автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение поддержки принятия решений при выборе структур микроконтроллерных систем

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ НА ЭТАПЕ СИНТЕЗА СТРУКТУРЫ ВСТРАИВАЕМЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ СИСТЕМ.

1.1. Технология проектирования ВМС.

1.1.1. Особенности элементной базы ВМС.

1.1.2. Средства проектирования ВМС.

1.1.3. Этап структурного проектирования ВМС.

1.2. Теория поддержки принятия решений при структурном проектировании ВМС.

1.2.1. Общие положения.

1.2.2. Критериальное структурирование множества альтернатив.

1.2.3. Вербальный анализ решений.

Выводы к главе 1.

2. ОЦЕНКА КРИТЕРИЕВ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ СТРУКТУР ВМС.

2.1 Общий подход к выбору структуры ВМС.

2.2 Количественные и качественные параметры векторных критериев вариантов структур ВМС.

2.3 Методика и алгоритм вычисления обобщенного критерия качества структуры ВМС.

Выводы к главе 2.

3. ИНТЕГРАЦИЯ АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ

КОМПНЕНТОВ СТРУКТУР ВМС.

3.1. Концептуальные положения подхода.

3.1.1 .Формирование множества допустимых решений.

3.1.2. Формирование множества критерий.

3.1.3. Иерархия целей.

3.1.4. Свойства критериев.

3.1.5. Иерархия критериев.

3.2 Методика оценки сочетаний аппаратных и программных средств по качественным и количественным критериям.

Выводы к главе 3.

4. ПРОГРАММА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ЗАДАЧ РАЗМЕЩЕНИЯ

ПРОГРАММ ПО УРОВНЯМ ПАМЯТИ ВМС.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Используемые методы поддержки решений.

4.3 Методы прямой и обратной фильтрации.

4.4 Механизм фильтрации.

4.5 Метод первой точки вне окрестностей и стратегия удвоения.

4.6 Начальные значения d и Ad.

4.7 Метод ближайшей точки вне окрестностей.

4.8 Метод наиболее удаленной точки окрестностей.

4.9 Обратная фильтрация.

4.10 Постановка задачи проектирования СППР.

4.11 Технология размещения программ по уровням памяти ВМС с использованием СППР.

4.12 Принятие проектных решений.

Выводы к главе 4.

Диссертационная работа посвящена разработке математического и программного обеспечения поддержки принятия решений при выборе структур микроконтроллерных систем.

Для решения этой задачи в диссертации используются теория и методы принятия решений.

Актуальность работы. Проблемы оценки и выбора аппаратных и программных компонентов микропроцессорных устройств и систем остаются актуальными для разработчиков уже более четверти века. Это связано с одной стороны с постоянным ростом номенклатуры элементной базы, а с другой - расширением областей применения микрокомпьютерных систем.

Повсеместное использование микропроцессорной элементной базы породило новый класс устройств - встроенные микроконтроллерные системы (ВМС). Этот класс устройств возник благодаря резкому снижению стоимости микропроцессорной элементной базы. Использовать ВМС, например, в недорогом фотоаппарате теперь не вызывает никаких проблем связанных со стоимостью изделия. Однако это действительно так, если грамотно выбрана элементная база ВМС, а, следовательно, ее структура. Не последнюю роль при этом играют стоимость и сроки проектирования, объем выпуска изделия.

У разработчиков ВМС имеется возможность реализовывать управляющие алгоритмы различными способами, используя элементную базу разных фирм. Естественно, что при этом получаются разные варианты возможных структур ВМС. Из такого набора возможных вариантов разработчик на этапе структурного синтеза должен выбрать для последующей реализации наиболее рациональный вариант. Этап структурного синтеза очень ответственен, т.к. от правильности выбора варианта будут зависеть трудоемкость и сроки проектирования системы, ее стоимость при производстве.

Целью диссертационной работы являются разработка методики и алгоритмов средств поддержки принятия решений, позволяющих проектировщику упорядочить множество вариантов структур ВМС для последующего выбора по заданным критериям оптимального варианта. Варианты структур задаются перечислением альтернатив с присущими им параметрами или диапазонами их изменений.

Для достижения этой цели потребовалось

- провести анализ этапов проектирования ВМС;

- проанализировать функциональные, параметрические и конструктивные характеристики элементной базы, используемой для ВМС;

- исследовать функциональные возможности инструментальных средств проектирования и их влияние на выбор вариантов структур ВМС и на ход проектирования;

- разработать методику оценки количественных и качественных параметров компонентов и среды проектирования ВМС для построения многокритериальной функции ценности;

- разработать систему предпочтений проектировщика на этапе структурного проектирования ВМС, применительно к функциональным особенностям и параметрам элементной базы и инструментальных систем проектирования;

- провести анализ применимости известных методов принятия решений к задаче выбора оптимальной структуры ВМС.

На защиту выносятся следующие положения

- метод построения многокритериальной функции ценности для характеристики ВМС и их среды проектирования;

- метод оценки и выбора элементов программно-аппаратных структур ВМС;

- метод формирования критерия полезности для задачи размещения программ по уровням памяти ВМС.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовалась теория множеств, методы исследования операций, теория и методы принятия решений.

Научная новизна работы заключается в разработке теоретических и методологических основ решения задачи выбора оптимального варианта структуры ВМС на этапе структурного проектирования:

- предложена методика принятия решений применительно к выбору элементной базы ВМС с совокупности с инструментальными средствами проектирования;

- разработаны методы оптимизации и поддержки принятия решений при размещении программ по уровням памяти ВМС;

- сформулирована аксиоматика системы предпочтений проектировщиков при принятии решений на этапе структурного проектирования.

Практическая ценность работы состоит в создании методики оценки выбора структур ВМС для последующего выбора оптимального варианта. В рамках работы разработана программа поддержки решений для размещения управляющих программ по уровням памяти ВМС, используемая разработчиками в интерактивном режиме на этапе структурного проектирования. Программа используется так же и в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики на кафедре «Персональные ЭВМ, системы и сети».

Апробация работы. Результаты работы были доложены на Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права (г. Сочи, 1999).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованной литературы из 95 наименований. Основной текст диссертации изложен на 104 страницах машинописного текста.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Персональные ЭВМ и сети» Московской государственной академии приборостроения и информатики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Разработаны теоретические и методологические основы решения задачи выбора оптимального варианта структуры ВМС на этапе структурного проектирования.

2. Разработаны методики и алгоритмы средств поддержки принятия решений, позволяющих проектировщику упорядочить множество вариантов допустимых структур ВМС для последующего выбора по заданным критериям оптимального варианта.

3. Предложена методика принятия решений применительно к выбору элементной базы ВМС с совокупности с инструментальными средствами проектирования.

4. Разработана методика построения многокритериальной функции для оценки структур ВМС, отличающейся повышенным уровнем достоверности при преобразовании экспертных оценок в весовые коэффициенты многокритериальных функций.

5. Разработана методика оценки совокупности количественных показателей сочетаний аппаратных и программных наборов для структур ВМС. На ее основе возможен выбор квазиоптимального набора сочетаний программных и аппаратных компонентов в соответствии с предложенными критериями.

6. Сформулирована аксиоматика системы предпочтений проектировщиков при принятии решений на этапе структурного проектирования.

7. Разработан метод формирования критерия полезности для задачи размещения программ по уровням памяти ВМС. На основании этого метода разработана программа поддержки принятия решений при размещении программ по уровням памяти микроконтроллера.

В рамках работы разработана программа поддержки решений для размещения управляющих программ по уровням памяти ВМС, используемая разработчиками в интерактивном режиме на этапе структурного проектирования.

1. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования. : Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.

2. Белкин А.Р., Левин М.Ш. Принятие решений: комбинаторные модели аппроксимации информации. -М.: Наука., 1990. 160 с.

3. В.Б. Стешко ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. -М.: ДОДЭКА, 2000. -128с.

4. Вагнер Г. Основы исследования операций. -М.: Мир, 1973.

5. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: -Наука, 1980.

6. Вилкас Э.Й. Оптимальность в играх и решениях. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1990. - 256 с.

7. Волох Г. Программаторы: Проблемы выбора.// Электронные компоненты, 1998, №2

8. Гафт М.Г. Принятие решений при многих критериях. М.: Знание, 1979.

9. Гафт М.Г., Подиновский В.В. О построении решающих правил в задачах принятия решений. Автоматика и телемеханика, №6, 1981.

10. Ю.Гук М. Интерфейсы ПК: справочник. СПб.: «Питер», 1999. 416 е.: ил.

11. П.Дайер Дж. Многоцелевое программирование с использованием человеко-машинных процедур // Вопросы анализа и процедуры принятия решений. -М.: Мир, 1976.

12. Изделия и компоненты, предлагаемые фирмой «КТЦ-МК»: микроконтроллеры фирмы ATMEL семейства AVR. Справочник. М.: Издательство «КТЦ-МК», 1999

13. Инструментальные средства для микроконтроллеров. Каталог. Phyton : М„ 1998

14. Информационный каталог. Гамма Санкт-Петербург. 2000

15. Карлин С. Математические методы в теории игр, программировании и экономике. М.: Мир, 1964.

16. Кини P.JI., Райфа X. Принятие решений при многих критериях предпочтения и замещения. Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1981.-560с.

17. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров INTEL MCS-196/296 во встроенных системах управления. М.: Издательство ЭКОМ, 1997.-688с.:илл.

18. Королев Н. AVR аппаратные средства разработчика// Компоненты и технологии, 1999, №1

19. КофманА. Введение в теорию нечетких множеств. М.: Радио и связь, 1982,- 432 с.

20. Кофман А., Анри-Лабордер А. Методы и модели исследования операций: Целочисленное программирование. М.: Мир, 1977. 432 с.

21. Кравченко Г. Какой источник питания Вам нужен? // Компоненты и технологии, 2001, №3

22. Краткий каталог продукции. ProSoft, 2001

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

24. Курбатов А. О выборе и применении 12-разрядных быстродействующих АЦП// Компоненты и технологии, 2000, №2.

25. Ларичев О.И. , Мошкович Е.М. Качественные методы принятия решений. -М. : Физматлит, 1996.

26. Ларичев О.И. Наука и искусство принятия решений. -М. : Наука, 1979.

27. Ларичев О.И. Объективные модели и субъективные решения. -М/. Наука, 1987.

28. Ларичев О.И. Теория и методы принятия решений, а также Хроника событий в Волшебных Странах: Учебник. М.: Логос, 2000. -296 е.: ил.

29. Липаев В.В. Отладка сложных программ. Методы. Средства, Технология. М.: Энергоатомиздат, 1993. -384 е.: ил.

30. Липаев В.В. Управление разработкой программных средств: Методы, стандарты, технология. М.: Финансы и статистика, 1993. - 159 е.: ил.

31. Литвак Б.Г. Экспертная информация: методы получения и анализа. М.: Радио и связь, 1981

32. Лотов А.В., Бушенков В.А., Каменев Т.К., Черных О.Л. Компьютер и поиск компромисса. Метод достижимых целей. -М.: Наука, 1997.

33. MicroPC. Каталог продукции. ProSoft, 2000

34. Миркин Б.Г. Проблема группового выбора. М.: Наука, 1974.

35. Нейман Дж. фон., Моргенштерн О. Теория игр и экономическое поведение. -М.: Наука, 1970

36. Однокристальные микроконтроллеры Microchip: PIC16C5X. /Пер. с англ./Под ред. А.Н.Владимирова. Рига.: ORMIX, 1996, 120 е.: ил.

37. Панфилов Д. Российская автоэлектроника с зарубежными полупроводниками и отечественным интеллектом// "Живая электроника России 2000"// спецвыпуск журнала "Электронные компоненты".

38. Подиновский В.В. Многокритериальные задачи с упорядоченными по важности критериями. Автоматика и телемеханика, 1976, №11.

39. Прангишвили И.В. Системный подход и общесистемные закономерности. Серия "Системы и проблемы управления". М.:СИНТЕГ, 2000, 528 с.

40. Пустоваров В. И. Язык Ассемблера в программировании информационных и управляющих систем- М.: «ЭНТРОП», -К., «ВЕК», 1997.-304 е., ил.

41. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений. От общих подходов к семействам НС005 и НС08 фирмы Motorola. -М.: Додэка, 2000.

42. Руководство пользователя по сигнальным микропроцессорам семейства ADSP-2100. Пер. с англ. О.В. Луневой; Под ред. А.Д.Викторова; -Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет. Санкт-Петербург, 1997. -520 с. : ил.

43. Саати Т., Керне К. Аналитическое планирование. Организация систем. М.: Радио и связь, 1991.

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

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

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

47. 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.

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

49. Сорокин С. Системы реального времени. Современные технологии автоматизации// "СТА-ПРЕСС", 1997, №2

50. Темников Ф.Е. и др. Теоретические основы информационной техники. -М.: Энергия. 1971

51. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений. М: СИНТЕГ, 1998.-376 с.

52. Уильяме Г.Б. Отладка микропроцессорных систем: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 253 с.:ил.

53. Филимонов П. Реализация целочисленного БПФ на процессорах с архитектурой ARM// Схемотехника, 2001, №3

54. Финкелыитейн Ю.Ю. Приближенные методы и прикладные задачи дискретного программирования. М.: Наука, 1976. - 264 с.

55. Фрунзе А. Микроконтроллеры в России: вчера, сегодня, завтра.// Компоненты и технологии, 2001, № 2

56. Фрунзе А. Рабы своих семейств, или Почему разработчики микроконтроллерной техники не очень охотно меняют базу для своих разработок// Компоненты и технологии, 2000, № 3

57. Хитч Ч. Руководство обороной. -М.: Сов. радио, 1968.

58. Шалыго А. А. Логическое управление. Методы аппаратной и программной реализации алгоритмои. СПб.: Наука, 2000. - 780 с.

59. Шитиков А. Цифровые датчики температуры от Dallas Semiconduktor// Компоненты и технологии 2001 № 3

60. Штойер Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения. Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1992.-504с.

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

62. Benayoun R., Decostre S., Leyrat P. Gestion previsionelle des cadres. Rapp.№ 35. SEMA, 1969 —

63. Data Book and CD ROM , Dallas Semiconductor, Fall 2000

64. Borcherding K., Schmeer S., Weber M. Biases in multiattribute weight elicitation //J. P. Caverni, M. Bar-Hillel, F. N. Barron, H. Jungermann i Eds. Contributions to Decision Research. North-Holland, 1993.

65. Eka Narayan Chapagain To an estimation of speed of exchange at type selection of network // PC WORLD, April/May 2000.

66. Eka Narayan Chapagain, Zelenko G.V. Peculiarities of rational structures selection for Microprocessor Based Control Systems (MBCS) // PC WORLD, February 2000.

67. Eka Narayan Chapagain, Roschin A.V. Information support for development of embedded systems // PC WORLD, July 2000.

68. Erev I., Cohen B. Verbal Versus Numerical Probabilities: Efficiency, Biases, And The Preference Paradox // Organizational behavior and human decision processes. 1990. № 45.

69. Huber В., 0. Huber. Development Of The Concept Of Comparative Subjective Probability // J. of experimental child psychology. 1987. № 44.

70. Humphreys P. C. Application of multiattribute utility theory // H. Jungerman and de Zeeuw (Eds.). Decision making and change in human affairs. Dordrecht: Reidel, № 1977.

71. Korhonen P., Larichev O., Moshkovich H., Mechitov A., Wallenias J. Choice behavior in a Computer-Aided Multiattribute Decision Task // J. Multicriteria Decision Analysis. 6(1997).

72. Lootsma F.A. Scale sensitivity in the multiplicative AHP and SMART // J. Multi-Criteria Decision Analysis. 1993. V.2.

73. McCrimman K.R., Wehrung D.A. Trade-off analysis: indifference and preferred proportion. Workshop on Decision Making with Multiple Conflicting Objectives. IIASA. Laxenburh, 1975.

74. Olson D.L., Fliendner G., Currie K. Comparison of the REMBRANDT system with analytic hierarchy process // European J. Oper. Res. 1995. V.32.

75. Roy B. Multicriteria Methodology for Decision Aiding. Dordrecht: Kluwer Academic Pulisher, 1996.

76. Simon H. A. The New Science of Management Decision. N. Y.: Harper and Row Publ., 1960.

77. Stam A., Silva A.P. Stochastic judgements in the AHP : the measurement of rank reversal probabilities. Rep.WP-94-101. Laxenburg,1994.

78. Vallee D., Zielniewicz P. ELECTRE 3-4, version 3x. Guide d'Utilisation. Document LAMSADE N 85. Paris; Universite de Paris Dauphine, 1994.

79. Wallenius H., Wallenius Y., Vartia P. An aproach to solving multiple criteria macroeconomic policy problems and an application // Management Science. 1978. V. 24, № 10, June.

80. Winterfeldt D. von and G.W.Fischer Multiattribute utility theory: Models and assessment procedures // D. Wendt and C. Viek (Eds.). Utility, probability and human decision making. Amsterdam: Reidel, № 1975.

81. Winterfeldt D. von, Edwards W. Decision Analysis and Behavioral Research. Cambridge: Cambridge University Press, 1986.

82. Wmterfeldt D. von, Fischer G. W. Multiattribute utility theory: Models and assessment procedures // D. Wendt, C. Viek (Eds.). Utility, probability and human decision making. Dordrecht: Reidel, 1975.1. К>ССУИС«40, f -ОС УДА "С1. Чблиотб8&-" ii