Автоматизация проектирования диагностического обеспечения цифровых программно-управляемых устройств с применением технологии экспертных систем

Разработка диагностического обеспечения (ДО) цифровых устройств (ЦУ) является неотъемлемой частью их проектирования. Поэтому современные САПР ЦУ должны включать средства проектирования ДО. Оценки трудоемкости проектирования ДО показывают, что стоимость его разработки составляет весьма существенную долю в общей смете затрат на проектирование ЦУ. В связи с этим в настоящее время актуальной является проблема автоматизации процессов проектирования ДО.

Решению данной проблемы уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом. Фактически эта проблема исследовалась с момента запуска в производство первых промышленных образцов, ЦУ. В настоящее время интерес к ней не ослабевает, а наоборот усиливается, что связано со стремительным прогрессом ЦУ и в особенности цифровых программно-управляемых устройств (ЦПУ), которые являются элементной базой современных информационных технологий. Современные ЦПУ и цифровые системы включают широкий спектр жизненно необходимых средств, без которых невозможно эффективное функционирование развитого общества — от простых микропроцессорных устройств для управления бытовыми приборами и промышленными аппаратами до спер ЭВМ.

В настоящее время достигнуты определенные успехи в решении проблемы автоматизации проектирования ДО. Созданы и практически применяются развитые системы автоматизации, позволяющие решить многие задачи проектирования ДО. Тем не менее, их развитие отстает от развития самих объектов диагностирования .

Большое развитие получили методы и программные средства структурного синтеза тестов, созданы и доведены до практического применения средства моделирования ЦУ на структурном и функциональном уровнях представления. Однако эти средства не позволяют решить все проблемы проектирования ДО современных ЦУ. В особенной степени это касается сложных программно-управляемых устройств, для которых на структурном уровне практически невозможно полностью решить задачу разработки тестовых программ в связи с ее высокой размерностью. Достаточно сказать, что даже отдельные кристаллы современных СБИС микропроцессоров, являющиеся только элементной базой современных ЦПУ, могут содержать миллионы вентилей. Лучшие результаты в решении задачи синтеза тестовых программ ЦПУ дает применение функционального подхода. Однако этот подход требует дальнейшего развития.

Существенное отставание наблюдается также в решении задачи автоматизации проектирования алгоритмов поиска неисправностей,^что также связано с высокой размерностью этой задачи для современных ЦУ. В плане решения данной задачи необходимо развитие как методов построения тестовых программ для поиска неисправностей ЦПУ, так и традиционных методов, основанных на использовании в качестве исходной информации результатов моделирования ЦУ или его фрагмента.

Отсутствие достаточно развитых средств автоматизации задач проектирования ДО приводит к тому, что на практике многие из них решаются вручную интуитивными методами.

Одной из причин отставания развития средств проектирования ДО от развития самих ОД является недостаточно широкое применение в них современных информационных технологий. Одной из таких технологий является технология экспертных систем, позволяющая создавать системы автоматизации при недостаточном уровне формализации задач.

Цель и направление исследований. Целью диссертационной работы является разработка методов и средств автоматизированного проектирования ДО ЦПУ с применением технологии экспертных систем. Работа содержит теоретический и практический аспекты решения данной проблемы. Теоретический аспект включает обоснование целесообразности применения технологии экспертных систем в решении проблемы проектирования ДО, формализацию предметной области задачи, разработку языковых средств представления знаний, разработку структуры экспертной системы и разработку методов построения алгоритмов поиска неисправностей ЦПУ. Практический аспект работы включает разработку программного обеспечения и базы знаний исследовательского прототипа экспертной системы.

Формализация предметной области задачи включает анализ структуры знаний, выделение и исследование подзадач. В процессе формализации предметной области задачи проектирования ДО была выявлена необходимость доработки теоретических основ функционального подхода, которая возникла в связи с недостаточной общностью предшествующих результатов. Во-первых, рассматривалась только модель микропроцессора, к тому же не достаточно развитая. Во-вторых, исследованию подвергались только наиболее распространенные механизмы микропроцессоров. Сам подход и его методологическая поддержка были* направлены на создание системы автоматического характера, при которой роль пользователя сводилась к описанию ОД и запуску программ на исполнение. Для того чтобы система стала способной генерировать тест для некоторого механизма, должны быть были разработаны не только его диагностические модели и алгоритмы генерации тестов, но и соответствующие программные средства, — включаемые в библиотеку системы. Поэтому на практике система автоматизации решала задачу генерации тестов только для весьма ограниченного подмножества механизмов каждого ОД. Тесты для остальных механизмов приходилось строить вручную. Отсутствовали также какие-либо работы, посвященные методам выделения всего множества механизмов ЦПУ, проверка которого обеспечила бы достаточно полную проверку всего ЦПУ. В связи с этим сформулирована задача функциональной декомпозиции ЦПУ во множество тестируемых функций и рассмотрены пути ее решения.

Для задания информации об ОД и представления опыта экспертов в отношении решения задач проектирования ДО необходимы языковые средства. Эти средства должны быть достаточно простыми, понятными пользователю системы, должны быть понятными для нее самой и иметь достаточно простую реализацию. В связи с отсутствием языка, в полной мере, удовлетворяющего данным требованиям в работе разработан новый язык как расширение языка логического программирования Пролог.

В результате исследования задач проектирования ДО ЦПУ разработана структура ЭС, отражающая разработанную методологию применения функционального подхода. Экспертная система проектирования ДО (ЭСПДО) состоит из подсистем, выделенных по функциональному признаку: подсистемы функциональной декомпозиции (ПФД), подсистемы автоматической генерации тестовых образов для проверки стандартных тестируемых функций (ПАГТ), подсистемы построения тестовых образов нестандартных тестируемых функций (ППТН), подсистемы синтеза диагностических процедур (ПСДП), подсистемы интерпретации тестовых образов в тестовые программы (ПИТО).

Наряду с функционально сложными компонентами в составе ЦПУ обычно имеются относительно простые цифровые компоненты, которые описываются сравнительно несложными логическими схемами. Для поиска неисправностей этих компонент возможно применение традиционных методов. Хорошие результаты относительно данной задачи дают методы, ориентированные на использование безусловных алгоритмов проведения диагностического эксперимента (ДЭ). Обычно тест, построенный для безусловного алгоритма дешифрации ДЭ достаточно компактен. Поиск неисправностей для устройств данного класса может осуществляться в два этапа. На первом этапе выполняется дешифрация ДЭ, цель которой состоит в определении множества подозреваемых неисправностей. На втором этапе осуществляется уточнение места неисправности с помощью зондирования. В работе впервые исследованы методы построения алгоритмов дешифрации, использующие в качестве исходной информации ТФН, являющейся результатом троичного моделирования ЦУ при наличии в нем неисправностей из некоторого класса. В результате исследований предложены практически реализуемые методы решения данной задачи.

Основные результаты, представленные в диссертации, получены автором за период работы с 1973 по 1994 год в лаборатории технической диагностики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, ДВ предприятия ВТИ и Конотоп-ском СПКТБ.

Методика исследований. Методологической базой исследова ний являются положения теории множеств, математической логики, алгебры, теории автоматов, теории графовметодология, выработанная в технической диагностике цифровых устройствметодология проектирования ЭС.

Научная новизна работы заключается в формализации предметной области задач проектирования ДО, теоретической дора ботке методологии функционального подхода к проектированию ДО, разработке языка представления знаний, разработке структуры ЭСПДО, исследовании и разработке новых практически реализуемых методов построения алгоритмов дешифрации ДЭ.

Практическая ценность работы. Практическим результатом работы является исследовательский прототип ЭСПДО, который можно применять для решения основных задач проектирования ДО в организациях, занимающихся проектированием цифровых устройств различного класса, а также, на предприятиях по производству и техническому обслуживанию средств вычислительной техники и других технических средств, содержащих встроенные цифровые блоки.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждена их теоретическим обоснованием, практическими экспери ментами и результатами опытной эксплуатации экспертной сис темы.

Реализация результатов работы. Исследовательский прототип ЭСПДО был протестирован на реальных ЦУ и используется НИИ «Галс», Владивостокской междугородной телефонной станции, Владивостокском предприятии вычислительной техники и информатики.

Апробация работы. Научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на:

— Международной конференции по технической диагностике в Праге, 22−25 августа 1977 г. г.

— YII Всесоюзном совещании по проблемам управления в Минске, 1977 г.;

— Международной конференции по автоматизации проектирования в Каунасе, 1−4 июня 1992 г.;

— Дальневосточной научно технической конференции по судовой радиоэлектронике, 1979 г.

Публикации. Основные работы опубликованы в 10 печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 175 страницахприложения на 12 страницахвключает ссылки на 87 наименований отечественной и зарубежной литературы.

4.9. Выводы.

1. Разработаны и описаны программные средства исследовательского прототипа, в состав которых входят основные программные средства ЭСПДО.

2. Программные средства ориентированы на функционирование в среде MS DOS на ПЭВМ, совместимых с IBM PC AT, требования к объему оперативной памяти минимальны.

3. При разработке использованы языки программирования С и Pascal. Управляющая программа реализована в среде Turbo Vision и включает средства поддержки меню и встроенный текстовый редактор. Ведутся работы по разработке версии управляющей программы, предназначенной для работы в среде Windows .

4. Результаты экспериментального исследования исследовательского прототипа на объектах диагностирования универсального и специального назначения показали правильность исходных положений, заложенных в ЭСПДО, и необходимость дальнейшего продолжения работ по ее развитию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация посвящена разработке методов и средств автоматизированного проектирования ДО ЦПУ с применением технологии экспертных систем.

В диссертации получены следующие теоретические и практические результаты.

1. Исследованы теоретические аспекты применения технологии экспертных систем к задачам проектирования ДО ЦПУ, в результате чего:

1) определены особенности предметной области задач проектирования ДО ЦПУ;

2) развита методологическая база функционального подхода к проектированию ДО с целью достижения более полной автоматизации решения задач, обеспечиваемой применением технологии экспертных систем;

3) разработаны основные положения и базовое подмножество ЯПЗ, предназначенного для использования в ЭСПДО;

4) разработана структура ЭСПДО с определением функций основных ее составляющих.

2. Поставлена и исследована задача построения алгоритмов ж дешифрации ДЭ. В результате исследования разработаны:

1) практически реализуемые алгоритмы построения бинарных деревьев дешифрации ДЭ из двоичных и троичных ТФН;

2) способ компактного представления бинарных деревьев дешифрации ДЭ в виде списковых структур, пригодный для использования в автоматизированных системах диагностирования;

3) алгоритмы использования списковых представлений деревьев дешифрации ДЭ при диагностировании ОД;

4) алгоритм сокращения деревьев дешифрации ДЭ, полученных из троичных ТФН в процессе эксплуатации системы диагностирования, по результам проведения ДЭ.

3. Реализован исследовательский прототип ЭСПДО, результаты экспериментального использования которого показали эффективность применения и целесообразность развития предлагаемого пути автоматизации проектирования ДО применительно к современным объектам вычислительной техники общего и специального назначения.

Все теоретические результаты работы, перечисленные выше, получены автором самостоятельно. Исследовательский прототип ЭСПДО разработан коллективом лаборатории технической диагностики ДВО РАН при непосредственном участии автора. Личный вклад автора в практическую работу состоит в разработке методологии проектирования ДО, разработке структуры системы, разработке способов представления знаний и создании базы знаний. Под руководством автора созданы управляющая программа и метаинтерпретатор ЯПЗ.