Контрольная работа по теме:
Этапы проектирования электронныхсистем
Проектное решение — промежуточное описание проектируемого объекта, полученное на том или ином иерархическомуровне, как результат выполнения процедуры (соответствующего уровня).
Проектная процедура — составная часть процесса проектирования. Примерами проектных процедур служатсинтез функциональной схемы проектируемого устройства, моделирование, верификация,трассировка межсоединений на печатной плате и т.д.
Проектирование ЭУразделяется на этапы. Этап представляет собой определенную последовательностьпроектных процедур. Общая последовательность этапов проектированияпредставляется так:
составление ТЗ;
ввод проекта;
проектирование архитектуры;
функционольно-логическоепроектирование;
схемотехническое проектирование;
топологическое проектирование;
изготовление опытного образца;
определение характеристик устройства.
Составление ТЗ. Определяются требования кпроектируемому изделию, его характеристики и формируется техническое задание напроектирование.
Ввод проекта. Для каждогоэтапа проектирования характерны свои средства ввода, более того, во многихинструментальных системах предусматривают более чем один способ описанияпроекта.
Эффективными являютсявысокоуровневые графические и текстовые редакторы описания проекта современныхсистем проектирования. Такие редакторы дают разработчику возможность чертитьблок — схему крупной системы, назначать модели для индивидуальных блоков исоединять последние посредством шин и трактов передачи сигналов. Редакторы, какправило, автоматически связывают текстовые описания блоков и соединений ссоответствующими графическими изображениями, обеспечивая тем самым комплексноемоделирование системы. Это позволяет инженерам системотехника не менятьпривычного стиля работы: можно по — прежнему думать, набрасывая блок-схемусвоего проекта как бы на листе бумаги, в то же время будет вводится инакапливаться точная информация о системе.
Логические уравнения илипринципиальные электрические схемы зачастую очень удачно используются дляописания базовой интерфейсной стыковочной логике.
Таблицы истинностицелесообразные для описания дешифраторов или других простых логических блоков.
Языки описанияаппаратуры, содержащие конструкции типа конечных автоматов, обычно гораздоэффективнее для представления более сложных логических функциональных блоков,например блоков управления.
Проектированиеархитектуры. Представляет собой проектирование ЭУ до уровня передачи сигналовЦП и ЗУ, ЗУ и КПДП. На этом этапе определяется состав устройства в целом,определяются его главные аппаратные и программные компоненты.
Т.е. проектирование целой системы с высокоуровневым еепредставлением для проверки корректности архитектурных решений, делается, какправило, в тех случаях, когда разрабатывается принципиально новая система инеобходимо тщательно проработать все архитектурные вопросы.
Во многих случаях полноесистемное проектирование требует включения в структуру и неэлектрическихкомпонентов и эффектов, с целью проверки их в едином комплексе моделирования.
В качестве элементовэтого уровня используются: процессор, память, контроллеры, шины. При построениимоделей и моделировании системы здесь используются методы теории графов, теориимножеств, теории Марковских процессов, теории массового обслуживания, а такжелогико-математические средства описания функционирования системы.
На практикепредусматривается построение параметризированной системной архитектуры и выбороптимальных параметров ее конфигурации. Следовательно и соответствующие моделидолжны быть параметизированны. Параметры конфигурации архитектурной моделиопределяют, какие функции будут реализовываться аппаратными, а какиепрограммными средствами. В качестве некоторых параметров конфигурации дляаппаратных средств можно назвать:
число, разрядность и пропускнуюспособность шин системы;
время доступа к памяти;
размер кэш-памяти;
число процессоров, портов,регистровых блоков;
емкость буферов передачи данных.
А к параметрамконфигурации программных средств относятся, например:
параметры планировщика;
приоритетность задач;
интервал «удаления мусора»;
максимально допустимый интервал ЦПдля программы;
параметры подсистемы управленияпамятью (размер страницы, сегмента, а также распределение файлов по дисковымсекторам;
и т.д.
Параметры конфигурациисредств передачи данных:
величина интервала тайм-аута;
размер фрагмента;
протокольные параметры дляобнаружения и исправления ошибок.
/>
Рис. 1 — Последовательность проектных процедурархитектурного этапа проектирования
При интерактивномпроектировании на системном уровне вначале вводится функциональные спецификациисистемного уровня в виде диаграмм потоков данных, а также выбираются типыкомпонентов для реализации различных функций (рис. 1). Здесь главная задачазаключается в том, что разработать такую системную архитектуру, которая будетудовлетворять заданным функциональным, скоростным и стоимостным требованиям.Ошибки на архитектурном уровне обходятся гораздо дороже, чем в решениях,принимаемых в процессе физической реализации.
Архитектурные моделиимеют важное значение и отражают логику поведения системы и временные ееособенности, что позволяет выявлять функциональные проблемы. Они обладаютчетырьмя важными особенностями:
они точно представляют функциональныевозможности аппаратных и программных компонентов с использованиемвысокоуровневых абстракций данных в виде потоков данных;
архитектурные модели абстрактнопредставляют технологию реализации в виде временных параметров. Конкретнуютехнологию реализации определяют конкретные значения этих параметров;
архитектурные модели содержат схемы,позволяющие многим функциональным блокам разделять (коллективно использовать)компоненты;
эти модели должны допускатьпараметризацию, типизацию и повторное использование;
Моделирование насистемном уровне позволяет разработчику оценить альтернативные вариантыпроектов системы с точки зрения соотношения их функциональных возможностей,показателей быстродействия и стоимости.
Инструментальнаясистема нисходящего проектирования (ASIC Navigator, компании Compass DisignAutomation) для ASIC (спец. ИС) и систем.
Попытка освободитьинженеров от проектирование на вентильном уровне.
Состав:
Logic Assistant (ассистент пологике);
Design Assistant;
ASIC Synthesizez (синтезатор ASIC);
Test Assistant;
Logic Assistant
Это унифицированная среда проектирования и анализа.Позволяет создать спецификацию ASIC, вводя графические и текстовые описаниясвоих проектов. Пользователи могут описывать свои проекты при помощибольшинства способов высокоуровневого ввода, в том числе блок-схем, булевыхформул, диаграмм состояния, операторов языка VHDL и Verilog и т.д. Программныесредства системы будут поддерживать эти способы ввода как основу всегопоследующего процесса проектирования ASIC-системы.
Общую архитектурупроектируемой ASIC можно представить в виде взаимосвязанных функциональныхблоков без учета их физического разбиения. Эти блоки можно затем описыватьспособом, наиболее соответствующим особенностям каждой функции. Например,пользователь может описывать логику управления при помощи диаграмм состояния,арифметические функциональные блоки — при помощи схем трактов обработки данных,а алгоритмические функции на языке VHDL. Окончательное описание может бытькомбинацией как текстовых, так и графических материалов и служит основой дляанализа и реализации ASIC.
Подсистема LogicAssistant преобразует затеи полученную спецификацию в поведенческий код языкаVHDL. Этот код может быть обработан при помощи системы моделирования на языкеVHDL, разработанной третьей фирмой. Модифицирование спецификации наповеденческом уровне, дает возможность вносить изменения и производить отладкуна начальных этапах проектирования.
Disign Assistant
После того, как спецификация проверена, ее можноотобразить на ASIC-приборе. Вначале, однако, пользователь должен решить, какимобразом лучше всего реализовать такой высокоуровневый проект. Описание проектаможно отобразить на одну или несколько вентильных матриц или ИС на базестандартных элементов.
Dising Assistant помогаетпользователям оценивать разнообразные варианты, чтобы добиться оптимальнойреализации. D.A. по указанию пользователя определяет оценочный размер кристалла,возможные способы корпусирования, мощность потребления и расчетное количествологических вентилей для каждого варианта декомпозиции и для каждого вида ASIC.
Пользователь может затемв интерактивном режиме производить анализ по принципу «что-если»,исследовать альтернативные технические решения с разными вариантамидекомпозиции проекта или компоновать и перемещать стандартные элементы дляслучая вентильных матриц. Таким образом пользователь может найти оптимальныйподход, удовлетворяющий требованиям спецификации.
ASIC Synthesizer
После того, как конкретный вариант проекта выбран, егоповеденческое описание необходимо преобразовать в представление уровнялогических вентилей. Эта процедура является весьма трудоемкой.
На вентильном уровне вкачестве структурных элементов могут быть выбраны: логические вентили,триггера, а в качестве средств описания — таблицы истинности, логическиеуравнения. При использовании регистрового уровня, структурными элементамибудут: регистры, сумматоры, счетчики, мультиплексоры, а средства описания — таблицы истинности, языки микроопераций, таблицы переходов.
Большое распространениена функционально- логическом уровне получили так называемые логические имитационныемодели или просто имитационные модели (ИМ). ИМ отражают только внешнюю логику ивременные особенности функционирования проектируемого устройства. Как правило,в ИМ внутренние операции и внутренняя структура не должны быть похожи на те,которые существуют в реальном устройстве. Но моделируемые операции и временныеособенности функционирования, в том виде как они внешне наблюдаются, в ИМдолжны быть адекватны тем, которые существуют в реальном устройстве.
Модели этого этапаиспользуются для проверки правильности реализации заданных алгоритмовфункционирования функциональной или логической схемы, а также временныхдиаграмм устройства без конкретной аппаратной реализации и учета особенностейэлементной базы.
Это осуществляетсяметодами логического моделирования. Под логическим моделированием подразумеваетсяимитация на ЭВМ работы функциональной схемы в смысле продвижения информации,представленной в виде логических значений «0» и «1» отвхода схемы к ее выходу. Проверка функционирования логической схемы включаеткак проверку реализуемых схемой логических функций, так и проверку временныхсоотношений (наличие критических путей, рисков сбоя и состязания сигналов).Основные задачи, решаемые с помощью моделей этого уровня, — верификацияфункциональных и принципиальных схем, анализ диагностических тестов.
Схемотехническое проектирование- это процесс разработки принципиальных электрических схем, спецификаций всоответствии с требованиями технического задания. Проектируемые устройствамогут быть: аналоговые (генераторы, усилители, фильтры, модуляторы т др.),цифровые (разнообразные логические схемы), смешанные (аналогово-цифровые).
На этапесхемотехнического проектирования электронные устройства представляются насхемном уровне. Элементами этого уровня являются активные и пассивныекомпоненты: резистор, конденсатор, катушка индуктивности, транзисторы, диоды ит.д. В качестве элемента схемного уровня может быть использован и типовойфрагмент схемы (вентиль, триггер и т.д.). Электронная схема проектируемогопредставляет собой соединение идеальных компонентов, достаточно точно отображающееструктуру и элементный состав проектируемого изделия. Предполагается, чтоидеальные компоненты схемы допускают математическое описание с заданнымипараметрами и характеристиками. Математическая модель компонента электроннойсхемы представляет собой ОДУ относительно переменных: тока и напряжения.Математическая модель устройства представляются совокупностью алгебраическихили дифференциальных уравнений, выражающих зависимости между токами инапряжениями в различных компонентах схемы. Математические модели типовыхфрагментов схемы называют макромоделями.
Этап схемотехническогопроектирования включает следующие проектные процедуры:
структурный синтез- построениеэквивалентной схемы проектируемого устройства
расчет статических характеристикпредполагает определение токов и напряжений в любом узле схемы; анализ вольтамперныххарактеристик и исследование влияния параметров компонентов на них.
расчет динамических характеристикзаключается в определении выходных параметров схемы в зависимости от изменениявнутренних и внешних параметров (одновариантный анализ), а также в оценкечувствительности и степени разброса относительно номинальных значений выходныхпараметров в зависимости от входных и внешних параметров электронной схемы (многовариантныйанализ).
параметрическая оптимизация,определяющая такие значения внутренних параметров электронной схемы, которыеоптимизируют выходные параметры.
Различают нисходящее (сверхувниз) и восходящее (снизу вверх) проектирование. При нисходящем проектированиивыполняются прежде этапы использующие высокие уровни представления устройств,чем этапы использующие более низкие иерархические уровни. При восходящемпроектировании последовательность противоположная.
При рассмотрении деревапроекта можно указать на две концепции проектирования: восходящеепроектирование (снизу вверх) и нисходящее (сверху вниз). Здесь словом«верх» обозначается корень дерева, а слово «низ» относитсяк листьям. При нисходящем проектировании работу можно начинать уже тогда, когдаразработчику уже известны только функции корня, — и он (или она) производит,прежде всего, разбиение корня на некоторое множество примитивов нижележащегоуровня.
После этого разработчикпереходит к работе с нижележащим уровнем и осуществляет разбиение примитивовданного уровня. Подобный процесс продолжается до тех пор, пока дело не дойдетдо узлов-листьев проекта. Для характеристики нисходящего проектирования важноотметить то, что разбиение на каждом уровне оптимизируется согласно тому илииному объективному критерию. Здесь разбиение не связывается рамками того,«что уже имеется».
Термин «восходящеепроектирование» не совсем правилен в том смысле, что процесспроектирования по прежнему начинается с определения корня дерева, однако в этомслучае разбиение осуществляется с учетом того, какие компоненты уже имеются имогут использоваться в качестве примитивов; другими словами, разработчику приразбиении приходится исходить из того, какие составные части будутпредставляться в узлах-листьях. Эти самые «нижние» части будутпроектироваться в первую очередь. Нисходящее проектирование кажется самымподходящим подходом, однако его слабость в том, что получаемые компоненты неявляются «стандартными», вследствие чего стоимость проектаувеличивается. Поэтому наиболее рациональным представляется сочетание методоввосходящего и нисходящего проектирования.
Согласно прогнозам подавляющее большинствоинженеров-разработчиков средств электронной и вычислительной техники будутпользоваться нисходящей методологией. Они станут, по сути,инженерами-системотехниками, причем значительную часть своего времени будутзатрачивать на проектирование изделий на поведенческом уровне.
В настоящее времяпроектирование электронных систем осуществляется по восходящей методологии,причем первым этапом процесса проектирования является обычно ввод описаниясхемы на структурном уровне (очевидно, на уровне ИС и дискретных компонентов).После определения структуры вводится описание поведения этой системы на том илиином языке описания этой аппаратуры и осуществляется модулирование. В этомслучае электронная часть проекта выполняется вручную, то есть без примененияинструментальных средств проектирования.
Усложнение проектируемыхсистем приводит к тому, что разработчики практически теряют возможностьинтуитивно анализировать проект, то есть оценивать качество и характеристикиспецификации проекта системы. А моделирование на системном уровне сиспользованием архитектурных моделей (как первый этап процесса нисходящегопроектирования) представляет такую возможность.
В случае нисходящегопроектирования, описанные выше два этапа восходящего проектирования,выполняются в обратном порядке. При нисходящем проектировании основное вниманиеуделяется поведенческому представлению разрабатываемой системы, а не еефизическому или структурному представлению. Естественно, что конечный результатнисходящего проектирования также представляет собой структурное или схемное представлениепроекта.
Здесь дело в том, что длянисходящего проектирования необходимы системные архитектурные модели, а длявосходящего — структурные модели.
Преимущества (для всехСАПР):
1) Методология нисходящего проектирования служитпредпосылкой для параллельного проектирования: координированной разработкиаппаратных и программных подсистем.
2) Внедрению метода нисходящего проектированияспособствуют средства логического синтеза. Эти средства обеспечиваютпреобразование логических формул в физически реализуемые описания уровнялогических вентилей.
Благодаря этому:
упрощается физическая реализация
эффективно используется времяпроектирования
эффективно используютсятехнологические шаблоны
Однако для сложныхпроектов, масштабы которых выражаются несколькими сотнями тысяч логическихвентилей, желательно иметь возможность глобальной оптимизации благодарямоделированию и анализу на системном уровне.
3) Методология нисходящего проектирования базируетсяна том, что автоматически создается спецификация проекта по исходнымфункциональным требованиям. Именно функциональные требования являются исходнымкомпонентом при проектировании сложных систем. Благодаря этому подобный подходпозволяет уменьшить вероятность неработоспособной системы. Во многих случаяхнеработоспособность проектируемой системы вызывается несоответствием междуфункциональными требованиями и спецификациями проекта.
4) Еще одним потенциальным преимуществом нисходящегопроектирования является то, что оно позволяет разрабатывать эффективные тестыдля верификации и аттестации проекта, а также тест-векторы для контроляизготовленных изделий.
5) Результаты моделирования на системном уровне могутпослужить основой для количественной оценки проекта уже на начальных стадияхпроектирования. На более поздних этапах для верификации и аттестации проектанеобходимо моделирование на уровне логических вентилей. Однородная средапроектирования позволит сравнить результаты моделирования, получаемые на первыхи на последующих этапах проектирования.