Архитектурное моделирование и оптимизация автоматизированных систем контроля цифровой радиоэлектронной аппаратуры

Актуальность проблемы. Принятая ХХУ1 съездом КПСС программа экономического и социального развития СССР на 1981;85 годы и на период до 1990 года [I] определяет как одну из важнейших стратегических задач обеспечение дальнейшего ускорения научно-технического прогресса. Значительное внимание уделено созданию и внедрению в производство принципиально новой техники, высокоэкономичного оборудования. Отмечается такая важная роль повышения эффективности научных исследований, сокращения сроков внедрения достижений науки и техники в производство.

Развитие науки и ускорение технического прогресса предполагает в качестве одной из важнейших задач увеличение производства приборов, оборудования, средств атоматизации. На основе использования науки и техники необходимо:

— развивать производство систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и микроэвм,.

— ускорить внедрение автоматизированных методов и средств контроля качества и испытания продукции как составной части технологических процессов,.

— создавать многофункциональные машины и оборудование, переналаживаемые при изменении технологических процессов, видов выпускаемых изделий и производимых работ,.

— широко применять при создании новых машин, оборудования, аппаратуры и приборов модульный принцип с использованием унифицированных узлов и агрегатов,.

— повысить технический уровень и качество средств автоматизации и приборов, значительно поднять экономичность и производительность выпускаемой техники, ее надежность и долговечность.

Решение комплекса поставленных задач по ускорению темпов автоматизации тесно связано с дальнейшим развитием электроники.

Научно-техническая революция за последние три десятилетия радикально преобразила электронику в двух основных областях:

— в области технологии произошел переход от ламповой к транзисторно-интегральной технологии;

— в системной области произошел переход от методов аналогового преобразования информации к цифровым методами.

Это привело к бурному развитию интегральных цифровых устройств и резкому повышению функциональной сложности радиоэлектронной аппаратуры в таких отраслях как вычислительная техника, информационно-измерительная техника, автоматика, приборостроение, связь, что, в свою очередь, стимулировало развитие подкласса информационно-измерительных систем — автоматизированных систем контроля (АСК).

К настоящему времени АСК прошли в своем развитии несколько поколений, в СССР и за рубежом создано огромное их количество, непрерывно продолжают появляться новые модели. .

Создание АСК цифровой радиоэлектронной аппаратуры у нас в стране связано с именами таких ученых как К. Б. Карандеев, Г. И. Кавалеров, В. М. Карасик, А. С. Касаткин, И. Ф. Клисторин, И. В. Кузьмин, А. В. Мозгалевский, П. П. Пархоменко, И. Н. Пономарев, А. Е. Подзин, М. П. Цапенко и других.

Примерами созданных за последнее десятилетие отечественных АСК являются: УТК [2], Элекон — СФ [3], АСКЙД [4), АСПД [5], АЦК — 276 [6], КОДИАК [7], TECT-790I [8 — IOj, КФК АМД № 0555 [il] и многие другие. За рубежом наиболее значительными являются достижения фирм: tAevnbb&tn (англ.) — системы серий 2460, 7700, 7700 [12−15] Radio (США) — 2610,2620, 2630 [II, 15], HenCeUPackard (США). НР 5004А, HP 500IA, HP 5005 В [il], HP 5505А [1б], John Fluke. Ha*t/faetvit"p (США)-90I0A, 3000 [И, 17], Faizthlfd (США) Series 70 fll], Те-. го dyne (США) — 1200 [il] и других.

Одной из главных тенденций развития АСК является непрерывное повышение их эффективности. Радикальное влияние на эффективность АСК оказывает архитектура их построения-понятие, охватывающее структуру аппаратных средств, программное обеспечение и их взаимодействие.

Б последние годы появились признаки нового поколения ИИС [18, 19] и соответственно АСК [20, 2l] как подкласса ИИС, которые не поддаются эффективной оптимизации существующими методами.

Разработанные модели АСК опираются, как правило, на АСК первых поколений, учитывают только верхние иерархические уровни архитектуры, недостаточно гибкие, не универсальны, и не учитывают развитие архитектур АСК. Далее, разработанное множество критериев эффективности АСК базируется, как правило, также на архитектурных моделях АСК старых поколений, отсутствуют критерии, связывающие различные уровни общности оценки эффективности АСК — различные иерархические уровни архитектуры.

Таким образом, теория оптимизации АСК уже не удовлетворяет требованиям времени и не стимулирует построение эффективных перспективных АСК, хотя на практике уже появляются АСК с архитектурами нового поколения, т. е. обнаружилось некоторое диалектическое отставание теории построения АСК от ее практики.

Следовательно, актуальной задачей является дальнейшая разработка теории оптимизации АСК для синтеза архитектурно-оптимальных АСК нового поколения.

Объектом исследования в данной работе являются автоматизированные системы контроля цифровой радиоэлектронной аппаратуры, эксплуатируемые преимущественно в условиях производства, их архитектура, критерии эффективности и методы оптимизации.

Методика исследований состоит из теоретических построений, практических реализаций и экспериментальных иллюстраций результатов. Математический аппарат основывается на применении общей теории систем, теории алгоритмов и математической лингвистике, теории множеств, теории общей (абстрактной) алгебры, теории оптимального управления, аналитической геометрии. Основные результаты реализованы в виде алгоритмов и программ ЭВМ.

Научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту. Научная новизна работы заключается в следующем:

— определены основные тенденции архитектурного развития.

АСК,.

— разработана универсальная архитектурная модель АСК с адекватностью в отношении различной способности преобразования информации функциональными компонентами, реализации их иерархических отношений, программной и аппаратурной реализациях системных функций, количественных параметров, определяемых частными критериями эффективности,.

— на основе универсальной модели определены классы архитектурных моделей: нормальные архитектуры, отражающие АСК первых поколений и однородно-мультиплицированные архитектуры, отражающие перспективные АСК развивающегося поколения,.

— разработаны критерии оптимальности обоих классов архитектурных моделей (архитектурные критерии), позволяющие учитывать в одном показателе требования частных и общих критериев, отражающих архитектуру АСК на различных иерархических уровнях,.

— разработаны методы и алгоритмы синтеза архитектурно-оптимальных АСК на основе оптимизации нормальных и однородно-мультиплицированных архитектур.

На защиту выносятся:

— универсальная архитектурная модель АСК,.

— теоретические основы построения формальных классов архитектур — нормальных и однородно-мультиплицированных,.

— методы оптимизации нормальных и однородно-мультиплицированных архитектур,.

— алгоритмы синтеза архитектурно-оптимальных АСК.

Практическая ценность работы. Разработанные алгоритмы синтеза архитектурно-оптимальных АСК и их программная реализация могут быть использованы при создании, внедрении и эксплуатации АСК, что позволит автоматизировать процесс их разработки, внедрять и эксплуатировать системы с перспективными архитектурами, обеспечивающие получение наибольшего экономического эффекта.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы на Кишиневском заводе иСигнал" при проектировании, изготовлении и внедрении АСК. Внедренным в промышленность объектом, при создании и эксплуатации которого использованы алгоритмы синтеза архитектурно-оптимальных АСК, является автоматизированная система контроля цифровых устройств TECT-790I, выпускаемая серийно для предприятий отрасли. Архитектура АСК TECT-790I защищена авторским свидетельством [19]. Система удостоена серебрянной медали ВДНХ СССР. Внедрение АСК TECT-790I на одном только заводе «Сигнал» позволило получить годовой экономический эффект в размере более ста тысяч рублей (см. Приложение 3). Кроме того, результаты работы использованы в ОКР, при создании в СКВ Кишиневского завода «Сигнал» автоматизированной системы контроля микропроцессорных систем TECT-8I03, что позволило разработать архитектуру системы с высокими технико-экономическими показателями.

Структура и основное содержание работы. Диссертация. состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

4.4. Выводы.

В настоящей главе получены следующие основные результаты:

•I) показана необходимость разработки алгоритмов поиска минимума целевой функции внутри областей поиска, определенных в предыдущей главе;

2) разработано три вида алгоритмов поиска минимума внутри области поиска и, соответственно, три вида алгоритмов синтеза однородно-мультиплицированных архитектур АСК:

— алгоритм, основанный на прямом (полном) переборе,.

— алгоритм, основанный на алгоритме сортировки массивов фон Неймана (ранжирование),.

— алгоритм, основанный на методе ветвей и границ ;

3) выполнена программная реализация всех алгоритмов п. 2.

4) разработан общий алгоритм синтеза архитектурно-оптимальных АСК;

5) рассмотрены практические примеры синтеза архитектурно-оптимальных АСК.

Из полученных результатов вытекает:

1) экономические потери от неоптимальности архитектур в условиях эксплуатации АСК могут достигать больших величин}.

2) разработанные алгоритмы архитектурной оптимизации АСК позволяют эффективно синтезировать архитектурно-оптимальные ACKJ.

3) эффективность алгоритмов архитектурной оптимизации АСК сказывается тем больше, чем больше компонентов НА варьируются при синтезе ОМА и чем больше степень ее распределенности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе получены следующие основные результаты:

1) на основе анализа развития ИИС и АСК определены основные черты перспективных архитектур АСК четвертого поколения и тенденции их диалектического развития;

2) определена сущность задачи построения архитектурно-оптимальных АСК и проведен аналитический обзор существующих методов ее решения;

3) на основе аналитического обзора существующих методов решения задачи построения архитектурно-оптимальных АСК определено, что существующие архитектурные модели и критерии их оптимальности малопригодны для синтеза перспективных архитектурно-оптимальных АСК. Поставлена задача разработки методов синтеза АСК перспективных архитектур четвертого поколения;

4) разработаны теоретические основы построения архитектурных моделей перспективных АСК (четвертого поколения). Показано, что последние моделируются классом однородно-мультиплицированных архитектур;

5) на основе экономического критерия эффективности разработаны архитектурные критерии оптимальности АСК;

6) на основе разработанных архитектурных моделей и критериев их оптимальности разработаны аналитические методы оптимизации нормальных архитектур и получены области поиска минимума целевых функций для однородно-мультиплицированных архитектур АСК}.

7) разработаны алгоритмы синтеза архитектурно-оптимальных АСК четвертого поколения. Выполнена программная реализация алгоритмов и приведены практические примеры синтеза архитектурно-оптимальных АСК.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1) эффективность АСК радикально зависит от оптимальности их архитектуры;

2) основные тенденции диалектического развития архитектур АСК позволяют определить перспективные архитектуры как класс ОМА;

3) разработанные модели, критерии и методы оптимизации позволяют эффективно синтезировать архитектурно-оптимальные АСК четвертого поколения.