автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Программно-аппаратный комплекс проектирования цифровых систем обработки данных, базирующихся на схемах высокой и сверхвысокой степени интеграции

Введение.

1. Анализ существующих методик и средств проектирования встроенных цифровых устройств базирующихся на схемах сверхвысокой степени интеграции

1.1 Состав и архитектура средств проектирования.

1.2 Анализ программно - аппаратных средств проектирования.

1.3 Анализ методик проектирования.

1.4 Выводы.

2. Теоретическая модель системы цифровой обработки данных

2.1 Анализ и выбор математического аппарата.

2.2 Математическая модель системы.

2.3 Математическая модель параметров системы.

2.4 Выводы.

3. Методика проектирования и исследования встроенных цифровых систем обработки данных

3.1 Принципы функционирования и состав системы проектирования

3.2 Изложение методики и алгоритмов проектирования и исследования систем.

3.3 Выводы.^

4. Система проектирования и анализа цифровых устройств обработки данных

4.1 Разработка структуры программно-аппаратного комплекса.

4.2 Состав аппаратной части комплекса.

4.3 Универсальная интегрированная среда разработки (11ГОЕ).

4.4 Программные модули ИГОЕ. Методы и классы реализуемых функций

4.4.1 Основная управляющая программа.

4.4.2 Менеджер проекта.?

Актуальность темы диссертационной работы

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Определить основные характеристики проектируемых СЦОД.

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

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

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

Научная новизна исследования заключается в следующем:

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

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

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

Основные практические результаты работы следующие:

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

2. Реализовано встроенное программное обеспечение аппаратных модулей комплекса.

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные преимущества применения предложенного метода и комплекса:

• Сокращение сроков разработки встроенных систем цифровой обработки данных.

• Невысокий уровень капитальных вложений за счет гибкой системной платформы.

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

Апробация работы

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

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

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

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

4.5. Выводы

В результате проведенной разработки программного обеспечения выявлено следующее:

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

В процессе работы над диссертацией получены следующие основные результаты:

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

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

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

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

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

124 ние «г»[5,6]).

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

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

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

1. Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL.- М.: Радио и связь, 2001.

2. Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. М.: Радио-Софт, 2001.

3. Архитектура и проектирование вычислительных систем. Распределенные вычислительные системы. // Сборник статей. Рига: РПИ, 1990. - с. 14-21.

4. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов. Л.: Энергия, 1974.

5. Березин Б.И., Березин С.Б. Начальный курс С и С++. М.: Диалог-МИФИ, 1996.

6. Бродин В.Б., Калинин A.B. Универсальный профессиональный программатор: критерии и реализация // Chip News., № 4, 1997. с. 15-20.

7. Бродин В.Б., Калинин A.B. Эмулятор ПЗУ с функциями логического анализатора//Инженерная микроэлектроника., № 1, 1998. с. 16-18.

8. Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. М.: ЭКОМ, 1999.

9. Буданов А.Н. Средства разработки и отладки программного обеспечения промышленных контроллеров на базе 8/16-разрядных микропроцессоров фирмы Motorola // Инженерная микроэлектроника., № 1, 1999. с. 32-34.

10. Вайнер Р., Пинсон Л. С++ изнутри / Пер. с англ. Киев: ДиаСофт, 1993.

11. Варшавский В.И., Розенблюм Л.Я., Цирлин Б.С. Функциональная полнота в классе схем, не зависящих от скорости. I. // Кибернетика, № 2, 1981. с. 12-15.

12. Раврилов М.А., Девятков В.В., Попырев Е.И. Логическое проектирование дискретных автоматов. М.: Наука, 1977. ,

13. Гамкрелидзе С.А. Современные требования к САПР функционально-сложных изделий микроэлектроники: Научная сессия "МИФИ 99". / Сборник научных трудов. Т.6., М.: МИФИ, 1999. с. 184-185.

14. ГОСТ Р 50754-95. Язык описания аппаратуры цифровых систем — VHDL. Описание языка. М.: Госстандарт России, 1995., 243 с.

15. Гоулд Б., Рейдер Ч. Цифровая обработка сигналов / Пер. с анг. М.: Сов. Радио, 1973.

16. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных приборах. -Л.:Энергия. 1974.

17. Дербунович Л.В., Лобанов В.И. Диагностические процессоры в системах управления технологическим оборудованием // Энергетика. Известия вузов. № 9, 1988.

18. Долинский М.С. Интегрированная среда для разработки встроенных систем IEESD-2000 // Автоматика и вычислительная техника. № 3, 1999, с. 26-35.

19. Долинский М.С., Зисельман И.М., Федорцов А.О. Внутрисхемные эмуляторы микропроцессоров и микроконтроллеров. // Рига: Автоматика и вычислительная техника. № 1, 1999, с. 62-66.

20. Зотов В. САПР Foundation ISE фирмы Xilinx. // PCWEEK. №11, 2002, c.l 118.

21. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессоры« устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987.

22. Казаченко В.Ф. Микроконтроллеры: Руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров INTEL MCS-196/296 во встроенных системах управления. М.: Издательство Эком, 1997.

23. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования Си. М.: Финансы и статистика, 1992.

24. Ключев А.О., Коровьякова Т.А., Платунов А.Е. Использование интерфейса JTAG для отладки встраиваемых систем. / Изв. вузов. Приборостроение, т. 41, 1998, № 5, с. 45-50.

25. Кобахидзе Ш. Нужны ли профессионалу инструментальные средства? // Инженерная микроэлектроника. № 1, 1998, с. 2-10.

26. Козаченко В.М. Микроконтроллеры Intel MCS-196/296. М.: ЭКОМ. 1997.

27. Коннов A.A. Современные видеопроцессоры. М.: ДОДЭКА, 2000.

28. Корнеев В.В., Киселев А.И. Современные микропроцессоры. М.: НОЛИДЖ, 1998.

29. Котов В.Е. Сети Петри. М.: Наука, 1984.

30. Кривченко И. Системная интеграция в микроэлектронике FPSLICy/Chip News. № 3, 2000, с. 4-10.

31. Криста Д., Джонсон Т. Методология высокоуровневого проектирования устройств на базе FPGA. // Electronic Design, июнь 1999 г.

32. Кузьмук В.В. Методика алгоритмического описания и моделирования параллельных процессов управления. Киев: Наукова думка, 1981.

33. Куприянов М.С., Матюшкин Б. Д. Цифровая обработка сигналов. Процессоры, алгоритмы, средства проектирования., СПб: Политехника 1998.

34. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. пособие. Ростов н/Д: «Феникс», 2001.

35. Леонов С., Гладких Т. Применение и использование метода К-значного дифференциального исчисления при проектировании вычислительных устройств // Chip News. № 10, 2000, с. 11-23.

36. Лобанов В.И. Адаптируемая отладочная система для проектирования микроконтроллеров // Приборы и системы управления. 1988.

37. Лобанов В.И. Инженерные методы разработки цифровых устройств. М.: НИИРТА. 1977.

38. Микроконтроллер по цене транзистора // Chip News № 11-12, 1998. с. 1619.

39. Микроконтроллеры MOTOROLA и MICROCHIP Возможные взаимозамены // Chip news №11-12, 1998, с.22-27.

40. Микропроцессорные ситемы и микроЭВМ в измерительной технике: Учеб. пособие для вузов/ А.Г.Филиппов, А.М.Аужбикович, В.М.Немчинов и др.- М.: Энергоатомиздат, 1995.

41. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных схем: Справочник в 2 т. /В-Б. Б.Абрайтис, H.H. Аверьянов, А.И. Белоус и др.; по ред. В.А. Шахнова. М.: Радио и связь, 1988.

42. Миллер Р. теория переключательных систем. М.: Наука, Т.2, 1971.

43. Науман Г., Майлинг В., Щербина А. Стандартные интерфейсы для измерительной техники: / пер. с нем. М.: Мир, 1982.

44. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем / Перевод с анг. М:.Мир, 1984.

45. Плис фирмы Altera: проектирование устройств обработки сигналов. М.: ДОДЭКА, 2000.

46. Побельский В.В. Язык С++. М.: Финансы и статистика, 1995.

47. Потемкин И. С. Функциональные узлы цифровой автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1986.

48. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. T.l, Т.2. М.: Постмаркет, 2001. с. 416.

49. Прощайте, маленькие ASICs, да здравствуют FPGA // Chip News? № 2,1998. с. 23-25.

50. Рабинер Д., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: пер. с англ. / Под ред. Ю.Н. Александрова. М.: Мир, 1973.

51. Ремизевич Т. Микроконтроллеры семейства НС05 фирмы Motorola // Chip News. № 11-12, 1998, с. 22-26.

52. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений. / под ред. Кирюхина И.С. М.: Додэка, 2000.

53. Рублев E.JL, Коновалов А. В., Кольцов И. М. Разработка программного интерфейса для конфигурирования многокомпонентной САУ. // I Ручная сессия МИФИ-2001, сборник научных трудов т. 14, с. 22.

54. Руководство пользователя по сигнальным микропроцессорам семейства ADSP 2100. // Под редакцией профессора А. Д. Викторова. С.П. 1997.

55. Семейство сигнальных процессоров DSP5600 // Электроника, наука, технология, бизнес № 4 , 1996.

56. Семёнов В.Б. и др. Микропрограммный автомат на базе специализированных БИС // Chip News. № 7, 2000, с. 51-53.

57. Солонина А., Улахович Д., Яковлев Д. Цифровые процессоры обработки сигналов Motorola. СПб.: БХВ-Петербург, 2000.

58. Соучек Б. Микропроцессоры и микро ЭВМ: пер. с англ. / Под ред. А.И. Петренко. М.: Сов. Радио, 1979.

59. Стешенко В. Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС. Занятие 1. Обзор элементной базы // Chip News. № 8,1999, с. 2-6.

60. Стешенко В. Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС. // Chip News, № 8-10, 1999, № 1, 3-5, 2000.

61. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. М.: Радио 2000.

62. Страуструп Б. Язык программирования С++/ Пер. с англ. Киев: ДиаСофт, 1993.

63. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ, Санкт-Петербург, 2000.А

64. Уинер Р. Язык Турбо Си / Пер. с англ. М.: Мир, 1991.

65. Ушкар М.Н. Микропроцессорные устройства в радиоэлектронной аппаратуре / под ред. Б.Ф. Высоцкого. М.: Радио и связь, 1988.

66. Уэйт М., Прата С., Мартин Д. Язык Си / Пер. с англ. М.: Мир, 1988.

67. Фаранов В.В. Программирование на персональных ЭВМ в среде Турбо-Паскаль. М.: МГТУ, 1992.

68. Фиргунов В.Э. IBM PC для пользователя. М.: Финансы и статистика, 1994.

69. Цифровая обработка сигналов: Справочник / Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин, М.Н. Поляк. М.: Радио и связь, 1985.

70. Шагурин И.И. Архитектура и функционирование микроконтроллеров семейства 68НС705 // Chip News. № 3, 1999, с. 2-9.

71. Шагурин И.И. Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola. М.: Радио и связь. 1998.

72. Шагурин И.И. Периферийные устройства микроконтроллеров семейства 68НС705 // Chip News. № 4., 1999 с. 2-12.

73. Шагурин И.И., Бродин В.Б., Калинин A.B. и др. Средства проектирования и отладки систем управления на базе микроконтроллеров Motorola // Приборы и системы управления. № 9, 1998, с. 4-10.

74. Шагурин И.И., Толстов Ю.А., Калинин A.B. и др. Программно-аппаратные комплексы для проектирования и отладки систем на базе микроконтроллеров Motorola // Chip News. № 1, 1998, с. 22-28.

75. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. Дополнение первое: Справочник. М.: Радио и связь, 1993.

76. Шипулин С., Храпов В. Основные тенденции развития ПЛИС // Электронные компоненты. № 3-4, 1996, с. 26-27.

77. Щуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ / Пер. с англ. М. Мир, 1982.

78. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench в двух томах под редакцией Панфилова Д.И. М.: Додэка, 2000.

79. ADMC300 DSP Motor Controller. Developer's Reference Manual. Revision 2.0 1999r.

80. Alicke F., Bartholdy F., Blozis S., Dehemelt F., Forstner P., Holland N., Huchzermier J. Comparing Bus Solutions, Application Report, Texas Instruments, SLLA067, March 2000

81. Altera Corporation 1997 "Jam Programming & Test Language Specification".

82. Ashenden P. The Designer's Guide to VHDL. Morgan Kaufman Publishers, Inc. San Francisco, CA. -1996.

83. ATMEL DATA BOOK i.Programmable Logic and System Level ICsll MAY, 2000.

84. Bhasker J. A VHDL Synthesis Primer. Second Edition. // Star Galaxy Publishing, PA 18103 1996.

85. Digital Design and Debug Tools Catalog, Hewlett-Packard, 1998.

86. ELECTRONIC INDUSTRIES ALLIANCE JEDEC Solid State Technology Association "Standard Test and Programming Language (STAPL)".

87. Hans W Klein, 19 Programmable Analogue the new generation. Electronic Engineering, July, 2000, pp. 19-21.

88. High Performance DSP Based Motor Controller ADMC300. //Analog Devices 1998r.

89. M.Dolinsky, High-level design of embedded hardware-software systems, Advances in Engineer ing Software, Vol. 31, No 3, March, 2000, ISSN 09659978, UK, Oxford, «ELSEVIER», pp. 17-23

90. MCS 51 Family of Microcontrollers Architectural Overview. Sep. 1993.

91. MCS-51 Programmer's Guide and Instruction Set. Nov. 1992.4 132

92. Motorola Microcontroller Development Tools Directory, Motorola, 1999.

93. Motorola Microcontroller Development Tools Directory. MCUDEVTLDIR/D.

94. Motorola. Development Tools Selector Guide. SG180/D.

95. Motorola. Microcontroller Development Tool Configuration and Order Information. SG188/D.

96. Peter J.Ashenden. The designer's Guide to VHDL / San Francisco California, US 1995.

97. Test access Port and Boundary-Scan Architecture //IEEE Standart 1149.1 -1990 (Includes IEEE Std 1149.1a- 1993).

98. The Programmable Logic Data Book // San Jose, California, US: XILINX

99. Zima H.P., Vjaldon M., Zapata E.L., Charman B. Vienna-Fortran/HPF Extensions for Sparse and Irregular Problems and their Compilation //IEEE Trans. Parallel and Distributed Systems. -1997, -V8, -N10, -p. 1068-1083.f 133