Задачи функционального проектирования ЭВМ и их элементной базы

ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Основные задачи системного и архитектурного уровней проектирования следующие:

определение принципов организации КС;

выбор архитектуры, уточнение функций КС и их разделение на функции, реализуемые аппаратным и программным путем;

разработка структурной схемы, т. е. определение состава устройств и способов их взаимодействия;

определение требований к выходным параметрам устройств и формирование технических заданий (ТЗ) на разработку отдельных устройств КС.

В ТЗ на разработку отдельных устройств КС входят: перечисление функций, выполняемых устройством, условия работоспособности устройства, требования к его выходным параметрам, данные о содержании и форме информации, которой данное устройство обменивается с другими устройствами системы. Кроме того, на этапе функционального проектирования устройств уже известно принятое на этапе предварительного проектирования решение относительно характера элементной базы.

Взадачи микропрограммного уровня алгоритмического проектирования и функционально-логического уровня проектирования входят:

детализация выполняемых устройством функций, их алгоритмическая реализация и представление алгоритмов в одной из принятых форм;

выбор принципов организации устройства, включающий, например, выбор системы хранения информации и его структуру;

разработка микропрограмм, т. е. определение для каждой команды совокупности микрокоманд и последовательности их выполнения.

На логическом подуровне функционально-логического уровня проектирования

решаются следующие задачи:

синтез функциональных и принципиальных схем выделенных блоков;

проверка работоспособности синтезируемых блоков с учетом задержек сигналов и ограничений выбранной элементной базы или выработка требований к задержкам элементов микропроцессора;

синтез контролирующих и диагностических тестов;

формулировка ТЗ для схемотехнического уровня проектирования.

Основную часть ТЗ на схемотехническом уровне проектирования составляют требования к следующим выходным параметрам электронных схем: задержкам распространения сигналов, мощностям рассеяния, уровням выходного напряжения, запасам помехоустойчивости и т. п. Кроме того, в ТЗ оговариваются условия функциони­рования в виде указания допустимых диапазонов изменения внешних параметров (температуры, напряжений питания, коэффициентов нагружения и др.).

На схемотехническом уровне основные задачи проектирования следующие:

синтез структуры принципиальной схемы;

расчет параметров пассивных компонентов и определение требований к параметрам активных компонентов;

расчет вероятности выполнения требований ТЗ к выходным параметрам;

формулировка ТЗ на проектирование компонентов.

На компонентном уровне задачи функционального, конструкторского и технологического проектирования тесно связаны друг с другом:

выбор физической структуры и расчет параметров диффузионного профиля полупроводниковых компонентов;

выбор топологии компонентов и расчетгеометрических размеров в плане;

расчет электрических параметров и характеристик компонентов;

расчет параметров технологических процессов эпитаксии, диффузии, окисления, обеспечивающих получение желаемого диффузионного профиля;

расчет вероятности выполнения требований к выходным параметрам компонентов.

Задачи конструкторского проектирования. Конструкторское проектирование включает в себя решение задач следующих групп:

коммутационно-монтажного проектирования;

обеспечения допустимых тепловых режимов;

конструирования электромеханических узлов внешних устройств;

изготовления конструкторской документации (см. [8-11]).

Основные задачи коммутационно-монтажного проектирования в САПР ИЭТ – задачи размещения компонентов на подложке и трассировки электрических соединений между компонентами. При проектировании интегральных схем эти задачи конкретизируются в следующем перечне (см. [8]):

конструкторский расчет геометрических размеров компонентов в плане (эта задача иногда считается задачей функционального проектирования);

определение взаимного расположения компонентов на полупроводниковой пластине;

размещение компонентов на пластине с учетом геометрии компонентов, схемотехнических и технологических ограничений;

трассировка соединений;

вычерчивание послойных чертежей с общего вида топологии составление таблиц координат угловых точек для последующего изготовления фотошаблонов.

Задачи размещения элементов и трассировки электрических соединений решаются и в САПР ЭВМ. Так, на уровне печатных плат необходимо разместить корпуса микросхем и выполнить трассировку печатных проводников в одном или нескольких слоях печатной платы проводников в одном или нескольких слоях печатной платы. На других уровнях (панели, стойки) также решаются задачи размещения элементов и приведений проводных соединений. Кроме того, к задачам коммутационно-монтажного проектирования относится задача компоновки элементов в блоки, решение которой требуется в САПР КС.

Изготовление конструкторской документации включает в себя автоматическое оформление результатов проектирования, получаемых в ходе решения охарактеризованных выше задач, в требуемом виде (например, в виде чертежей, диаграмм, таблиц и т. п.), а также сохранением документов в БД.

ЭТАПЫ, АВТОМАТИЗИЦИЯ И ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ (ПС)

Программные средства являются исполнительными элементами многих компьютерных систем различного назначения, например, САПР, гибких проектируемых систем, автоматизированных систем управления, компьютерных игр и др. В связи с этим ПС становятся продуктом научно-технического назначения, создаются в строгом соответствии с действующими стандартами и утвержденной технологией, сопровождаются научно-технической документацией и обеспечиваются гарантиями поставщика. Это объясняется тем, что технические возможности, адаптируемость и эффективность компьютерных систем определяются качеством используемого программного обеспечения (ПО), а без современной индустриальной технологии создания ПО требуемое качество недостижимо.

В области программирования так же, как и в промышленном производстве, значительный эффект может дать многократное использование хорошо отработанных компонентов в качестве комплектующих изделий. Такие компоненты выполняют типовые функции или функции, характерные для определенных предметных областей применения компьютерных систем, и называются программными модулями (ПМ). Для обеспечения повторного использования ПС необходима стандартизация их создания на всех этапах ЖЦ. Это позволяет значительно сократить дублирующие разработки, внедрить сборочное программирование и ввести на предприятиях накопление высококачественных программных продуктов для их многократного использования в качестве типовых комплектующих изделий. Для того чтобы ПО отвечало всем вышеперечисленным требованиям, процесс его проектирования должен включать в себя следующие этапы [3-6]:

1. Анализ технических требований – определение функций, которые должна реализовать создаваемая система.

2. Проектирование – переход от спецификации системы к тому, каким образом она будет выполнять заданные ей функции.

3. Реализация – создание программного средства.

4. Аттестация – контроль корректности ПС.

5. Верификация – формальная проверка то го, что созданное ПС удовлетворяет всем техническим требованиям.

6. Сопровождение конфигураций и управление версиями – учет истории разработки отдельных компонентов системы и их взаимосвязей в рамках программного комплекса.

7. Документирование – фиксация технических решений для тех, кто будет сопровождать систему, и создание учебных материалов и инструкций для пользователей.

8. Управление проектом – планирование, слежение и руководство при разработке ПО.

В настоящее время эти этапы выполняются самыми разными способами, что находит отражение в широком спектре существующих инструментальных средств САПР ПО. При создании ПО одним из первых вопросов, которые приходится решать, является оценка уровня сложности ПС. Она включает в себя несколько составляющих: поиск решения задачи, выбор технологии, реализацию процесса проектирования и др. Комплекса мероприятий для достижения поставленной цели получил название проект. Автоматизация проектирования должна помогать справляться со всеми аспектами сложности при разработке ПО. Поэтому независимо от прикладной области, к которой относится решаемая задача, и от принятого уровня абстракции необходимо, чтобы САПР поддерживала выполнение следующих функций:

1. Ввод описания проекта в систему.

2. Просмотр-обход – предоставление пользователям возможности выбора нужных фрагментов проекта и формирования необходимых запросов.

3. Декомпозиция системы – возможность представления проекта в виде удобных для обработки частей-модулей.

4. Контроль соблюдения правил и норм – проверка соответствия проекта всем требованиям с учетом количественных измерений.

5. Моделирование – обработка проекта на выбранном уровне абстракции с целью лучшего понимания его поведенческих характеристик.

6 6. Синтез (программирование) – преобразование проекта из одного вида представления в другой, как правило, с переходом на более низкий уровень абстракции.

7. Управление – возможность всем участникам процесса проектирования оставаться в рамках выбранной инженерной методологии.

Целенаправленное управление проектом предназначено для пропорционального распределения ресурсов между работами по созданию ПС на протяжении всего цикла проектирования вплоть до внедрения системы в серийное производство или ее массового использования. В общем случае при проектировании необходимо создать в соответствии с принятым критерием эффективности оптимальную систему управления или обработки информации при ограничениях двух типов.

Первый тип ограничений характеризует уровень современных знаний методов решения поставленных задач, принципов структурного и алгоритмического построения сложных систем, а также технологии их проектирования.

Второй тип ограничений относится в основном к техническим параметрам средств, предполагаемым для реализации системы, и к ресурсам, которые могут быть выделены на ее разработку и эксплуатацию.

Термин «программные средства» охватывает функциональные и служебные программы, средства автоматизации программирования, тестирования, отладки и др. Функциональные программы, реализующие конкретные алгоритмы пользователей, обеспечивающие выполнение заданных функций системой, называют специальными программными средствами. Под общими программными средствами подразумеваются программы организации вычислительного процесса, системы функционального контроля процессов, системы автоматизации программирования и отладки. Основные целевые задачи, решаемые функциональными программами, весьма разнообразны, однако для большинства из них можно выделить ряд типичных проблем, которые приходится решать в процессе разработки каждого программного комплекса.

Проблема рационального структурного построения комплекса программ, включающая в себя задачи:

- оптимизации структуры комплекса с точки зрения его эффективного проектирования, отладки и использования ресурсов ЭВМ;

- организации решения функциональных задач в реальном времени и организации оперативного взаимодействия с внешними абонентами;

- контроля вычислительного процесса и обеспечения надежного функционирования комплекса при наличии различных возмущений;

- контроля достоверности выполнения функциональных программ и адаптации комплекса при изменении характеристик внешних абонентов или управляющей ЭВМ;

- обеспечения несложной корректировки комплекса при изменении в некоторых пределах характеристик внешних абонентов.

Проблема технологии разработки ПС, включающая в себя задачи:

- планирования и организации технологического процесса проектирования комплекса до серийного изготовления ПС, созданных на его основе;

- разработки математических моделей алгоритмов всех частей комплекса;

- программной реализации всех алгоритмов, включая задачи автоматизации самого процесса программирования и унификации типовых ПМ;

- обеспечения отладки программ с различными методами их контроля, обнаружения, диагностики ошибок и методами корректировки программ;

- обеспечения испытаний программных компонентов и всего комплекса;

- автоматизации изготовления документации.

Проблема стандартизации ПС, связанная с повышением производительности труда при разработке сложных систем [7]. На каждую программу должны

задаваться технические условия, обеспечивающие детальную расшифровку ее функций и возможность полной проверки при массовом тиражировании. Это позволит использовать отдельные программы в различных системах без участия их разработчиков, замену устаревших компонентов новыми без нарушения работоспособности остальных ПМ. В идеале создание сложных ПС желательно сводить к сопряжению комплектующих модулей при минимальной разработке нестандартных компонентов для сопряжения или выполнения новых специфических функций.

Дата добавления: 2014-11-26