Программно-аппаратный комплекс проектирования цифровых систем обработки данных, базирующихся на схемах высокой и сверхвысокой степени интеграции

Актуальность темы

диссертационной работы.

В настоящее время системы цифровой обработки данных (СЦОД) имеют значительную и постоянно расширяющуюся сферу применения.

Фирмы-производители микропроцессорных компонент пытаются внедрить свои конкурентно-способные разработки. В связи с этим перед разработчиками встает вопрос, компоненты каких мировых производителей выбрать. Однозначно ответить на этот вопрос нельзя, поскольку у одного производителя, как правило, не существует, полного набора электронных компонент, необходимого для реализации проекта. Для решения этого вдпроса существуют два пути.

В первом случае разработчик выбирает один, максимум два продукта какого-либо производителя и пытается применить их во всех последующих разработках что, разумеется, ведет к необоснованным затратам. Еще более усугубляется ситуация, когда проектируется многопроцессорный функционально сложный комплекс, а возможности аппаратуры недостаточны. Следовательно, возрастают сроки проектирования.

Во втором случае, разработчик осваивает новый продукт. Однако при таком подходе возникает необходимость приобретения нового специализированного программного обеспечения и оборудования. При постановке новых задач на проектирование такой процесс будет необратимым.

На сегодняшний день в России ощущается недостаток подготовленных кадров в данной области, а большинство современных средств разработки не могут быть внедрены в процесс подготовки специалистов в силу целого ряда причин: во первых, из-за высокой стоимости аппаратуры и программного обеспеченияво вторых, в связи с узконаправленностью специализированных системв третьих, из-за отсутствия квалифицированного персонала и, в четвертых, из-за низкого уровня поддержки со стороны отечественных фирм-производителей.

Перечисленные факторы определяют актуальность разработки как методологии, так и новых средств проектирования систем обработки данных.

Цель данного исследования — разработка программно-аппаратного комплекса для проектирования и исследования встроенных систем цифровой обработки данных прикладного назначения. Для достижения этой цели формулируются следующие задачи:

1. Определить и исследовать предметную область, сформулировать основные задачи проектирования СЦОД.

2. Определить основные характеристики проектируемых СЦОД.

3. Провести анализ существующих комплексов, методов и средств проектирования СЦОД.

4. Разработать и провести апробацию методики и экспериментального варианта программно-аппаратного комплекса проектирования СЦОД.

5. Провести экспериментальное внедрение разработанных методик и комплекса в производство и процесс подготовки специалистов.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Разработана модель цифровой системы обработки данных, в основу которой положены разработанные математические модели основных параметров проектируемых систем. Сформулированы основные этапы математического анализа проектируемых систем.

2. Разработанная модель позволяет внедрять аппаратные платформу различных фирм-производителей без существенных затрат на дополнительное программное и аппаратное обеспечение.

3. Разработана методика комплексного подхода к проектированию/анализу прикладных вычислительных систем. Разработаны структура и состав универсальной программно-аппаратной системы для проектирования систем цифровой обработки данных на базе микроконтроллеров.

Основные практические результаты работы следующие:

1. Спроектирована универсальная интегрированная среда разработки, в частности, реализованы основные модули программного обеспечения с^еды.

2. Реализовано встроенное программное обеспечение аппаратных модулей комплекса.

3. Разработаны программно-аппаратные модули поддержки проектирования систем на базе МК Atmel AVR (MlabSTK500), МК Motorola (Mlab908).

4. Создано программное обеспечение универсального эмулятора микропроцессоров и микроконтроллеров на языке С++, включающее библиотеки прикладных программ.

5. Проведена апробация методики и аппаратных средств комплекса разработки в лаборатории микропроцессоров и микроэлектроники каф. ВТ, ФИВТ КГТУ. В частности, выполнено экспериментальное проектирование в области медицинского приборостроения и систем визуального отображения информации (5,6, прил. «в»).

6. Результаты проведенных исследований и разработок внедрены в производственный процесс ЗАО «КАМИ Красноярск» и применяются в учебном процессе ФИВТ КГТУ (прил. «г»).

Основной идеей предложенного подхода к проектированию является совмещение и распараллеливание различных этапов проектирования, анализа и отладки встроенных систем с принципами модульности, причем как непосредственно самой разрабатываемой системы, так и методологии ее проектирования.

Кроме того, на различных этапах создания проекта предлагается совмещать методы высокоуровневого проектирования систем с прикладной методикой воплощения системы в реальное устройство, поскольку для различных этапов разработки и уровней абстрактного описания системы наибольший эффект достижим только при соответствующем методе работы.

Предложенный комплекс программно-аппаратных средств наибольший эффект даст в сфере научных и образовательных программ, а заложенные в основу предлагаемой методологии проектирования концепции параллелизма и самомодифицирования делают ее наиболее перспективной в области прикладного проектирования встроенных СЦОД.

Как указывалось выше, в основу экспериментального варианта комплекса заложены принципы самомодифицирования и модульности, поэтому как программная, так и аппаратная части комплекса допускают создание новых модулей по мере развития представлений об изучаемой предметной области и, как следствие, обладают свойством универсальности, что выгодно отличает разработанную систему от существующих аналогов.

Основные преимущества применения предложенного метода и комплекса:

• Сокращение сроков разработки встроенных систем цифровой обработки данных.

• Невысокий уровень капитальных вложений за счет гибкой системной платформы.

• Повышение уровня как действующих специалистов, так и уровня подготовки кадров в различных областях микропроцессорной техники.

Апробация работы.

Основные результаты докладывались на семинарах в Красноярском государственном техническом университетена научно-практической конференции «Информатика и информационные технологии», Красноярск, март 2001 г.- на конференции «Моделирование неравновесных систем 2002», Красноярск, октябрь, 2002.

По результатам исследований автором опубликовано 11 работ (прил. «в»). В том числе в соавторстве с научным руководителем диссертации издано учебное пособие «Микропроцессоры и микроконтроллеры в вычислительных системах». Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. 503 с. Изданы учебные пособия: «Технология Atmel AVR систем». Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. 115 е.- «Технология Flash-микроконтроллеров Motorola». Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. 150 с.

Программное обеспечение и разработанные технологии, а также созданные в процессе работы аппаратные модули MlabSTK500 и М1аЬ908 применяются ЗАО «КАМИ Красноярск» и в учебном процессе ФИВТ КГТУ, (прил. 8 г").

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю профессору Е. А. Вейсову, профессору В. В. Шайдурову, доцентам В. И. Иванову, Л. И. Покидышевой, В. Г. Середкину, всем членам кафедры вычислительной техники, чья поддержка и благожелательная критика сопутствовали данной работе на протяжении нескольких лет.

4.5. Выводы.

В результате проведенной разработки программного обеспечения выявлено следующее:

1. Разрабатываемое программное обеспечение имеет ряд существенных преимуществ перед имеющимися аналогами. Основным преимуществом следует считать возможность совмещения программ моделирования проекта с прикладным программным обеспечением поддержки целевых платформ различных фирм производителей.

2. Разработанные библиотечные модули программного обеспечения низкого уровня, и библиотеки описания устройств на языке VHDL, могут с успехом применяться как в текущих и последующих разработках, так и в учебном процессе.

3. Существует объективная необходимость внедрения разработанного программного и аппаратного обеспечения в процесс подготовки специалистов, и выполнение ряда работ по реализации алгоритмов.

4. Экспериментальная проверка программного обеспечения и разработанных аппаратных модулей поддержки целевых платформ, позволяет сделать вывод о подтверждении теоретических положений исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической задачи: разработке методологии и программно-аппаратного комплекса проектирования цифровых систем обработки данных, базирующихся на схемах высокой и сверхвысокой степени интеграции.

В процессе работы над диссертацией получены следующие основные результаты:

1. Разработана модель цифровой системы обработки данных, в основу которой положены разработанные математические модели основных параметров проектируемых систем. Сформулированы основные этапы математического анализа проектируемых систем.

2. Разработанная модель позволяет внедрять аппаратные платформы различных фирм-производителей без существенных затрат на дополнительное программное и аппаратное обеспечение.

3. Разработаны методика комплексного подхода к проектированию-анализу прикладных вычислительных систем, структура и состав универсальной программно-аппаратной системы для проектирования систем цифровой обработки данных на базе микроконтроллеров.

Разработана универсальная интегрированная среда (иГОЕ), позволяющая визуализировать процесс проектирования, осуществлять моделирование и прикладную реализацию систем.

Экспериментальные образцы аппаратных (М1аЬ8ТК500, М1аЬ908) и программных модулей и библиотек (ИГОЕ), как результат научно-исследовательской работы внедрены в ЗАО «КАМИ-Красноярск» и учебный процесс с целью подготовки специалистов на факультете автоматики и вычислительной техники Красноярского государственного технического университета. В частности, выполнены проекты в области медицинского приборостроения и систем визуального отображения информации (приложе.

124 ние «г"[5,6]).

Созданные на языке описания аппаратуры УНОЬ библиотеки программных модулей используются в учебном процессе при моделировании микропроцессорных и микроконтроллерных систем.

Таким образом, экспериментальная проверка функционирования программных и аппаратных модулей позволяет сделать вывод о подтверждении теоретических положений и достижении практической цели исследования.

При разработке аппаратного и программного обеспечения комплекса и исследовании и разработке методики проектирования было накоплено большое количество теоретических и практических материалов в данной области, не вошедших в диссертацию. В настоящее время продолжается работа в этом направлении.