ПособиеМПЭВС_ч2

Глава 6

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МПС

6.1 Общие сведения

Опыт организации проектирования и производства новых изделий позволил выработать типовые подходы, которые нашли отражение в нормативных актах производственных предприятий, отраслей, на государственном уровне.

Важность применения типовых подходов в подготовке, согласовании и выполнении работ по проектированию новой техники, по запуску новых изделий на производство подчеркивается государственным уровнем стандартов в этой сфере. Стандартом ГОСТ 2103–68 установлены стадии разработки проектной и рабочей документации. Проектная документация выполняется на этапах: техническое предложение (П), эскизный проект (Э), технический проект (Т). Последующие стадии относятся к работам, результатом которых является производство опытных образцов, мелких серий, серийного и массового производства с выпуском соответствующей рабочей документации.

Состав работ и отношения участников проекта на стадии «техническое предложение» регламентируются ГОСТ 2118. Аналогично на стадиях эскизного и технического проектов состав работ и отношения участников регламентируются стандартами ГОСТ 2119 и ГОСТ 2120 соответственно.

Этапами подготовки рабочей документации являются:

•опытно-конструкторские работы (О);

•стадия подготовки документации серийного производства (А);

•стадия подготовки документации массового производства (Б).

6.2Уровни представления МПК и МПС

Микропроцессорные контроллеры и системы в процессе проектирования и постановки на производство представляются концептуальными уровнями: абстрактного объекта, структуры, программ управления, схемной организации, конструк-

162	Глава 6. Основы проектирования МПС

тивного исполнения, технологического обеспечения и эксплуатационного сопровождения.

Каждый из названных уровней содержит информацию, соответствующую уровню, и определяет ограничения для более низких уровней.

Как абстрактные объекты, МПК и МПС представляются спецификациями внешних показателей и параметров, определяющих назначение, область применения, показатели внешних ресурсов по назначению.

На структурном уровне МПК и МПС представляются средствами внешнего взаимодействия с определением функций отдельных объектов, информационными потоками, средствами процессорного управления, режимами и алгоритмами взаимодействия с окружением, временными циклами, распределением аппаратнопрограммного ресурса.

На программном уровне МПК и МПС представляются языковой средой проектирования программных приложений, укрупнёнными и частными процедурами, согласованными со структурой устройств. На этом уровне МПС интерпретируется как последовательность блоков алгоритмов, процедур, соответствующих уровню представления структур данных.

На уровне функциональных схем МПК и МПС представляются функциональными схемами, состояниями их объектов на уровне регистровых пересылок, специализированных средств и портов. Состояния объектов представляются сигнальными описаниями. На уровне регистровых пересылок применяется представление состояний МПС через операции с регистрами и переключателями информационных потоков. Состояния включают две части: информационную и управляющую. Информационная часть образуется составом регистров, коммутаторов, каналов передачи данных. Управляющая часть определяет сигналы и состояния, инициирующие пересылку данных между регистрами, и операции (записать, читать, сбросить, установить, увеличить/уменьшить на единицу, сдвинуть влево/вправо и т. д).

На уровне принципиальных сxем МПК и МПС представляются распределением по конструктивных единицам с соединением реальных функциональных элементов, узлов, модулей, применяемых для материализации системы. На принципиальном уровне решаются вопросы соединений, подключений, согласования временных циклов и диаграмм. Показателями поведения МПС на этом уровне служат логические состояния, согласованные напряжения и токи, представляемые в функции времени или частоты.

На конструктивном, технологическом, эксплуатационном уровнях обеспечиваются компоновочные документы, документы деталей, документы сборки, соответствие массогабаритных показателей, технологии производства и облуживания требованиям условий эксплуатации, надёжности функционирования, удобства и доступности обслуживания.

6.3 Состав и регламент процесса проектирования МП-средств

Процесс проектирования МПС может видоизменяться в зависимости от требований, предъявляемых к системам. Концептуальное представление определяет

6.4 Отладка и диагностика аппаратных средств

163

типовую последовательность работ по формализации требований, по проектированию структуры и архитектуры системы, по проектированию и изготовлению аппаратных средств, по проектированию программного обеспечения. В процессе работ выполняется производство частей и изделия в целом. Подготовка программного обеспечения МПК и МПС выполняется параллельно с работами по проектированию и производству аппаратуры. Завершением работ по этапам являются протокольные испытания разных уровней, а итоговыми являются приёмо-сдаточные испытания изделия заказчику. На этапах проектирования могут быть допущены нарушения, приводящие к неисправностям и несоответствию функционирования частей и системы в целом. В процессе выполнения работ факторы, порождающие отклонения, должны находиться под контролем исполнителей проекта для преодоления. Процесс проектирования и отработки решений по природе является итерационным. Неисправности и отклонения, обнаруженные на приемосдаточных испытаниях, сопровождаются коррекцией спецификаций и повтором ряда выполненных работ. Корректность проекта должна контролироваться на каждом этапе разработки. Методами контроля правильности проектных решений являются формальные методы доказательства через верификацию, моделирование, тестирование.

6.4 Отладка и диагностика аппаратных средств

Объектами отладки являются сборочные единицы, приборы, комплексы и программы. Отладка — процесс обнаружения ошибок и определения источников их появления по результатам тестирования МПС. Под отладкой понимается проверка работоспособности объектов МПС на проектных режимах работы. На локализацию неисправности, вызывающей ошибки функционирования, направлен процесс

диагностики.

Диагностика неисправности — процесс определения причины появления ошибки по результатам тестирования.

При испытаниях аппаратуры в процессе эксплуатации для оперативного восстановления МПС необходимо определить неисправный сменный модуль. В производственных условиях диагностика неисправности может осуществляться до уровня заменяемого элемента с учётом затрат по производству. В лабораторных условиях важно определять природу неисправности (физического или субъективного происхождения). В случае возникновения и проявления физического дефекта требуется локализовать место неисправности до заменяемого элемента, а при проявлении субъективной неисправности — с точностью до места и уровня проявления (логики организации, схемы построения, программы управления и обработки и т. д.), на котором была внесена неисправность.

Процесс диагностики МПС по ряду дефектов и соответственно неисправностей компонент может быть поддержан техническими ресурсами самовосстановления самой МПС, а при невозможности осуществления предполагает участие человека.

6.5 Доступность диагностического контроля

Пригодность проектируемой МПС контролю тестированием и диагностикой определяется свойствами управляемости, наблюдаемости, предсказуемости.

164	Глава 6. Основы проектирования МПС

Управляемость — свойство, при котором поведение системы поддается управлению в части возможности остановки функционирования в определенном состоянии и последующего её запуска.

Предсказуемость — свойство, позволяющее установить систему в состояние, из которого все последующие состояния могут быть предсказаны.

Наблюдаемость — свойство, позволяющее проследить за поведением системы сменой её внутренних состояний.

6.6 Функции средств отладки

Сроки и качество отладки системы зависят от состава и ресурсов средств отладки. При тестировании и отладке аппаратуры требуются приборы, способные выполнять:

•функции измерителей напряжений и токов;

•функции отображения состояний и формы сигнала;

•функции генерации импульсных сигналов определенной формы;

•функции источников управляемых последовательностей импульсов на параллельных выходах с заданной временной диаграммой;

•собирать импульсные последовательности сигналов на параллельных линиях в течение промежутка времени по заданным условиям;

•обрабатывать и отображать результаты выдач и приёма последовательностей импульсов в виде временных диаграмм или таблиц состояний.

Встроенные МПК и МПС средств диагностики устройств и приборов могут быть успешно применяемыми при отсутствии неисправностей в контуре «процессор — магистрали — память». Если неисправность в контуре присутствует, то отладка и диагностика могут быть реализованы сторонними средствами: специализированным внешним контроллером и функциональными приборами отладки с участием специалиста по отладке. Для успешности этой работы активное устройство неисправного программно-аппаратного контура (микропроцессор) должно быть заблокировано, если это возможно, или физически должно быть удалено из контура.

Доступность контроля обеспечивается удовлетворением свойств системы по п. 6.5.

6.7 Отладка аппаратных и программных МП-средств

Отладка аппаратуры и программного обеспечения (ПО) МПК и МПС, как и проектирование и исполнение их, выполняются параллельно. Однако отладка программного обеспечения до изготовления аппаратуры выполняется на сторонних инструментальных средствах. Здесь могут быть применены инструментальные комплексы с системой команд и синхронизаций процессов, подобных МП целевого МПК, но часто это моделирующие комплексы. Конструкции и состав средств инструментального комплекса обычно отличны от целевого. Процесс производства МПК и МПС предусматривает этап загрузки ПО в ПЗУ целевого комплекса.

6.7 Отладка аппаратных и программных МП-средств

165

Для этого, вследствие различия режимов записи и считывания ПЗУ, применяются специализированные средства загрузки — программаторы. Загрузка ПО в ПЗУ после трансляции в машинный код выполняется параллельным или последовательным форматом доставки. Формат доставки ПО в современных ОМЭВМ преимущественно обеспечен встроенным техническим ресурсом в последовательном формате. Совмещение ПО, исполненного на инструментальном комплексе, с оборудованием целевого комплекса соответствует этапу комплексной отладки МПК или МПС. Здесь могут проявляться неисправности несоответствия и ошибок проекта. Они подлежат выявлению, локализации и устранению. В последовательности работ по комплексной отладке при обнаружении отказа следует принять меры контроля соответствия системы питания. При выключенном статическом и динамическом электропитании следует провести визуальный осмотр и верификацию по внешнему виду. По результатам выполняется контроль электрических показателей системы питания. Для контроля источников статического и динамического питания требуются аналоговые тестеры, осциллографы, частотомеры.

Вследствие замкнутости контура «процессор — программа — память» вариантом войти или выйти из этого контура являются порты ввода и вывода. В случае неисправностей портов утрачивается возможность контроля состояния контура компонент «процессор — программа — память», а в случае неисправности компонент контура становится невозможным контроль его состояния и через исправные порты системы. Отсюда следует целесообразность и необходимость разрыва контура «процессор — программа — память» и имитации сигнальных потоков процессора в направлении памяти и портов. Для этих целей необходимым является выбор конструкции установочного места процессора, с которого процессор может быть удалён (установка МП и, возможно, памяти, в розетки (слоты)).

Для тестирования соединений слота МП с памятью и портами могут быть применены логические анализаторы, генераторы слов, пульты, комплексы диагностирования. Логические анализаторы (в отличие от осциллографа) позволяют производить:

•одновременные измерения по множеству каналов (не меньше восьми);

•синхронизацию непериодическим сигналом, который формируется при выполнении некоторого условия (кода данных, кода адреса).

Логический анализатор запоминает временные диаграммы за определенный период времени после запуска в памяти, что позволяет осуществить затем их просмотр на экране монитора (как в осциллографе). Проблемой является выбор способа подключения и выбор теста.

Радикально решается проблема диагностики МПК и МПС применением ап- паратно-программного внутрисхемного эмулятора, который имитирует машинные циклы МП целевого МПК или МПС собственной программой. Выполняя программу, эмулятор выполняет команды МП, его машинные циклы и обеспечивает при этом такие свойства, как:

•имитацию реакции на заданный набор команд, что упрощает трассировку программ;

•возможность останова программы после каждого машинного такта, после каждого машинного цикла, по коду адреса, по коду данных и запуска программ по выбору, что существенно упрощает отладку;

166	Глава 6. Основы проектирования МПС

• отображает процесс отладки.

Конструктивно внутрисхемный эмулятор представляет собой моноблок, подключаемый через слот процессора целевой МПС для управления процессом выполнения программы и анализа результатов выполнения программы. Для обратной связи по направленным тестирующим воздействиям эмулятора удобно применять опрашиваемые логические пробники и сигнатурные анализаторы.

При исправных соединениях коммутации потоков адресов, данных управления тестируются память и порты МПС. Если конструкция МПС допускает, то её память может тестироваться вне целевой системы. В противном случае лучшим вариантом является тестирование в составе МПС ресурсами внутрисхемной эмуляции. Тестирование памяти может осуществляется методом сравнения контрольных сумм программ, записанных в памяти, на соответствие их спецификации.

Ресурс внутрисхемного эмулятора соответствует контролю портов ввода. Проверка работы портов ввода/вывода осуществляется сравнением кодов записанного в порт вывода и считанного из порта ввода. Контроль портов вывода дополнительно требует включения сигнализаторов состояния выходов порта (двоичные индикаторы, логические пробники).

Дальнейшее тестирование МПС проводится после возврата МП в слот целевого МПК или МПС и инициирования выполнения диагностических тестов. Диагностические тесты могут размещаться как в основной памяти целевой МПС, так и в специализированной памяти, устанавливаемой в МПС исключительно для тестирования (для этого может предусматриваться розетка для установки тестовой памяти). По смене состояний портов и формированию этапных результатов функционирования проверяется отсутствие неисправностей и ошибок в работе компонентов МПС. Успешное исполнение тестов позволяет сделать заключение об исправности аппаратного состава МПС как автономного объекта.

Целевая МПС может быть составной частью иерархической системы, и следующим этапом её жизненного цикла будет включение в состав комплекса выполнение работ по отладке аппаратных и программных средств МПС в составе комплекса. Комплексная отладка завершается приемосдаточными испытаниями на соответствие спроектированной системы техническому заданию.

6.8 Интегрированные средства проектирования и отладки МПС

Производством и распространением микропроцессорных средств занято множество фирм, сопровождающих свою продукцию программными средствами поддержки проектов потребителей в виде интегрированных сред разработки проектов (IDE — Integrated Development Environment) автоматизации проектирования МП контроллеров. Известность получили интегрированные среды Avsim85 (фирмы Avoset System Inc.), Keil mVision (фирмы Keil Software), Avr Studio (фирмы Atmel),

Code Composer Studio (фирмы Texas Instrument) и др. Инструментальные средства IDE позволяют:

•редактировать исходные тексты;

•ассемблировать, компилировать исходный текст;

6.9 Тенденции развития аппаратного обеспечения ЭВС, МК, МПС

167

•отлаживать логику работы, наблюдая с помощью программного симулятора или в реальном времени (при наличии внутрисхемного эмулятора);

•просматривать и редактировать программы;

•программировать кристаллы с помощью программаторов.

Характерными чертами таких комплексов являются:

•модульная организация программных и аппаратных средств поддержки новых проектов;

•поддержка программирования и трансляции программ на алгоритмических и машинно-ориентированных языках;

•поддержка программирования и отладки программного обеспечения целевых МПС для подмножеств микропроцессоров, поставляемых на рынок специализированными фирмами;

•широкий спектр сервисных программно-аппаратных средств и услуг по поддержке применения микропроцессоров и программных продуктов.

6.9Тенденции развития аппаратного обеспечения ЭВС, МК, МПС

Степень интеграции аппаратных средств МП, МПК, МПС неуклонно повышается. Достижения в развитии технических средств памяти, средств вычислителей и операционных устройств, средств передачи данных по последовательным каналам, повышении ресурсов специализированных устройств контроля интервалов времени, аналоговых преобразователей и измерителей, регуляторов позволили интегрировать их на кристаллах совместно с процессорным устройством (ядром). Эти достижения отражаются на изменении технических ресурсов для командного управления процессами. Управление интегрированными функциональными устройствами приходит на смену разветвлённым алгоритмам регистровых пересылок, хотя составляющая регистровых пересылок и коммутаций в меньшем объёме остаётся как необходимая. Число внешних команд управления интегрированными функциональными устройствами потенциально сокращается и реализуется на микропрограммном уровне. Программное управление функционально интегрированными устройствами повышает иерархический уровень языка программирования. Язык программирования интегрированных устройств повышается до уровня функционального и прикладного, как это позиционировано в таблице 1.1. Так, язык программирования VHDL (Very high speed intergrated circuit hardware language) [11] предложен для формального описания и выполнения операций со структурными модулями логических функциональных устройств на всех этапах разработки электронных систем. Аббревиатура VHDL соответствует языку программирования высокоскоростных интегрированных схем уровня регистров, счётчиков преобразователей, коммутаторов, шин, сигналов и прочих устройств, определяемых их исходным описанием.

168	Глава 6. Основы проектирования МПС

6.10 Контрольные вопросы по главе 6

1)Какие стадии разработки проектов определены стандартами ЕСКД?

2)Какие уровни представления МПК и МПС соответствуют этапам их жизненного цикла?

3)Какие сущности определяют понятия «отладка» и «диагностика»?

4)Какие направления диагностики могут применяться в устройствах с МПК?

5)Какими свойствами характеризуется диагностическая обеспеченность?

6)Какие функции должны выполнять средства отладки устройств с МПК?

7)Какая технология применения соответствует внутрисхемной эмуляции?

8)Какие этапы проектирования МПК и МПС поддерживают средства IDE?

9)Для чего в производстве МПК и МПС применяются программаторы?

10)Что есть этап комплексной отладки и какие задачи решаются на нём?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При подготовке пособия принято решение сосредоточить внимание на типовых решениях, положенных в основу построения технических средств микропроцессорной техники, которые во многом сохранили преемственность классических схем своих прародителей неймановского и гарвардского направлений. В связи с этим, учитывая ограниченный объём пособия и по составу, и по форме представления текстового материала (с учётом шрифта и междустрочных интервалов), в основной текст пособия включены вопросы мотивации технических решений по организации устройства управления, преобразования данных, доставки сообщений процессорных средств. На примере МП с шинной организацией взаимодействия с окружением рассмотрены вопросы организации поддержки режимов обмена и передачи данных и построения МПК и МПС. Рассмотрены средства параллельной

ипоследовательной передачи данных, средства поддержки и наращивания ресурсов работы по прерываниям и в прямом доступе. Как вариант развития рассмотрен пример организации МПК, МПС без прямого выхода шин к окружению. Рассмотрены вопросы организации периферийных устройств оперативного и автоматического вводавывода данных, для которых МПК и МПС могут быть и встроенными,

ивыступать в роли передаточного звена, и могут находиться на верхнем эшелоне средств управления. Вследствие ограничения объёма пособия часть материала пособия вынесена в электронные приложения к пособию. Обращение к приложениям может потребоваться при решении практических задач подготовки контрольных работ, подготовки ответов на вопросы контроля усвоения материала, подготовки к экзамену по дисциплине. Место приложений в процессе изучения дисциплины определено в пособии.

Программное обеспечение микропроцессорных средств можно разделить на две части. Одна из частей должна обеспечивать отладку и диагностику «железа» МПК и МПС, а другая призвана решать прикладные задачи на нормально функционирующем «железе». Для отладки и диагностики аппаратных средств наиболее адекватным представляется машинный язык описания управляющих тестов или язык ассемблера, чтобы «не стрелять из пушки по воробьям». Сведения по системам команд процессоров с открытой шинной архитектурой и ОМЭВМ приведены в материалах пособия и приложениях к пособию. Прикладные задачи по назначению МПК и МПС представляются набором программ, процедур, макросов, для подготовки и отладки которых требуются алгоритмические, возможно,

170	Заключение

и объектно-ориентированные языки высокого уровня. Для их применения необходимым являются знание атрибутов программных моделей компонентов состава МПК и МПС и умение программирования на языках высокого уровня. Материал по программным моделям компонент МПК и МПС в пособии представлен на примерах. Систематическое изучение алгоритмических языков программирования выходит за рамки настоящего пособия и является предметом изучения дисциплин «Информатика», «Информационные технологии».

Современные технологии позволили совместить на одном кристалле и цифровые, и аналоговые устройства, и память, с разнообразием форм хранения и энергетической зависимости, и разнообразные электронные узлы традиционных периферийных средств. Этому способствовали и значительные достижения в области технологии корпусной защиты кристаллов. Несмотря на доступность конструкций корпусов для передачи данных параллельным форматом, распространённым решением взаимодействия модульных структур МПК и МПС стали модификации последовательного обмена данными, которые рассмотрены в материалах пособия. Совместимые с микроэлектронным исполнением конструкции средств гальванической развязки дополнительно расширили возможности последовательной межмодульной передачи данных. В современных МП применяются решения, которые, не отличаясь оригинальностью в отдельности, соответствуют оригинальным системным устройствам при объединении.