании МПУ общего назначения как специализированного при условии, что в него заложена требуемая программа. Тогда задача проектирования специализированного МПУ сводится к задаче разработки и загрузки в память соответствующей программы. Это направление перспективно при использовании многофункциональных БИС МП, ОЗУ и специализированных БИС интерфейса, ПЗУ и др.

Второе направление проектирования связано с созданием структуры, требующей разработки отдельных функциональных узлов на уровне процессора, памяти, устройств ввода-вывода, интерфейса и прочего, и возможно с применением схем средней интеграции (СИС).

Особенности первого направления проектирования заключаются в следующем.

1. Разработчик использует готовые модули вычислительной техники для построения устройств.

2.Функциональная ориентация устройств требует затрат либо для программирования (особенно в областях новых применений, где ещё не разработаны прикладные алгоритмы), либо для аппаратной реализации программных средств путём разработки новых БИС.

3.Реализация необходимых функций выполняется, как правило, аппаратно-программными средствами. Поэтому оптимальные по своим параметрам МПУ могут быть только в том случае, если в процессе проектирования аппаратные и программные средства разрабатываются одновременно.

При решении задач на конкретной ЭВМ пользователь имеет в своём распоряжении готовое аппаратное средство и для этой «среды» составляет программу решения своей задачи. В случае проектирования специализированных МПУ необходимо «переставлять» (агрегатировать) ещё и аппаратные модули на основе соблюдения принципов магистральности и регулярности структуры.

Особенностями второго направления проектирования заключаются в том, что разработчик создаёт структуру с использованием более мелких «кирпичиков» схем средней и малой интеграции (СИС и МИС).

С учётом этих положений рассматривается методика проектирования специализированных МПУ.

3. Методология проектирования микропроцессорных устройств

магистральность микропроцессорный конструкторский

Известно, что понятие методология представляет систему методов применяемых для обоснования результатов. В проектировании МУ методология проектирования может рассматриваться как совокупность средств, применяемых для последовательной разработки МУ. Предварительное (системное) проектирование МУ заканчивается синтезом общей структуры его без детализации. При этом возникает вопрос, где взять описания множества возможных вариантов МУ? Как сформулировать цели, ради которых создаётся МУ, и условия его функционирования ? Как среди всех возможных вариантов МУ найти наиболее соответствующий поставленным целям?

Есть только один путь использование научных методов: моделирования, анализа, принятия решений и т.д.

Проектирование МУ тесно связано с распределением решаемых задач по архитектурным уровням проектируемого МУ в целом и решениями на каждом уровне отдельно. Под архитектурой здесь будем понимать структуру и внутренний язык взаимодействия элементов структуры МУ. В зависимости от основных неделимых элементов, применяемых проектировщиками, условно можно выделить следующие архитектурные уровни:

У₁ проблемной области (используются элементы проблемно-ориентированного языка проектировщика);

У₂ операционных систем (используются элементы языка описания взаимодействия программ при обработке файлов данных);

У₃ языков программирования (применяются элементы языка описания алгоритмов);

У₄ команд вычислительной структуры (применяется система команд конкретного МУ, в частности микроЭВМ) исторически это первый и основной уровень разработки программ;

У₅ микропрограммный (используется набор микроопераций над ресурсами , реализуемыми аппаратурно);

У₆ функциональных элементов (применяются аппаратурные модули, выполняющие конкретные функции обработки данных);

У₇ вентилей (используются элементы булевой алгебры);

У₈ переключательных элементов (используются схемотехнические элементы: транзисторы, диоды, резисторы и т.д.);

У₉ масок (используются элементы топологии, реализующие схемотехнические элементы в кристалле БИС).

Каждый уровень имеет свои особенности и соответственно методику проектирования. Принято считать, что уровни У₁ У₄ принадлежат программному обеспечению (software), а уровни У₆ У₉ аппаратурной реализации (hard-ware). Микропрограммный уровень (firmware), находящийся между ними, представляет много интересных возможностей проектирования. Используя представленную схему уровней, можно определить следующие тенденции в проектировании: вертикальное и горизонтальное перераспределение решаемых задач. Под вертикальным перераспределением понимается реализация функций одного уровня в другом. Под горизонтальным передвижением понимается разделение функций на том же уровне. Названные перераспределения применяются для повышения производительности проектируемого МУ в целом, особенно, когда ресурсы определённых уровней исчерпываются, например, на уровне У₇ времена переключения вентилей приближаются к предельным, на уровнях У₃,У₄ применены наиболее быстродействующие алгоритмы. Вертикальное перераспределение в сторону более низких уровней даёт возможность лучше использовать возможности элементов этих уровней.

Особенно хорошо для перераспределения функций подходит уровень микропрограммирования У₅, так как он является сравнительно регулярным для воспроизведения функций из более высоких уровней, а также имеется разнообразие архитектурных решений для горизонтального передвижения. Это подтверждает большое число работ по реализации средствами firmware: конструкций алгоритмических языков программирования, процедур прерывания для операционных систем, устройств для обработки данных измерений, специализированных процессоров и т.д. Данная тенденция ещё более усиливается в связи с применением микропрограммируемых микропроцессорных комплектов (ММК).

Проектирование МУ разделяется на два слагаемых: разработка аппаратуры и программ. Определяющим по временным затратам в настоящее время является разработка и отладка программ. Для уменьшения общего времени проектирования целесообразно совмещение по времени выполнения данных слагаемых. Начальным моментом времени для их параллельного выполнения считается момент определения набора микроопераций, т.е. фактически составлена спецификация для уровня У₆ и создана база элементов на уровне У₅ (определён интерфейс между уровнями У₅ и У₆). Далее при проектировании аппаратуры применяются инженерные методы совместно с системой автоматизированного логического и технического проектирования, включая разработку плат и построение тестов для них. Этап микропрограммирования и программирования осуществляется средствами автоматизированного проектирования.

Применение ММК вносит следующие особенности в названные этапы проектирования:

большая часть из набора микроопераций фиксируется структурой ММК, что разрешает раньше начать микропрограммирование;

сокращается время разработки аппаратуры, так как большая часть архитектуры покрывается готовыми БИС;

использование ММК разрешает применять большую часть заранее разработанных средств автоматизации микропрограммирования, что сокращает сроки их внедрения.

При проектировании МУ на ММК следует выделить следующие основные этапы.

1. Формализация задачи в виде технического задания и определение архитектуры и информационных связей проектируемого МУ. На этом этапе одним из наиболее важных моментов является рациональный выбор применяемого типа ММК.

2.Определение формата микрокоманды и разработка исходных микропрограмм на выбранном формальном языке.

3.Разработка модели проектируемого объекта на уровне решаемого алгоритма и проверка исходных микропрограмм (этап применяется, если исходные микропрограммы представлены на языке алгоритмического уровня).

4.Разработка объектных микропрограмм посредством применения специализированного программного обеспечения.

5.Разработка модели архитектуры проектируемого МУ (в качестве составных частей модели БИС применяемого ММК). Моделирование (проверка) объектных микропрограмм. Этот этап может выполняться как с подключением программных средств отладки, так и с использованием макетирующих устройств.

6.Разработка технической документации проектирования и информации на машинных носителях для связи с процессами макетирования и производством (например, прожигание модулей постоянной памяти).

Первые два этапа выполняются коллективом проектировщиков, а начиная с третьего этапа проектировщики применяют средства автоматизированного проектирования.

Проектирование МУ на основе ММК, в отличие от проектирования вычислительных средств, построенных не на базе ММК, обладает рядом специфических свойств. Основные из них следующие.

Для выполнения проектирования проектировщику необходимы комплексные знания как по микроархитектуре применяемых ММК и схемотехнике, так и по программному и микропрограммному обеспечению. Оценка вариантов проектируемого МУ в основном проводится относительно критериев цены и быстродействия. Временные соотношения необходимо учитывать как по отношению к аппаратурной части, так и по отношению к микропрограммированию необходимо согласование циклов микропрограммного устройства управления, основной и микропрограммной памятей. Часто возникают задачи согласования временных характеристик сопряжения с внешними устройствами.

Реализация сложных алгоритмов на микропрограммном уровне требует больше временных затрат и повышенной квалификации проектировщиков, что в случае программируемых микропроцессоров в основном решается на уровне software (исключение обычно составляет разработка интерфейсов). Поэтому, несмотря на приставку « микро », проблемы проектирования программного обеспечения для программируемых микропроцессоров в большинстве случаев решаются апробированными методами программирования и проектирования ЭВМ.

Размещено на Allbest.ru