Введение к работе
Актуальность. Одним из основных направлений развития вычислительной техники и систем военного и промышленного управления является создание распределенных систем сбора, хранения, обработки и передачи информации. Без таких систем невозможно решение задач управления и информационного обеспечения. Структурно их можно представить в виде совокупности узлов, выполняющих какую-либо обработку данных, и линий связи. Существует множество разновидностей распределенных систем, различающихся по решаемым задачам, составу узлов, способам организации связи между ними и т.д. При всем многообразии существующих вариантов построения распределенных систем в составе каждого узла можно выделить два структурных элемента - это блок обработки информации и блок сопряжения его с физическим каналом. В задачу блока сопряжения входит преобразование данных, передаваемых в физической линии связи, к виду, «понятному» для данного обрабатывающего блока. Эта часть узла чаще всего называется интерфейсным устройством (ИУ) или просто интерфейсом.
Основным стандартом, определяющим место применения интерфейсных устройств в системах распределенной обработки данных, является базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, разработанная Международной организацией стандартов. Интерфейсные устройства занимают два нижних уровня эталонной модели: канальный уровень, определяющий топологию сети, способ доступа, адресацию, и физический уровень, регламентирующий способ модуляции, уровни сигналов и механические характеристики линии связи.
Существует широкий спектр стандартов на линии связи и интерфейсные устройства. Однако использование стандартных устройств массового применения может быть не всегда допустимо в силу нескольких причин:
1. Моральное старение части узлов распределенной системы, например
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ! БИБЛИОТЕКА і
SFSPioq I
модулей обработки данных. Целые классы систем используют редко применяемые в настоящее время специализированные протоколы и линии передачи данных. Примером могут служить телеметрические системы. При их модернизации замена модулей сбора и передачи информации представляется экономически нецелесообразной, в то время как замена узлов обработки и отображения приведет к значительному улучшению тактико-технических характеристик системы в целом. Однако возникает проблема сопряжения современных средств обработки с устаревшими или нестандартными линиями передачи, для разрешения которой необходима разработка новых типов интерфейсных устройств.
-
Ряд специальных систем передачи информации требует повышенного уровня помехозащищенности, криптостойкости и скрытности обмена данными, что делает необходимым ввод дополнительных блоков обработки, кодирования и дешифрации данных. В ряде случаев может ограничиваться или исключаться полностью применение импортной элементной базы. Доработка стандартного ИУ, представляющего собой неделимый программно-аппаратный комплекс, без содействия фирмы разработчика представляется нерентабельной.
-
В последнее время появляется большое количество новых задач, для решения которых используются распределенные системы обработки данных. Возникновение новых областей их использования во многом обусловлено прогрессом в технологиях микроэлектронной техники, следствием которого является освоение новых диапазонов, увеличение степени интеграции и снижение стоимости интегральных компонентов. Процесс создания новых стандартов, как правило, отстает от потребностей разработчика системы.
Эти причины приводят к необходимости разработки новых типов интерфейсных устройств.
Значительный прогресс в микроэлектронной технике последних лет привел к тому, что сейчас практически все функции ИУ реализуются на одной большой интегральной схеме (БИС). В качестве такой БИС могут применяться микросхемы программируемой логики, базовые матричные кристаллы, а также
+** ** fO
заказные и полузаказные микросхемы. Конкретный тип определяется
предполагаемой тиражностью ИУ или текущим этапом его жизненного цикла.
Однако независимо от типа конечной реализации в настоящий момент
практически всегда используется единый маршрут проектирования (Рис. 1), в
котором существует разрыв между этапами моделирования и синтезом
логической структуры проекта. Этот разрыв не позволяет осуществить сквозной
автоматизированный маршрут проектирования от модели до макета.
ТИПОВОЙ МАРШРУТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БИС
ЯАЗВАНИЕЭТАПА РЕЗУЛЬТАТЫ ЭТАПА
НИЗКОУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ, ЖЕСТКО «ПРИВЯЗАННАЯ» К ЮС, НА КОТОРОЙ ОНА БУДЕТ РЕАЛИЗОВЫВАТЬСЯ
Рис. 1 В принципе, большинство современных САПР имеют в своем составе средства моделирования, однако, как показали исследования, они плохо приспособлены для адекватного представления параллельно протекающих процессов, которые являются характерной особенностью интерфейсных устройств.
Разработка маршрута проектирования, не имеющего разрыва между этапами моделирования и синтеза, и является предметом данной диссертационной работы.
Основными исходными данными для проектирования ИУ являются характеристики линии связи и процедуры работы с ней, оформленные в виде протокола передачи информации. Протокол передачи информации может быть выбран из группы стандартных, разработан заново либо доработан в части повышения достоверности и криптостойкости. Из этого следует, что на тактико-технические характеристики ИУ наибольшее влияние оказывают структурные принципы построения и логика работы, заложенные на ранних этапах проектирования (этап технического предложения).
Для сокращения трудоемкости и затрат на дальнейшую разработку, необходимо применять методы проектирования, позволяющих проводить имитационное моделирование динамики работы ИУ. Это дает возможность проводить обоснованный выбор всех принимаемых на ранних этапах решений, а на следующих этапах проектирования позволит избежать повторения процедур логического синтеза и макетирования ИУ, характеризующихся значительными затратами времени и средств.
В случае применения нестандартного или доработанного протокола важной задачей является проверка правильности логики его работы в типовых и нештатных ситуациях.
Необходимо отметить, что процесс проектирования на сегодняшний день невозможен без применения методов и средств автоматизированного проектирования (САПР).
Цель работы. Разработка методов моделирования и верификации интерфейсных устройств на ранних стадиях проектирования и создание сквозного маршрута автоматизированного проектирования БИС для ИУ.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
-
Произведен анализ состояния систем распределенной обработки данных, а также анализ существующих стандартов на архитектуру, линии связи и интерфейсные устройства. Рассмотрены методы проектирования ИУ.
-
Разработаны математические модели, позволяющие проводить имитационное моделирование динамики работы и верификацию интерфейсных устройств на ранних этапах проектирования с учетом характеристик элементной базы.
-
Разработаны алгоритмы генерации, отбора и оптимизации вариантов интерфейсных устройств, учитывающие динамические характеристики и позволяющие проводить верификационные оценочные расчеты параметров на ранних этапах разработки.
-
На базе полученных моделей и алгоритмов разработан комплекс программ, который был испытан и опробован при создании реального ИУ - контроллера СЛМ-интерфейса.
Методы исследования. В работе применены аналитические методы исследования. Использовались теории графов, сетей Петри и формальных грамматик. В качестве имитационной модели интерфейсных устройств применены строго-иерархические синхронные сети Петри, являющиеся обобщением стандартных сетей Петри
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложены математические модели, позволяющие проводить имитационное моделирование и проверку логики работы интерфейсных устройств на ранних этапах проектирования, для чего введен оригинальный подкласс классических сетей Петри - строго-иерархические синхронные сети Петри;
разработан метод перехода от математической имитационной модели, реализуемой строго-иерархическими синхронными сетями Петри к описанию модели на языке VHDL.
разработаны методы и алгоритмы оптимизации структурных и
логических вариантов ИУ, учитывающие динамические
характеристики и позволяющие проводить верификационные
оценочные расчеты параметров на ранних этапах разработки.
Практическая ценность и результаты внедрения. В результате
проведенных в данной работе теоретических и экспериментальных
исследований разработан и внедрен набор прикладных программ, реализующих
указанные выше модели и алгоритмы. С помощью разработанного пакета
программ реализуется сквозной автоматизированный маршрут проектирования.
Основным отличием маршрута является исключение субъективного фактора на
этапе перехода от модели ИУ к описанию в терминах синтезирующей САПР.
Это позволило снизить необходимый уровень квалификации проектировщика, а
также исключить ошибки, практически неизбежные при ручном вводе проекта.
С использованием указанных методов и программ разработан контроллер СЛЛ'-интерфейса в виде отлаженной VHDL-модели, пригодной для низкоуровневого синтеза. Результаты испытаний контроллера подтвердили корректность и практическую ценность разработанных моделей, алгоритмов и методов. Имеются соответствующие акты внедрения. На защиту выносятся:
-
Математические модели ИУ, позволяющие проводить имитационное моделирование, верификацию логики работы, оценку и оптимизацию их характеристик на ранних этапах проектирования;
-
Методы перехода от сетевой модели интерфейсного устройства к описанию его на языке VHDL, пригодном для непосредственного низкоуровневого логического синтеза.
-
Алгоритмы оптимизации структурных и логических вариантов ИУ, учитывающие динамические характеристики ИУ и позволяющие проводить предварительные оценочные расчеты параметров ИУ.
4. Комплекс программ, реализующий данные модели и алгоритмы.
Апробация работы. Материалы, представленные в данной
диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях:
1. Девятая международной научно-технической конференции студентов и
аспирантов. Москва 2003.
2. II Всероссийская научно-техническая дистанционная конференция
«Электроника». Москва, 17-28 ноября 2003 г.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в трех печатных работах.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 157 страницах и иллюстрированных 33 рисунками и 11 таблицами, а также списка литературы из 104 наименований.
