Аспекты систем автоматизированного проектирования (САПР) микропроцессорных устройств

25

Размещено на http://www.allbest.ru/

25

аспекты систем автоматизированного проектирования (САПР) микропроцессорных устройств

1. Общие аспекты САПР микропроцессорных устройств

Автоматизация проектирования вычислительных устройств довольно широко применялась и раньше (до появления микропроцессоров) при разработке средств вычислительной техники. Достаточно вспомнить различные системы автоматизации технического этапа проектирования, комплексы программ для автоматизации логического синтеза, вплоть до применения элементов со средней степенью интеграции, средства автоматизации отдельных этапов структурного синтеза и т.д. Однако в связи с появлением микропроцессоров, особенно ММК, средства автоматизации проектирования и отладки являются уже не желанными, а необходимыми помощниками проектировщика, без которых немыслимо проектирование в приемлемые сроки более сложных вычислительных средств.

Структуру САПР целесообразно рассматривать с двух точек зрения: разработчика и пользователя. Разделение условное, принимая, что второй аспект отражает организацию САПР как инструмента для проектирования микропроцессорных устройств (МУ). При этом пользователь не вникает в особенности реализации в определённой аппаратурной и программной среде.

В качестве общих характеристик САПР выделяются:

Уровень автоматизированного проектирования;

Степень автоматизации;

Технологичность решений.

Уровень автоматизированного проектирования определяет уровень абстрагирования описания исходных данных, т.е. необходимую детализацию исходного проекта. Степень автоматизации -- отношение между объёмом работ проектирования, производимых САПР, и объёмом работ, проводимых проектировщиками. Технологичность решений определяет применимость получаемых результатов в виде окончательного проекта или его составной части.

Организация САПР МУ с точки зрения разработчика представлена на рис.1. Выделяются три типа программного обеспечения, включающего и реализацию методики проектирования:

1.Стандартное (1 уровень ), т.е. имеющееся программное обеспечение инструментальной ЭВМ;

2.Специализированное программное обеспечение САПР МУ (2-5 уровень);

3.Обеспечение входа-выхода и настройки САПР МУ (6-8 уровень).

Пересечение 4 и 5 уровней объясняется тем, что трансляторы являются и проектирующими программными модулями со специфической организацией.

Настройка, т.е. параметризация САПР, может проводиться как разработчиком (чаще всего), так и пользователями (реже в более узких рамках). В связи с быстрым развитием технологии, разнообразностью разрабатываемых МУ и применяемых типов микропроцессоров является целесообразным и экономически обоснованным разработка гибкой САПР, которая позволяла бы изменять свою структуру с учётом перечисленных к ней требований. Это значительно увеличивает моральный срок её старения.

2. Языковые средства САПР микропроцессорных устройств

Интерфейс между проектировщиками и САПР во многом определяется языковыми средствами. Они должны обеспечивать привычный для проектировщика процесс проектирования. От степени отклонения от привычного процесса во многом зависит время, необходимое для обучения проектировщиков пользованию САПР, а также количество специфических ошибок из-за применения САПР. Языковые средства автоматизации проектирования МУ разрабатывались на основе опыта разработки языков автоматизации программирования и языков автоматизации проектирования структуры и логики вычислительных средств. Для автоматизации проектирования и отладки МУ с ММК применяются языки, охватывающие свойства языков обоих вышеупомянутых типов. В автоматизированном проектировании различаются языки алгоритмического, структурного уровней и ассемблеры (вплоть до ассемблеров 1:1).

Выше представленный порядок уровней языков определяет уменьшение уровня абстрагирования (увеличения привязки к проектируемому МУ) представления исходных описаний. С другой стороны, чем выше по уровню входной язык, тем меньше требований к квалификации проектировщиков и меньшие временные затраты для разработки микропрограмм. Языковые средства должны включать языки (или их части) для описания функционирования и структуры проектируемого МУ. Языки автоматизации проектирования вычислительных средств, за исключением ассемблеров, ориентированные на конкретные микропроцессоры, рассмотрены довольно подробно в литературе, поэтому здесь отметим только основные аспекты.

Для языков алгоритмического уровня целесообразно использование модификации языков автоматизации программирования, а не крайние варианты чисто языки автоматизации программирования или чисто специализированные языки. Это определяется следующими причинами:

1.) возможно использование опыта разработки и реализации языков автоматизации программирования;

2.) в языке необходимы средства, характерные для описания структуры и функционирования проектируемых МУ.

Языки алгоритмического уровня целесообразно применять для мелкосерийных разработок. Это объясняется короткими сроками разработки и отладки проектируемых МУ, а также тем, что возможное увеличение объёма объектных микропрограмм (по сравнению с применением ассемблера они могут увеличиться на 30-40 %) не вызывают значительного удорожания производства. Также часто для специализированных МУ не являются критическими требования по быстродействию и объёму памяти, отводимому для хранения объектных микропрограмм.

Языки уровня ассемблера в настоящее время составляют основу программных средств проектирования МУ. Учитывая разнообразие типов микропроцессоров, целесообразна разработка адаптируемых на фиксированную микропроцессорную базу ассемблеров.

Структурный уровень языков (частичная привязка исходного описания к структуре проектируемого МУ) является промежуточным между алгоритмическим уровнем и ассемблером, что и определяет положительные и отрицательные черты этого уровня.

автоматизированный проектирование миропроцессорный анализатор

3. Технические средства САПР микропроцессорных устройств

Производством выпускаются как технические, так и программные средства автоматизированного проектирования МУ. В большинстве случаев они предназначены для автоматизированного проектирования МУ, построенных на программируемых микропроцессорах.

В зависимости от назначения и объёма разрабатываемых проектов имеется широкий спектр средств проектирования МУ на базе набора БИС различных серий, их тестирования, подготовки, ввода, обработки, вывода и хранения данных на машинных носителях.

В качестве исторического примера можно привести семейство систем отладки программно-аппаратных микропроцессорных средств от СО-01 до СО-04, построенных на основе серии К580. Вышеупомянутые системы предназначены для автоматизированного проектирования МУ на базе микропроцессора серии К580. Для тех же целей могут применяться и микро-ЭВМ. Аналогичные системы применяются для автоматизации проектирования МУ на ММК, например МАСЕ 29/80 (Microcode Analyzer and Control storage Emulator) фирмы Motorola, АРМ2-05 и др.

Рассмотрим основные составные части таких систем. Аппаратуру составляют такие стандартные компоненты как процессор (обычно строится на базе микропроцессора), дисплей, внешняя память, устройства ввода-вывода. Кроме этого применяются компоненты, появившиеся в связи с применением микропроцессоров: внутрисхемные эмуляторы, программаторы и часто самостоятельно используемые логические и сигнатурные анализаторы.

Внутрисхемные эмуляторы предназначены для замены наиболее сложного узла в прототипе проектируемого МУ микропроцессора таким же микропроцессором совместно с внешними связями с системой проектирования. Это даёт проектировщику возможность управлять работой микропроцессора, наблюдать за изменением его состояний.

Аппаратура внутрисхемного эмулятора должна быть построена так, чтобы не было влияния на схемы прототипа при работе в реальном времени. Так как контакты микросхем разных микропроцессоров имеют неодинаковое значение, для каждой микропроцессорной БИС разрабатывается отдельный внутрисхемный эмулятор. В частности в АРМ2-05 имеются отдельные внутрисхемные эмуляторы для микропроцессоров различных серий.

В САПР с внутрисхемным эмулятором часто связывается память слежения за состоянием шин данных и адресов. Значения сигналов, записываемых в память, обычно синхронизируется тактовыми сигналами микропроцессора.

Начало режима записи можно задавать относительно конкретных значений сигналов, появляющихся на шинах .

Программаторы используются для получения конкретной настраиваемой структуры БИС (это относится в основном к постоянным запоминающим устройствам, программируемым логическим матрицам и т.п.) по данным, имеющимся в САПР.

Логические анализаторы предназначены для вывода значений сигналов, появляющихся на шинах прототипа проектируемого устройства, в виде, удобном для анализа проектировщиком.

В принципе назначение логического анализатора похоже на назначение осциллографа, однако он разрешает принимать сигналы на значительно большем числе линий (обычно 16 - в случае логического анализатора, 3-4 в случае осциллографа); принимать сигналы так, чтобы можно было анализировать состояния объекта до и после заданного события запуска, выводить дискретные значения сигналов. События запуска задаются в виде комбинации значений входных сигналов. Также имеется память для слежения за последовательностями изменяющихся состояний.

Различаются три основных типа логических анализаторов:

Статические,

Динамические,

Комбинированные.

При помощи статических анализаторов (их иногда называют анализаторами состояний) выводится и анализируется логическая информация в виде нулей и единиц. Такие приборы особенно полезны для проверки шин данных и адресов, а также управляющих шин. Динамические анализаторы предназначены для анализа временных соотношений сигналов в виде диаграмм «напряжение время». В комбинированных анализаторах (их иногда называют системными) предусмотрено сочетание возможностей обоих типов анализаторов.

Работа сигнатурного анализатора основана на преобразовании длинных последовательностей двоичных сигналов в короткое двоичное число сигнатуру. Сигнатуры прослеживаются в контрольных точках узлов МУ.

Для более эффективного применения рассмотренных аппаратурных средств автоматизации проектирования необходима их стыковка с программными средствами САПР. Например, для поиска неисправностей при помощи логического анализатора полезно применять эталонные значения сигналов, имеющиеся в базе данных САПР.

К сожалению, в настоящее время как отдельные средства автоматизации проектирования, так и САПР, в основном, ориентированы на проектирование МУ, построенных на базе программируемых микропроцессоров. Такое положение объясняется тем, что для МУ, построенных с применением ММК, возможно получение большого разнообразия их архитектур, характеризуемых различными форматами микрокоманд, разнообразными информационными и управляющими связями всё это затрудняет разработку средств автоматизированного проектирования.

В серийном производстве и эксплуатации начинают широко использоваться сигнатурные анализаторы для проведения быстрого контроля и диагностики в условиях производственного участка, когда от контролёра не требуется высокой квалификации .

Среди отечественных кросс-систем следует выделить КАС580/МОСК580; СППМ-580; САПО «Э60»; CSDS/580; КС580/ЛГУ; КОМПРМИС; ИСПО ПО АСНИ; П4.4;КОСА; КОМ-2; ТЕМП; СЕРП; АРМ2-05; ПРА; РУЗА. Все приведенные кросс-системы обеспечивают только этап реализации (кодирование, отладка, тестирование, документирование ) программ МУ.

Моделирование МУ на уровне архитектуры или микроархитектуры позволяет эффективно провести отладку программного (микропрограммного) обеспечения (ПО). Модели МУ этого уровня называются программными имитаторами (эмуляторами).

Эмуляторы должны:

адекватно моделировать МУ на уровне архитектуры;

позволять пользователю удобно и эффективно отлаживать ПО в реальном времени, то есть обеспечивать выполнение удобного набора отладочных операций;

обладать минимальным количеством команд кросс-ЭВМ, необходимых для моделирования выполнения одной команды целевого МУ;

работать в интерактивном режиме.

Большинство кросс-систем поддерживается только языками программирования уровня ассемблера. Языки высокого уровня используются в системах КОМПРМИС, КОМ-2, АРМ2-05.

Модели строятся с помощью специальных языков кросс-систем и генераторов.

Основой инструментальной ЭВМ является персональная ЭВМ, хотя для поддержки средств программирования МУ у неё есть недостатки: сложность непосредственного подключения (on-line) целевой аппаратуры и программаторов ПЗУ при переводе программ в целевое МУ; малая надёжность; малая доля средств ОС ЕС используемая инструментальной (кроссовой) поддержки.

В принципе кросс-средства на ЭВМ являются изолированными от процесса разработки основных компонентов МУ. Здесь отсутствуют средства поддержки этапа интеграции программ с аппаратурой. У программиста отсутствует ощущение автономности при работе.

Реальной альтернативой кросс-систем на инструментальных ЭВМ общего назначения являются отладочные системы резидентного типа на базе ПЭВМ, соединённые в локальную сеть с возможностью разделения дорогих периферийных устройств. В состав таких систем должны входить специализированные аппаратные средства отладки - внутрисхемные эмуляторы.

Выводы

Автоматизация проектирования МУ является необходимым условием их разработки. Это объясняется сложностью проектирования, сроками проектирования, требованиями к квалификации проектировщиков .

САПР МУ развиваются на основе накопленного опыта систем автоматизации программирования и автоматизированного проектирования структуры и логики вычислительных средств. Основное качественное дополнение комплексность в смысле стыковки с техническими средствами отладки МУ.

Следует различать автоматизированное проектирование МУ, построенных на программируемых и микропрограммируемых процессорах. В первом случае имеется аналогия с разработкой программ для ЭВМ, с учётом ограниченных ресурсов применяемых микропроцессоров (возможно применение кросс-систем). С точки зрения проектирования аппаратуры проблемы проектирования архитектуры, сопряжения с отдельными частями проектируемого МУ. Во втором случае имеются специфические проблемы: разработка архитектуры МУ, синтез обрамляющей логики ММК; проектирование микропрограмм; отладка аппаратуры и микропрограмм. Высоки требования к квалификации проектировщиков необходимы интегральные специалисты в областях схемотехники, программирования, микропрограммирования, проектирования логики вычислительных структур.

Целесообразна разработка САПР, включающих языковые и отладочные средства нескольких уровней и адаптируемых к широкому классу микропроцессоров. САПР должна охватывать как программные, так и технические средства автоматизации проектирования. Это, кроме прочих достоинств, разрешает получение в каждом случае рациональных микропрограмм с максимальной эффективностью проектирования.

САПР должна включать иерархическую базу данных (знаний), хранящую документацию по разработке проектов на всех этапах и со всеми модификациями, генерирующую полную техническую документацию и сопряжённую с производством по способу представления информации.

Ближайшей перспективой является разработка интегрированных САПР для автоматизированного проектирования вычислительных средств, включающих как микропроцессоры, так и регулярные или заказные БИС (например, программируемые логические матрицы, вентильные матрицы, матрицы макроячеек и т.п.). Это разрешит качественно уменьшить сроки и повысить качество проектирования вычислительных средств.

Для успешного применения автоматизации МУ, как и непосредственно МУ, необходимо подготовить большое количество специалистов, знающих не только проблемную среду, но и чётко представляющих возможности МУ и САПР МУ. С другой стороны, нужны специалисты для разработки самих САПР МУ.

Размещено на Allbest.ru