“Реклама” дисциплины

“Реклама” дисциплины

Традиционные (ручные) методы проектирования электронной аппаратуры, связанные с разработкой действующего макета, весьма трудоёмки и несовершенны.

На рис.1, а показано, как выполняется верификация проекта (проверка на отсутствие ошибок) и доводка его до кондиции. Известно, что это итерационный процесс с заранее неизвестным числом повторений.

Рис.1. Традиционное (ручное) и автоматизированное проектирование

Макет проектируемого объекта (его физическая модель) обычно представляет собой печатную плату – «пустышку», на которой отсутствуют печатные проводники, а имеются только контактные площадки со сквозными отверстиями. В неё запаиваются интегральные микросхемы и прочие радиоэлектронные компоненты, а соединения выполняются проводами (навесной монтаж).

Для сложного проектируемого устройства образуется целая «шапка» проводов, в которой становится просто невозможно разобраться. Поэтому внесение изменений в навесной монтаж превращается в пытку. Те, кому приходилось «выкусывать» микросхему из перепутанной проводами платы или просто перепаивать проводники, подтвердят, каких неимоверных трудов это стоит.

Кто-то возразит, что мы описали весьма примитивную ситуацию, которая ближе радиолюбителю, чем разработчику – профессионалу. Последний предпочитает работать с макетом в виде печатной платы, на которой уже разведены печатные проводники.

Однако, для внесения изменений она пригодна ещё в меньшей степени: печатные проводники приходится «резать» и заменять их навесными проводами. Рано или поздно печатная плата так захламляется, что возникает необходимость изготовлять новую, и этот процесс может повториться неоднократно.

Сейчас в это трудно поверить, но и саму трассировку печатной платы приходилось выполнять вручную. Это ещё более неприятная работа, чем «ковыряться» в навесном монтаже. Самое, пожалуй, трудоёмкое занятие заключается в том, чтобы «раздвинуть» уже проложенные трассы и добавить между ними новый печатный проводник. Иногда приходится стирать половину проделанной работы. Мы уже не говорим, сколько ошибок порождает такой процесс.

Наконец макет создан и можно перейти к более творческой работе – проведению экспериментов. Вам потребуется куча генераторов, задающих внешние воздействия. Как правило, их работу придётся согласовывать, используя внешнюю синхронизацию. То же самое нужно сделать и с регистрирующими приборами – осциллографами.

Хорошо, если у вас есть многолучевой осциллограф, который позволяет наблюдать одновременно несколько сигналов и их взаимное расположение. В противном случае эксперименты превращаются в муку – мученискую, и вы вместо удовлетворения будете испытывать одно лишь раздражение.

Но самое трудное – это поиск «иголок», то есть коротких импульсов (рисков сбоя), из-за которых могут возникать сбои в работе аппаратуры. Причем их вредное действие проявляется самым коварным образом: сегодня всё работает, а завтра (без видимых причин) аппаратура начинает «капризничать».

Очень трудоёмок и ещё один процесс отладки аппаратуры, связанный с контролем временных соотношений в схеме. Приведу простой пример: прежде чем дать команду «загрузить данные» в память, регистр или просто триггер, надо заранее установить их на информационных входах и выждать некоторое время (обычно несколько единиц или десятков наносекунд). Это время называется предустановкой данных. Элементы схемы (особенно память) весьма критичны к этому параметру, и если нарушается минимальное время предустановки, аппаратура начинает капризничать, как от действия «иголок», то есть появляются так называемые перемежающиеся неисправности.

Подводя итог, можно сказать, что традиционные (ручные) методы проектирования электронной аппаратуры весьма трудоёмки, связаны со значительными затратами времени и средств, порождают много ошибок, которые потом с таким трудом «вылавливаются». Внесение в проект изменений, которых при итерационном проектировании не избежать, тоже требует немало времени и сил.

По этим причинам сроки проектирования оказываются большими, а качество проекта оставляет желать лучшего. При реализации сложных проектов ситуация усугубляется настолько, что ручные методы проектирования становятся просто невозможными.

Альтернативой рассмотренному методу является автоматизированное проектирование с помощью современных компьютеров. В принципе, если вы большой специалист в области программирования, то можно самому попытаться автоматизировать процесс проектирования. Но это не лёгкий труд. Обычно такую работу выполняет целый коллектив высококлассных специалистов, да и трудятся они не один год.

Что представляет собой профессиональная система автоматизированного проектирования (САПР)? Как правило, это программный (реже аппаратно - программный) комплекс (АРМ – автоматизированное рабочее место), с помощью которого можно решать все основные задачи проектирования, включая создание принципиальной схемы будущего устройства, моделирование его работы и трассировку печатной платы.

Такие САПР называют сквозными. Мы, по известным причинам, сосредоточим внимание только на подсистемах моделирования, которые составляет часть САПР, а иногда выступают в качестве самостоятельной системы. В последнем случае их называют (автоматизированными) системами моделирования и обозначают как СМ или АСМ.

В лекции 7 мы обсудим типовой состав таких систем. Здесь же назовём только самые необходимые её части: язык моделирования, транслятор, компоновщик и моделятор. С помощью языка моделирования создаётся модель проектируемого объекта (рис.1,б), которая затем компилируется в объектный код и объединяется компоновщиком (на профессиональном сленге - линковщиком) с моделирующей программой.

Полученный исполняемый код (рабочая программа) загружается в оперативную память и запускается на выполнение, имитируя при этом работу схемы и действия разработчика. Обратите особое внимание на последние слова. Система моделирования помогает автоматизировать не только процесс создания модели, но и проведение экспериментов с ней.

Такие эксперименты называются модельными или имитационными. Конечно, моделятор нельзя назвать в полном смысле этого слова моделью разработчика, скорее это его ассистент, помогающий в проведении экспериментов.

Но он делает много полезной работы. Например, формирует наборы входных воздействий, имитируя работу генераторов сигналов, активизирует модель объекта, которая вычисляет его реакцию на заданный набор входных сигналов, продвигает модельное время, «склеивая» соседние эксперименты, накапливает результаты и выводит их в виде временных диаграмм, имитируя работу осциллографа, и при всём том успевает ещё поддерживать диалог с разработчиком.

Моделятор (управляющая программа моделирования) выступает в качестве головной программы. В принципе он может существовать в исходном коде, например на языке моделирования VHDL или на каком либо языке программирования высокого уровня типа Си или Паскаль.

В последнем случае компилировать придётся не только модель, но и головную программу. Компоновщик объединит их вместе и настроит внешние связи.

Теперь вы можете экспериментировать с моделью как угодно и сколько угодно, не опасаясь катастрофических последствий опытов. У вас ничего не сгорит и не взорвётся. При этом СМ позволяют не только проверить правильность работы цифровой схемы, но и проконтролировать соблюдение всех временных соотношений в ней. Моделятор выяснит, не соединили ли вы по оплошности два выхода короткозамкнутой цепью, не оставили ли «висячим в воздухе» какой-либо вход и т. п.

Некоторые СМ позволяют учесть не только временные задержки на элементах схемы, но и задержки на проводах, взаимные влияния цепей и многое другое, что при ручных методах проектирования казалось почти невероятным.

Вы, например, можете выполнить разводку схемы, после чего система рассчитает параметры печатных проводников (паразитные ёмкости, индуктивности и сопротивления) и при повторном моделировании учтёт их влияние на работу схемы.

На рис.2 отражены основные этапы автоматизированного проектирования цифровой аппаратуры на примере пакета PCAD 4.5.

Рис.2. Сквозное проектирование цифровой аппаратуры в САПР PCAD

Структурная модель схемы (в данном случае цифрового мультиплексора) представляется в привычной для инженера-разработчика форме, в виде принципиальной схемы, которая создаётся в графическом редакторе PCCAPS пакета PCAD.

Затем моделятор выполняет имитационные эксперименты с данной схемой и выдаёт пользователю результаты в виде временных диаграмм.

Наконец, список цепей передаётся автотрассировщику для разводки печатной платы.

Данная дисциплина как раз и преследует цель: познакомить вас с современными языками и системами моделирования, с помощью которых вы научитесь строить модели цифровых устройств и проводить с ними имитационные эксперименты, решая задачи изучения или проектирования электронной аппаратуры.

Схемотехник найдёт в предлагаемой для изучения дисциплине много интересного и полезного для себя, а главное, получит мощный инструмент исследования и проектирования электронной аппаратуры.

Но и программист не окажется обиженным – ведь язык описания аппаратуры VHDL, который будет изучаться в этой дисциплине, является мощным объектно-ориентированным языком, весьма похожим на такие процедурные языки, как Си или Паскаль. К тому же теперь VHDL – это международный стандарт.

Хочется надеяться, что данный предмет придётся вам по душе и вызовет интерес, который является хорошим стимулом в любом деле.

Последняя редакция:

12.11.2013

Эта информация находится в файле:

Реклама дисциплины 2005.doc