автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Эффективная методика обработки и анализа данных при синтезе структур встроенных компьютерных систем

На правах рукописи

003062550

Третьяков Сергей Вячеславович

ЭФФЕКТИВНАЯ МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ДАННЫХ ПРИ СИНТЕЗЕ СТРУКТУР ВСТРОЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05 13 11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2007

003062550

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Зеленко Г В

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Иванников Александр Дмитриевич кандидат технических наук, Шмейлин Борис Захарьевич

Ведущая организация ОАО "Институт электронных управляющих

машин"

Защита диссертации состоится «15» мая 2007 г в 10 часов 30 минут на заседании Диссертационного совета Д212 119 02 Московского государственного университета приборостроения и информатики по адресу 107996, Москва, ул Стромынка, д 20

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке МГУПИ

Автореферат разослан «12» апреля 2007 г

Ученый секретарь Диссертационного Совета

к т н, доцент Г В Зеленко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Требования к процессу проектирования современных встроенных систем существенно повышаются с ростом серийности и распространенности изделий, в которых эти системы используются

С одной стороны, существенно возрастают требования пользователей к удобству использования систем, к их надежности и стабильности С другой стороны, состояние рынка встраиваемых контроллеров и сопутствующих компонентов предоставляет проектировщику широчайшее поле для выбора элементной базы, наилучшим образом приспособленной к конкретному применению

Основные проблемы, связанные с выбором комплекта элементов для проектирования встроенной системы, обусловлены слабой формализованностыо самого этого процесса Проблеме такого выбора посвящено достаточно много работ, однако практически все они основываются исключительно на экспертных оценках влияния этого выбора на целевые характеристики системы

Современный подход к проектированию таких систем требует

- формирования формализованных характеристик результирующей системы, способных служить критерием обоснованного выбора составляющих компонентов,

- использования формализованной модели проектирования системы, которая может уточняться на основании модельных или натурных экспериментов,

- итеративного уточнения структуры и состава проектируемой системы на основе уточненной модели и формальных критериев,

- оценки характеристик результирующей системы на основе моделирования ее в рамках стандартной системы разработки

Залогом эффективности решения этих задач является выбор рациональной структуры проектируемой системы и соответствующих средств проектирования, осуществление системного подхода к построению формализованной модели проектирования встроенной системы, выработке методики априорной оценки параметров этой модели, уточнения ее на основе результатов верификации и натурных испытаний, а также выбора окончательного варианта системы по результатам испытаний и экспертной оценки проекта

В свете всего сказанного выше эта проблема является актуальной

Цель работы заключается в разработке новой эффективной технологии обработки и анализа данных, предназначенных для синтеза структуры встроенных компьютерных систем (ВКС) и для выбора наилучшего ее варианта

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи

- построение общей модели проектирования встраиваемой вычислительной системы,

- оценка параметров модели по результатам экспертной оценки специалистов,

- разработка методов уточнения параметров модели на основе экспериментов и испытаний,

- разработка системы обработки экспертных оценок для поддержки принятия решения о наилучшем варианте системы, основанного на результатах проведенных экспериментов и выполненных ранее проектах

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций Научные положения выводы и рекомендации обоснованы теоретически с использованием аппарата системного анализа и системного проектирования, методов декомпозиции задач и алгоритмов, а также методов синтеза алгоритмов Предложенная методика проектирования подтверждена характеристиками разработанных вычислительных комплексов Научная новизна работы состоит в следующем

- Разработана модель процесса проектирования конкурентоспособных структур ВКС,

- Предложен метод декомпозиции функциональной структуры ВКС при проектировании, позволяющий производить ортогональное или квазиортогональное разбиение ее на функциональные элементы,

- Предложены и исследованы критерии оценки реализуемости и качества декомпозиции структуры ВКС, оценивающие связность элементов полученного разбиения, применительно к технологии «систем на кристалле»,

- Модифицирована методика обработки экспертных данных при выборе структуры и функциональных компонентов, реализующих элементы этой структуры Разработана методика оценки достижимости совокупности значимых простых целей посредством имеющихся факторов,

- Предложена модель оценки качественных параметров процесса проектирования ВКС, позволяющая формировать интегральный показатель ее конкурентоспособности, учитывающий влияние, вносимое каждым локальным показателем иерархической структуры в обобщенную оценку

Практическая ценность На основе проведенных исследований и предложенных методов разработан алгоритм экспертной оценки параметров достижимости целей проектирования, и выбора наиболее эффективного решения из числа рассматриваемых альтернатив

Апробация работы Основные результаты работы были представлены на Международных научно-практических конференциях

- "Фундаментальные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права' (г Сочи, 2006),

- "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании" (г Одесса, 2006),

Положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры "Персональные ЭВМ и сети" (МГУПИ)

Пубпикации Результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 115 наименований, содержит 117 страниц текста и 17 рисунков

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены проблемы проектирования современных встроенных систем Обсуждаются проблемы, связанные с вариативностью рынка компонентов, а также с ужесточением требований пользователей к таким системам Рассмотрены работы, посвященные аналогичной тематике -кандидатские диссертации Парфенова В Л (СПбГУ, 1995г), Кулинича А А (ИПУ РАН М , 2003 г ), Варшавского П Р (МЭИ ТУ М , 2005 I ), Соловей ДЕ (Гос техн унив Воронеж, 1998 г), Эка Нараен Чапагайна (Москва, 2001 г ), Худова К А (М , 2006 г), Белых А А (МЭИ ТУ М , 2006 г ) Фабрицио Ферранди, Пьер Лука Ланци, Донателла Скиуто (Политехнический институт, Милан, Италия, 2004 г), Шерон Ху, Раджешкумар С Самбандам (Университет Нотр-Дам, США, 2000 г)

Анализ рассмотренных работ выявил два основных направления исследований - экспертная оценка компонентов проектируемых вычислительных систем и логическое проектирование встроенных систем

В реферируемой работе предлагается комплексный подход к проектированию встроенных вычислительных комплексов

- логическое проектирование структуры встроенной компьютерной системы,

- выбор компонентов системы на основе обобщенной модели проектирования,

- оценка параметров системы средствами соответствующей системы проектирования,

- экспертная оценка параметров системы в целом

По результатам любого этапа оценки или моделирования системы вносятся коррективы в процесс проектирования, и проводится новый цикл моделирования После получения удовлетворительных результатов моделирования наступает этап экспериментальных исследований, при котором встроенная система реализуется на выбранных элементах, включается в контур управляемой системы или ее модели и оцениваются реальные параметры интегрированной системы Если полученные результаты не удовлетворяют разработчика, весь цикл проектирования и моделирования выполняется снова

В первой главе рассматривается важнейший комплексный критерий -критерий конкурентоспособности проектируемой ВКС Исходя из

вариативности и функциональной наполненности компонентной базы ВКС, критерий конкурентоспособности формируется как аддитивный критерий, осуществляющий свертку важнейших компонентов (1)

г°~ = т, "" + г г ЪК"+ г,т„р +У/2 О

Здесь критерий конкурентоспособности У""" сворачивает аддитивные показатели с весами В качестве основных аддитивных показателей в критерии используются суммарный критерий обязательных функций хрГ ^ = 5>Г (ф„ -Ф, у, (1а)

I I

где Ф^/"" ,Ф/ ''"""■ — желаемое и фактическое значения каждого обязательного функционального показателя,

р¡— вес соответствующего функционального показателя Аналогичным образом определяется компонент критерия, связанный с дополнительными функциональными показателями

Компоненты критерия, связанные с ожидаемыми сроками проектирования и стоимостью разработки достаточно очевидны

В предлагаемой работе используется комплексный подход к проектированию встраиваемой компьютерной системы (рисунок 1)

- построение функциональной модели проектируемой системы,

- разбиение разрабатываемой системы на минимально связанные функциональные элементы (функциональная ортогонализация системы),

- построение вариантов реализации структуры функциональных элементов,

- оценка достижимости поставленных целей проектирования и

- выбор наиболее эффективного варианта реализации системы

Построение функциональной модели встроенной компьютерной системы

Декомпозиция функций системы (разбиение на функциональные элементы)

Построение вариантов реализации структуры функциональных элементов

Оценка достижимости поставленных целей

Выбор эффективного варианта реализации системы

Рисунок 1 Этапы проектирования ВКС

Этапы построения функционального описания встроенной

Рисунок 2 Этапы построения функционального описания ВКС

Из рисунка видно, что процесс является итеративным После проведения декомпозиции системы на элементарные подфункции проверятся реализуемость структуры, а также проводится проверка качества декомпозиции системы При необходимости процесс декомпозиции повторяется для получения лучших результатов

Задание на проектирование встроенной компьютерной системы формулируется обычно, как взаимосвязанный набор функций, которые эта система должна реализовать

Во второй главе рассматриваются методы построения функциональной модели проектирования ВКС и рационального разбиения проектируемой системы на программно-функциональные блоки

Эффективность встроенной системы обработки данных в значительной степени определяется тем, насколько удачно распределены функции между аппаратной и программной компонентами системы

Состав функций встроенной системы обработки данных определяется набором логических, алгоритмических и функциональных преобразований, который должен выполняться системой обработки данных в целом Функциональность самой системы зависит также от предметной области и от условий встраивания данной системы в окружающую среду В результате проведения предметно-функционального анализа встроенной системы составляется модель обработки данных системой в целом

I ,= {¿т, (я,, £>,)},/ = П/й (2)

где X, - 1-я функция системы,

я, - входной поток данных ДЛЯ 1-ТОЙ функции,

Ь, - выходной поток данных ДЛЯ 1-ТОЙ функции, т - количество функций системы

Следует иметь в виду, что при построении модели встроенной системы данными для каждой функции системы могут являться также входные или выходные данные любой другой функции Целью построения модели (2) является синтез такой структуры, в которой связь между функциональными элементами, определяющаяся суммарными потоками данных, была минимальна Для этого удобно использовать аддитивную модель

ьу =¿„6; 1 = цй, (3)

где ¿>* - выходной поток данных 1-той подфункции на к-том этапе преобразования,

я* - входной поток данных 1-той подфункции на к-том этапе преобразования, ~ функция преобразования выходного потока данных 1-той подфункции к-том этапе преобразования в выходной поток данных этой же функции на к+1-ом этапе преобразования

е, - функция преобразования входного потока данных 1-той подфункции

Входной поток данных каждой подфункции состоит, как из внешних входных данных системы, так и из выходных данных других подфункций

поэтому логично преобразовать соотношение (5) следующим образом

или

Ь""=АЬ'+£с\

(6)

где

д =

ь1

Л, 8,

5Хт - матрица преобразования

$ выходных потоков данных

подфункций на этапе к в выходные потоки подфункций на этапе к+1, матрица преобразования входных потоков данных системы на этапе к в выходные потоки подфункций на этапе к+!,

вектор выходных потоков подфункций на этапе к, входной поток системы на этапе к

Полученная модель позволяет разделить данные, поступающие на встроенную систему, и данные, являющиеся входными и выходными для подфункций функциональных элементов системы

Следует, однако, иметь в виду, что модель структуры данных, описываемая выражением (6), описывает только преобразование величин потоков данных в системе, но никак не характеризует содержательное преобразование данных Содержательное преобразование данных осуществляется соответствующим программно-аппаратным

функциональным элементом, и может быть рассмотрено на соответствующем уровне проектирования

Локальные данные, обрабатываемые каждым функциональным элементом системы, перемещаются между этими элементами в соответствии с правилами и алгоритмами обработки, определяемыми функциями, реализованными в этих функциональных элементах Эффективность такой распределенной обработки данных, характеризующейся относительно небольшим количеством функциональных элементов, во многом определяется удачным распределением потоков данных между этими элементами Распределение самих потоков данных, в свою очередь, определяется тем, насколько удачно распределены данные и функции по функциональным элементам

Формирование совокупности связанных функциональных элементов встроенной системы, распределение данных и наборов подфункций системы по функциональным элементам, связано с решением нетривиальной задачи -декомпозиции системы на подсистемы В качестве критерия декомпозиции системы целесообразно выбрать минимизацию функциональной связи между функциональными элементами при условии, что каждый функциональный элемент в состоянии выполнить все свои подфункции

Для выполнения такой декомпозиции используется модель данных (8) Как видно из (6), это уравнение представляет собой уравнение динамики системы с вектором состояния Для получения полного описания динамики потоков данных в системе, следует добавить к уравнению динамики (6) уравнение, описывающее выходной поток системы в целом

[А,

(7)

где И --- [/;, /;,„] - матрица наблюдения, она же матрица

преобразования выходного потока данных системы

В итоге совокупность из двух уравнений

I

описывает поведение потоков данных в системе в целом и между подфункциями функциональных элементов Физический смысл элементов матрицы преобразования выходных потоков 5' при этом довольно прост -

каждый этемент описывается числовым значением, показывающим, какая часть выходного потока данных функции] преобразуется в выходной поток функции I

Для проведения декомпозиции системы, следует распределить подфункции системы по функциональным элементам так, чтобы сделать по возможности меньшей потоковую связность функциональных элементов между собой Для этого следует объединить связанные потоками функции внутри каждого функционального элемента

Как показано выше, потоковую связность функций между собой характеризует матрица преобразования д Для того, чтобы получить разбиение системы на несвязные подсистемы, следует привести матрицу Д к клеточной форме В этом случае матрица Д заменяется прямой суммой ее подматриц-клеток

В реальной системе, конечно, преобразовать матрицу Д к клеточной форме не удается, так как при произвольной конфигурации встроенной системы каждая функция связана с каждой В этом случае можно попытаться преобразовать матрицу к квазиклеточному виду, при котором элементы, не стоящие на клеточной квазидиагонали, не нулевые, но имеют достаточно малые значения

Процесс преобразования в квазиклеточную форму может производиться следующим образом

- в матрице д ищется минимальный элемент бщт =

- значение .5, вычитается из всех элементов матрицы Д,

- делается попытка приведения вновь получившейся матрицы д"> к клеточной форме,

- если разбиение получается, процесс завершается, если результат неудовлетворителен, опять в матрице Д(|> выбирается минимальный элемент я^1', =5,, и опять делается попытка приведения матрицы Д(:» к клеточной форме, процесс повторяется до тех пор, пока результат не удовлетворит разработчика,

- если процесс повторялся р раз, то эквивалентный коэффициент

р

связности получившегося разбиения равен

Получившееся разбиение системы описывается блочными уравнениями

д„

А:, А, / + е2

где ук - новый вектор выходных потоков данных системы, полученный из исходного перестановкой компонентов в соответствии с приведением матрицы преобразования к квазиклеточному виду, А,, - элементы клеточной матрицы, характеризующей

В процессе проведения функциональной декомпозиции системы следует контролировать, удовлетворяет ли текущее разбиение условиям и ограничениям, накладываемым на систему Основных таких условий три

- принадлежит ли текущее разбиение множеству допустимых конфигураций,

- хватает ли пропускной способности сетей связи для передачи входных и выходных потоков данных функциональных элементов,

- хватает ли аппаратных ресурсов для реализации всех подсистем

Для проверки первого условия перед началом проектирования системы

строится множество допустимых конфигураций У = {у/,,^, (//,}, каждый элемент которого представляет собой подмножество функций, которое может быть реализовано в одном функциональном элементе Для проверки условия принадлежности текущего разбиения к множеству допустимых конфигураций необходимо проверить, мажорируют ли элементы множества Ч' все элементы блочной диагонали матрицы д

УД„Зу/, бЧ' п>д„ (10)

Второе условие подразумевает, что все входные и выходные потоки данных функционального элемента могут быть переданы по сети связи

где р - пропускная способность сети связи

Условие (11) должно выполняться для тех подсистем, которые включены в сеть связи попарно Если подсистема входит во фрагмент сети связи с общим трафиком, условие приобретает вид

связность подфункций, клетка с совпадающими индексами описывает связность внутри подфункций, с несовпадающими - связность подфункций между собой

(И)

(12)

где тщ - множества значений г, определяющих подсистему т

Для проверки третьего условия перед началом проектирования системы строится множество имеющихся ресурсов Ф = {</>,,(?, <р1 }, каждый

элемент которого представляет собой один из имеющихся функциональных элементов Для проверки условия достаточности ресурсов для текущего разбиения необходимо проверить, мажорируют ли элементы множества Ф ресурсы, требуемые для реализации всех элементы блочной диагонали матрицы д

vme[l,p] Эр, eO^XfRCA,,)]^ ,

где R(a) - ресурсы, необходимые для реализации а

Для того, чтобы оценить качество функциональной декомпозиции системы, следует оценить потоки данных внутри подсистем и вне их

Потоки данных внутри подсистем определяются составляющей внутреннего обмена А„у,к Поток от подсистемы j к подсистеме / определяется составляющей \у/ Величину связности подфункций можно оценить, подсчитав норму векторов потоков связи Так показатель внутренней связности Я"""г i-той подсистемы определяется нормой вектора

ЯГ" = ||Л„>4 (14)

где /„ - количество подфункций в ли-той подсистеме, а показатели связности по входу и выходу нормами векторов

r=s||A^:| о*)

соответственно Качество декомпозиции системы на подсистемы можно оценить относительным показателем связности

Л = (17)

i-i

где р - количество подсистем, на которые произведена декомпозиция

Чем меньше значение относительного коэффициента связности Я, тем более независимые подсистемы получились, тем лучше произведена декомпозиция системы

Проведение функциональной декомпозиция встроенной компьютерной системы на подсистемы по критерию минимальной функциональной связности позволяет получить разбиение всех потоков данных и функций, реализуемых системой, на подфункции, которые должны быть реализованы отдельными функциональными элементами системы

В третьей главе рассмотрены методы решения задачи выбора аппаратных и программных компонентов встроенной вычислительной системы при наличии неполной информации о целевых характеристиках системы

Проблема такого выбора актуальна вследствие наличия громадной номенклатуры аппаратных компонентов, средств и сред проектирования и областей применения таких систем Программная реализация фрагментов управляющих алгоритмов позволяет иногда существенно уменьшить стоимость аппаратуры, повысить ее надежность

При этом, однако, следует иметь в виду, что программное выполнение алгоритма, как правило, требует большего времени, чем его аппаратная реализация Время, требуемое для реализации алгоритма, определяется размером программы и скоростью выполнения отдельных команд, что требует специального подхода при программной реализации устройств реального времени

Для решения проблемы компоновки аппаратной структуры встраиваемой компьютерной системы в той или иной мере приходится учитывать данные экспертных оценок специалистов Подбор специалистов для получения экспертных оценок является отдельной трудной задачей Прошли времена, когда считалось, что очень большое количество совершенно незнакомых с проблемой людей может дать «объективную» оценку

После того, как получено удовлетворительное разбиение системы на подсистемы, наступает этап проектирования структуры каждого функционального элемента с использованием имеющейся в распоряжении элементной базы

Для того чтобы выбрать эффективный вариант реализации функционального элемента, обычно используются экспертные оценки, даваемые специалистами-разработчиками Главное требование, предъявляемое к обработке экспертных данных - предоставление экспертам возможности произвести простой и понятный выбор между хорошо описанными альтернативами

В диссертации предложен эффективный метод обработки экспертной информации, позволяющий построить многоэтапную процедуру принятия решения

В первую очередь, при проектировании функционального элемента строится дерево целей и соответствующий набор факторов, которые позволяют экспертам осуществить обоснованный выбор

На рисунке 3 приведен пример дерева целей для примера проектирования многоточечной системы измерения Здесь показано, что иерархия критериев стоится от обобщенных критерием к общим, и от общих к простым

Рисунок 3 Дерево целей при проектировании ВКС

Для решения задачи эффективного проектирования функционального элемента на основе экспертных данных в диссертации предложена трехэтапная процедура

- построение экспертами матрицы оценок взаимодействия простых критериев с выявлением значимых из них,

- оценка экспертами влияния факторов на достижимость выделенных простых целей с выявлением значимых факторов,

- оценка интегральной достижимости всех простых целей по фиксированным сечениям балльных значений выбранных факторов

Считается, что цель С! взаимодействует (коррелирует) с целью С] (1,

,т), если достижение С1 влияет на достижение С] Это влияние может быть двояким стремление к цели О может способствовать либо, наоборот, препятствовать достижению цели С] В первом случае на пересечении строки С1 и столбца CJ матрицы взаимодействия проставляется знак "+", во втором знак "-" Если цели не влияют друг на друга, либо характер их взаимодействия неизвестен, то соответствующая клетка матрицы остается пустой Для облегчения работы экспертов сила взаимодействия целей О, С) оценивается словесными (лингвистическими) формулировками и выражается количественными величинами из интервала [0,1]

Количество простых целей и факторов влияния, даже при небольшом числе исходных целей, может быть очень большим, что затрудняет описание и моделирование процесса проектирования ВКС Возникает задача количественной оценки и ранжирования для выбора наиболее значимых целей и наиболее эффективных факторов

Для решения этой задачи строится матрица взаимодействия простых целей - квадратная таблица, строки и столбцы которой соответствует "листьям" целевых деревьев, т е тем вершинам этих деревьев, из которых не исходит стрелок Пример матрицы взаимодействия показан в таблице

Таблица

Матрица взаимодействия простых целей

Веса (балты) 2,5 1,5 1,0 1,5 1,5 2 2 Интегральная оценка цели Отобранные цели

Цепи С,, С,2 с„ с2, с22 с„ С,2

С„ +1,0 +0,8 +0,5 +0,2 4,3 1

С,2 + 1,0 +0,9 +0,9 3,3

С,, +0,2 +0,2 +1,0 +0,5 1,8

С2, +1,0 +0,6 +0,8 4,3 1

с22 + 1,0 +0,6 +0,7 4,1 1

См +0,5 +0,5 +0,6 +0,8 +1,0 +0,8 7,7 и

Сп +0,9 +0,2 +0,9 +0,8 +0,7 +1,0 7,5 II

Интегральная оценка О, цели С„ учитывающая влияние на С, всех целей, находится по формуле

Й=5>А> (18)

т

где г, - вес цели С,, Х„ - экспертная оценка с учетом знака, вписанная в клетку (С„ С,) матрицы взаимодействия (коэффициенткорреляции С, с С,), Х„ е[-1 ,+1]

Далее производится ранжирование оставшихся факторов, и отбираются наиболее значимые

Интегральная оценка Н, для фактора Ф, с учетом достижения всех простых целей определяется алгебраической суммой

(19)

] = I т

Отбираются факторы, для которых Н, меньше порогового значения Для отобранных целей формируются числовые оценки степени их достижимости в зависимости от значений отобранных факторов

ИДЦ определяем как "свертку" редуцированной таблицы по формуле

#Д4= I а/I /Л,]. (2°)

1-1 * V;-1 » ) где а, - вес 1-ого фактора, тр - вес ^ой цели

Набор с максимальным значением индикатора выделяется и испопьзуется в качестве базового для решения поставленной задачи проектирования

В четвертой главе разработана система обработки экспертных оценок для поддержки принятия решения о наилучшем варианте системы, основанного на результатах проведенных экспериментов и выполненных ранее проектах На рисунках 4 и 5 показаны формы для заполнения матрицы взаимовлияния критериев и матрицы достижимости простых целей за счет выделенных факторов

Рисунок 4 Матрица критериев

Эксперты, имеющие опыт разработки встроенных компьютерных систем, заполняют клеточки таблицы Для каждого простого критерия вычисляется интегральная оценка (19), и сравнивается с пороговыми значениями В двух правых столбцах таблицы на рисунке 4 показаны интегральные оценки и обозначены отобранные по значимости критерии Критерии, признанные незначимыми, исключаются из рассмотрения

Аналогичным образом производится экспертная оценка влияния факторов на достижимость простых целей Соответствующая матрица, заполняемая экспертами, приведена на рисунке 5 Здесь производится вычисление интегральной оценки каждого фактора, которые сравниваются с пороговыми значениями В самом правом столбце обозначены факторы, признанные экспертами значимыми

Проблема сходимости оценок, часто возникающая при итеративном применении этих оценок, решается в работе за счет применения экспертной системы нейлоровского типа В работе предложена методика, при которой на каждой итерации экспертной оценки формируются верхние и нижние пороговые оценки, определяющие целесообразность рассмотрения соответствующего фактора или критерия Кроме того, после каждого высказывания эксперта £) по соответствующей гипотезе вычисляется соответствующая апостериорная вероятность, которая используется в качестве исходных данных на следующей итерации

В качестве примера практического применения предложенной методики и использования разработанного программного обеспечения приведен пример проектирования структуры устройства для сбора информации с территориально распределенных объектов (работа выполнялась для ООО «Сервис Плюс») В качестве экспертов были привлечены сотрудники фирмы заказчика и фирмы-разработчика

Экспертам были предложены варианты допустимых структур устройства и перечень факторов, которые могут повлиять на достижение целей в процессе выбора структуры для дальнейшего проектирования

Применение методики, разработанной в диссертации, позволило выполнить процесс проектирования функциональных элементов системы в полтора раза быстрее, чем это делается обычно

шшзшшажг

ОК | Отона [

а г С13 С5 СИ С32 | С43 Оценка | Отобр 1

Весе 30 го -1 3 •25 •2 5 •30 -15

Р1 -01 02 О'О 1

Р2 •0 3 -01 •0 1 -02 -0 50

Г1 -02 -02 •01 01 -005

1-4 0« -02 -0 3 -01 •0 85 1

Р5 05 -03 -02 •0 2 -1 20 1!

РЬ -02 -02 -03 -01 01 -0 3 -010

^ 02 -01 -01 -02 •0 2 0 2 -0 2 -1 ад

ре -02 •0 3 01 -0 35

-01 -01 •0 10

по -01 -01 -0 2 •0 20

Р11 •0 3 •0 2 • 1 30 ||

Р12 -01 -0 3 •ок !

РН •0 1 -0 2 •1 30 1!

Рисунок 5 Факторы и критерии ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Разработана модель процесса проектирования конкурентоспособных структур ВКС

2 Предложен метод декомпозиции функциональной структуры ВКС при проектировании, позволяющий производить ортогональное или квазиортогональное разбиение ее на функциональные элементы

3 Предложены и исследованы критерии оценки реализуемости и качества декомпозиции структуры ВКС, оценивающие связность элементов полученного разбиения, применительно к технологии «систем на кристалле»

4 Модифицирована методика обработки экспертных данных при выборе структур и функциональных компонентов, реализующих элементы структур ВКС Разработана методика оценки достижимости совокупности значимых простых целей посредством имеющихся факторов

5 Предложена модель оценки качественных параметров процесса проектирования ВКС, позволяющая формировать интегральный показатель ее конкурентоспособности, который учитывает влияние, вносимое каждым локальным показателем иерархической структуры, в обобщенную оценку

6 Разработана программа обработки экспертных данных, реализующая предложенную методику и алгоритмы

7 Программа успешно эксплуатировалась в ООО «Сервис Плюс» при проектировании специализированного устройства сбора информации с территориально распределенных объектов

Полученные в работе результаты были использованы также при

проектировании встроенной компьютерной системы для стенда,

предназначенного для выполнения лабораторных работ

Основные положения диссертации были представлены на

Международных конференциях

- "Фундаментальные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права" (г Сочи, 2006),

- "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте,

производстве и образовании" (г Одесса, 2006) Результаты работы внедрены в ООО «Сервис Плюс» и в Московском государственном университете приборостроения и информатики

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях

1 Третьяков С В Аппаратно-программные средства внутрисхемного программирования и отладки современных встроенных систем // Межвузовский сборник научных трудов «Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ» вып 8 -М МГАПИ, 2005, с 194-196

2 Третьяков С В Системы на кристалле тенденции развития // Межвузовский сборник научных трудов «Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ» вып 8 -М МГАПИ, 2005, с 197-198

3 Третьяков С В , Рощин А В Проблемы проектирования встраиваемых систем при неполной информации о целевых характеристиках системы // Межвузовский сборник научных трудов «Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ» вып 9 -М МГУПИ, 2006, с 239-242

4 Третьяков С В Проблемы учета экспертных оценок при проектировании встраиваемых управляющих систем // Межвузовский сборник научных трудов «Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ» вып 9 -М МГУПИ, 2006, с 243-247

5 Третьяков С В Структурная декомпозиция встроенной системы обработки данных // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции « Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» Том 2 Технические науки - Одесса, 2006 - с 38-40

6 Третьяков С В Учет экспертных данных при разработке встраиваемых систем // Сборник научных трудов IX Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» - М МГУПИ, 2006 - с 122-126

7 Зеленко Г В, Третьяков С В Методика повышения конкурентоспособности встроенных систем управления // Вестник Московского государственного университета приборостроения и информатики №7 - М МГУПИ, 2007 - с 59-63

8 Третьяков С В Специфика функциональной реализации встроенной системы обработки данных // Общероссийский научно-технический журнал «Полет» №3 - М Машиностроение, 2007 - с 56-60

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г

Подписано к печати 10 04 2007 г Формат 60x84 1/16 Объем 1,25 п л Тираж 100 экз Заказ № 66

Московский государопвенный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, уп Стромынка 20

Введение

Глава 1 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫХ ВСТРОЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ . И

1.1 Технология проектирования ВКС . И

1.1.1 Компонентная база ВКС . И

1.1.2 Инструментальные средства проектирования ВКС

1.2 Комплексный подход к проектированию структуры конкурентоспособной ВКС

1.3 Этапы проектирования встроенной компьютерной системы . 37 Выводы по главе

Глава 2 ПОСТРОЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВСТРОЕННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Комплексный подход к проектированию встроенной компьютерной системы

2.2 Построение функциональной модели встроенной компьютерной системы

2.3 Построение блочной функциональной модели системы.

2.4 Декомпозиция функциональной модели ВКС

2.5 Оценка качества выполнения декомпозиции модели ВКС

2.6 Оценка параметров функциональной модели ВКС

2.6.1 Использование функции максимального правдоподобия для оценки параметров модели

2.6.2 Использование байесовских оценок параметров модели

2.6.3 Оценка параметров модели при неполной информации о целевых характеристиках системы

Выводы по главе

Глава 3 ВЫБОР ПРОГРАММНЫХ И АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВКС

3.1 Оценка взаимодействия простых целей при проектировании ВКС

3.2 Оценка влияния факторов на достижимость простых целей при проектировании ВКС

3.3 Оценка индикатора достижимости простых целей по значениям факторов

3.4 Использование функции полезности для оценки альтернативных вариантов

Выводы по главе

Глава 4 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРТНЫХ

ОЦЕНОК ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ВКС

4.1 Модуль главного окна программы

4.2 Ввод данных

4.2.1 Входная форма «Матрица критериев»

4.2.2 Входная форма «Факторы и критерии»

4.3 Вывод данных

4.3.1 Выходная форма «Матрица отобранных критериев»

4.3.2 Выходная форма «Отобранные факторы и критерии»

4.3.3 Выходная форма «Связи отобранных критериев»

4.3.4 Выходная форма «Связи отобранных факторов с критериями»

4.4 «Сервис» - прямая работа с таблицами базы данных

Выводы по главе

Относительно новое понятие «встраиваемые системы» (embedded systems) сродни таким понятиям, как автономные управляющие системы, специализированные ЭВМ, бортовые компьютеры. Это объясняется тем, что встраиваемые компьютерные системы (ВКС) представляют собой совокупность программных и аппаратных средств, реализующих алгоритм управления, и, по сути своей, являются управляющими ЭВМ. При этом ВКС могут быть автономными, работающими практически без участия человека и других вычислительных средств, или являться подсистемами, управляемыми человеком или другими вычислительными системами.

ВКС обладают следующими ярко выраженными свойствами:

- низкой стоимостью;

- малыми весогабаритными параметрами (при этом они конструктивно неразделимы с устройствами, в которые встраиваются);

- малым энергопотреблением.

Очевидно, что чем ярче выражены эти свойства, тем шире круг применения ВКС. При этом, они так же, как и управляющие ЭВМ, должны работать в условиях реального времени и обладать высокой надежностью.

Использование ВКС для управления различными устройствами и технологическими процессами было предопределено применением новой компонентной базы - микропроцессорных и микроконтроллерных БИС с архитектурой, похожей на структуру вычислительных машин. Эта элементная база появилась в начале 70-х годов прошлого века отнюдь не по желанию разработчиков управляющих систем. Причиной ее появления стала настоятельная потребность производителей микросхем найти рынки сбыта для своей продукции - микросхем с высоким уровнем интеграции. Проектирование таких микросхем требовало больших капиталовложений, и было экономически целесообразно только при их последующем массовом производстве.

Новая элементная база носила универсальный характер, а ее специализация для нужд потребителей достигалась путем занесения в память (для микропроцессорных БИС во внешнюю память, для микроконтроллеров в память на кристалле), так называемой, целевой программы, реализующей требуемый алгоритм управления. Программная реализация позволила во многих случаях резко уменьшить стоимость, повысить надежность и приблизить алгоритмы работы микропроцессорных устройств к теоретически необходимым.

Для разработчиков управляющей аппаратуры микропроцессорная элементная база оказалась весьма заманчивой, так как позволяла в ряде случаев, избавившись полностью или частично от "жесткой логики" (сугубо схемотехнических решений), сократить время разработки и объем аппаратуры, сделать ее более гибкой. Гибкость, т.е. допустимость легкого изменения алгоритмов функционирования во время эксплуатации аппаратуры, и возможность реализации более сложных алгоритмов управления явились, пожалуй, самыми главными отличиями микропроцессорного поколения управляющей аппаратуры. Эти отличия, в свою очередь, позволили во многих случаях по-новому посмотреть на сам управляемый процесс и на требования к микропроцессорной компонентной базе. При этом потребители микропроцессорной компонентной базы стали влиять на ее эволюцию, т.е. возникла "обратная связь", теперь уже побуждающая производителей микросхем прислушаться к ним.

Однако сразу стало ясно, во многих случаях перевести ВКС полностью на микропроцессорную элементную базу не представляется возможным из-за недопустимо большого времени, затрачиваемого на программную реализацию алгоритмов, носящую принципиально последовательный характер. Одним из путей преодоления этой ситуации было повышение производительности компонентной базы и разработка в составе микроконтроллеров специализированных схем, реализующих часто встречающиеся в технике фрагменты алгоритмов, требующих для своего выполнения повышенного быстродействия. В частности, в микроконтроллерах, таким образом, реализуются стандартные интерфейсы и протоколы связи с внешними устройствами.

Другим путем повышения быстродействия ВКС стало использование другой современной компонентной базы - программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и языков описания аппаратуры (типа VHDL), что позволило во многих случаях избавиться от нерегулярных элементов «жесткой» логики и сделать процесс разработки аппаратуры похожим на процесс написания программ. Библиотеки программных описаний реализаций блоков аппаратуры на ПЛИС стали использоваться многократно в различных разработках ВКС в качестве типовых решений.

Получили распространение так называемые одноплатные ЭВМ и были стандартизованы интерфейсы для них (например, шина PC 104). ВКС на их базе имеют, как правило, избыточность программно-аппаратных компонентов относительно решаемых функциональных задач, ведущую к повышению их стоимости. Однако их применение сокращает сроки разработки конечного продукта.

Дальнейший прогресс микроэлектроники породил так называемые «системы на кристалле». Технология использования «систем на кристалле» позволяет, частично используя библиотечные описания, поместить в одной микросхеме микропроцессорное ядро требуемой конфигурации и все дополнительные специализированные аппаратные модули, необходимые для реализации алгоритма управления, т.е. реализовать ВКС в одной микросхеме. В отличие от проектирования заказных микросхем весь технологический процесс, как при проектировании, так и при производстве может проводиться силами разработчика ВКС.

Отдельно следует отметить, что на выбор компонентной базы ВКС существенно влияет наличие и стоимость соответствующих инструментальных средств проектирования.

Процедуру проектирования структуры разрабатываемой ВКС можно представить как задачу выбора рационального альтернативного варианта из допустимого множества возможных проектных решений.

Допустимым вариантом проектного решения системы будем называть вариант, обеспечивающий требуемые техническим заданием (ТЗ) функциональные возможности, т.е. обработку определенного объема информации в соответствии с алгоритмом управления за время, не превышающее заданной величины. Кроме того, должны удовлетворяться дополнительные функциональные требования ТЗ: конструктивно-технологическое исполнение ВКС, эксплуатационные требования и др.

При этом одни элементы структуры ориентированы на реализацию некоторых частей алгоритма программным путем, используя известные микроконтроллеры или их ядра на ПЛИС, другие - аппаратным на дополнительных специализированных схемах, которые в свою очередь могут выполняться на различной компонентной базе. Для разработчиков ВКС проблемы проектирования, оценки и выбора аппаратных и программных компонентов становятся все более актуальными из-за постоянного роста номенклатуры компонентной базы и расширением областей применения ВКС.

Однако, для формирования набора допустимых структурных решений необходима соответствующая методика.

В первой главе работы подробно рассматривается итеративный процесс проектирования допустимых структур ВКС.

Тенденции повсеместного внедрения ВКС порождают определенные специфические требования к их разработчикам [19, 20, 28, 43]. На первый взгляд большинство встраиваемых систем являются довольно простыми устройствами, и поэтому их проектирование доступно небольшим коллективам разработчиков. Однако рыночные отношения и рост числа таких коллективов порождает множество альтернативных проектов и конкуренцию между ними. Поэтому при разработке и последующем маркетинге на первый план выходят критерии, влияющие на их конкурентоспособность.

Исходя из многовариантности структур ВКС, в первой главе работы предложен аддитивный критерий конкурентоспособности для выбора рациональной структуры в виде свертки важнейших компонентов, оценивающих степень реализации обязательных и дополнительных функций, время и стоимость проектирования системы и др. Рассматриваются факторы, влияющие на оценку соответствующих компонентов.

Во второй главе рассматриваются методы построения функциональной модели процесса проектирования ВКС и рационального разбиения проектируемой системы на функциональные блоки.

Формирование совокупности связанных функциональных элементов встроенной системы, распределение данных и распределения подфункций системы по функциональным элементам, связано с решением задачи декомпозиции системы на подсистемы. В качестве критерия декомпозиции системы выбирается минимизация связей между функциональными элементами при условии, что каждый функциональный элемент в состоянии выполнить все свои подфункции. Для этого описывается поведение потоков данных в системе в целом и между подфункциями функциональных элементов. Разработана методика проведения декомпозиции системы, уменьшающая потоковую связность функциональных элементов между собой.

В третьей главе рассмотрены методы решения задачи выбора аппаратных и программных компонентов встроенной вычислительной системы при наличии неполной информации о ее целевых характеристиках. После того, как получено удовлетворительное разбиение системы на подсистемы, наступает этап проектирования структуры каждого функционального элемента системы с использованием имеющейся в распоряжении компонентной базы.

Для решения проблемы разбиения структуры ВКС на подсистемы должны учитываться данные экспертных оценок специалистов.

В этой же главе предложен эффективный метод обработки экспертной информации, позволяющий построить многоэтапную процедуру принятия решения.

Из-за того, что количество простых целей и факторов влияния, даже при небольшом числе исходных целей, может быть очень большим, возникает задача их количественной оценки и ранжирования для последующего выбора наиболее значимых целей и наиболее эффективных факторов.

Для решения этой задачи используется матрица взаимодействия простых целей. Далее для решения задачи эффективного проектирования функционального элемента на основе экспертных данных в диссертации предложена трехэтапная процедура.

В четвертой главе описывается программная реализация системы обработки экспертных оценок при проектировании ВКС. Эта программа является частью системы поддержки принятия решения о конкурентоспособном варианте системы. Экспертные оценки основываются на опыте экспертов, результатах проведенных ими экспериментов и выполненных ранее проектах.

Для каждого простого критерия вычисляется интегральная экспертная оценка, и сравнивается с пороговыми значениями. Критерии, признанные незначимыми, исключаются из рассмотрения.

Аналогичным образом производится экспертная оценка влияния факторов на достижимость простых целей. Здесь производится вычисление интегральной оценки каждого фактора, которые сравниваются с пороговыми значениями и выявляются факторы, признанные экспертами значимыми.

Проблема сходимости оценок, часто возникающая при итеративном применении этих оценок, решается в работе за счет применения экспертной системы нейлоровского типа.

В качестве примера практического применения предложенной методики и использования разработанного программного обеспечения приведен пример проектирования структуры устройства для сбора информации с территориально распределенных объектов (работа выполнялась для ООО «Сервис Плюс»).

Цель работы заключается в разработке новой эффективной методики обработки и анализа данных, предназначенных для синтеза структуры встроенных компьютерных систем (ВКС) и для выбора наилучшего ее варианта.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- построение общей модели проектирования встраиваемой вычислительной системы;

- оценка параметров модели по результатам экспертной оценки специалистов;

- разработка методов уточнения параметров модели на основе экспериментов и испытаний;

- разработка системы обработки экспертных оценок для поддержки принятия решения о наилучшем варианте системы, основанного на результатах проведенных экспериментов и выполненных ранее проектах.

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретически с использованием аппарата системного анализа и системного проектирования, методов декомпозиции задач и алгоритмов, а также методов синтеза алгоритмов. Предложенная методика проектирования подтверждена характеристиками разработанных вычислительных комплексов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Разработана модель процесса проектирования конкурентоспособных структур ВКС;

- Предложен метод декомпозиции функциональной структуры ВКС при проектировании, позволяющий производить ортогональное или квазиортогональное разбиение ее на функциональные элементы;

- Предложены и исследованы критерии оценки реализуемости и качества декомпозиции структуры ВКС, оценивающие связность элементов полученного разбиения, применительно к технологии «систем на кристалле»;

- Модифицирована методика обработки экспертных данных при выборе структуры и функциональных компонентов, реализующих элементы этой структуры. Разработана методика оценки достижимости совокупности значимых простых целей посредством имеющихся факторов;

- Предложена модель оценки качественных параметров процесса проектирования ВКС, позволяющая формировать интегральный показатель ее конкурентоспособности, учитывающий влияние, вносимое каждым локальным показателем иерархической структуры в обобщенную оценку.

Практическая ценность. На основе проведенных исследований и предложенных методов разработан алгоритм экспертной оценки параметров достижимости целей проектирования, и выбора наиболее эффективного решения из числа рассматриваемых альтернатив.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Международных научно-практических конференциях:

- "Фундаментальные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права" (г. Сочи, 2006);

- "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании" (г. Одесса, 2006);

Положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры "Персональные ЭВМ и сети" (МГУПИ).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах.

9. Результаты работы внедрены в ООО «Сервис Плюс» и в Московском государственном университете приборостроения и информатики.

10. Показано, что при разработке встроенной компьютерной системы необходимо решение следующих взаимосвязанных задач:

- эффективной реализации алгоритмов управления в соответствии с техническими требованиями;

- достижения заданных технико-экономических показателей (допустимой стоимости изделия, надежности функционирования, ограничений на весогабаритные характеристики изделий, требования, связанные с особенностями среды их функционирования);

- соответствия действующим стандартам и сертификационным требованиям;

- выполнения ограничений по срокам проектирования и подготовки производства.

11. Проанализированная современная элементная база для построения встроенных компьютерных систем.

12. Рассмотрение работ, посвященных проектированию встроенных компьютерных систем, выявило два основных направления исследований -выбор общей парадигмы конструирования встраиваемых систем и технологии проектирования программного обеспечения реального времени для них. При этом почти не рассматриваются вопросы, связанные с особенностями новой компонентной базы и методики получения достоверных экспертных оценок ее параметров при синтезе структуры ВКС.

13. Показано, что требования технического задания к разрабатываемой ВКС можно разделить на функциональные и конструктивно-технологические. Функциональные требования определяют алгоритм управления объектом, в который встраивается ВКС, в то время как конструктивно-технологические требования определяют способы и средства реализации функциональных требований. Конструктивно-технологические требования задают и некоторые другие параметры, не определяющие собственно алгоритм функционирования ВКС, но связанные с условиями эксплуатации - надежность, потребляемая мощность, температурный диапазон.

14. Показано, что проблема рационального выбора структуры микропроцессорных систем управления не может быть полностью решена путем формального поиска целевой функции при рассмотрении формальных моделей управляющих вычислительных систем. Варианты структур задаются перечислением альтернатив, либо диапазонами изменений присущих им параметров. Особую роль здесь должны играть методы экспертных оценок, которые привносят "здоровую" эвристику в решение таких задач.

15. Показано, что сроки проектирования ВКС напрямую зависят от используемых инструментальных средств проектирования и квалификации разработчиков. Применение внутрисхемных эмуляторов позволяет решить почти все проблемы, связанные с отладкой и тестированием программного обеспечения и аппаратуры. К сожалению, крупным недостатком внутрисхемных эмуляторов является их высокая цена.

16. В главе сформулирован критерий конкурентоспособности проектируемой ВКС, который формируется как аддитивный критерий, осуществляющий свертку важнейших компонентов.

17. В работе предложен комплексный подход к проектированию встраиваемой компьютерной системы:

- построение функциональной модели проектируемой системы;

- разбиение разрабатываемой системы на минимально связанные функциональные элементы (функциональная ортогонализация системы);

- построение вариантов реализации структуры функциональных элементов;

- оценка достижимости поставленных целей проектирования;

- выбор наиболее эффективного варианта реализации системы.

18. Показано, что одним из важнейших этапов проектирования ВКС является этап построения функциональной модели разрабатываемой системы, который заключается в формализации системных функциональных требований к ВКС, полученных в техническом задании.

19. Не менее важным этапом является этап декомпозиции функциональной модели, который заключается в разбиении всей системы взаимосвязанных функций, реализуемых разрабатываемой ВКС, на отдельные «элементарные» функциональные элементы или модули. Чем более «элементарным» является каждый функциональный элемент из полученного множества разбиения, тем проще будет выполнение последующих этапов проектирования.

20. Показано, что этап выбора компонентов системы на основе функциональной модели заключается в подборе вариантов элементов аппаратного обеспечения, способных реализовать отдельный функции системы или их комбинации. На этом этапе следует учитывать не только номенклатуру соответствующей аппаратной реализации элементной базы, но и наличие и качество фирменных средств проектирования и отладки, их доступность, простоту освоения.

21. Показано, что для формализации процедуры выбора элементной базы для реализации каждого элемента разработанной структуры функциональных элементов необходим этап формирования целей проектирования каждого функционального элемента. Этот этап призван упростить экспертам задачу выбора одной из альтернатив. Для этого сформированные цели должны быть по возможности простыми и понятными.

22. В результате проведения предметно-функционального анализа встроенной системы в главе построена модель обработки данных системой в целом. Целью построения модели является синтез такой структуры, в которой связь между функциональными элементами, определяющаяся суммарными потоками данных, была минимальна.

23. Показано, что полученная модель позволяет разделить данные, поступающие на встроенную компьютерную систему, и данные, являющиеся входными и выходными для подфункций функциональных элементов системы.

24. Показана необходимость декомпозиции полученной модели на подсистемы. Описана процедура декомпозиции модели по критерию наименьшей потоковой связности элементов.

25. Показано, что в процессе проведения функциональной декомпозиции системы следует контролировать, удовлетворяет ли текущее разбиение условиям и ограничениям, накладываемым на систему. Основных таких условий три:

- принадлежит ли текущее разбиение множеству допустимых конфигураций;

- хватает ли пропускной способности сетей связи для передачи входных и выходных потоков данных функциональных элементов;

- хватает ли аппаратных ресурсов для реализации всех подсистем.

Разработаны критерии проверки этих условий.

26. Разработаны критерии оценки качества функциональной декомпозиции системы, характеризующие потоки данных внутри подсистем и вне них.

27. Формализована задача определения параметров обобщенных модели процесса проектирования ВКС. Для этого должны быть использованы экспериментальные данные, связанные с использованием различных типов элементной базы для разработки и использования аналогичных встроенных компьютерных систем.

28. Разработаны методы определения параметров обобщенной модели проектирования вычислительной системы, использующие функцию максимального правдоподобия, а также байесовские оценки.

29. Разработан метод определения параметров обобщенной модели проектирования вычислительной системы при неполной информации о целевых характеристиках системы.

30. Предложен эффективный метод обработки экспертной информации, позволяющий построить многоэтапную процедуру принятия решения.

31. Показано, что в первую очередь, при проектировании функционального элемента встроенной компьютерной системы необходимо определить цели, стоящие перед конкретным функциональным элементом, а также факторы, влияющие на их выполнение.

32. В качестве примера рассмотрено построение трехуровневого дерева критериев при проектировании многоточечной системы контроля.

33. Формализована задача оценки взаимодействия простых критериев, позволяющая облегчить работу экспертов, оценивающих различные варианты реализации функциональных элементов.

34. Предложена методика построения интегральной оценки каждого из простых критериев, необходимой для ранжирования и выбора наиболее значимых из них.

35. Формализована задача оценки влияния факторов на простые критерии, позволяющая оценить значимость каждого из факторов, и определить их важность для достижения тех или иных критериев.

Предложена методика вычисления интегральной оценки для каждого фактора с учетом достижения всех простых критериев.

36. Предложена методика оценки индикатора достижимости простых целей по значениям факторов.

37. Показано, что в некоторых случаях при оценке критериев и факторов всем понятная шкала измерений может отсутствовать. В этом случае использование функций полезности позволяет формализовать получение оценок альтернатив и выбор лучшей из них.

38. По результатам методики обработки экспертных данных, разработанной в третьей главе, разработан программный пакет, реализующий эту методику, который состоит из следующих модулей:

- основного модуля программы;

- модуля браузера;

- модуля построения связей критериев;

- модуля построения матрицы критериев;

- модуля ввода данных;

- модуля формирования таблицы;

- модуля построения связей факторов и критериев;

- модуля построения матрицы факторов;

- модуля главного окна.

39. Разработаны входные формы, облегчающие работу экспертов при оценке критериев и факторов разрабатываемой компьютерной системы.

40. В программе реализовано построение оценок значимости критериев и факторов, а также индикаторов достижимости целей.

41. Разработаны выходные формы, позволяющие наглядно представлять результаты работы программы в табличном и графовом виде.

42. Разработанная программа успешно эксплуатировалась в ООО «Сервис Плюс» при проектировании специализированного устройства сбора информации с территориально распределенных объектов.

Заключение

К основным результатам работы можно отнести следующие:

1. Разработана модель процесса проектирования конкурентоспособных структур ВКС.

2. Предложен метод эффективной обработки данных при синтезе структур ВКС, позволяющий проводить ортогональное или квазиортогональное разбиение их структур на функциональные элементы.

3. Исследованы критерии оценки реализуемости и качества декомпозиции структур ВКС, оценивающие связность элементов полученного разбиения, применительно к технологии «систем на кристалле».

4. Модифицирована методика обработки экспертных данных при выборе структур и функциональных компонентов, реализующих элементы структур ВКС. Разработана методика оценки достижимости совокупности значимых простых целей посредством имеющихся факторов.

5. Предложена модель оценки качественных параметров процесса проектирования ВКС, позволяющая формировать интегральный показатель ее конкурентоспособности, который учитывает влияние, вносимое каждым локальным показателем иерархической структуры, в обобщенную оценку.

6. Разработана программа обработки экспертных данных, реализующая предложенную методику и алгоритмы.

7. Программа успешно эксплуатировалась в ООО «Сервис Плюс» при проектировании специализированного устройства сбора информации с территориально распределенных объектов.

8. Полученные в работе результаты были использованы также при проектировании встроенной управляющей системы для автоматизированного стенда, предназначенного для выполнения лабораторных работ.

1. Алексенко А.Г., Галицын А.А., Иванников А.Д. Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на микропроцессорах: программирование, типовые решения, методы отладки. -М.: Радио и связь, 1984. 272 с.

2. Антонов А. П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. М.: ИП РадиоСофт, 2001. - 224 с.

3. Антонов А. П., Мелехин В. Ф., Филиппов Ф. С. Обзор компонентной базы фирмы Altera. СПб.: ЭФО, 1997. - 142 с.

4. Армстронг Д. Моделирование дискретных систем на языке VHDL / Пер. с англ. Т. А. Теплицкого; Под ред. Ю. А. Татарникова. М.: Мир, 1992. -176 с.

5. Архангельский Б.В., Черняховский В.В. Поиск устойчивых ошибок в программах. М.: Радио и связь, 1989.

6. Бибило П. Н. Основы языка VHDL. М.: Солон-Р, 1999. - 200 с.

7. Беллман Р., Заде Л. Принятие решений в расплывчатых условиях. В сб.: Вопросы анализа и процедуры принятия решений. М.: Мир, 1976. С. 172-215.

8. Белых А.А. Унификация архитектур однокристальных микроконтроллеров и ее применение для разработки программного обеспечения встраиваемых систем // Автореферат дисс. . кандидата технических наук. М., 2006. - 20 с.

9. Ю.Богословская Н. В. Взаимные преобразования структурных и объектно-ориентированных проектов программного обеспечения информационных систем на основе их обобщенной модели // Автореферат дисс. кандидата технических наук. СПб., 2003. - 19 с.

10. П.Бойчев Ч.Ч. Разработка методов и средств проектирования распределенных вычислительных систем с использованием экспертных систем и аналитических моделей // Автореферат дисс. . кандидата технических наук. М., 1991. - 19 с.

11. Боровков А.А. Теория вероятностей. М.: Наука, 1986.

12. Бродин В. Б., Шагурин И. И. Микроконтроллеры: Архитектура, программирование, интерфейс. М.: Радио и связь. 1999. - 247 с.

13. Н.Буров И.П. Разработка структурных и функциональных моделей проектирования сложных технических объектов на базе распределенной вычислительной системы // Автореферат дисс. . кандидата технических наук Волгоград, 1997. - 24 с.

14. Варшавский П.Р. Методы и программные средства поиска решения на основе аналогий в интеллектуальных системах поддержки принятия решений // Автореферат дисс. кандидата технических наук. М., 2005. -20 с.

15. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. СПб.: Питер, 2000 - 384 с.

16. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1967.

17. Голубятников И.В. Математическое и программное обеспечение обучающих мультимедийных комплексов и систем // Автореферат дисс. . кандидата технических наук. М., 2000. 30 с.

18. Горбунов В.И. Элементы проектирования архитектуры систем реального времени по методу COMET. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2003. - 59 с.

19. Грушвицкий Р. И., Мурсаев А. X., Угрюмое Е. П. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой. 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 736 с.

20. Емец С. Использование языков программирования С или С++ для HDL-описания. / Компоненты и технология, № 9,2002.

21. Иванников А.Д. Моделирование микропроцессорных систем. М.: Энергоатомиздат, 1990. -144 с.

22. Йованович Б. Разработка иерархической системы вычислительных моделей для анализа ВВХ ЛВС // Автореферат дисс. . кандидата технических наук. -М.: 1995.18 с.

23. Качкин В.И. Проектирование системы поддержки предпроектных решений при разработке программных средств бортовых вычислительных систем летательных аппаратов // Автореферат дисс. . кандидата технических наук. М.: 1995.24 с.

24. А.Ключев, А.Платунов (ООО «ЛМТ» С-П) Встроенные инструментальные средства современных микроконтроллеров // Электронные компоненты №6, 2002. С. 1-4.

25. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. М.: Радио и связь, 1982.

26. Кристофидес Н. Теория графов. -М: Мир, 1978.

27. Кривченко И., Золотухо Р. Конфигурируемая система на кристалле Е5 -первое знакомство // Компоненты и технологии, 2001, №1.

28. Кузелин М. О., Кнышев Д. А., Зотов В. Ю. Современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx. Справочное пособие. М.: Горячая линия - Телеком, 2004. -440 с.

29. Кузьмин В.Ю., Зеленко Г.В. Проблемы кластеризации локальных данных // Межвузовский сборник научных трудов «Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ» вып. 6 -М.: МГАПИ, 2003. Сс. 158 160.

30. Кулинич А.А. Разработка принципов и методов построения программных систем поддержки принятия решений в слабо структурированных ситуациях на основе моделирования знаний эксперта // Автореферат дисс. . кандидата технических наук. М., 2003. - 27 с.

31. Кучеров В.П. Разработка неоднородной вычислительной сети и оценка функционирования ее компонент // Автореферат дисс. . кандидата технических наук. Кишинев, 1991. 20 с.

32. Ларичев О.И. Наука и искусство принятие решений. -М.: Наука, 1979.

33. Ли Р. Оптимальные оценки, определение характеристик и управление. /Пер. с анг. М.: Мир, 1966. 176 с.

34. Липаев В.В. Качество программного обеспечения. М.: Финансы и статистика, 1983.

35. Липаев В.В. Сравнение требований к характеристикам качества различных типов программных средств // Информационные технологии №8,2002 С. 48-54.

36. Малинина Н.Л. Автоматизированный синтез вычислительных алгоритмов для проектирования сложных технических систем // Автореферат дисс. . кандидата физ.-мат. наук. М.: 1992. 16 с.

37. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах. / Пер. с англ. -М.: Мир, 1980.

38. Медведкова И.Е. Математическое и программное обеспечение иерархического моделирования и проектирования сложных вычислительных систем // Автореферат дисс. . кандидата технических наук. — Воронеж: 1999. 16 с.

39. Парфенов В.В. Проектирование и реализация программного обеспечения встроенных систем с использованием объектно-базированного подхода // Автореферат дисс. кандидата физико-математических наук. СПб.,1995. -59 с.

40. В.В. Парфенов, А.Н. Терехов RST-технология программирования встроенных систем реального времени // Системная информатика Новосибирск №5,1997. С. 228-256.

41. Петренко А. К. Тестирование на основе формальных спецификаций в процессах разработки программных комплексов // Автореферат дисс. . доктора физико-математических наук. -М., 2003. 59 с.

42. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления. -М.: Энергоиздат, 1981.

43. Постников Н.П. Поведенческий и инструментальный аспекты проектирования встроенных вычислительных систем // Автореферат дисс. . кандидата технических наук. — СПб.: 2004.16 с.

44. Предко М. Справочник по PIC-микроконтроллерам: Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2002.-512 с.

45. Сван Т. Программирование для Windows в Borland С++: Пер. с англ. -М.: Бином, 1995.

46. Сергиенко И.В. Математические модели и методы решения задач дискретной оптимизации. Киев: Наукова думка, 1985. - 384 с.

47. Сидху Д.П., Гессер М. Локальная сеть с многоуровневой безопасностью. / Proc. Symp. Secur. and Privacy, California, USA, 1982.

48. Системы реального времени // Тематический номер СТА Современные технологии автоматизации №2,1997.

49. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука,1981.

50. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов. 3-е изд., перерабо. и доп. - М.: Высш. шк. 2001. - 343 с.

51. Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет. Под ред. Коршуна И.В.; Составление, пер. с англ. и литературная обработка Горбунова Б.Б. М: Издательство «Аким», 1998.-272 е., ил.

52. Соловей Д.Е. Разработка элементов АРМ проектирования изделий электронной и вычислительной техники // Автореферат дисс. кандидата технических наук. Воронеж, 1998. - 16 с.

53. Соловьев В. В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. М.: Горячая линия - Телеком, 2001.-636 с.

54. Сорокин С. Как много ОС РВ хороших. Обзор. Программное обеспечение // "СТА-ПРЕСС", 1997, №2.

55. Столингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. Проектирование и производительность: Пер. с англ. -Ми др.: Вильяме, 2002. 892 с.

56. Такеути Г. Теория доказательств. М.: Мир, 1978.

57. Танака X., Цукияма Т., Асаи К. Модель нечеткой системы, снованная на логической структуре. В сб. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения: пер. с англ. / Под ред. Р.Р.Яггера. М.: Радио и связь, 1986. С. 186-199.

58. Тихонов А.Н., Цветков В.Я. Методы и системы поддержки принятия решений. М.: МАКС Пресс, 2001 - 312 с.

59. Третьяков С.В. Системы на кристалле: тенденции развития. // Межвузовский сборник научных трудов «Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ» вып. 8 -М.: МГАПИ, 2005. С. 197-198.

60. Третьяков С.В. Специфика функциональной реализации встроенной системы обработки данных М.: «Машиностроение», Общероссийский научно-технический журнал «Полет», 2007. С. 56-60.

61. Ульман Дж. Основы систем баз данных. / Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1983.

62. Фишберн П. Теория полезности. В кн. Майзер X., Эйджин Н., Тролл Р. и др. Исследование операций. Пер. с англ. / Под ред. Дж. Моудера, С Малграби. М.: Мир, 1981. Т. 1. С. 448-480.

63. Форрестер Дж. Мировая динамика. М.: Наука, 1978.

64. Хетагуров Я.А. Основы проектирования управляющих вычислительх систем-М.: Радио и связь, 1991,-287 с.

65. Холл П. Вычислительные структуры, Введение в нечисленное программирование: Пер. с англ. -М.: Мир. 1978.

66. Хопгуд Ф. Методы компиляции. -М.: Мир, 1972.

67. Худов К.А. Математическое и программное обеспечение средств верификации программ микроконтроллерных устройств // Автореферат дисс. кандидата технических наук. М., 2006. - 20 с.

68. Чапагайн Э.Н. Математическое и программное обеспечение поддержки принятия решений при выборе структур микроконтроллерных систем // Автореферат дисс. кандидата технических наук. М., 2001. - 20 с.

69. Чаппел Л., Хейкс Д. Анализатор локальных сетей. NetWare / Пер. с англ. -М.: Лори, 1995.

70. Чифка Л. ПЭВМ и их применение в промышленности и управляющих локальных вычислительных сетях, использующих ПЭВМ. / Personal Computers and industrial and management application. Prague, 1987.

71. Шалыго А. А. Методы аппаратной и программной реализации алгоритмов. СПб.: Наука, 2000. - 780 с.

72. Шенк Р. Обработка концептуальной информации: Пер. с англ. М.: Энергия, 1980.

73. Шишов О.В. Проектирование аналого-цифровых контрольно-управляющих микропроцессорных систем. Саранск: Тип. «Красс. Окт.», 2001.-116 с.

74. Юдицкий С.А. Сценарный подход к моделированию поведения бизнес-систем. -М.: Синтег, 2001. 105 с.

75. Яковлев Ю.С. О проблеме интеграции аппаратных и программных платформ при создании компьютерных систем // Кибернетика и системный анализ №5,2000.

76. VHDL для моделирования синтеза и формальной верификации аппаратуры: сб. статей / Под ред. Ж. Мермье; Пер. с англ. В. В. Топоркова и Т.С. Трудовой; Под ред. В. М. Михова. М.: Радио и связь, 1995. - 360 с.

77. Chang С. L., Fuzzy Topological Spaces, Jor. Math. Anal, and Appl. Vol. 24, pp. 182-190,1968.

78. Chang S. K., Fuzzy Programs, Theory and Applications, P. I. B. Proc.Comput. Automata. Vol.21,1971.

79. Donovan S. Security of PCs In a Distributed Environment. / С & S, February, 1993.

80. Dougherty E. 10 Base T Takes off. / LAN, May 1991.

81. Gagne R. M. Die bedingungen menschlichen Lernens. Hannover: Schroedel, 1969.

82. Gitman I., M. D. Levine, An Algorithm for Detecting Unimodal Fuzzy Sets and its Application as a Clustering Technique I.E.E.E. Trans, on Computers, С 19, pp. 583-593, 1970.

83. Abdelaziz Fellah, Zachary Friggstad, Soufiane Noureddine. A New Class of Timed Alternating Finite Automata // Journal of Computer Science. 2007. 3(1). P. 1-8.

84. Fabrizio Ferrandi, Pier Luca Lanzi, Donatella Sciuto. System Level Hardware-Software Design Exploration with XCS. Springer, Berlin -Heidelberg, 2004, P. 763-773.

85. Fisher I. Mathematical Investigations in the Theory of Values and Prices, Trans of the Conn. Acad, of Arts andSci., 9 1-124 (1892), Augustus M. Kelley, New York, 1965.

86. Floyd R. W., Non-deterministic Algorithms, Jor. Assoc. Comput. Machinery. Vol. 14, pp. 636 644,1967.

87. Heldenbrand D. DOD Grade Security Comes to LANs. / LAN Technology. / Computers & Security, March, 1993.

88. Hurwicz M. Network Operating System: How Secure They Are / LAN Technology, May, 1989.

89. Kandel A., On Minimization of Fuzzy Functions, I. E. E. E. Trans, on Computers, С 22, № 9, Sept. 1973.20.

90. Lee E. Т., Zadeh L. A., Note on the Fuzzy Languages, Inform. Sciences, Vol. 1, pp. 421 -454,1969.

91. Levi S.-T. Real-time system design. New York etc.: McGraw-Hill, 1889. -XIX, 299 p.p.

92. Nickson J. В. Locking LANs. / LAN, October 1989.

93. N. Ramadass, S. Natarajan, J. Raja Paul Perinbam. Dynamically Reconfigurable (Self-modifiable) Architecture for Embedded System-on-Chip Applications // Information Technology Journal. 2007. 6(1). P. 66-74.

94. А. К. Rath, P.K.Meher. Design of a Merged DSP Microcontroller for Embedded Systems using Discrete Orthogonal // Journal of Computer Science. 2007. 2(5). P. 388-394.

95. Stahl S. H. Information Security in Workstation Environment. / Computers & Security, March, 1993.

96. Watanabe S., Modified Concepts of Logic, Probability and Informationbased on Generalized Continuous Characteristic Function, Inform, and Control, Vol. 15, pp. 1 -21,1969.

97. Xiaobo (Sharon) Hu, Rajeshkumar S. Sambandam. Multi-Valued Performance Metrics for Real-Time Embedded Systems // Journal Design Automation for Embedded Systems. 2000. 5(1). P. 5-28.

98. Yaari M.E. Convexity in the Theory of Choise Under Risk, Quart. J Econ., 79,278-290(1965).

99. Zadeh L. A., Fuzzy Algoritms, Inform, and Control, Vol. 12, pp. 99 -102, 1968.