CC BY
17
УДК 681.32
В. Н. НЕГОДА
АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Выбор проектных решений на этапе структурно-функционального проектирования микропроцессорных систем производится в условиях значительной неопределенности, связанной с отсутствием точных аналитически зависимостей между параметрами выбираемых компонентов и значениями критериальных параметров микропроцессорной системы Для оценки значений критериальных параметров предлагается использовать системы поддержки оценочного моделирования на основе многофункциональных программных симуляторов.
ВВЕДЕНИЕ
Анализ различных вариантов структурно-функциональной организации микропроцессорных систем (МПС) на ранних стадиях их проектирования существенно затруднён тем, что оценки значений критериальных параметров
4 »
качества технических решений имеют большую погрешность. Одним из эффективных методов уменьшения этой погрешности является выполнение оценочного моделирования тех аппаратно-программных компонентов, свойства которых вносят в формируемые оценки наибольшую ошибку. В системах автоматизации структурно-функционального проектирования, базирующихся на таком подходе, центральное место играют средства поддержки оценочного моделирования (СПОМ), которые имеют существенные отличия от традиционных систем моделирования, используемых на этапе разработки программного обеспечения МПС.
Чтобы пространство возможных вариантов структурно-функциональной организации МПС при выборе качественных проектных решений не было сильно ограниченным, необходимо наделить СПОМ следующими свойствами:
1) гетерогенностью, т.е. возможностью моделировать различные микропроцессоры (МП) и микроконтроллеры (МК) различных семейств;
2) наличием возможности подключения к модели МП или МК моделей поведения внешней среды, прежде всего внешних микропроцессорных устройств (ВМПУ);
3) открытостью, что означает предоставление пользователю возможностей включать в спектр моделей системы свои собственные модели;
4) поддержкой многоуровневого моделирования;
5) возможностью интеграции СПОМ с различными кросс-средствами поддержки программирования;
6) наличием встроенных средств поддержки обучения новым проектным решениям, методам проектирования и моделирования.
Первые четыре свойства обеспечивают свободу выбора микропроцессорных комплектов (МПК) и степени детальности оценочного моделирования. Пятое свойство превращает СПОМ и комплект кросс-средств в полнофункциональную систему автоматизации структурно-функционального проектирования (САСФГ1). Шестое свойство обеспечивает две важные вещи: а) требуемую квалификацию разработчиков в условиях постоянного расширения спектра доступных для применения компонентов,
устройств, технических решений и методов решения задач проектирования, и б) обучение разработчиков МПС основам моделирования средств МПТ, что необходимо, поскольку специалисты по проектированию МПС вовлекаются в достаточно новую и непривычную для них деятельность, связанную с расширением спектра моделей СПОМ под конкретные проектные ситуации.
К сожалению, систем моделирования, обладающих указанными свойствами, в настоящее время не существует. Не существует и основ теории создания подобных систем, что обусловливает актуальность задачи исследования принципов построения средств автоматизации структурно-функционального проектирования микропроцессорных системы с развитой
поддержко]
В центр этих исследований целесообразно поставить проблемы создания функционально развитых СПОМ, поскольку прочие компоненты САСФП, такие как кросс-ассемблеры, кросс-компиляторы языков высокого уровня, компоновщики и редакторы текстов, могут быть либо заимствованы из существующих кросс-систем программирования, либо строятся хорошо исследованными методами. Определяющее влияние на архитектуру СПОМ оказывает содержание процесса структурно-функционального проектирования, основанного на оценочном моделировании.
Процесс структурно-функционального проектирования МПС целесообразно строить на основе общей схемы управления циклами структурного и параметрического синтеза МПС, приведённой в работе [1]. Согласно этой схеме процесс проектирования рассматривается как циклически повторяющаяся деятельность, в которой внутренний цикл содержит перебор параметров из некоторого множества V, а внешний -перебор структуры. Для каждого акта варьирования параметров или структуры выполняется оценка системы критериальных параметров р. В случае МПС имеет смысл различать структурные и функциональные компоненты, поскольку один и тот же структурный компонент может наделяться различными функциональными возможностями, а главное, одна функция может выполняться кооперацией многих структурных компонентов и для одной и той же кооперации существует большое многообразие
ОБЩАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МПС НА ОСНОВЕ ОЦЕНОЧНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
варьируемых функциональных возможностей. И в то лее время вариации функций и вариации структуры очень сильно связаны, поэтому имеет смысл рассматривать их обобщение - структурно-функциональные вариации.
Самая общая модель процесса проектирования МПС, основанная на разделении процессов структурно-функционального и параметрического синтеза, представлена на рис. 1.
1
Формирование базовой структурно функциональной модели МПС
Варьирование структуры и функциональности
К-
Оценка критериальных параметров (9
Критерии ^ удовлетворены?
Перебор парамегровЦ завершен?
нет
Варьирование параметров V
I
нет
Структурно-функциональные вариации завершены?
ь,
Корректировка задания
Рис. 1. Общая схема процесса структурно-функционального синтеза
В соответствии с этой схемой вначале формируется базовая структурно-функциональная модель МПС. Эта модель определяет две вещи: а) совокупность программно-аппаратных компонентов системы с их взаимосвязями и б) распределение функций МПС между компонентами. Для этой модели существует некоторая система критериальных параметров Р = СЬ> <3т} с системой ограничений в = {бь 02, Ст}, такой, что требования задания на проектирование формулируются в виде неравенства < 0[ или > В отдельных случаях проектирования может задаваться целевая функция <3т)> значение которой используется для поиска
наилучшего решения. Поскольку структурно-функциональный синтез МПС в большинстве случаев сопряжён с большими затратами ручного труда, речь
идет не о нахождении экстремума целевой функции в традиционном смысле, а о нахождении наилучшего решения, полученного за ограниченное время.
Основными критериальными параметрами при проектировании МПС являются быстродействие и аппаратурные затраты. СПОМ обслуживает прежде всего оценку показателей быстродействия. Для встроенных систем основным видом требований к быстродействию является обеспечение времени реакции на внешнее событие [2]. Это время существенно зависит от функций обработки данных при реакции на внешнее событие и от параметров микропроцессоров и микроконтроллеров. Причём достаточно точное определение времени реакции можно получить только в ходе моделирования процессов выполнения программ обработки данных для критических по соотношению времени и сложности обслуживания событий.
В практике проектирования МПС используются два вида моделирования - программная симуляция и внутрисхемная эмуляция [3]. Программные симуляторы дешевле внутрисхемных эмуляторов, но значительно хуже моделируют взаимодействие МП с внешней средой. Внутрисхемные эмуляторы позволяют помещать модель МП в реальную среду окружения, но это уже макетирование аппаратной среды с существенным удорожанием и замедлением самого процесса проектирования. Для оценочного моделирования такие дорогостоящие процессы явно не годятся, поскольку предполагается варьирование по широкому спектру технических решений.
Программные симуляторы в принципе можно использовать для оценочного моделирования, но предназначены они все же для отладки программного обеспечения для конкретного микропроцессорного комплекта (МПК) либо семейства близких по архитектуре МП или МК. Это значит, что варьирование типа МП требует варьирования среды разработки. Причём эту среду мы должны приобретать с набором функций поддержки проектирования, хотя может оказаться, что на этапе структурно-функционального проектирования этот МП мы не выберем. Кроме того, программные симуляторы поддерживают моделирование только на одном уровне - уровне архитектуры и системы команд [4], что резко удорожает процесс моделирования. В этой связи концепция создания специальных СПОМ является весьма перспективной.
АРХИТЕКТУРА СРЕДСТВ ПОДДЕРЖКИ ОЦЕНОЧНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Специальные СПОМ, включаемые в состав САСФП, должны обеспечивать структурно-функциональные модификации МПС в широких пределах и поддерживать многоуровневое моделирование, чтобы часть функциональности можно было реализовав в существенно более производительном режиме на языках высокого уровня без разработки соответствующего программного обеспечения МПС. В этой связи модель
МП или МК может быть не полной, а частичной, охватывающей только критические функции с точки зрения обеспечения времени реакции системы.
Поскольку функциональность, требуемая на критических участках, определяется особенностями задач проектируемой МПС, то СПОМ должны быть открыты в части наращивания моделей со стороны пользователя. Более того, здесь необходима даже специальная поддержка создания моделей, которая должна заключаться в двух моментах: а) предоставлении средств автоматизации формирования программных моделей МП и МК; б) в поддержке обучения технике моделирования с учётом того, что квалификационные требования к разработчикам МПС и разработчикам программ симуляции существенно различаются.
Наиболее целесообразными средствами автоматизация проектирования программных моделей МП и МК являются широкое использование шаблонов и архитектурных каркасов [5,6] и специальные генераторы симуляторов [7].
Кроме того, СПОМ должны быть открыты в части создания моделей компонентов и процессов внешней среды. Иначе говоря, такая система должна поддерживать моделирование не только МП или МК, как это принято для обычных программных симуляторов, но и моделирование всей МПС, как системы взаимосвязанных моделей объектов и процессов. Причём для уменьшения затрат времени на создание моделей, целесообразно допускать высокоуровневое моделирование общих процессов, реализуемых совокупностью программно-аппаратных средств. Здесь также необходимы средства поддержки обучения, поскольку речь идет о вовлечении в процесс проектирования зачастую новых для разработчиков компонентов и их моделей.
Ещё одним важным свойством СПОМ должно быть наличие развитых средств профилирования выполняемых программ, чтобы обеспечивать оценку параметров быстродействия и объёмов программ [8].
Перечисленным требованиям удовлетворяет общая структура СПОМ, представленная на рис. 2. Эта схема базируется на технических решениях, полученных при создании учебно-исследовательских систем моделирования МПС [9,10]. Проект МПС в такой системе представляется схемной моделью проектируемой системы, моделями интерфейсов между компонентами и программами. Причём все эти компоненты охватывают только ту часть проектируемой системы, технические решения для которой подвергаются оценке.
Подсистема поддержки создания моделей
Шаблоны типовых схем МПС моделей МП, МК, ВМПУ
Генератор моделей интерфейса
Шаблоны программ
Библиотека моделей МП, МК ВМПУ и общих процессов
Ассемблер-программы
Редактор текста
Схема МПС
Проект МПС
Модель интерфейса
Машинные программы
Кросс-ассемблер
Учебная информация
Управление моделированием и испытаниями
Подсистема поддержки обучения
Рис. 2. Общая схема системы поддержки оценочного моделирования
• •
Подсистема поддержки создания моделей включает в себя редактор схем МПС и подсистему генерации моделей. Эти средства потребляют готовые модели из библиотеки и шаблоны проектирования, на основе которых создаются новые компоненты для библиотеки. Генератор моделей интерфейса позволяет настраивать свойства моделей межкомпонентных связей. Подсистема управления моделированием и испытаниями выполняет профилирование и оценку критериальных параметров.
Здесь показан вариант СПОМ, базирующийся на языке ассемблера. Доступность программ ассемблирования для самых различных архитектур много выше, нежели доступность кросс-системы программирования на Си. Это относится как к цене, гак и наличию кросс-компиляторов на рынке программного обеспечения. Кросс-ассемблеры дёшевы и даже часто бесплатны. Кроме того, относительно несложно разработать многофункциональный кросс-ассемблер, настраиваемый на архитектуру моделируемого МП или МК пользователем [11,12].
Подсистему поддержки обучения целесообразно строить на базе традиционных средств автоматизации обучения и средств поддержки учебно-инженерного проектирования [13].
Для поддержки создания серии симуляторов необходимо иметь эффективные метамодели, в качестве которых целесообразно использовать
алгебраические представления объектов и функций МП и МК [10,14]. Это дает возможность достаточно продуктивно создавать как непосредственно сами программы симуляции, так и их архитектурные каркасы [15].
Предлагаемый подход к построению САСФП позволяет существенно расширить спектр вовлекаемых в рассмотрение микропроцессорных архитектур. Более того, развитие техники программируемых схем за последние годы дает разработчикам возможность модифицировать функциональность микропроцессорных устройств вплоть до изменения состава команд. Предварительные оценки эффекта от различных модификаций такого плана достаточно легко достигаются в рамках рассмотренного в данной работе подхода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вермишев Ю.Х. Основы автоматизации проектирования. М.: Радио и связь, 1988.
2. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.: Невский диалект, 2001.
3. Домнян С.Б., Иванов Е.А., Муренко Л Л. Средства комплексной отладки микропроцессорных устройств/Под ред. В.Г.Домрачева. М.:Энергоатомиздат, 1988.
4. Cook Т.А. Instruction Set Architecture Specification. Ph.D. thesis from North Carolina State University, 1993.
5. Гамма Э., Хелм P., Джонсон P., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. СПб.: Питер, 2001.
6. Ларман К. Применение UML и шаблонов проектирования. М.: Изд. дом «Вильяме», 2001.
7. Negoda V.N. Simulation Programs Generation Based on Decision Tables Translation Technics. "Interactive Systems: The Problem of Iluman-Computer Interaction, Proceedings of the International Conference. Ulianovsk, 2001. P.92-93.
8. Cmelik R.F. Keppel D. Shade: A Fast Instruction-Set Simulator for Execution Profiling. Technical Report UWCSE 93-06-06, 1993.
9.' Негода B.H. Дистанционное обучение основам микропроцессорной техники. //Материалы выставки 2-й междунар. науч.-техн. конф. «Интерактивные системы:
• Проблемы человеко-компьютерного взаимодействия». Ульяновск: УлГТУ, 1997. С. 29-31.
10. Иегода В.Н. Функции и структура моделей микропроцессоров в учебно-исследовательской САПР микропроцессорных систем // Вестник УлГТУ. Сер. Информационные технологии. 1999. № 2. С. 87-93.
И. Sozin В. Telecommunication Metha-Assembler and ins Adjustment. "Interactive Systems: The Problem of Human-Computer Interaction, Proceedings of the International Conference. Ulianovsk, 1999. P. 161-162 .
12. Negoda V.N., Skvortsov V.S. Increasing Perfomance of Multifunctional Cross-Assembler, Interactiv Systems: The Problems of Human - Computer Interaction. - Proceedings of the International Conference. Ulyanovsk: UISTU, 2001, p. 88-89.
13. Негода B.H. О построении учебно-исследовательской системы функционально-логического моделирования микропроцессорных систем // Вестник УлГТУ. Сер. Информационные технологии. 1998. №1. С. 63-67.
14. Негода В.Н. Об алгебраических описаниях моделей микропроцессорных устройств для учебно-исследовательской САПР // Труды международной конференции «Континуальные логико - алгебраические и нейросетевыс методы в пауке, технике и экономике». Ульяновск, 2000. Т.1. С. 86-87.
15. Негода В.Н. Архитектурные каркасы моделей микроконтроллеров и поддержка цифровой обработки сигналов // Электронная техника: Сборник научных трудов. Ульяновск: УлГТУ, 2001. С. 48-53.
Негода Виктор Николаевич, кандидат технических наук, окончил радиотехнический факультет Ульяновского политехнического института. Профессор кафедры «Вычислительная техника» УлГГУ. Имеет статьи и монографии в области проектирование микропроцессорных систем и автоматизации обучения.
УДК 658.512.22
А. Ф. ПОХИЛЬКО
• •
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ КЛАССОВ ОБЪЕКТОВ И ТИПОВЫХ МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ В ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНТЕРОПЕРАБЕЛЬНОЙ СРЕДЕ САПР
Рассматривается способ формализации проектной деятельности и механизм его реализации с целью накопления, модификации и обобщения типовых методик проектирования. ,
ВВЕДЕНИЕ
В [1] предложена общая модель целостного представления проектной деятельности в интегрированной среде САПР, структура информационных процессов и инструментальных средств для реализации рассмотренных механизмов. С позиций автоматизации большой интерес представляет сохранённая последовательность Рв(1,0, ТЬ, Тх,Ё). Сохраняя последовательность получения результата, мы имеем возможность при равных условиях повторить результат, вмешаться в процесс, а в идеале -совершенствовать сам процесс и, соответственно, результат. На практике это означает возможность динамического отображения проектной деятельности с целью накопления, модификации и обобщения типовых методик проектирования. В данной работе рассматриваются некоторые принципиальные аспекты развития этой возможности.
ТРЕБОВАНИЯ К ИНФОРМАЦИОННЫМ КОМПОНЕНТАМ ОПИСАНИЯ ПРОЕКТНОГО РЕШЕНИЯ
Развиваемый подход к представлению проектной деятельности предъявляет некоторые требования к информационным компонентам
