автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование средств смешанного моделирования вычислительных устройств



На правах рукописи

Мельникова Светлана Юрьевна

разработка й исследование средств смешанного моделирования

вычислительных устройств

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники, и систем управления

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандадата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете им.В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -кандидат технических наук доцент Тимофеев ¿.О.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Немолочнов О.Ф. кандидат технических наук доцент Хуков К.Г.

Ведущая организация - Санкт-Петербургская государственная академия телекоммуникации им.проф.М.А.Бонч-Бруевича

Защита диссертации состоится " ^ " 1996г.

в J- часов на заседании диссертационного совете К 063.36.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им.В.И.Ульянова (Ленина) lío адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова, Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "_JzE_" 1996г.

Ученый се1фетарь диссертационного совета

Юрков Ю.В.

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время вычислительные устройства широко применяются в различных областях науки и техники, при этом имеет место постоянное совершенствование этих устройств, а также пополнение их номенклатуры. При создании схем ВТ и микропроцессорных средств управления и контроля во многих случаях возникает потребность в использовании аналоговых компонентов совместно с основными цифровыми элементами и устройствами. По данным бостонской группы Technology Research Group аналоговые схемы имеется в 80% печатных плат. По оценкам этой группы менее, чем за б лет половина всех полузаказных схем будет содержать аналоговые схемы в незначительном количестве, а в довольно большом их числе доля аналоговых схем будет доходить до 10%.

Современные методы проектирования аналого-цифровой техники' предполагают применение программных средств моделирования устройств этого класса. Стандартный подход к моделированию смешанных схем 'заключается в выполнении анализа • устройства путем решения системы уравнений, описывающих устройство на уровне эквивалентных схем его компонентов. Для цифровых устройств широко используются средства поведенческого - моделирования, позволяющие исследовать устройство как структуру из моделей его компонентов, которые хранятся в памяти ЭВМ как библиотечные. Важная роль средств поведенческого моделирования обусловлена сокращением времени моделирования и "выявлением ошибок на ранних стадиях проектирования.

В настоящей ■ работе впервые предпринята попытка поведенческого моделирования смешанных схем. Очевидно, что поведенческое моделирование смешанных схем возможно только в том случае, если созданы автономные библиотечные поведенческие модели аналоговых' компонентов, взаимодействие которых, (моделей) имитирует решение системы уравнений электрических цепей. .

•

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и- исследование библиотечных моделей аналоговых компонентов для системы смешанного моделирования, ориентированной на исследование схем вычислительной техники. Для достижения поставленной цели в работе решались

следующие основные задачи:

- анализ современных схем ВТ и режимов работы аналоговых компонентов;

- разработка алгоритмов функционирования и взаимодействия моделей;

- создание библиотечных программ, имитирующих поведение аналоговых компонентов;

- тестирование и снятие характеристик моделей;

разработка методики проектирования моделей аналоговых компонентов для системы смешанного моделирования.

Основные методы исследования. Для решения поставленных задач использовались понятия и методы теории электрических цепей, теории полупроводников, теории вычислений- и теории эргономики.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, закачается в следующем:

- разработаны алгоритмы функционирований и взаимодейг ствия моделей аналоговых компонентов, позволяющие реализовать принцип модульности, в системе смешанно'го моделирования;

- предложена методика проектирования библиотечных моделей аналоговых компонентов, учитывающая особенности функционирования моделей в системе смешанного моделирования, которая может служить базой для создания моделей аналоговых компонентов различной степени сложности;

- разработаны алгоритмы расчета библиотечных моделей аналоговых компонентов; новизна алгоритмов заключается ъ двухфазном пбрядк9..расчета, который освобождает разработчике от анализа последовательности срабатывания элементов и ранжирования структуры модели схемы, а также позволяет корректно учитывать фактор времени при моделировании аналоговых компонентов;

-/йредложен способ наблюдения результатов моделирования, /при атом состояние модели отражается в формате данныз (началоное эталонное изображение), отличающемся введение« вспомогательных надписей и символов псевдографики, чтс позволяет наглядно и полно отобразить состояние модели и параметры моделируемого элемента.

Практическая ценность работы. -Значение результатов

диссертационной работы для' практики заключается в следующем:

разработаны -программы, имитирующие поведение дискретных аналоговых компонентов, ориентированные на автономное использование в составе системы смешанного' моделирования и предназначенные для совместной работы о программами, имитирующими цифровые компоненты смешанных схем;

- получены характеристики и параметры моделей, которые могут быть использовании! при выборе моделей и оценке результатов моделирования.

Внедрение результатов работы. Разработанные модели включены в систему моделирования "Аметист" и используются в учебном процессе на кафедре вычислительной техники СПбГЭТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:

- 48-й научно-технической конференции, посвященной Дни рйдао, г.Санкт-Петербург, 1993 г.;

- 49-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио , г.Санкт-Петербург, 1994 г. .

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 2 депонированных статьи, 2 тезиса докладов на конференциях и I статья.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 70 наименований, и 4 приложений. Основная часть работы галогена на 149 страницах машинописного текста. Работа содержит 6 таблиц и 67 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕИШИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой разделе диссертационной работы рассматриваются схемы вычислительной техники, содержащие аналоговые компоненты, производится анализ режимов работы аналоговых компонентов в смешанных схемах, на основе которого формулируются требования к моделям и средствам моделирования смешанных схем. Здесь же дается обзор современных методов моделирования

и обзор отечественных и зарубежных средств моделировшш аналоговых и аналого-цифровых схем.

Большинство проблем смешанного моделирования I настоящее время связано с необходимостью моделирования, больших сложных схем с жесткими внутренними обратными связями и такими сложными компонентами как микропроцессоры. Одновременно в состав этих схем могут входить такие приборы

схемного уровня, как резисторы, конденсаторы, транзисторы и др.

Анализ основных методов моделирования аналоговых и смешанных схем показывает, что наиболее развитым оказывается моделирование чисто аналоговых схем, тогда как моделирование схем .со смешанными сигналами находится в стадии совершенствования. В настоящее • время существует значительный арсенал средств смешанного моделирования, большей частью созданный за рубежом. Основным^ тенденциями развития средств смешанного моделирования являются некоторое снижение популярности единых и гибридных систем моделирования и возрастание,, роли базовых средств смешанного моделирования, когда уже существующая аналоговая или цифровая моделирующая программа (база) дополняется, соответственно, средствами цифрового . или аналогового моделирования.

На основе анализа режимов работы аналоговых компонентов в схемах, вычислительной техники к моделям аналоговых компонентов предъявляется ряд требований. Модели должны:

- отражать статические характеристики компонентов;

- отражать динамические свойства, присущие аналоговым компонентам;

- отражать структурные свойства для различных комбинаций элементов в схеме, т.е. быть автономными, легко стыкуемыми с моделями как аналоговых, так и цифровых элементов;

- правильно функционировать и взаимодействовать друг с другом в широком диапазоне частот;

- /охватывать широкий диапазон 'значений номиналов компонентов;' для этого модели должны иметь переменные параметры.

. Йроме того, структура каждой модели и ее математическое описание должны быть как можно проще, поскольку они оказывают существенное влияние на время моделирования и требуемый объем памяти ЭВМ. Желательно также, чтобы поведенческие модели аналоговых компонентов могли выполнять дополнительные функции

- выдавать диагностическую информацию или контролировать ошибки при проектировании.

К системе моделирования, используемой для исследования смешанных схем вычислительной техники, также предъявляются определенные требования. Система моделирования должна:

- включать широкий диапазон базовых моделей компонентов;

- выполнять анализ динамических режимов;

- позволять производить расчет характеристик анализируемых схем с различной задаваемой точностью, уменьшение которой должно сопровождаться сокращением временных затрат;

- обладать сравнительно простым входным языком, не требующим от пользователя специальной высокой квалификации для ввода информации о моделируемой схеме и чтения результатов;

- иметь диалоговый режим работы для изменения переменных параметров моделей в процессе моделирования.

Сформулированным требованиям полностью отвечает система моделирования "Аметист". Отличительные черты данной системы моделирования:

- высокая автономность моделей компонентов и, как следствие этого, возможность значительного увеличения их сложности и "интеллектуальности";

- отсутствие' ограничений на порядок следования компонентов в моделируемой схеме;

- контроль временных отношений между сигналами, встроенный в библиотечную модель компонента;

- детально^ отражение на экране данных о состоянии модели компонента, возможность изменения параметров моделей в процессе моделирования.

Возможно моделирование цифровых, аналоговых и комбинированных устройств в одном цикле моделирования, т.к. система обеспечивает передачу между компонентами модели как символов, так и электрических токов и напряжений. Система моделирования строит модель устройства как структуру из библиотечных элементов. Каждому библиотечному элементу соответствует программа, имитирующая поведение этого элемента при любой последовательности входных воздействий. Средствами системы моделирования, а также средствами ОС, программы, имитирующие поведение отдельных элементов, объединяются в программу, имитирующую поведение всего устройства.

Описание устройства вводится по принципиальной или фун-

- б -

кциональной схеме устройства в интерактивном. режиме (Зез дополнительной подготовки схемы. Возможен ввод описания схемы из файлов, подготовленных графическим редактором системы Р-САБ. '

Во втором разделе диссертационной работы рассматривается обобщенная структура моделей аналоговых компонентов для системы моделирования "Аметист".

Используемый в данном случае способ моделирования аналоговых элементов основан на методе узловых потенциалов. Для определения узловых потенциалов каждая модель должна передавать в узлы схемы, к которым подключен элемент, ток и соответствующую ему проводимость.

. Для обеспечения автономности поведенческие модели основаны на представлении моделируемого элемента в виде Н-полюсника, полюса которого соединены с узлами схемы.Модель' строится таким образом, что на ее входах и выходах стоят эквивалентные истбчники тока и соответствующие шо. проводимости. Например, на рис.1 показана эквивалентная схема для модели резистора.

Рис.1 Эквивалентная схема резистора и окружающей среды

Так как к каждому узлу схемы подключено несколько элементов, передающих в него токи и проводимости, то на 3-й полюс одного из подключенных к узлу элементов со стороны внешней среды действует эквивалентный источник тока с проводимостью вд^, представляющий собой сумму всех подходящих к данному уз.тп; токов без соответствующего тока 10.| интересующего нас элемента. Проводимость оцределяется аналогично.

Модель элемента передает подходящие к ее полюсам внешние токи и соответствующие им проводимости из одного узла схемы в другой с учетом собственных внутренних токов и прово-димостей. Определение тока и соответствующей ему

роводнмости, передаваемых моделью в узел, соединенный о е 3-м полюсом, производится при отключенных внешних сто'чнике тока и проводимости и при включенных

нешних источниках и проводамостях на остальных (N-1) олюсах.

Такая форма представления модели позволяет моделировать хемы, состоящие из элементов различных типов, т.к. взаимо-;ействие моделей осуществляется через однотипные параметры -ок и проводимость.

Далее в работе рассматривается способ создания модели омпонента, включающий в себя: •■.

- выбор типа модели (квазистатическая, быстрая или едленная динамическая модель);

- определение схемы замещения компонента, содержащей олее простые составляющее и соответствующей выбранному типу одеж;

.- выбор вида линейной аппроксимации для нелинейных оставляющих схемы замещения для обеспечения реализации етода узловых потенциалов;

- определение нового, вида схемы замещения и выражений ля расчета передаваемых токдв 1еЗ и проводимостей веЗ о спользованием метода наложения и традиционных методов реобразования электрических цепей;

- определение критериев и формул для расчета шага-оделирования.

В процессе анализа схемы с времязависимыми компонентами ля каждого аналогового комцонента .определяется следующий омент расчета. Шаг расчета зависит от скорости изменения апряжения (тока) йа элементе с учетом явно заданной ользователем методической погрешности. Интегрирование ыполняется методом трапеций с использованием метода Эйлера с оправлениями. .

Описанные этапы разработки библиотечной модели налогового компонента отражены в алгоритме проектирования, ключающем т!акже определение .постоянных, переменных и перативных параметров элемента, создание изображения лемента в библиотеке моделей и написание программы, митирующей поведение аналогового компонента.

Одним из требований, предъявляемых ' к 1 .современным стенам моделирования Является улучшение качества показа

- в -

результатов моделирования. С целью достижения высок&й наглядности при выводе результатов для моделей аналоговых компонентов была разработана специальная фсфма отображения текущего состояния модели - формат данных, отличающийся использованием текста и символов псевдографики.

Модель аналогового компонента данного типа • описывается рядом параметров, определяющих характеристики элемента и являющихся входными и выходными данными для программы моделирования. Параметры элемента могут наблюдаться в формате данных наряду,с графическим изображением элемента в таблйце, выводимой на экран дисплея. На рис.2 показан формат данных для модели конденсатора.

о 0.0 В #— г """"' ЗД88ЙВ88Е ..... 1 ПС 100.0 пФ 0.1 См -11. ШЖ ' з 1.0е-6 См |-г-# 0.0 В —ташшд—^ Погрешность 0.01 В Число итераций 0

Расчет . _ Время Напряжение на емкости Ток емкости последний ОТ 0.0 В 0.0 А текущий . • ОТ . 0.0 В 0.0 А Поток влево 0.0 А 0.0 См,, вправо 0.0 А 0.0 См Среда слева 0.0 А. 0.0 См, справа 0.0 А 0.0 См

Рис. 2 Формат данных модели конденсатора

! В работе приводятся форматы данных для моделей аналоговых компонентов, а также основные правила разработки и использования формата^данных.

Программа, имитирующая поведение аналогового компонента, для системы моделирования "Аметист" состоит из двух частей, представляющих собой подпрограммы, соотвественно для первой и второй фазы расчета модели.

Программа расчета состояния моделируемого устройства выполняется последовательно, оператор за оператором, поэтому может возникнуть ситуация, когда часть узловых переменных в модели устройства уже имеет новые значения, а остальные — старое. Расчет состояния элемента с внутренней памятью в случае сочетания старых и новых значений на входах-^приводит к

неправильному результату.

Лучшее решение проблемы "старое-новое" заключается во введении двух фаз расчета. В первой фазе Ф1 изменяют значения выходных переменных модели после того, как истекает время, равное времени задержки распространения сигнала в элементе; а во второй фазе Ф2 внутренние переменные реагируют на изменения, . происходящие на входах элемента. Это решение удобно при программной реализации модели, так как исключает необходимость в назначении особогб порядка расчета; состояние моделей элементов можно рассчитывать в любом порядке.

При использовании двухфазных Моделей сначала выполняется расчет состояний всех без исключения моделей элементов в фазе I в произвольном порядке. Затем следует расчет состояний всех моделей в фазе 2 тоже в произвольном порядке. Фаза I при этом обязательно предшествует фазе 2. Такой подход единообразно применяется для моделирования как логических элементов, так и для аналоговых и аналого-цифровых компонентов. - >

Специально для моделей аналоговых компонентов был разработан модифицированный, двухфазный алгоритм расчета модели, позволяющий более корректно учитывать фактор времени при расчете переменных состояния. Состояние реального аналогового компонента меняется во времени непрерывно, а переменная состояния модели -скачкообразно в момент расчета; За время ^ между расчетами состояние элемента изменилось на величину Это изменение и " учитывается переносом

расчета переменных в фазу I сразу после обращения к модели и перед выдачей переменных состояния в узлы схемы.

Расчет модели всей, схемы производится в режиме "уравновешивания". Каждая модель компонента схемы может запросить перерасчет всех моделей. Понятие перерасчета означает, что при каждом расчете модели вновь рассчитанные значения токов и проводимостей, передаваемых • в соответствующие узлы, схемы^сравниваются с хранимыми старыми значениями этих параметров, полученными, при предыдущем расчете модели. В случае несовпадения старых и новых значений параметров на каком-либо из полюсов модель запрашивает перерасчет. Равновесие считается установленным, если разница между старым и новым значением параметра не превышает одной сотой процента. Эта величина заложена в

специальной программе системы моделирования "АметиВт" и пр необходимости может быть скорректирована.

1 третьем разделе диссертационной работы рассматриваю! ся модели конкретных аналоговых компонентов - резистора генератора синусоидальных сигналов, конденсатора, индуктивно ста,. диода, стабилитрона, транзистора. Приведены схеи замещения компонентов, форматы данных, формулы, используемь для расчета переменных состояния моделей, температурнь зависимости параметров моделей. Для каждой модели оговаривЕ ются дополнительные возможности и способы контроля и разреше ния "неопределенных" ситуаций. Для всех моделей привело? алгоритмы расчета.

При моделировании сложных аналоговых компоненте возникает проблема с определением параметров додели. В -это случае предлагается снятие параметров экспериментальнь способом с помощью методики определения параметров моделе транзисторов, а также приводятся типичные значения ряд параметров моделируемых компонентов.

В четвертом разделе рассматривается экспериментальна проверка моделей аналоговых компонентов. Теоретичесга положения, полученные во второй и третьей главах, был проверены с помощью системы моделирования "Аметист". Моделг рование производилось на 16-разрядном персональном компьютер IBH PC/AT, язык программирования Си. Во всех. модел? аналоговых компонентов использовались данные, типа1 doub] и ],ong. 1

1 Экспериментальная проверка моделей проводилась с цел! определения их применимости в схемах различного типе проверки сходимости расчете! модели схемы, а также определен* характера и предельных значений погрешностей предлагаешь моделей. В процессе моделирования изучению подвергал« модели аналоговых компонентов как в отдельности, так и различных комбинациях друг с другом. Были исследованы схек RC-фильтров, схемы с параллельным и последовательнь включением нескольких емкостей, резистивные делитеJ напряжения типа R-2R, различные схемы включения диодов транзисторов, резисторные сборки, схемы, содержащие наряду аналоговыми компонентами и цифровые.

Исследуемые схемы были введены в систему моделирован!

й сформированы как отдельные модули с входными и выходными контактами, на которые подавались тестовые воздействия. В качестве тестовых воздействий были использованы переменные входные сигналы, имитирующие переключения напряжения, свойственные цифровым схемам (ступенчатое напряжение), а £акже постоянные воздействия, имитирующие напряжения питания и токи стабилизации.''

Проведенные експерименты позволяют сделать вывод о сходимости процесса моделирования при использовании разработанных моделей ''аналоговых компонентов во всех типах исследуемых схем; количество итераций за одно обращение к модели не превышало фиксированного значения заложенного в моделях параметра "число итераций". ' .

Далее приведены в виде графиков результаты исследований характера и предельных значений погрешности моделирования, выполненных на примере переходного процесса в ЙС-цепях. Численные значения абсолютной • погрешности для моделей элементов на всем диапазоне номиналов не превышают задаваемой пользователем методической погрешности моделирования.' ¡Значения' относительной Погрешности на начальном участке моделирования не превышают ЮЖ, а при уровне.напряжения в I В на моделируемом элементе составляют 1-1.БЖ.

Также в виде графиков приведены соотношения абсолютной . погрешности и времени моделирования с методической погрешностью модели, назначаемой пользователем и зависимость времени моделирования от количества элементов в исследуемой схеме. Наблюдается значительное увеличение времени моделирования при увеличении числа компонентов, подключенных к одному узлу схемы, что объясняется , ухудшением сходимости итерационного процесса.

В заключении дается перечень полученных основных научных и практических результатов.

В приложениях даны формулы, алгоритмы и программа для расчета кусочно-линейной аппроксимации с перекрытиями; программы, имитирующие поведение дискретных аналоговых компонентов; методика определения параметров транзистора; таблица временных затрат на моделирование переходного процесса в ВС-цете ДМ разпчквй методической погрешности.

- 12 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе решения задач, поставленных в . диссертацион ной работе, были получены следующие результаты.

1. Разработаны алгоритмы функционирования и, взаимодей ствия моделей аналоговых крмпонентов, позволяющие реализоват принцип модульности в системе смешанного моделировщшя.

2. Предложена методика проектирования библиотечны моделей аналоговых ^ компонентов, учитывающая особенност функционирования автономных моделей. Эта методика може служить базой для создания моделей аналоговых компоненте; различной степени сложности.

3. ..Предложен формат данных для моделей аналоговы компонентов, отличающийся введением вспомогательных надсгдсе и использованием символов псевдографики, что позволяв наглядно и полно отобразить состояние модели и параметр моделируемого элемента.

4. Разработаны алгоритмы расчета библиотечных моделе аналоговых компонентов - резистора,, конденсатора, индуктивна сти, генератора синусоидальных сигналов, диода, стабилитрона транзистора. Новизна алгоритмов заключается в двухфазно порядке расчета состояния модели, который освобождав разработчика схем от анализа последовательности срабатываш элементов и ранжирования структуры модели, а также позволяв корректно учитывать фактор времени при моделирован? времязависимых аналоговых компонентов. ;

; б.. Разработаны программы, имитирующие поведет дискретных аналоговых компонентов, ориентированные £ автономное использование в составе системы моделирования предназначенные для совместной работы с программами, имитира ющими цифровые компоненты смешанных схем. Модели могут бы1 включены в систему моделирования вычислительных устройств\ качестве библиотечных, :|что позволяет расширить крз моделируемых схем. ;

6. Получены характеристики и параметры моделей, которь могут быть использованы при выборе моделей и оцеш результатов моделирования.

- 13 -

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мельникова С.Ю., Тимофеев А".О. Модели аналоговых компонентов вычислительных устройств/' Тез.докладов к 48-й ияуч.-технич.конференции. - С.-Пб. - 1993. - С.90.

2. Мельникова С.Ю., Тимофеев А.б. Модели сложных аналоговых компонентов вычислительных устройств/ Тез.докладов к 49-й науч;-технич.конференции. - С.-Пб. - 1994. - С.69.

3. Мельникова С.Ю.,. Тимофеев А.О. Обобщенная структура моделей аналоговых компонентов для системы моделирования схем со смешанными сигналами/ С.-Пб. госуд. электротехн. ун-т. .-Сй-Пб.,1994. - 35 с. - Дей.в ВИНИТИ. 16.05.94. N 1208-В94.

4. Мельникова С.Ю*, Тимофеев А.О. Модели дискретных аналоговых компонентов для системы моделирования схем со смешанными сигналами /С.-Пб. госуд. электротехн. ун-т. - С.-Пб., 1994. - 39 о.-Деп.в ВИНИТИЛ6.05.94. N 1209-В94.

• 5; Мельникова С.Ю., Тимофеев А.О. Модели компонентов .вычислительных устройств//Известия С.-Пб.ГЭТУ. - 1993. -Вып.458. - С.39-47. •

Подписано в печать 2 .03.95 Формат 60*84/16 Печать офсетная. - Заказ №27 Печатный лист 1,0 Тираж 100 экз.

Ротапринт МГП "Ноликом" )973?6, Санкт -Петербург, ул.Проф. Попова, 5