автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов специального назначения

На правах рукописи

УТКИН Денис Михайлович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ БЛОКОВ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

19 гт

005544140

Воронеж 2013

005544140

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зольников Владимир Константинович

Официальные оппоненты: Горлов Митрофан Иванович

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры полупроводниковой электроники и на-ноэлектроники

Авсеева Ольга Владимировна

кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий», доцент кафедры информационных технологий моделирования и управления

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт

электронной техники» (г. Воронеж)

Защита состоится 27 декабря 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.034.03 при ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 240.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Автореферат разослан 26 ноября 2013 г.

Ученый секретарь 4-/1 /

диссертационного совета " Анциферова Валентина Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработка программно-технических комплексов специального назначения относится к приоритетной области экономической политики Российской Федерации, так как они востребованы в научной, оборонной, социальной и иных важнейших сферах деятельности. При этом огромное значение имеет работоспособность программно-технических комплексов, включенных в перечень критических технологий Российской Федерации и предназначенных для авиационных, космических объектов, атомных электростанций, химических производств, вследствие того, что они имеют первоочередное значение для национальной безопасности РФ. Данные технические системы должны функционировать при воздействии ионизирующего излучения, электромагнитных помех, в широком диапазоне механических напряжений и температур.

Задача обеспечения работоспособности таких систем может быть решена только с помощью комплексного подхода, включающего в себя совершенствование архитектуры и структуры вычислительных модулей, разработку новой широкой номенклатуры функционально-ориентированной высокоинте1рированной электронной компонентной базы, создание научной и промышленной инфраструктуры проектирования, производства, испытания и эксплуатации вычислительных систем.

Среди указанных мероприятий задача разработки сложных блоков, составляющих основу программно-технических комплексов и сохраняющих свою работоспособность при воздействии целого спектра дестабилизирующих факторов, является особенно важной. Ее решение требует совершенствования, в первую очередь, средств автоматизированного проектирования (САПР), которые позволят разрабатывать изделия, работающие в указанных условиях. Прежде всего, это относится к моделированию различных видов воздействий и прогнозированию показателей надежности, которые должны учитывать радиационную компоненту.

Отметим, что моделирование работоспособности технических систем в указанных условиях и прогнозирование показателей надежности сложных блоков всегда было объектом рассмотрения при создании программно-технических комплексов. Этому посвящены многие работы авторов Зинчука В. М., Лимарева А. Е, Попова В. Д., Неровного В. В., Антимирова В. М..

Однако в настоящее время коренным образом изменились технологии создания блоков, появились новые схемотехнические и технологические решения, связанные как с созданием новой электронной компонентной базы, так и с методами ее комплексирования и обработки информации. Кроме того, появились новые и модернизировались традиционные виды дестабилизирующих факторов, ужесточились требования по показателям надежности и срокам функционирования аппаратуры в условиях ионизирующего воздействия, что нашло отражение в комплексе государственных стандартов (КГС) «Климат-7», «Мороз-6», а также в руководящих документах, конкретизирующих их.

Эти причины потребовали провести совершенствование САПР в части автоматизации проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов специального назначения, что и обусловило актуальность работы.

Диссертация выполнена по программам работ научно-образовательного центра ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»: «Разработка средств проектирования микросхем в час-

ти моделирования радиационного воздействия и разработка первого варианта ра-диационно-стойких библиотек элементов», поддержана грантами РФФИ 12-0831439 «Средства проектирования и управления проектами электронной компонентной базы» в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научному направлению ФГБОУ ВПО (ВГЛТА) «Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)» №01.2.00609244.

Объектом исследования является автоматизированное проектирование сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов специального назначения.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы моделирования работоспособности сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, функционирующих в условиях воздействия радиации в САПР сквозного проектирования.

Цель исследования состоит в создании методов, моделей и алгоритмов определения показателей надежности сложных блоков программно-технических комплексов в условиях воздействия радиации в САПР.

Для достижения поставленной цели необходимо найти решение следующих основных задач:

1. Провести анализ текущего состояния методов и средств автоматизации проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов при воздействии радиации, определить проблемы и направления их развития.

2. Сформировать методику проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, учитывающую радиационную компоненту, режим работы функциональных модулей и способную оценить показатели надежности технических систем.

3. Разработать математические модели вероятности безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов с учетом радиационных эффектов, возникающих в блоках при статическом радиационном воздействии.

4. Получить численные оценки безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов с учетом применения логико-вероятностного математического аппарата в зависимости от режима работы и параметров радиационного воздействия.

5. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, позволяющее оценить показатели надежности в условиях радиационного воздействия при динамическом режиме работы данных систем.

6. Реализовать разработанные средства и внедрить их в единую программную среду проектирования, осуществить их интеграцию в промышленное производство и оценить адекватность моделирования.

Методы исследования. В качестве теоретической и методологической основы диссертации использованы математический аппарат логики, теории графов, дифференциального исчисления, комбинаторики, математической статистики и дискретизации, а также элементы теории автоматизированного проектирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Методика проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, отличающаяся комплексным учетом отказов аппаратуры вследствие старения и деградации параметров от статического радиационного воздействия и способная оценить показатели надежности в процессе работы блоков в составе программно-технических комплексов;

- обобщенная функция определения безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, отличающаяся учетом радиационных эффектов статического характера;

- математическая модель для вычисления численных оценок безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов с учетом применения логико-вероятностного математического аппарата, отличающаяся учетом радиационного воздействия и режима работы блоков в составе программно-технических комплексов;

- алгоритмическое и программное обеспечения для проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, отличающиеся совокупностью процедур, позволяющих в комплексе учесть отказы аппаратуры вследствие старения и деградацию параметров от статического радиационного воздействия в зависимости от режима работы комплекса.

Практическая значимость и результаты внедрения. Предложенные методики в виде программных средств для проектирования сложных блоков программно-технических комплексов внедрены в ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) с экономическим эффектом 1409 тыс. рублей. Также результаты использовались для подготовки студентов по направлению «Информационные системы и технологии» и дополнительного образования «Разработчик профессионально-ориентированных компьютерных технологий». Анализ результатов внедрения показал их высокую значимость. Разработанные средства позволили значительно увеличить возможности проектирования сложных блоков с учетом их режимов работы, отказов аппаратуры вследствие старения и деградации параметров от статического радиационного воздействия. Основной практический вывод работы состоит в создании средств проектирования сложных блоков, реализованных на единой методологической платформе, что делает возможным их распространение на промышленных предприятиях аналогичного профиля.

Соответствие паспорту специальности. Согласно паспорту специальности 05.13.12 — Системы автоматизации проектирования — задачи, рассмотренные в диссертации, соответствуют областям исследований:

3. Разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП.

Апробация работы. Результаты и положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), а также предприятиях отрасли.

Основные результаты работы докладывались на конференциях и семинарах: VII Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» («ФММС-7») (г. Воронеж 2010 год); Российской академии наук «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС) » (г. Москва 2012

год), ХШ Международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (г. Воронеж 2012 год), одиннадцатой международной научной конференции «EAST-WEST DESIGN & TEST SYMPOSIUM (EWDTS 2013)» (г. Ростов-на-Дону 2013 год).

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 14 работ включая 4 работы в журналах, входящих в Перечень, определенный ВАК Ми-нобрнауки России, 6 работ выполнены без соавторов.

Личным участием автора является определение цели и задач работы [1, 2, 8, 13], выполнение научно-технических исследований [4-6], разработка и анализ моделей [10-12, 14], разработка алгоритмов [12], разработка методики проектирования [9,13], аппаратная [3] и программная реализация [7]. Общий объем всех публикаций 81 стр. Из них лично автором выполнено 55 стр.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 125 страницах и включает в себя введение, четыре главы, заключение, приложения, а также список используемой литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость, результаты внедрения, апробация работы и авторский вклад.

В первой главе рассмотрены программно-технические комплексы и основные составляющие их блоки, определены условия их эксплуатации и основные факторы, которые оказывают на них воздействие. Проведен анализ средств автоматизации проектирования сложных модулей, составляющих основу программно-технических комплексов, определены их недостатки и поставлены задачи по совершенствованию данных средств.

Программно-технические комплексы предназначены для обработки сложной информации для систем управления и используются в авиационной и космической технике, для атомных электростанций, ядерных реакторов и химических производств. В данной работе рассматриваются программно-технические комплексы, связанные с получением и передачей информации, которая поступает от различных объектов авиационного и космического назначения и требует обработки в реальном времени. Они могут быть расположены как на земле, так и на борту управляемых объектов. В соответствии с этим основными блоками таких комплексов являются модули, отвечающие за сбор и регистрацию информации, модули передачи информации и модули работы с данными. Основным назначением этих блоков является дистанционный прием, обработка и передача информации для систем управления, находящихся на определенном расстоянии.

Таким образом, для создания таких сложных технических систем необходимы средства автоматизации проектирования, которые способны оценить их работоспособность при воздействии на комплекс внешних факторов.

В главе проводится анализ данных средств, в результате которого показано, что современные средства автоматизации проектирования обладают рядом недостатков. Несмотря на значительное исследование проблемы многими авторами (Зин-чук В. М., Лимарев А. Е, Попов В. Д., Неровный В. В., Антимиров В. М.), основным недостаткам является отсутствие комплексного подхода к проблеме учета всех фак-

торов, т.е. их одновременного воздействия. Так, показатели надежности рассматриваются без учета радиации, а радиационная составляющая не учитывает процессов старения. Кроме того, на эти процессы накладываются различные температурные воздействия и механические нагрузки, которые также сильно влияют на показатели надежности сложных блоков программно-технических комплексов.

На основании этого ставится задача разработать методы, модели, алгоритмы и программные средства, позволяющие учесть комплексное воздействие процессов старения и радиационной деградации при учете режима работы блоков во взаимосвязи.

Для этого проведен анализ радиационной обстановки и выделены основные воздействующие факторы, которые соответствуют статическим видам радиации, характерным для космического излучения и атомных станций. Определен и основной параметр воздействия - накопленная доза ионизирующего излучения.

Проводится постановка задачи исследования, которая приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структура исследований диссертации Во второй главе предложена обобщенная методика проектирования технических блоков, функционирующих в условиях воздействия радиации, с учетом их динамического режима работы, разработана обобщенная модель определения показателей надежности сложных модулей, составляющих программно-технические комплексы.

Методика проектирования приведена на рисунке 2. Ее основное назначение состоит в получении модифицированной библиотеки функциональных блоков, используемых в программно-технических комплексах, с учетом показателей надежности, на основе использования мощных математических алгоритмов и требований технического задания (ТЗ), выданных на начальном этапе проектирования. При этом использование средств автоматизированного проектирования позволяет наиболее точно учесть все факторы, влияющие на конечный результат.

Новизна данной методики заключается во внедрении в САПР сквозного проектирования проектных процедур оценки показателей надежности сложных блоков программно-технических комплексов, отличающихся от существующих подходов комплексным учетом радиационного воздействия, показателей старения и режима работы сложных блоков. Основу данных процедур составляет математическая модель определения безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов. Внедрение данной математической модели надежности сложных блоков осуществляется как на системном уровне проектирования, так и на функционально-логическом уровне, который, в свою очередь, разделен на два модуля: внутренний и внешний. На внешнем модуле блоки представляются логическими функциональными узлами, выполняющими определенные целевые функции назначения, а на внутреннем уровне функциональные узлы декомпозированы до отдельных элементов. Данный подход позволяет разработать наиболее полную модифицированную библиотеку, включающую сложные блоки, функциональные узлы и элементы, учитывающие радиационную компоненту и динамический режим работы программно-технического комплекса при минимальных временных и материальных затратах.

В основу разработки формализованного представления математической модели сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов положены следующие суждения.

Преобразование входных и выходных значений параметров сложного блока может описываться оператором, определяющим его функционирование:

Z = G(A), (1)

где А - вектор входных параметров блока, Z - вектор выходных параметров блока, G - логическая функция преобразования входных значений блока в выходные с учетом изменения задержек переключения и нагрузочной способности, зависящей от температуры и дозы радиационного воздействия.

Для более точного описания преобразования входных и выходных значений параметров сложного блока в оператор (1) предложено ввести дополнительный параметр — вероятность безотказной работы Р. Тогда

Z = {U0,U1,N,T01,T10,X,HP}h A = {U0,U1,N,T01,T10,X,HP}, (2)

где Uo - выводы блока, принимающие значение логического 0, Ui - выводы блока, принимающие значение логического 1, N - нагрузочная способность блока, Toi - время задержки переключения блока из логического нуля в логическую единицу, Тю - время задержки переключения блока из логической единицы в логический нуль, X - компонента радиационного воздействия, M - компонента режима работы блока, Р - компонента вероятности безотказной работы блока.

Для определения компоненты Р, входящей в соотношение (2), к известной зависимости вероятности безотказной работы от времени P(t) предложено добавить дополнительные члены, которые описывают зависимость вероятности безотказной работы от дозы облучения - Р(Х), и взаимовлияние P(t) на Р(Х) с учетом режима работы блока М.

Вероятность безотказной работы Р, таким образом, предложено определить в виде функции

P(X,M,t) = M-[P(t) + P(X)-k(l-P(t))(l-P(X))-l], (3)

где к - коэффициент взаимовлияния P(t) и Р(Х).

Данное соотношение получено при следующих основных ограничениях и допущениях:

1. В процессе функционирования сложных блоков не учитываются радиацион-но-механические и радиационно-температурные эффекты, вызываемые статическим излучением.

2. Каналы проникновения радиационного излучения известны и не меняют свои проходные характеристики в процессе моделирования действия событий радиационного характера.

3. Эффективность функционирования сложных блоков на дискретном шаге моделирования остается постоянной и не меняет свое значение ни при каких условиях.

Вероятность P(t) определена с учетом последовательно-параллельной структуры сложных блоков программно-технических комплексов и имеет следующее формализованное представление:

p(t)=Hi-n

j=i

1-(Пехр(-Х;1)) 1—1

(4)

где г - коэффициент восстановления, вводимый для класса технических систем, характеризуемых восстанавливаемостью, 0 < г < 1 ; Xi — интенсивность отказа i-го блока, формирующего программно-технический комплекс; t - время наработки на отказ сложных блоков; п — количество последовательно соединенных элементов сложного блока; m - количество параллельно соединенных последовательностей из п элементов.

Для учета радиационной компоненты необходимо принять во внимание, что каждый сложный блок программно-технического комплекса характеризуется множеством критичных каналов проникновения радиации, в связи с чем вероятность Р(Х) можно определить в виде формализованного представления:

Р(Х)=1-П

н

l-(nexp(-vD))

ui

(5)

где Т[ - интенсивность отказов элемента сложного блока с учетом накопленной дозы радиации Э.

Таким образом, обобщенная функция определения безотказной работы сложных блоков программно-технических комплексов, функционирующих в условиях воздействия радиации, принимает вид

P(X,M,t) = M-

•a-n[i-(ftexp(-v))l

j=iL i=i Jj

)(1+к-П

j=i

(Пехр(-т, -D)) i=l

)-

(6)

Ш Г П -(1+к)'П 1-(Пехр(-т; -Б))

1=1

Предложенная функция учитывает статическое воздействие радиации на сложные модули, составляющие основу программно-технических комплексов. Достоверность данной формулы обеспечивается обоснованным выбором допущений и ограничений, принятых при постановке научной задачи, и использованием современного и надежного математического аппарата.

В третьей главе рассмотрен вид функции (6) с учетом применения логико-вероятностного математического аппарата, который позволяет получить численные оценки безотказной работы в условиях статического радиационного воздействия с учетом режима работы блоков. Также приводится алгоритмическое обеспечение оценки показателей вероятности безотказной работы сложных блоков и способы интеграции разработанного программного обеспечения в САПР сквозного проектирования.

Выбор логико-вероятностного подхода для определения показателей надежности сложных блоков связан с однозначным и строгим описанием систем в явном аналитическом представлении свойств и событий, таких, как безотказность, готовность выполнения целевой функции, прямо характеризующих основное назначение

и принципы технических систем. Поэтому использование данного математического аппарата способствует наиболее достоверному моделированию сложных модулей, составляющих программно-технические комплексы.

Для получения формализованного вида безотказной работы сложного блока с использованием логико-вероятностного подхода необходимо ввести в рассмотрение вектор параметров надежности модулей, связанных между собой операциями конъюнкции, дизъюнкции и отрицания. Вид функции параметров надежности блоков с учетом интеграции синтезированного вектора параметров надежности в выражение (4) имеет вид:

{п п+1 п

ЕР(А,)-2Р(А,А1)+ £Р(А;А;Ак)+...+(-1) Р(ПА,)[.

¡=1 к]'<к ¡=1

(7)

где Р(А;) — вероятность безотказной работы Арго функционального элемента сложного блока.

Интегрируя в (6) полученную функцию параметров надежности, получим

2Р(А,)-ЕР(А|А])+ £ Р(А1АЛк) + ... + (-1)°+1р(ПА!)| 1=1 1<}<к 1=1 1

Р(Х,М,0 = М-|г

(1+кП

н

1-(Пехр(-тгО))

(8)

Ы1+к) • пЬ " (Пехр(-V 0))1

j 1=1 Д)

Для получения детализированного вида коэффициента восстановления г используется вероятностная теория Марковских процессов и теория графов.

Согласно данным теориям, коэффициент восстановления г представляет собой вероятность нахождения сложного блока программно-технического комплекса в заданный момент времени в состоянии, определяемом работоспособностью к функциональных элементов из его состава.

Введем следующие обозначения:

Пусть - постоянная интенсивность перехода из состояния работоспособности (0 в состояние отказа (/); Ну- постоянная интенсивность перехода из состояния

отказа (/) в состояние работоспособности (/).

Тогда вероятность нахождения сложного блока в заданном состоянии в заданный момент времени можно описать системой дифференциальных уравнений:

Г «1Р0(1>

<11

-= -Х0,Ро(1) + ц,оР,(1),

= Хо.Ро (») - + Ц,о )Р.(1) + Ц2ЛО),

си

—= ^(п-1)цР(п-1)(1) - (^п(п+1) + Цп(ч-1))Рц(1) + Ц(п+1)пРц(0-Ш

(9)

Учитывая стационарность рассматриваемого Марковского процесса, можно

принять производные равными нулю, что сводит систему дифференциаль-

&

ных уравнений (9) к системе алгебраических уравнений:

11

0 = -Х01Р0(1) + ц10Р1(1), о = А.01Р0 (0 - (>.12 + ц10)Р, (I) + ц21Р2 (I),

0 = Ь(П-1)пР(п-1) № " + Ип(п-1>)РпМ + И<д+1)А (О-

(П)

к^Я.01Я.12 •—¡=1 цк(к_ц •...• ц10 '=1 ^10^21 •••••Ищ-1)

(12)

С помощью полученного формализованного представления показателей надежности производится внедрение расчетных значений вероятности безотказной работы сложных блоков программно-технических комплексов в САПР сквозного проектирования. Алгоритмическая основа интеграции надежностных показателей в средства автоматизированного проектирования программно-технических комплексов представлена на рисунке 3.

1. На основе экспериментальных данных производится оценка показателей надежности функциональных элементов из состава сложных блоков программно-технических комплексов. При этом используются упрощенные математические модели. Данный этап отличается простотой реализации, зачастую в ущерб точности, однако с помощью подобных расчетов формируется общая картина качества функционирования элементов, сложных блоков.

2. Для определения показателей надежности модулей в целом необходимо, прежде всего, провести декомпозицию его на функциональные узлы, которые, в свою очередь, представить в виде отдельных элементов.

3. Устанавливаются возможные комбинации логических связей элементов и подсистем, на основе которых с использованием разработанной логической функции (7) производится уточнение параметров надежности. При этом определяется количество возможных вариантов работы сложных блоков и производится согласование возможных решений выполнения основной целевой функции программно-технического комплекса с заданными требованиями ТЗ и установленным критерием функционирования.

4. Следующим этапом при проектировании высоконадежных модулей, составляющих программно-технические комплексы, является определение показателей надежности блоков при воздействии на них радиации. Данная задача решается с использованием существующих библиотек «неисправных» функциональных элементов и узлов с учетом показателей надежности в условиях радиации.

5. Полученные параметры поражения элементов, с учетом воздействия радиации, интегрируются в функцию показателей надежности (8), после чего происходит определение вероятности безотказной работы сложных блоков на функционально-логическом и системном уровнях соответственно.

Формирование требований ТЗ на ПТК и сложные блоки

А А

Составление расчетных мат. моделей сложных блоков

Анализ радиационной обстановки

Определение каналов проникновения радиации и обозначение критичных узлов в сложных блоках

Формирование требований к составу сложных блоков и требований к '3КБ

05

ы О

ю *

s о О В! К S s

6 о ^ и s 23 m о В-ь я cd С. сз а. g s

é 1 S >

W

Я g

©

<->

Моделирование и расчет надежности сложных блоков на основе качествеиых моделей

I

Показатели надежности на основе моделирования функциональных узлов блоков с учетом радиационной компоненты

<—>

Расчетные показатели надежности функн. узлов блоков

Моделирование и расчет надежности подсистем сложных блоков на функционально-логическом уровне

Вектор параметров надежности элементов сложных блоков при воздействии радиации

Расчетные показатели надежности элементов сложных блоков

Моделирование и определение показателей надежности элементов сложных блоков на функционально-логическом уровне

-£1=

V

Экспериментальные данные по надежности элементов и подсистем сложных блоков

САПР НТК

Системный уровень проектирования Проектирование сложных блоков

Функшюнапшо-тголтскин уровень проектирования

- Проектирование подсистем сложных блоков (внешний уровень)

- Проектирование элементов сложных блоков

{внутренний уровень)

Схемотехнический уровень ироек1нроваш и

П|юектироваНие ЭКБ, используемой а сложных блоках

Базовая библиотека элементов и подсистем сложных блоков на функционально-логическом уровне

Интенсивность отказов при возденствш!

Базовая библиотека сложных блоков на основе моделей "неисправных" элементов

Модифицированная библиотека сложных блоков ПТК

Определение показателей надежности при радиационном воздействии Проведение испытаний сложных блоков, полученных в ходе проектиронагтя

Оценка соответствия полученной модифицированной библиотеки элементов сложных блоков, образующих ПТК требованиям ТЗ. Принятие решешм о необходимости и возможности модершнации технического комплекса

Рисунок 3 - Алгоритмическая основа интеграции показателей надежности сложных блоков в САПР программно-технических комплексов (ПТК)

6. С помощью полученных расчетных значений формируется модифицированная библиотека элементов, содержащая точные показатели надежности слож-

ных блоков, в том числе и при воздействии на них ионизирующего радиационного излучения.

После разработки модифицированной базы сложных блоков программно-технических комплексов производится ее тестирование экспериментальными методами, на основе которых формируется оценка соответствия полученной базы блоков требованиям ТЗ. Также на этом этапе принимается решение о возможных доработках и конструктивных улучшениях программно-технических комплексов.

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с практической реализацией предложенных средств и оценкой адекватности моделирования сложных блоков. В рамках диссертации разработано проблемно-ориентированное программного обеспечение (ПО), внедренное в общий маршрут проектирования данных технических систем. Интерфейс пользователя проблемно-ориентированного ПО представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Интерфейс пользователя для расчета вероятности безотказной работы

сложных блоков

Для оценки адекватности моделирования показателей надежности технических систем проведен расчет вероятности безотказной работы сложных блоков, разрабатываемых ОАО «Концерн «Созвездие», с помощью разработанного программного обеспечения, и проведено сравнение с экспериментальными значениями, полученными в ходе проектирования данных модулей. Результаты сравнения выявили достаточное совпадение расчетных и экспериментальных показателей надежности (рисунок 5).

Рисунок 5 - Вероятность безотказной работы. 1- эксперимент; 2 - расчет

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Проведен анализ современного состояния методов и средств автоматизации проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических ком-

14

плексов при воздействии радиации. Сформировано направление работ по совершенствованию проектирования функциональных блоков технических систем.

2. Предложена методика проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, позволяющая учесть радиационную компоненту и режимы работы блоков для оценки показателей надежности технических систем, что значительно сокращает объем испытаний по определению показателей надежности и снижает стоимость разработки.

3. Создана математическая модель показателей надежности сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, позволяющая за счет учета радиационных эффектов, возникающих в блоках при статическом радиационном воздействии, более точно определить показатели надежности.

4. Предложена обобщенная функция безотказной работы сложных блоков, функционирующих в условиях радиационного воздействия, позволяющая повысить точность прогнозирования характеристик надежности технических систем.

5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для проектирования сложных блоков высоконадежных технических систем, позволяющее оценить показатели надежности в условиях радиационного воздействия при динамическом изменении режимов.

6. Разработанные средства реализованы и интегрированы в единую программную среду проектирования, проведены экспериментальные исследования, подтвердившие адекватность предложенных средств проектирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях Перечня, определенного ВАК Минобрнауки России

1. Ачкасов, В. Н. Обобщенный критерий надежности интегральных схем и методы защиты от одиночных сбоев в цифровых устройствах на стадии проектирования [Текст] / В. Н. Ачкасов, В. А. Смерек, Д. М. Уткин // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - №76. - С. 387-398.

2. Ачкасов, В. Н. Методы обеспечения стойкости микросхем к одиночным событиям при проектировании радиационно-стойких микросхем [Текст] / В. Н. Ачкасов, В. А. Смерек, Д. М. Уткин, В. К.Зольников // Сборник трудов Всероссийских научно-технических конференций «Проблемы разработки перспективных микро и наноэлектронных систем (МЭС)». - 2012. -№1. - С. 634-638.

3. Уткин, Д. М. Интеграция параметров надежности в средства автоматизированного проектирования программно-технических комплексов специального назначения [Текст] / Д. М. Уткин // Системы управления и информационные технологии. -2013,- №4.1 - С. 194-203.

4. Яньков, А. И. Методы проектирования сбоеустойчивых 8-разрядных микроконтроллеров к воздействию ТЗЧ [Текст] / А. И. Яньков, В. А. Смерек, В. П. Крюков, В. К. Зольников, Д. М. Уткин // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2012. - №4. - С. 73-79.

Статьи и материалы конференций

5. Ачкасов, В. Н. Методы проектирования микросхем, стойких к одиночным событиям [Текст] / В. Н. Ачкасов, В. А. Смерек, Д. М. Уткин, К. В.Зольников // Моделирование систем и процессов. -2012. -№3. - С. 17-20.

6. Смерек, В. А. Оценка сбоеустойчивости интегральных схем от воздействия тяжелых заряженных частиц в цифровых микросхемах на стадии проектирования [Текст] / В. А. Смерек, Д. М. Уткин, Крюков В. П. // Моделирование систем и процессов. - 2011. - №4. - С. 71-75.

7. Уткин, Д. М. Проблемно-ориентированное программное обеспечение для расчета показателей надежности сложных блоков программно-технических комплексов и его интеграция в САПР сквозного проектирования [Текст] / Д. М. Уткин, В. К. Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2013. - №3. С.92-96.

8. Уткин, Д. М. Создание подсистемы верификации сложных цифровых микросхем с учетом радиационного воздействия [Текст] / Д. М. Уткин // Моделирование систем и процессов. — 2012.-№1.-С. 80-86.

9. Уткин, Д. М. Оптимизация методов защиты сложных цифровых блоков от одиночных событий [Текст] // XIII Международная конференция «Информатика: проблемы, методология, технологии».

10. Уткин, Д. М. Обобщенная формула надежности программно-технических комплексов специального назначения [Текст] / Д. М. Уткин // Моделирование систем и процессов. -2013,-№2. -С. 82-86.

11. Уткин, Д. М. Расчет надежности программно-технических комплексов специального назначения с помощью теории графов [Текст] / Д. М. Уткин // Моделирование систем и процессов. - 2013. - №2. - С. 86-90.

12. Уткин, Д. М. Математическая модель программно-технических комплексов с учетом показателей надежности и ее интеграция в САПР сквозного проектирования [Текст] / Д. М. Уткин // Моделирование систем и процессов. - 2013. - №2. - С. 77-82.

13. Уткин, Д. М. Обобщенная методика проектирования сложных блоков, составляющих программно-технические комплексы специального назначения [Текст] / Д. М. Уткин, К. В. Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2013. - №3. - С. 83-87.

14. Уткин, Д. М. Математическая модель сложных функциональных блоков, функционирующих в условиях воздействия радиации [Текст] / Д. М. Уткин, В. В. Лавлинский, В. А. Скляр // Моделирование систем и процессов. - 2013. - №3. - С. 88-91.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, направлять по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ВГЛТА, ученому секретарю. Тел / Факс (4732>53-67-08

Уткин Денис Михайлович

Автоматизации проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов специального назначения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 22.11.2013. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. _Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ №529_

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежской государственной лесотехнической академии

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

04201455250

УТКИН Денис Михайлович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ БЛОКОВ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор Зольников В. К.

Воронеж 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................5

1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ СЛОЖНЫХ БЛОКОВ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ СТАТИЧЕСКОГО РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ..........................................................................12

1.1. Программно-технические комплексы специального назначения: назначение, состав и перспективы разработки.......................................12

1.2. Анализ современных подходов к автоматизации проектирования сложных блоков, составляющих ПТК.................................................17

1.3. Особенности проявления радиационного воздействия на сложные блоки, использующие современную микрокомпонентную базу.................22

1.4. Анализ и возможности средств проектирования по прогнозированию показателей надежности сложных блоков, составляющих ПТК, при воздействии на них событий радиационного характера....................................................................................29

1.5. Развитие моделирования событий радиационного воздействия современными средствами проектирования..........................................35

1.6. Выводы, цели и задачи исследования....................................36

2. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ БЛОКОВ С УЧЕТОМ КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НИХ РАЗЛИЧНЫХ ДЕГРАДАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ................................................40

2.1. Обобщенная методика проектирования сложных блоков с комплексным учетом отказов аппаратуры вследствие воздействия различных деградационных факторов...............................................................40

2.2. Обобщенная математическая модель параметров надежности сложных блоков ПТК с учетом старения технических систем при статическом радиационном воздействии.............................................47

2.3. Обоснование методов, средств и среды проектирования для получения моделей высоконадежных сложных блоков............................57

2.4. Выводы.........................................................................60

3. ОБОБЩЕННАЯ ФУНКЦИЯ ВЕРОЯТНОСТИ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ СЛОЖНЫХ БЛОКОВ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И ЕЕ ИНТЕГРАЦИЯ В САПР СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.............62

3.1. Логическая функция параметров надежности сложных блоков, составляющих программно-технические комплексы, на основе логико-вероятностного математического аппарата..........................................63

3.2. Использование вероятностной теории Марковских процессов и теории графов для детализации обобщенной функции параметров надежности сложных блоков............................................................67

3.3. Интеграция расчетных формул параметров надежности в САПР сквозного проектирования...............................................................74

3.4. Выводы..........................................................................79

4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ БЛОКОВ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИК, МОДЕЛЕЙ И АГОРИТМОВ.........................................................80

4.1. Определение показателей надежности сложных блоков ПТК и экспериментальная проверка адекватности моделей...............................81

4.2. Особенности разработанного программного обеспечения для

расчета надежности программно-технических-комплексов специального

назначения в нормальных условиях и условиях воздействия

радиации.....................................................................................95

4.3 Результаты апробирования программно-технического комплекса специального назначения, разработанного с использованием программного обеспечения расчета надежности ПТК в нормальных условиях и в условиях воздействия событий радиационного характера...................................105

4.4. Выводы........................................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................111

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ........................113

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Разработка программно-технических комплексов специального назначения относится к приоритетной области экономической политики Российской Федерации, так как они востребованы в научной, оборонной, социальной и иных важнейших сферах деятельности. При этом огромное значение имеет работоспособность программно-технических комплексов, включенных в перечень критических технологий Российской Федерации и предназначенных для авиационных, космических объектов, атомных электростанций, химических производств, вследствие того, что они имеют первоочередное значение для национальной безопасности РФ. Данные технические системы должны функционировать при воздействии ионизирующего излучения, электромагнитных помех, в широком диапазоне механических напряжений и температур.

Задача обеспечения работоспособности таких систем может быть решена только с помощью комплексного подхода, включающего в себя совершенствование архитектуры и структуры вычислительных модулей, разработку новой широкой номенклатуры функционально-ориентированной высокоинтегрированной электронной компонентной базы, создание научной и промышленной инфраструктуры проектирования, производства, испытания и эксплуатации вычислительных систем.

Среди указанных мероприятий задача разработки сложных блоков, составляющих основу программно-технических комплексов и сохраняющих свою работоспособность при воздействии целого спектра дестабилизирующих факторов, является особенно важной. Ее решение требует совершенствования, в первую очередь, средств автоматизированного проектирования (САПР), которые позволят разрабатывать изделия, работающие в указанных условиях. Прежде всего, это относится к моделированию различных видов воздействий и прогнозированию

показателей надежности, которые должны учитывать радиационную компоненту.

Отметим, что моделирование работоспособности технических систем в указанных условиях и прогнозирование показателей надежности сложных блоков всегда было объектом рассмотрения при создании программно-технических комплексов. Этому посвящены многие работы авторов Зинчука В. М., Лимарева А. Е, Попова В. Д., Неровного В. В., Антимирова В. М..

Однако в настоящее время коренным образом изменились технологии создания блоков, появились новые схемотехнические и технологические решения, связанные как с созданием новой электронной компонентной базы, так и с методами ее комплексирования и обработки информации. Кроме того, появились новые и модернизировались традиционные виды дестабилизирующих факторов, ужесточились требования по показателям надежности и срокам функционирования аппаратуры в условиях ионизирующего воздействия, что нашло отражение в комплексе государственных стандартов (КГС) «Климат-7», «Мороз-6», а также в руководящих документах, конкретизирующих их.

Эти причины потребовали провести совершенствование САПР в части автоматизации проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов специального назначения, что и обусловило актуальность работы.

Диссертация выполнена по программам работ научно-образовательного центра ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»: «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования радиационного воздействия и разработка первого варианта радиационно-стойких библиотек элементов», поддержана грантами РФФИ 12-08-31439 «Средства проектирования и управления проектами электронной компонентной базы» в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научному

б

направлению ФГБОУ ВПО (ВГЛТА) «Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)» №01.2.00609244.

Объектом исследования является автоматизированное проектирование сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов специального назначения.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы моделирования работоспособности сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, функционирующих в условиях воздействия радиации в САПР сквозного проектирования.

Цель исследования состоит в создании методов, моделей и алгоритмов определения показателей надежности сложных блоков программно-технических комплексов в условиях воздействия радиации в САПР.

Для достижения поставленной цели необходимо найти решение следующих основных задач:

1. Провести анализ текущего состояния методов и средств автоматизации проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов при воздействии радиации, определить проблемы и направления их развития.

2. Сформировать методику проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, учитывающую радиационную компоненту, режим работы функциональных модулей и способную оценить показатели надежности технических систем.

3. Разработать математические модели вероятности безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов с учетом радиационных эффектов, возникающих в блоках при статическом радиационном воздействии.

4. Получить численные оценки безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов с учетом применения логико-вероятностного математического аппарата в зависимости от режима работы и параметров радиационного воздействия.

5. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, позволяющее оценить показатели надежности в условиях радиационного воздействия при динамическом режиме работы данных систем.

6. Реализовать разработанные средства и внедрить их в единую программную среду проектирования, осуществить их интеграцию в промышленное производство и оценить адекватность моделирования.

Методы исследования. В качестве теоретической и методологической основы диссертации использованы математический аппарат логики, теории графов, дифференциального исчисления, комбинаторики, математической статистики и дискретизации, а также элементы теории автоматизированного проектирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Методика проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, отличающаяся комплексным учетом отказов аппаратуры вследствие старения и деградации параметров от статического радиационного воздействия и способная оценить показатели надежности в процессе работы блоков в составе программно-технических комплексов;

- обобщенная функция определения безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, отличающаяся учетом радиационных эффектов статического характера;

математическая модель для вычисления численных оценок безотказной работы сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов с учетом применения логико-вероятностного математического аппарата, отличающаяся учетом радиационного воздействия и режима работы блоков в составе программно-технических комплексов;

- алгоритмическое и программное обеспечения для проектирования сложных блоков высоконадежных программно-технических комплексов, отличающиеся совокупностью процедур, позволяющих в комплексе учесть 01казы аппаратуры вследствие старения и деградацию параметров от статического радиационного воздействия в зависимости от режима работы комплекса.

Практическая значимость и результаты внедрения. Предложенные методики в виде программных средств для проектирования сложных блоков программно-технических комплексов внедрены в ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж) с экономическим эффектом 1409 тыс. рублей. Также результаты использовались для подготовки студентов по направлению «Информационные системы и технологии» и дополнительного образования «Разработчик профессионально-ориентированных компьютерных технологий». Анализ результатов внедрения показал их высокую значимость. Разработанные средства позволили значительно увеличить возможности проектирования сложных блоков с учетом их режимов работы, отказов аппаратуры вследствие старения и деградации параметров от статического радиационного воздействия. Основной практический вывод работы состоит в создании средств проектирования сложных блоков, реализованных на единой методологической платформе, что делает возможным их распространение на промышленных предприятиях аналогичного профиля.

Соответствие паспорту специальности. Согласно паспорту специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования - задачи, рассмотренные в диссертации, соответствуют областям исследований:

3. Разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП.

Апробация работы. Результаты и положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), а также предприятиях отрасли.

Основные результаты работы докладывались на конференциях и семинарах: VII Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» («ФММС-7») (г. Воронеж 2010 год); Российской академии наук «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС) » (г. Москва 2012 год), XIII Международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (г. Воронеж 2012 год), одиннадцатой международной научной конференции «EAST-WEST DESIGN & TEST SYMPOSIUM (EWDTS 2013)» (г. Ростов-на-Дону 2013 год).

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 14 работ, включая 4 работы в журналах, входящих в Перечень определенный ВАК Минобрнауки России, 6 работ выполнены без соавторов.

Личным участием автора является определение цели и задач работы [10, 12, 78, 85], выполнение научно-технических исследований [11, 66, 94], разработка и анализ моделей [79, 81, 84], разработка алгоритмов [78], разработка методики проектирования [80, 82], аппаратная [77] и программная реализация [83]. Общий объем всех публикаций 79 стр. Из них лично автором выполнено 55 стр.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 125 страницах и включает в себя введение, четыре главы, заключение, приложения, а также список используемой литературы.

1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ СЛОЖНЫХ БЛОКОВ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ СТАТИЧЕСКОГО РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Материал главы содержит общие аспекты описания программно-технических комплексов специального назначения (ПТК), сложных блоков, составляющих их основу, возможности создания данных технических систем с учетом показателей надежности с помощью средств автоматизированного проектирования, а также определены особенности функционирования сложных блоков и ПТК в условиях радиационного воздействия.

1.1. Программно-технические комплексы специального назначения: назначение, состав и перспективы разработки

Сегодня, как никогда остро, перед российской экономикой и промышленностью стоит задача формирования научно-технического задела для создания новейших образцов вооружений и гражданской техники, повышения конкурентоспособности отечественных отраслей и предприятий. Рост экономических показателей, увеличение валового продукта и модернизация вооруженных сил определены Государством в числе стратегических приоритетов нашей страны [7, 38]. Для решения этих задач, а также с целью динамического развития науки, необходимо большое внимание уделять перспективным проектам и разработкам, являющимися основой развития российской экономики и промышленности.

Модернизация промышленности в целом и оборонно-промышленного комплекса в частности является, кроме того, залогом безопасности и продвижения национальных интересов нашей страны во всем мире, что делает актуальность работы по внедрению перспективных и инновационных решений в промышленность еще более значимой.

Одним из важнейших направлением в этой области является создание перспективных и высоконадежных ПТК. Особая роль при этом отводится разработке комплексов, включенных в перечень критических технологий Российской Федерации и предназначенных для авиационных, космических отраслей промышленности, химических производств и атомных реакторов.

Данные ПТК работа�