Экскурс в дисциплину, программа, методические рекомендации и контрольные задания для студентов 3 и 4 курсов заочной формы обучения факультета автоматики и вычислительной техники (направление 552800 - информатика и вычислительная техника и специальность 220100 – вычислительные машины, комплексы, системы и сети)

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Экскурс в дисциплину, программа,

методические рекомендации и контрольные задания

для студентов 3 и 4 курсов заочной формы обучения

факультета автоматики и вычислительной техники

(направление 552800 - информатика и вычислительная

техника и специальность 220100 - вычислительные

машины, комплексы, системы и сети)

(ОБНОВЛЁННАЯ ВЕРСИЯ)

Новосибирск

2001 г.

Составил канд. техн. наук, доцент

Рецензент доктор техн. наук, профессор,

академик РАЕН, МАИ

Работа подготовлена на кафедре вычислительной техники

© Новосибирский государственный

технический университет, 2001 г.

2.  Цели и задачи дисциплины, ее место в образовательно-профессиональной программе

Цель изучения дисциплины определена тенденциями развития образования и Государственными образовательными стандартами (ГОС) высшего профессионального образования по направлению 552800 и специальности 220100. Она заключается в том, чтобы помочь студентам овладеть современными методами автоматизированного проектирования цифровой аппаратуры и, в частности, ознакомить их с основными положениями теории моделирования, языками и алгоритмами моделирования, методами построения моделей цифровых устройств и вычислительных систем, способствовать приобретению навыков в работе с языками и системами моделирования электронной аппаратуры.

Задачи изучения дисциплины конкретизируют поставленную цель и могут быть сформулированы следующим образом. В результате изучения дисциплины студенты должны:

n  иметь представление о тенденциях развития и проблемах моделирования технических систем;

n  знать основные разновидности моделей, способы оценки их качества, методы моделирования, принципы построения моделей объектов и процессов, методы формализации, алгоритмизации и реализации моделей на ЭВМ;

n  уметь использовать математические модели (в частности, PSPICE-модели и VHDL-модели), методы и средства информационных технологий, системы и языки моделирования, такие как PCAD, OrCAD, PSPICE (DesignLab), PML, DSL, VHDL.

n  приобрести опыт построения имитационных, аналитических, структурных и поведенческих моделей цифровых элементов, узлов и устройств ЭВМ и применения их в процессе исследования или проектирования.

Место дисциплины в учебном процессе определяется учебным планом по специальности 220100. Дисциплина «Моделирование» базируется на материале, излагаемом в курсах «Высшая математика», «Спецглавы математики», «Системное программное обеспечение», «Электроника», «Основы вычислительной техники и теория автоматов», «Теоретическая информатика», «Математические методы системного анализа».

Знания и умения, полученные в данной дисциплине, используются в процессе дальнейшего обучения в вузе в дисциплинах «Схемотехника», «Вычислительные комплексы и системы», «Системное программное обеспечение», «Микропроцессорные системы», «Сети и системы передачи данных», «Автоматизация проектирования средств вычислительной техники».

Учебным планом установлен следующий порядок изучения дисциплины:

n  установочные лекции (4 часа) - шестой семестр;

n  обзорные лекции (12 часов) - седьмой семестр;

n  лабораторные работы (12 часов) - седьмой семестр;

n  одна контрольная работа - седьмой семестр;

n  экзамен по дисциплине (объём по ГОС для дневной формы обучения по специальности 220часа) - седьмой семестр.

3.  Экскурс в дисциплину «Моделирование»

Начнём, пожалуй, с хорошо Вам знакомых слов "проектирование", "проект". Слово "проект" проистекает от латинского projectus - брошенный вперед. В этих словах заложен глубокий смысл. Своим проектом Вы предвосхищаете будущий объект, описываете его работу, структуру, способ изготовления, то есть в буквальном смысле заглядываете в "завтра", воображая его уже реализованным в "железе".

Итак, проект - это замысел, план, чертежи, расчеты, макеты, описания, а проектирование, то есть разработка проекта - это процесс, в ходе которого и создается образ (прагматическая модель) будущего объекта. Объектами проектирования могут быть машины, приборы, здания, электронная аппаратура и т. д. Для Всевышнего эти границы раздвигаются вплоть до всего мироздания. В зависимости от глубины разработки проекта различают функциональное, конструкторское и технологическое проектирование.

Проектирование, за редким исключением, выполняется методом "проб и ошибок", то есть по формуле "делай и проверяй". Это означает, что, не имея чётких алгоритмов решения поставленной задачи, Вы генерируете наугад какие-то варианты, изобретаете, придумываете и комбинируете, надеясь на его величество случай, везение, опыт, здравый смысл и интуицию. Понятно, что результат, полученный в таких условиях, требует обязательной проверки: будет ли спроектированный вами объект работать вообще, а если он заработал (какое счастье!), то будет ли выполнять свои функции с желаемым качеством, зафиксированным в техническом задании (ТЗ).

Описанная процедура называется итерационным проектированием и укладывается в следующую схему (рис.1).

Проследим типовой маршрут проектирования на примере двоичного счётчика, который должен быть выполнен на микросхемах нижнего уровня интеграции. В ТЗ записано, что он должен сохранять работоспособность вплоть до частоты счёта 50мГц и быть как можно дешевле. Генерируем, по нашим понятиям, наиболее привлекательный вариант решения: выбираем самую простую структуру счётчика с последовательным переносом и самые дешевые микросхемы 155 серии.

Но будет ли этот счётчик работать? Для данного примера вопрос кажется весьма наивным. Однако его надо не только задать, но и получить на него утвердительный ответ. Вспомните курс электроники: достаточно перепутать прямой и инверсный выходы триггеров и суммирующий счётчик превратится в вычитающий. Может и Вы «промахнулись» с организацией цепей межразрядных переносов? А если в счётчике есть параллельная загрузка, тактируемый сброс и прочие «навороты», поставленный вопрос о работоспособности схемы становится совсем не праздным.

Проверьте логические схемы счётчиков в справочнике «Популярные цифровые микросхемы» и вы обнаружите, что некоторые из них вообще не работают!

Как же убедиться, что в проекте нет логических (функциональных) ошибок? Это можно сделать несколькими способами.

Самый надёжный из них - построить действующую модель счётчика из реальных микросхем. Подключив питание, генератор и осциллограф, вы испытаете свой макет в работе. Понятно, что при проверке работоспособности счётчика частота счёта должна быть далека от предельной. Действующая модель счётчика (макет) выступает в качестве его физической модели.

Другой способ привлекает своей простотой. Достаточно нарисовать логическую схему счётчика и, вооружившись карандашом и резинкой, «погонять по ней нули и единицы». Весьма популярное у студентов занятие. Но многие из них даже не догадываются, что имеют дело с так называемым имитационным моделированием, выполняемым, правда, допотопным методом - вручную. Здесь в качестве модели выступает логическая схема счётчика, а "нули и единицы" заменяют реальные сигналы. Это простейшие модели, которые называются пассивными или статическими моделями. Такими моделями являются обычные описания - схемы, таблицы, графики и т. п.

Третий способ заключается в использовании какой-либо системы моделирования (СМ). СМ являются неотъемлемой частью большинства САПР, среди которых особенно популярны программные пакеты PCAD, OrCAD и PSpice. СМ фактически заменяет натурный (физический) эксперимент имитационным (машинным) экспериментом. Вместо реальных микросхем используются их модели, которые соединяются между собой связями, диктуемыми логической структурой счётчика, и активизируются в той же последовательности, что и элементы в схеме счётчика. Результаты испытаний (например, временные диаграммы) выдаются не на экран осциллографа, а на экран компьютера. Другими словами, создается полная иллюзия, что Вы продолжаете работать с реальным устройством или его действующим макетом. Такое моделирование называется имитационным. Название происходит от слова «имитация», что означает «подражание», «подделка».

Получив ответ на главный вопрос о работоспособности счётчика, осталось выяснить, удовлетворяет ли он остальным требованиям ТЗ. В нашем примере предстоит ответить на вопрос, сохранит ли он свою работоспособность вплоть до частоты 50мГц.

Кажется все просто - надо постепенно повышать частоту счёта до тех пор, пока счётчик не начнет "сбоить". Если нарушения в работе начнутся на частоте меньше 50мГц, значит, проект не удовлетворяет требованиям ТЗ и нуждается в доработке. Можно взять более быстродействующие триггеры (например, серии 1533) и/или выбрать другую логическую структуру (например, счетчик с параллельным переносом). В любом случае потребуются новые физические или имитационные эксперименты с измененными параметрами, а, возможно, и с новыми моделями (рис.1).

Подводя итог разговору об итерационном проектировании, определим еще несколько понятий. Предлагаю на выбор следующие определения.

Модель - это физическая или абстрактная система адекватно (правдоподобно) представляющая собой объект исследования или проектирования. Модель - это заместитель оригинала, обеспечивающий изучение или фиксацию свойств оригинала. Модель - это макет, схема, изображение или описание какого-либо предмета, явления или процесса в природе, обществе, технике, изучаемое как их аналог. Модель - это уникальная вещь, которая одновременно является инструментом (средством) и объектом исследования.

Моделирование - это исследование объектов на их моделях. Моделирование - это построение моделей и их последующее испытание. Моделирование - это процесс представления объекта исследования адекватной ему моделью и проведение экспериментов с ней с целью получения информации о самом объекте исследования. Моделирование - это замещение объекта О другим объектом М с целью изучения или фиксации важнейших свойств О при помощи М.

В процессе изучения первой темы «Общие вопросы теории моделирования» обратите особое внимание на классификацию моделей.. Модель может быть физической или абстрактной. Физическая модель - это материально реализованная система, например макет, тренажёр, масштабная модель или экспериментальный образец. Абстрактная модель - это описание объекта исследования или проектирования на каком-либо языке, например чертёж, схема, граф, таблица, формула, граф - или блок-схема алгоритма, программа для ЭВМ или словесное описание (содержательная модель).

Разновидностью абстрактных моделей является математическая модель. Такая модель представляет собой описание объекта исследования на языке математических отношений. Математические модели делятся на аналитические и имитационные.

Аналитические модели представляют собой уравнения или системы уравнений. Они записаны и решены в буквенном виде. Отсюда и происходит их название. Например, аналитическая модель логического элемента 2И-НЕ может выглядеть так:

.

По известным значениям на входах A и B Вы легко определите состояние выхода F.

В модели можно учесть не только функцию, но и другие внешние параметры объекта, например задержку распространения сигналов через элемент. На языке VHDL [9] это сделать очень просто:

F <= not ( A and B) after 20ns;

Фраза « after 20ns » означает, что сигнал F получит новое значение не в текущий момент модельного времени, когда выполняется данный оператор, а спустя 20ns, то есть переменная F будет сохранять старое значение ещё некоторое время.

Полный текст аналитической модели на языке VHDL выглядит так:

entity NAND2 is -- описание интерфейса

port ( A, B : in BIT; F : out BIT );

end NAND2; -- конец описания интерфейса

architecture BEHAVIOUR of NAND2 is

begin -- начало архитектурного тела

F <= not ( A and B) after 20ns;

end BEHAVIOUR; -- конец архитектурного тела

В модели можно отобразить не только задержку, но и нагрузочную способность элемента или узла. Например, на языке PML пакета PCAD поведенческая модель рассматриваемого элемента (ему присвоено имя NAND2) выглядит так:

NAND2 ()

INPUT A, B;

OUTPUT F;

{

F = ~(A&B) (20, 22, “S”, “D”);

}

В конце выражения, где вычисляется значение выхода F, приведён так называемый PCL-список, в котором указаны задержка при переключении выхода в 1 (20нс) и задержка при переключении выхода в 0 (22нс), а также логическая сила выхода, когда он выдаёт 0 - «S» и когда он выдаёт 1 - «D». В пакете PCAD существуют четыре уровня логической силы: S, D, R, Z. Они перечислены в порядке убывания. Выход, имеющий силу S, самый мощный. Как видно, нагрузочная способность моделируется косвенным образом, но этого вполне достаточно, чтобы разрешать конфликты на шинах.

Имитационная модель представляет собой алгоритм (процедуру), которым описывается поведение соответствующего ей объекта.. Для того же элемента 2И-НЕ имитационная модель может быть представлена следующей фразой: если вход А или вход В равняется 0, то выходу F присвоить 1, иначе 0.

Если это правило (алгоритм) записать на каком-либо языке моделирования или программирования, оформив его в виде процедуры или функции, то мы получим программную имитационную модель логического элемента 2И-НЕ.

На языке VNDL она выглядит так:

entity NAND2 is -- описание интерфейса

port ( A, B : in BIT; F : out BIT );

end NAND2;

architecture BEHAVIOUR of NAND2 is

begin -- начало архитектурного тела

P1: process ( A, B )

begin -- начало процесса

if A = ‘0’ or B = ‘0’ then

F < = ’1’ after 20ns;

else

F < = ‘0’ after 22ns;

end if;

end process P1; -- конец процесса

end BEHAVIOUR; -- конец архитектурного тела

На первый взгляд кажется, что аналитические модели проще и им следует отдать предпочтение. Для простых объектов это действительно так. Но попробуйте построить аналитическую модель более сложного объекта, например двоичного счётчика или микропроцессора. Вы убедитесь, что решить математические уравнения в общем виде, как правило, не удаётся, тогда как отыскать алгоритм поведения объекта не представляет особых трудностей. По этой причине именно имитационному моделированию уделяется основное внимание в данной дисциплине.

Рассмотренные модели называют поведенческими или функциональными. Их отличительная черта заключается в том, что они описывают объект как бы снаружи, внутренняя структура объекта не раскрывается. Это модели типа «чёрный ящик». Мы знаем поведение (функцию) объекта, но в лучшем случае можем только догадываться, что у него внутри. Рассмотренный выше пример подтверждает сказанное: мы знаем, что логический элемент выполняет функцию И-НЕ. Можно заложить в модель и другие внешние параметры, например задержку срабатывания и нагрузочную способность. Но ответить на вопрос, из каких компонентов построен данный элемент и как они между собой связаны, мы не в состоянии.

Можно построить целую библиотеку поведенческих моделей логических элементов, а затем «собирать» из них более сложные цифровые объекты (например, узлы и устройства) подобно тому, как это делается при макетировании. Очевидно, мы должны «соединять» модели в соответствии со структурой моделируемого устройства. Такие модели называются структурными, потому что они отражают внутреннее строение объекта, его структуру.

Структурные модели кажутся более привлекательными, потому что на небольшом наборе базовых элементов (и соответствующих им поведенческих моделей) можно без особых хлопот моделировать весьма широкий класс цифровых узлов и устройств.

Кроме того, при построении структурных моделей совсем не обязательно располагать информацией о поведении моделируемого объекта. Нужна лишь его структура, например функциональная схема двоичного счётчика, а детали в поведении объекта будут выявлены позднее, в процессе модельных экспериментов.

К сожалению, структурные модели хороши, пока они захватывают не более двух, реже трёх, уровней описания объекта. Например, когда узел (то есть регистр, счётчик, мультиплексор, АЛУ, дешифратор) раскрывается с подробностью до элементов (вентилей и триггеров) или устройство, например микропроцессор или память детализируются до уровня узлов.

Попытка декомпозировать сложный объект до уровня элементов или (не приведи Господь) до уровня компонентов (транзисторов, резисторов и прочих радиодеталей) приводит к лавинообразному росту числа структурных примитивов и мы рискуем легко утонуть в деталях. Достаточно вспомнить, что микропроцессор Pentium содержит около трёх миллионов транзисторов, и у Вас пропадёт всякое желание моделировать его на транзисторном уровне (да такое и не по силам ни одной системе схемотехнического моделирования).

Другой недостаток структурных моделей заключается в том, что пользователь, покупая микросхемы, обычно не знает их внутренней структуры уровня логических вентилей. Такая информация, как правило, является секретом фирмы - изготовителя и недоступна потребителю. Поэтому готовую ИМС любого уровня интеграции желательно описывать как поведенческую модель типа «черный ящик», без моделирования деталей ее внутренней структуры.

Для поведенческих моделей ИМС важную роль играет отображение временных параметров, что нередко ускользает из поля зрения студента. Смоделировав функцию объекта, Вы сделали только первый шаг: Ваша модель позволяет проверить правильность логического функционирования, принципиальную работоспособность проекта. Но будет ли проектируемое устройство работать в области высоких частот или больших скоростей? Например, построив модель двоичного счетчика, Вы убедились, что он правильно считает. Но сохранится ли его работоспособность при частоте счета 50 или 100мГц?

Чтобы ответить на поставленный вопрос, надо учесть в модели временные параметры объекта, такие как задержка распространения сигнала, время предустановки, время удержания, минимальную длительность входных импульсов, гонки, риски сбоя и прочие временные параметры.

Моделирование без учета задержек называют функциональным или логическим (если оно выполняется на вентильном уровне), а с учётом задержек - логико-временным. Впрочем, далеко не всегда учет временных параметров находит свое отражение в названии способа моделирования.

Одна из заповедей моделирования гласит: сначала постройте простую, базовую модель (обычно ее называют грубой моделью), «оживите» ее, добейтесь, чтобы она правильно имитировала функцию объекта, а затем, добавляя в модель детали и/или наделяя ее новыми свойствами (задержки, нагрузочная способность и так далее), добейтесь желаемого качества (точная модель).

Наилучший способ достичь в этом деле успеха - предварительно построить структурную модель этого же объекта (на регистровом или вентильном уровне). В процессе испытаний (многократных прогонов) такой модели следует сформировать тест-векторы входных сигналов и соответствующие им реакции, которые и применяются впоследствии как эталонные для верификации поведенческой модели.

Вполне логичным кажется вопрос: зачем строить поведенческую модель, если уже имеется её структурный аналог. Ответ прост - для того, чтобы повысить эффективность моделирования.

Время прогона поведенческой модели (из-за отсутствия в ней деталей нижележащих уровней) во много раз меньше, чем структурной. В результате эффективность моделирования возрастает враз, а иногда в тысячу и более раз.

Наиболее подготовленными для создания структурных и поведенческих моделей микросхем являются фирмы-производители этих изделий. Как говорится, им и «карты в руки». Именно по этой причине военное ведомство США обязало своих поставщиков цифровых ИМС сопровождать каждое новое изделие соответствующей VHDL-моделью и тестовыми наборами входных сигналов на языке VHDL. В настоящее время язык VHDL является признанным во всём мире стандартом описания цифровой аппаратуры и его популярность продолжает расти.

Имитационные эксперименты с VHDL-моделью позволяют изучить любые детали её поведения и исключить неправильное использование и/или неосторожное включение микросхемы. Для аналоговых ИМС существует аналогичный стандарт - так называемые SPISE-модели (название происходит от системы моделирования PSpiсe [7]).

Материальный мир склонен к иерархии. Это значит, что любой объект можно представить как совокупность взаимодействующих частей, которые в свою очередь состоят из более мелких деталей (рис.2). Например, сложные объекты вычислительной техники состоят из блоков, те в свою очередь - из устройств, устройства - из узлов, узлы - из элементов, элементы - из компонентов. Компоненты представляют собой некоторое множество топологических фигур (области диффузии, поликремния, металлизации) на поверхности и в объёме полупроводникового кристалла. Графически иерархию объектов обычно представляют в виде усечённой пирамиды. Расширение пирамиды книзу означает увеличение степени детализации, рост количества примитивов, которые должны обрабатываться при проектировании.

Каждый иерархический уровень имеет своё название и свой базовый набор структурных примитивов. Например, для регистрового уровня структурными примитивами являются узлы - регистры, счётчики, мультиплексоры, АЛУ, дешифраторы, то есть микросхемы средней интеграции. Для вентильного уровня (Gate level) - это логические элементы и триггеры, т. е. микросхемы малой интеграции.

Разработчики СБИС вынуждены включать в окно проекта все названные уровни и в этом отношении судьба их не завидна.

Однако чаще проектирование выполняется в заданном элементном базисе, например с использованием реальных микросхем. В этом случае детализация проекта осуществляется с учётом того, «что уже имеется», а процесс разбиения заканчивается, как только структурный примитив будет «накрыт» подходящей ИМС. Под структурным примитивом понимают часть объекта, которая в рамках данного проекта не подлежит дальнейшей детализации.

С иерархией объекта связаны понятия нисходящего и восходящего проектирования. Часто указанные разновидности проектирования называют иначе - проектированием «сверху-вниз» и проектированием «снизу-вверх».

Нисходящее проектирование может начинаться уже тогда, когда о проектируемом объекте известна лишь функция корня, то есть только алгоритм функционирования. Функция корня разбивается на подфункции, которые должны выполнять составляющие объект структурные примитивы. Эта процедура соответствует понижению уровня описания объекта на одну иерархию вниз, например устройство раскрывается с подробностью до узлов. На начальном этапе проектирования ещё неизвестны структура и набор узлов будущего объекта. Поэтому правильнее говорить о том, что функция устройства разбивается на подфункции, которые должны выполнить узлы. Если получаемые при декомпозиции подфункции слишком сложны, чтобы реализовать их каким-либо узлом с известной структурой, то операция повторяется и описание объекта понижается ещё на один уровень иерархии. Описанная процедура повторяется до тех пор, пока получаемые функции или операторы алгоритма не станут очевидными, которые легко реализовать известными структурными примитивами. Этот процесс носит творческий характер, что затрудняет автоматическую трансляцию функционального описания проекта в соответствующее ему структурное описание.

Восходящее проектирование выполняется в противоположном направлении, то есть снизу-вверх. Сначала проектируются элементы, затем - узлы, потом - устройства и так далее. Такой метод проектирования целесообразно применять только в том случае, когда проектируемый объект не слишком сложен. Кроме того перед началом проектирования должна быть известна логическая схема будущего объекта. Например, если предстоит спроектировать БИС, для которой уже имеется аналог, ранее созданный на корпусных ИС. Другими словами, при проектировании снизу-вверх должен быть задан не только алгоритм функционирования будущей БИС, но и её отработанная логическая схема, построенная, правда, в другом логическом базисе.

Вся история развития микросхемотехники являет собой пример проектирования снизу-вверх - от элементов (МИС) к узлам (СИС), потом к устройствам (БИС) и блокам (СБИС). Фактически описанная стратегия не является стратегией проектирования конкретного объекта, а представляет собой общую тенденцию развития микроэлектроники.

Описанные стратегии объединяются общим названием - иерархическое проектирование. Иерархическое проектирование представляет собой единый подход при разработке сложных объектов и заключается в разбиении исходной задачи на подзадачи. Объект проектирования декомпозируется на фрагменты и проектирование каждого фрагмента ведётся в определённом смысле самостоятельно. На каждом уровне иерархии этот принцип применяется вновь. Таким образом, иерархический подход позволяет заменить решение одной сложной задачи многократным решением задач меньшей размерности. Порядок решения указанных подзадач может быть произвольным, как сверху-вниз так и снизу-вверх. Возможна также и комбинация обеих стратегий.

Человек не в состоянии воспринимать слишком большой объём данных. Если деталей слишком много, он может легко «утонуть» в них и успешное завершение проекта станет проблематичным. При иерархическом проектировании в поле зрения надо держать лишь один фрагмент объекта. Остальные фрагменты представлены в виде «чёрных ящиков» и присутствуют в проекте только для того, чтобы имитировать «окружение», то есть взаимодействие проектируемого фрагмента с другими частями объекта. Благодаря иерархическому проектированию удаётся ограничить текущую сложность проекта на приемлемом уровне, так как для решения любой частной задачи в окне проекта находятся только два смежных уровня - поведенческое и структурное описания объекта.

С иерархическим проектированием неразрывно связано так называемое многоуровневое моделирование. При многоуровневом моделировании различные части объекта (фрагменты) представлены с разной степенью детальности, то есть на различных уровнях иерархии. Например, проектируемая в настоящий момент времени часть объекта раскрыта до вентильного уровня и имитируется структурной моделью, а остальные фрагменты представлены на соседнем более высоком регистровом уровне в виде поведенческих моделей.

Закончив проектирование данного фрагмента, разработчик представит его поведенческой моделью, т. е. спрячет детали структурного описания в «чёрный ящик», и раскроет более подробно другой фрагмент объекта, который ещё предстоит проектировать. Эта процедура повторяется столько раз, сколько фрагментов необходимо спроектировать на данном уровне иерархии. Описанный метод проектирования называется методом локальной детализации объекта, потому что в каждый момент времени подробно представлен только один фрагмент - тот, который находится «в работе». Остальные фрагменты свёрнуты в «чёрные ящики» и не перегружают модель ненужными для решения текущей задачи деталями.

Современные САПР и СМ поддерживают так называемый библиотечный метод проектирования. Суть метода заключается в том, что в процессе проектирования объект детализируется до некоторых элементарных фрагментов, называемых структурными примитивами. Каждый примитив имеет свою поведенческую модель. В качестве примитивов обычно выступают конструктивно законченные радиоэлектронные компоненты, например интегральные микросхемы или функциональные ячейки топологии кристалла кремния. Примитивы и их модели объединяются в библиотеки, которые доступны любому проектировщику. Разрабатываемый объект представляет собой некоторую комбинацию стандартных примитивов. Генерация конкретного варианта структуры выполняется на заданном наборе библиотечных примитивов методом проб и ошибок. Полученное решение требует проверки на работоспособность и соответствие требованиям технического задания.

С этой целью строится структурная модель объекта как комбинация поведенческих моделей структурных примитивов, составляющих объект. Привлекательная сторона библиотечного метода проектирования состоит в том, что структурные примитивы могут принадлежать различным иерархическим уровням. Благодаря этому значительно повышается эффективность моделирования. Понятно, что поведенческие модели должны весьма точно отображать временные параметры примитива. Современные СМ позволяют строить такие модели. Этим объясняется большое внимание, уделяемое наиболее перспективным САПР и СМ, таким как PCAD, PSPICE, OrCAD и языкам моделирования PML и VHDL.

Типовой состав профессиональной системы моделирования (рис.3) включает графический или текстовый язык описания объекта (ЯОО), с помощью которого пользователь вводит в систему моделируемую схему. Проектирование схемы выполняется с использованием базовых структурных примитивов, графические и функциональные описания которых содержатся в соответствующих библиотеках. Транслятор ЯОО преобразует исходное описание проекта в формат, пригодный для моделирования. Моделирование выполняется специальной программой, называемой управляющей программой моделирования или коротко моделятором.

Для задания временных диаграмм входных сигналов в составе СМ обычно имеется специальная программа, которая позволяет рисовать или редактировать входные тестовые наборы в графической или текстовой форме. Она называется редактором входных сигналов. Для вывода, наблюдения и обработки результатов моделирования используется другая программа, называемая постпроцессором моделирования. Часто они объединяются под общим названием: инструментальные средства моделирования. Сюда могут входить и некоторые другие программы, например менеджер иерархии, отладчики поведенческих моделей, программы автоматической генерации макромоделей, программные логические анализаторы и т. п.

Современные промышленные СМ имеют также средства для проектирования поведенческих моделей, включающие языки логического моделирования (ЯЛМ) и соответствующие компиляторы ЯЛМ. Информация о проекте хранится в базах данных СМ, которые разделяются на справочные и рабочие. Управляющая оболочка СМ осуществляет вызовы нужных программ и делает работу с системой удобной для пользователя.

Одной из самых слабых сторон моделирования является невозможность имитировать работу объекта в реальном масштабе времени, то есть поддерживать темп, с которым протекают процессы в моделируемом объекте. Сказанное прежде всего касается вычислительных систем с их сумасшедшими скоростями работы. Например, чтобы промоделировать функционирование микропроцессора МП8086 на временном интервале 100нс требуется одна секунда процессорного времени ЭВМ с быстродействием 1МИПС [9]. Отношение названных времён называется эффективностью моделирования и составляет для данного примера величину:

Низкая эффективность моделирования во многом объясняется невозможностью адекватно моделировать параллельно протекающие процессы на однопроцессорных вычислительных системах. Такие процессы приходится моделировать квазипараллельно, обрабатывая одно за другим одновременные события при остановленном (замороженном) модельном времени. Оно остаётся фиксированным до тех пор, пока не будут обработаны все одновременные (кратные) события, привязанные к текущему моменту времени. После этого модельное время опять оживает и начинает двигаться дальше шагами равной длины (принцип Dt - потактовое моделирование) или прыгая неравномерными скачками от текущего события до ближайшего будущего (принцип dz - событийное моделирование).

Для повышения эффективности моделирования используются следующие методы:

n  высокоуровневое моделирование;

n  многопроцессорные ВС;

n  событийный механизм продвижения модельного времени;

n  многоуровневое моделирование;

n  метод локальной детализации проекта;

n  сетевое моделирование;

n  компилятивный метод моделирования (вместо интерпретирующего);

n  аппаратные акселераторы (ускорители) моделирования.

4.  Программа и методические рекомендации по темам
дисциплины

Программа составлена на основе Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования Министерства общего и профессионального образования Российской федерации:

n  требования к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки бакалавра по направлению 552800 - информатика и вычислительная техника;

n  требования к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки инженера по специальности 220100 - вычислительные машины, комплексы, системы и сети.

ОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ МИНИМУМ ПРОГРАММЫ (ДЛЯ БАКАЛАВРОВ) СОГЛАСНО ГОС
(ДИСЦИПЛИНА ДН-05 «МОДЕЛИРОВАНИЕ» - 136 ЧАСОВ)

Основные понятия теории моделирования; классификация видов моделирования; имитационные модели; математические методы моделирования; планирование имитационных экспериментов с моделями; формализация и алгоритмизация процессов; концептуальные модели; логическая структура моделей; построение моделирующих алгоритмов; статистическое моделирование на ЭВМ; оценка точности и достоверности результатов моделирования; инструментальные средства; языки моделирования; анализ и интерпретация результатов моделирования на ЭВМ; моделирование систем информатики, вычислительных систем и сетей.

ОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ МИНИМУМ ПРОГРАММЫ (ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ) СОГЛАСНО ГОС
(ДИСЦИПЛИНА ОПД.08 «МОДЕЛИРОВАНИЕ» - 152 ЧАСА)

Понятия о моделях; их классификация; требования к моделям; моделирование, как этап проектирования на его различных уровнях; математическое и имитационное моделирования; понятия о моделях микро-, макро - и мета - уровней; моделирование случайных величин, событий и потоков событий; обработка результатов эксперимента; планирование эксперимента; языки моделирования; верификация как метод анализа схемных решений; задачи и цели статистического анализа; основные подходы к формализации структурного синтеза; классификация задач синтеза; сокращение перебора; постановка задачи оптимизации; основные методы оптимизации параметров, допусков и технических требований; особенности поиска экстремума в задачах с максиминным критерием; многоуровневая оптимизация.

При составлении рабочей программы автор позволил себе внести некоторые коррективы относительно рекомендаций ГОС. Были исключены вопросы, связанные с проблемами синтеза, так как, по мнению автора, они выходят за рамки данной дисциплины и не упоминаются в ГОС для бакалавров. Методы оптимизации также не включены в рабочую программу, потому что они рассматриваются в других математических дисциплинах.

В качестве компенсации более широко и детально рассматриваются языки моделирования и описания аппаратуры, а также современные системы моделирования и практическая работа с ними.

Знакомясь с содержанием дисциплины, обратите внимание на цифры 3, 4 и 5, проставленные в конце каждого предложения или абзаца. Цифрой 3 выделены вопросы, составляющие «ядро» дисциплины, тот минимум, с помощью которого можно составить цельное представление о данном предмете, не утруждая себя «деталями». Если Вы человек непритязательный (или оказались в цейтноте), то можете ограничиться изучением только этих вопросов.

Если познакомившись с «ядром» Вы почувствовали интерес к данной дисциплине и/или претендуете на более высокую оценку, то придётся уделить внимание и вопросам, помеченным цифрой 4.

Для детального знакомства с предметом Вам предлагаются вопросы с пометкой 5. Претендуя «на пятёрку», Вы должны изучить все вопросы программы, включая и те, что отмечены цифрой 5.

ВВЕДЕНИЕ

Основные понятия. Аксиомы моделирования. Иерархия систем и уровни моделирования (3). Примеры моделей цифровых узлов (4). Понятие автоматизированной системы моделирования (3). Проблемы моделирования. Задачи, решаемые методом моделирования (3).

ТЕМА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Системный подход к моделированию. Понятия системы, структуры, структурного элемента, функции и параметров системы. Классификация параметров и глобальная функция системы. Методы повышения качества системы (3).

Методы инженерного анализа и синтеза систем. Натурные испытания, физическое моделирование, аналитическое, численное и имитационное моделирование. Аналогия и подобие в теории моделирования. Функциональная иерархия вычислительных систем. Разновидности методов проектирования систем (3).

Требования, предъявляемые к математическим моделям. Методы оценки точности моделей. Классификация математических моделей (3). Распределенные, сосредоточенные и информационные модели (4). Полные модели и макромодели (3). Способы построения макромоделей (3). Понятие функциональной и структурной моделей, сравнительный анализ(5). Многоуровневые модели (3).

Имитационное моделирование. Основные понятия, отличительные черты имитационных моделей, их достоинства и недостатки. Примеры имитационных моделей. Принципы построения имитационных моделей. Понятие кибернетической модели (5). Статистическое моделирование, его особенности, достоинства и недостатки. Планирование и интерпретация результатов имитационного моделирования (5).

Реальное, модельное и машинное время. Связь между ними. Механизмы продвижения модельного времени (3).

Понятие автоматизированной системы моделирования (АСМ). Основные черты, присущие современным АСМ (3). Типовой состав и назначение отдельных подсистем моделирования (3). Краткий обзор АСМ (4).

Методические рекомендации

Изучая введение и первую тему следует уяснить прежде всего «аксиомы» теории моделирования.

1.  Модель не существует «сама по себе». Она всегда выступает в тандеме с некоторым материальным объектом, который она представляет (замещает) в процессе его изучения или проектирования.

2.  Для естественных материальных объектов модель вторична, то есть появляется как следствие изучения и описания этого объекта ( например, модель солнечной системы). Для искусственных материальных объектов (создаваемых человеком или техникой) модель первична, так как предшествует появлению самого объекта (например, модель самолета, модель двоичного счетчика).

3.  Модель всегда проще объекта. Она отражает только некоторые его свойства, а не представляет объект «во всем его великолепии». Для одного объекта обычно строится целый ряд моделей, отражающих его поведение или свойства «с разных сторон» или с разной степенью детальности. При бесконечном повышении качества модели она приближается к самому объекту.

4.  Модель должна быть подобна тому объекту, который она замещает в процессе исследования или проектирования, то есть модель в определённом смысле является копией, аналогом объекта. Если в исследуемых ситуациях модель ведёт себя так же, как и моделируемый объект, или это расхождение невелико и устраивает исследователя, то говорят, что модель адекватна оригиналу. Адекватность - это воспроизведение моделью с необходимой полнотой и точностью всех свойств объекта, существенных для целей данного исследования.

5.  Построение модели - не самоцель. Она строится для того, чтобы можно было экспериментировать не с самим объектом, а с более удобным для этих целей его представителем, называемым моделью.

Экспериментирование с моделью («игра») позволяют добыть информацию о поведении и свойствах исследуемого объекта, не подвергая его опытам. Тут обнаруживается «великая сила моделирования»: сложный, длительный, дорогой (а иногда и просто невозможный) физический эксперимент с реальным объектом заменяется более простым, быстрым и дешёвым экспериментом с его моделью. С моделью можно экспериментировать сколько угодно и как угодно, помещая её в любые условия, не опасаясь катастрофических последствий опыта (пограничные и предельные испытания).

При проектировании новых технических объектов моделирование (то есть построение и последующее испытание модели) позволяет выявить работоспособность и качество работы проектируемого объекта до его физического воплощения.

Конечно за все приобретения надо расплачиваться: платой за простоту, скорость и дешевизну модельного эксперимента является некоторая потеря точности и надёжности получаемых результатов. Следует, правда, заметить, что эти потери поддаются контролю со стороны разработчика модели.

6.  При моделировании сложных технических объектов следует, по возможности, выбирать самый высокий уровень иерархии, при котором ещё достижима желаемая точность. Такое моделирование называется высокоуровневым моделированием.

Основные вопросы первой темы изложены в книгах [1, с.4-34, 122-128], [2, с.4-24,73-83], [3, с.5-44].

ТЕМА 2. ЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Задачи, решаемые методом логического моделирования. Процесс логического моделирования. Описание модели и условий моделирования. Генерация рабочей программы моделирования. Модели цифровых сигналов и логических элементов. Булевские, троичные и многозначные модели. Модели, учитывающие задержку распространения сигнала (3).

Табличное описание логической схемы. Работа управляющей программы моделирования с табличным представлением данных (3).

Булевские модели триггерных схем. Сравнительный анализ. Возникновение итераций в процессе моделирования (4). Ранжирование комбинационных схем и схем с цепями обратной связи. Алгоритмы логического моделирования. Потактовое (сплошное) моделирование, блок-схема моделирующего алгоритма, основные особенности (3). Троичное моделирование, блок-схема моделирующего алгоритма. Основные задачи, решаемые методом троичного моделирования (5). Компилирующее и интерпретирующее моделирование. Сравнительный анализ (4).

Событийное моделирование. Понятия отработанных, текущих и будущих событий, условных, безусловных и кратных событий, ближайшего будущего события. Очередь будущих событий, массивы состояний сигналов. Блок-схема алгоритма событийного моделирования (3). Сравнение методов потактового и событийного моделирования (4).

Языки логического моделирования, их разновидности. Языки структурного и функционального описания. Примеры (3). Концепция языка структурного описания HSL, основные изобразительные средства языка. Примеры описания цифровых узлов. Система языковой обработки языка HSL, ее возможности (5).

Методические рекомендации

Трудно переоценить важность данной темы. Логическое моделирование в настоящее время стало повседневным практическим инструментом любого инженера-проектировщика средств вычислительной техники. Умение пользоваться этим мощным инструментом зависит, в частности, от степени усвоения материала этой и следующей тем. Особое внимание следует уделить методам потактового и событийного моделирования. Изучение материала желательно проводить на конкретных примерах, фиксируя их в своём конспекте. Из рекомендованной литературы лучше всего использовать [4, с.112-145], [5, с.110-176], [6, с.129-172].

ТЕМА 3. СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЯЗЫКИ ОПИСАНИЯ
АППАРАТУРЫ

Подсистема моделирования в пакете PCAD

Общие сведения о системе PCAD. Состав и файловая организация пакета PCAD. Файл конфигурации PCADDRV. SYS. Библиотечный метод проектирования в PCAD’е. Разновидности описаний радиоэлектронных компонентов: графическое (схемное), физическое (конструкторское) и функциональное описания. Установка соответствия между различными описаниями РЭК (3).

Библиотеки РЭК. Назначение и структура FIL-файла. Специальные команды в FIL-файлах. Библиотекарь PC-LIB. Назначение, команды. Табличный редактор РЭК - программа PC-COMP. Назначение, основные режимы (4).

Графический редактор символов и схем - программа PC-CAPS. Режимы работы, концепция многослойного представления графической информации. Основные слои. Рабочее поле рисования (3). Дюймовая и метрическая единицы измерения. Структура экрана. Команды управления экраном. Команды меню и клавиатурные команды (4). Создание символов с помощью редактора PC-CAPS (4).

Типовой маршрут проектирования схем в PCAD’е. Назначение программ PC-ERC и PC-FORM (4). Создание принципиальных схем в PCAD’е (3). Построение шин. Создание многолистовой и/или иерархической схемы (5).

Подсистема логического моделирования. Назначение основных программ: PC-NODES, PRESIM, PC-MODEL, PC-LOGS, POSTSIM. Понятие логического уровня, силы и состояния. PCL - и MDL-атрибуты. Функциональный язык моделирования PML. Структура программ на языке PML. Узлы и шины. Условные выражения и условные операторы. Операторы присваивания и операторы выбора (3).

Программа логического моделирования PC-LOGS. Представление модельного времени. Команды управления модельным временем (3). Способы отображения результатов моделирования на экране монитора. «Измерение» временных задержек. Основные режимы работы программы PC-LOGS. Анализ пиков («иголок») и контроль нестабильности узлов (4).

Программа анализа результатов моделирования POSTSIM. Способы просмотра файла результатов моделирования. Измерение временных задержек. Поиск событий в моделируемой схеме по заданному условию (5).

Цифровое моделирование в пакете PSpice (DesignLab 8)

Состав пакета, типы используемых файлов. Описание компонентов и директивы управления заданием на языке Pspice (3). Задание параметров компонентов. Встроенные модели цифровых и аналоговых компонентов. Примеры (4). Формат описания цифровых компонентов, модели динамики и модели вход-выход. Встроенные модели стандартных вентилей и микросборок (3).

Макромодели компонентов. Форматы описания, глобальные узлы. Вызов макромодели (4). Иерархическое проектирование в САПР DesignLab 8 (4). Структурное, потоковое и поведенческое описания цифровых объектов на языке DSL (5).

Генераторы цифровых сигналов с одним и несколькими выходами. Описания временных диаграмм в абсолютных единицах времени и в терминах «такт». Способы описания периодических сигналов (4).

Язык VHDL в САПР OrCAD 9

История развития VHDL, основные достоинства и области применения (5). Структура VHDL-модели. Поведенческие модели, модели «потока данных» и структурные модели. Примеры (3).

САПР OrCAD 9.1, состав пакета, типы используемых файлов. Моделирование в OrCAD’e на языке VHDL. Способы описания входных временных диаграмм. Описание периодических и шинных сигналов (4). Объекты языка VHDL: константы, переменные, сигналы. Атрибуты сигналов и массивов (3).

Моделирование параллельной работы логики. Понятие процесса. Инерционная и транспортная задержки(3). Назначение и использование операторов WAIT и CASE (3). Модели генераторов цифровых сигналов. Настраиваемые параметры (5). Иерархическое проектирование в САПР OrCAD

Методические рекомендации

Данная тема преследует цель - познакомить Вас с последними достижениями в области проектирования электронной аппаратуры, а именно с профессиональными системами моделирования. Они могут разрабатываться и использоваться как самостоятельные (автономные) программные или аппаратно-программные комплексы. Однако чаще они входят как составная часть в более сложные системы, называемые системами автоматизированного проектирования (САПР). Примерами самостоятельных СМ являются GMVHDL, ACCOLADE или PSPICE [7]. В качестве примеров сквозных САПР можно назвать такие пакеты как PCAD, DesignLab или OrCAD.

Для знакомства с некоторыми из этих пакетов можно порекомендовать книги [7], [8], [9], [10], [11], [12]. Обязательно ли изучение всех трёх пакетов? Конечно, нет. Опять же всё зависит от ваших притязаний. Для получения оценки «удовлетворительно» достаточно познакомиться с одним (любым) пакетом, чтобы получить «хорошо», надо знать два пакета. Ну, а на «отлично» надо изучить все три.

5.  Перечень лабораторных работ

n  Создание схемных описаний радиоэлектронных компонентов, пригодных для моделирования в пакете PCAD и проектирование схем в графическом редакторе PC-CAPS (4 часа).

n  Моделирование цифровых схем в пакете PCAD (4 часа).

n  Разработка поведенческих моделей на языке PML и их верификация средствами моделирования в пакете PCAD (4 часа).

Добавлю, что вам представлен примерный перечень лабораторных работ. В зависимости от своего желания вы можете выбрать для практического изучения любой другой пакет, например DesignLab 8 или OrCAD 9.1.

6.  Задания на контрольную работу

Контрольную работу выполняет каждый студент по индивидуальному заданию. Оно заключается в разработке несложного цифрового узла в соответствии с выданным заданием, построении его структурных и поведенческих моделей на языках PML, Spice (или DSL) и VHDL в пакетах PCAD 4.5, DesignLab 8 и OrCAD 9.1 соответственно, проведении сравнительного анализа построенных моделей. Варианты контрольных заданий приведены в табл.1. Номер варианта соответствует последней цифре в вашей зачётной книжке. Последнее касается только тех студентов, которые по объективным причинам не смогли лично встретиться с преподавателем или получить задание по E-mail. Остальные студенты должны получить задание непосредственно у ведущего преподавателя.

Таблица 1

Номер варианта	Проектируемый узел	Возможный прототип
·  0	Четырёхразрядный двоичный синхронный счётчик	К555ИЕ18
·  1	Четырёхразрядный реверсивный двоичный счётчик	К555ИЕ7
·  2	Четырёхразрядный асинхронный двоично-десятичный счётчик	К555ИЕ14
·  3	Четырёхразрядный регистр сдвига с параллельной загрузкой	К555ИР1
·  4	Четырёхразрядный универсальный регистр сдвига	К555ИР11
·  5	Четырёхразрядный регистр сдвига с третьим состоянием выходов	К555ИР16
·  6	Двухпортовый четырёхразрядный регистр данных	К555ИР20
·  7	Приоритетный шифратор	К555ИВ3
·  8	Мультиплексор на восемь входов с третьим состоянием выхода	К555КП15
·  9	Четырёхразрядный цифровой компаратор	К555СП1

Методические рекомендации

Проектируемый узел должен работать в соответствии с логической таблицей прототипа. Можно использовать и логическую структуру прототипа, заменив в ней абстрактные типы триггеров на имеющиеся в 555-ой серии, например 555ТМ2 или 555ТВ9. Сказанное касается не только триггеров, но и логических элементов. Допустим, Вам необходим элемент, реализующий логическую функцию эквивалентности, а такого элемента в 555-ой серии нет. Подыщите отсутствующему элементу логически эквивалентную замену, например включив последовательно схему «исключающее ИЛИ» (555ЛП5) и инвертор (555ЛН1).

Разрабатывая в схемном редакторе PC-CAPS (PCAD) логическую структуру узла (функциональную схему), убедитесь, что все используемые в ней элементы поддерживаются поведенческими моделями. Для некоторых логических элементов (например, 555ЛР11) отсутствуют встроенные в моделятор PC-LOGS модели. В этом случае придётся написать свою PML-модель или создать макроэлемент (иерархический символ) или заменить такой элемент логически эквивалентной схемой.

7.  Структура и содержание пояснительной
записки к контрольной работе

1.  Художественно оформленная обложка.

2.  Постановка задачи (что надо сделать, зачем, какими методами и инструментами).

3.  Условное графическое обозначение (УГО) моделируемого узла, таблица назначения выводов (желательна распечатка из программы PC-PRINT пакета PCAD или из пакетов DesignLab 8, OrCAD 9.1).

4.  Логическая таблица режимов работы с указанием не только входов, но и выходов. Правый столбец таблицы, названный «Примечания», должен содержать список всех возможных режимов работы узла.

5.  Таблица реальных задержек (по максимуму) для всех режимов работы со ссылкой на источник информации. При отсутствии аналогов разрабатываемого узла величины задержек согласовываются с преподавателем.

6.  Описание работы проектируемого и моделируемого узла с привязкой к логической таблице, приведённой в пункте 4.

Объём работы зависит от ваших притязаний: на оценку «удовлетворительно» достаточно выполнить задание в одном (любом) пакете. Чтобы получить оценку «хорошо», задание придётся выполнить в двух пакетах (опять же на ваш выбор). На оценку «отлично» можно претендовать лишь в том случае, когда освоены все три пакета. Последовательность используемых САПР может быть любой, но желательно придерживаться той, что перечислена ниже.

DesignLab_8

7.  Иерархический символ, внутреннее описание которого представлено в виде схемы замещения проектируемого узла (распечатка из программы Schematics условного графического изображения – иерархического символа и его внутреннего описания – принципиальной схемы проектируемого узла). Все элементы схемы должны быть представлены в отечественных графических обозначениях по ЕСКД).

8.  Текстовое SPICE-описание моделируемого узла (содержимое файлов *.cir и *.net) с необходимыми пояснениями использованных форматов.

9.  Содержимое файла описания внешних воздействий (диаграмм входных сигналов).

10.  Результаты моделирования узла в пакете DesignLab_8 (распечатка из постпроцессора Probe). Необходимо протестировать все возможные режимы работы с соответствующими комментариями. Моделирование необходимо выполнить с учётом реальных задержек, отразив их значения на ВД (средствами постпроцессора моделирования).

11.  Оценка предельных скоростных (частотных) возможностей исследуемого узла.

12.  Функциональное описание проектируемого узла с помощью примитивов LOGICEXP, PINDLY и CONSTRAINT и оформление его в виде макромодели.

13.  Создание УГО (символа) проектируемого узла, подключение к нему макромодели и верификация её. Особое внимание обратите на идентичность задержек, «заложенных» в макромодель, задержкам, измеренным на принципиальной схеме узла.

OrCAD 9.1

14.  Иерархический символ, внутреннее описание которого представлено в виде схемы замещения проектируемого узла (распечатка из программы OrCAD Capture условного графического изображения – иерархического символа и его внутреннего описания – принципиальной схемы проектируемого узла). Все элементы схемы должны быть представлены в отечественных графических обозначениях по ЕСКД).

15.  Результаты моделирования узла в пакете OrCAD 9.1 (распечатка из программы OrCAD Simulate). Необходимо протестировать все возможные режимы работы с соответствующими комментариями. Моделирование необходимо выполнить с учётом реальных задержек, отразив их значения на ВД (средствами моделятора).

16.  Поведенческая VHDL-модель узла с комментариями и реальными задержками, измеренными в пункте задания 15.

17.  Создание УГО (символа) проектируемого узла, подключение к нему VHDL-модели и верификация её. Особое внимание обратите на идентичность задержек, «заложенных» в VHDL-модель, задержкам, измеренным на принципиальной схеме узла.

PCAD

18.  Макромодель, представленная как иерархический символ (распечатка из программы PC-PRINT пакета PCAD):

§  внешнее описание – в виде графического изображения;

§  внутреннее описание – в виде логической структуры (принципиальной схемы) на вентильном уровне (оба описания на одном рисунке и в одном файле с расширением *.sym).

19.  УГО узла для PML-модели с указанием его MDL-атрибута (распечатка из программы PC-PRINT пакета PCAD).

20.  Поведенческая модель на языке PML с необходимыми комментариями и учётом реальных задержек.

21.  Функциональная схема для тестирования иерархического символа и узла, поддерживаемого PML-моделью (на одном экране разместить оба варианта реализации и подать на них одинаковые наборы входных сигналов). Сохранить всё в едином файле *.sch.

22.  Командный файл для моделирования схемы программой PS-LOGS с учётом реальных задержек.

23.  Результаты логического моделирования узла в пакете PCAD без учёта реальных задержек для обеих реализаций (распечатка из программы POSTSIM). На временных диаграммах (ВД) необходимо указать все возможные режимы работы и сделать необходимые пояснения в тексте записки (допустимо нарисовать их вручную, но лучше использовать какой-нибудь графический редактор, например Paint). Оценить степень совпадения результатов обеих реализаций.

24.  Результаты логико-временного моделирования заданной схемы в пакете PCAD с учётом реальных задержек (распечатка из программы POSTSIM). На ВД показать конкретные задержки и их значения. Включить в командный файл для PC-LOGS «измерительные линейки» и доказать, что измеренные значения задержек соответствуют реальным значениям.

25.  Выводы, содержащие краткую характеристику и сравнительный анализ использованных пакетов моделирования. Личные впечатления. Этому пункту уделить особое внимание (объём не менее одной страницы).

26.  Полный список использованной литературы, включая справочники, описания систем САПР и СМ, Internet-адреса и т. п.

27.  Оглавление с обязательным указанием страниц.

Обратите внимание на качество оформления пояснительной записки и выполнение требований, предъявляемых к подобного рода работам (номера рисунков и таблиц, соответствие ГОСТ и т. п.).

Минимальный объём работы (пункты 1..13), выполненный без штрафуемых ошибок, оценивается в 3,0 балла. Работа, выполненная в большем объёме (пункты 14..17) оценивается в 4,0 балла, в полном объёме – 5,0 баллов.

Названные оценки могут измениться в большую или меньшую сторону в зависимости от штрафов и поощрений, перечисленных в методических указаниях: «Как делать контрольную работу для заочников_2001» (см. doc-файл с тем же именем).

Итоговая оценка определяется полнотой представленного материала, качеством оформления записки и отсутствием ошибок проектирования и оформления.

8.  Литература

1.  , Яковлев систем: Учебник для вузов по спец. «Автоматизированные системы управления». - М.: Высшая школа, 19с.

2.  Норенков в автоматизированное проектирование технических устройств и систем: Учеб. пособие для втузов. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 19с.

3.  Моделирование вычислительных систем / . - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 19с.

4.  , и др. Автоматизация схемотехнического проектирования. Уч. пособие для вузов.; Под ред. . - М.: Радио и связь, 19с.

5.  Логическое моделирование СБИС. Пер. с япон. - М.: Мир, 19с. (под ред. ).

6.  Автоматизированное проектирование цифровых устройств / , , и др.; Под ред. . М.: Радио и связь, 19с.

7.  Разевиг программ P-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ: В 4 выпусках. М.: Радио и связь, 1992.

8.  Разевиг сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. “Солон” Москва, 19с.

9.  Сучков печатных плат в САПР PCAD 4.5:Учебно-методическое пособие. - Обнинск: «Микрос», 19с.

10.  Армстронг Дж. Р. Моделирование цифровых систем на языке VHDL: Пер. с англ./М.: Мир, 19с.

11.  Шалагинов величество PCAD: Учеб. Пособие / Новосиб. гос. техн. ун-т.- Новосибирск, 1994. - Чс.

12.  Шалагинов моделирование в САПР DesignLab 8. Уроки для beginner’a: Учеб. Пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – 87с.

13.  Бибило языка VHDL. «Солон-Р», Москва, 2000. – 200с.

14.  Разевиг проектирования цифровых устройств OrCAD. “Солон”, Москва, 2000. – 160 с.

15.  Поляков VHDL в САПР цифровых систем / Под. Ред. . –М.: Изд-во МЭИ, 1999. –68 с.

Последняя редакция

23.11.2013

Имя файла: Экскурс в дисциплину Моделирование для заочников_2001.doc