Технологии проектирования ИСПС

· Курс «Информационные технологии

· в проектировании ЭВС»

· Лекция №8

· «Технологии проектирования ИСПС»

8.1. Основы технологии проектирования ИСПС

Задача данного курса — помочь в освоении современных подходов к проек­тированию систем, ориентированных на широкое использование в них но­вой элементной базы — микросхем с программируемой структурой (ИСПС) и их наиболее ярких представителей — конфигурируемых систем на кри­сталле (SOPC).

Краеугольными составляющими любого проектирования являются:

– элементы, из которых строится проектируемый объект;

Рекомендуемые материалы

– инструментарий, при помощи которого выполняются отдельные этапы изготовления документации и собственно результирующего объекта;

– методика применения инструментария для получения конечных резуль­татов;

– абстракции (определения, понятия и т. д.), вводимые для упрощения описания процесса проектирования.

Строительными "кирпичиками" интересующих нас систем являются элементы с конфигурируемой структурой (по сути, представляющие собой конфигурируемую аппаратуру, для которой в английской терминологии обычно используется термин Hardware, HW) и программи­руемым поведением (в основе которого лежит программное обеспечение, в английской терминологии Software, SW). Термины HW и SW, благодаря своей краткости (при сохранении однозначности трактовки), получили ши­рокое распространение в отечественной литературе и будут применяться в исследующих разделах. Основными абстрактными понятиями, которыми приходится пользоваться в процессе проектирования, являются языки описания аппаратуры (VHDL, Verilog) и средства описания программной части проектируемых систем (универсальные языки программирования), которые достаточно подробно разобраны в существующей литературе. Инструментарий проектирования и методика его использования составляют содержание данной главы. Основным инструментом проектирования для рассматриваемой прикладной области (проектирование на основе ИСПС является программное обеспечение ЭВМ, в комплексе образующее системы автоматического проектирования, САПР. Наиболее значимым для проектирования на основе ИСПС (и отличающим его от многих других) является не столько резкое увеличение возможностей, предоставляемых современными САПР, сколько взаимопроникновение и взаимное влияние составляющих процесса проектирования.

Стремительное увеличение степени интеграции современной элементной базы и постоянное улучшение характеристик ЭВМ (не в последнюю очередь благодаря этой элементной базе) вызывает адекватное наращивание как количественных, так и качественных возможностей САПР, т. е. инструментария проектирования. Динамика изменения возможностей САПР предопределяет изменение методологии их применения и все большую интеграцию в рамках одной САПР смешанных методик и объектов проектирования. Темпы изменений всех составляющих процесса проектирования электронных систем заставляют периодически пересматривать и переосмысливать различные аспекты проектирования. Материал данной главы посвящен рассмотрению возможностей и особенностей использования современных методик проектирования цифровых устройств с ориентацией на существующие САПР.

В области структурной организации схем с программируемой структурой и средств их проектирования состояние весьма подвижно. Если базовые архитектурные и структурные решения для схем ПЛИС в значительной мере уже определились и перешли в стадию простого наращивания количественных характеристик, то для схем SOPC архитектурные и структурные решения еще только развиваются. О степени подвижности этого аспекта проектирования говорит тот факт, что новые семейства БИС ПЛИС появ­ляются с частотой приблизительно раз в два года, а принципиально новые архитектурные решения появляются не чаще чем раз в пять лет.

Что касается инструментария проектирования — САПР и самой методики проектирования, то эта составляющая в настоящий момент находится в со­стоянии стремительного нарастания своей интеллектуализации, предостав­ляемых средств и возможностей автоматизации. Подтверждением интенсив­ности изменений в методике проектирования является тот факт, что новые версии САПР поставляются фирмами с частотой раз в квартал. Вместе с тем, в отечественной литературе вопросам создания и даже выбора совре­менных средств проектирования (если не считать переводов или переложе­ний фирменных руководств по использованию САПР) уделяется явно недостаточное внимание. Последние издания отечественной литературы по этому направлению [1, 2] вышли более 10 лет назад.

8.2. Общие сведения о процессе проектирования

Проектирование — комплекс работ, целью которого является получение тех­нической документации, позволяющей реализовать или изготовить новый или модернизируемый объект с заданными свойствами и с заданным функ­ционированием в заданных условиях. В общем случае, объектами проекти­рования могут быть изделия (например, мобильный телефон, ЭВМ, сти­ральная машина) или процессы (например, технологические, вычислитель­ные). Сущность процесса проектирования изложена в работах [3, 4]. В контексте рассматриваемой проблематики нас интересуют процессы, свя­занные с созданием электронных систем.

Стратегия проектирования — функциональная декомпозиция. Для системы в целом и ее блоков используется концепция "черного ящика". Для "черного ящика" разрабатывается функциональная спецификация, включающая внеш­нее описание блока (входы и выходы) и внутреннее описание — функцию или алгоритм работы: F= Ф(Х, t), где X— вектор входных величин, F — вектор выходных величин, t — время. При декомпозиции функция Ф разби­вается на более простые функции Ф₁ – Ф_к, между которыми должны быть установлены определенные связи, соответствующие принятому алгоритму реализации функции Ф. В результате разбиения, в конечном счете, получа­ется структура. Переход от функции к структуре — синтез.

Синтез неоднозначен. Выбор наилучшего варианта осуществляется по ре­зультатам анализа, когда проверяется правильность работы и некоторые по­казатели, характеризующие устройство. Процедуры синтеза и анализа по­стоянно чередуются.

Декомпозиция функций блоков выполняется до тех пор, пока не получатся типовые функции, каждая из которых может быть реализована на элементах выбранного уровня иерархии.

Процесс проектирования — многоуровневый, многошаговый и итерацион­ный, с возвратами назад и пересмотром ранее принятых решений. Комплекс проектных работ, как правило, включает в себя теоретические и экспери­ментальные исследования, расчеты и конструирование.

Различие теоретической базы и понятийного аппарата, используемых на разных стадиях проектирования, приводит к тому, что традиционным явля­ется разбиение процесса проектирования как электронных систем, так и БИС/СБИС, на этапы, приведенные на рис. 2.1.

На этапе системного проектирования определяется архитектура, состав ком­понентов и основные характеристики будущей системы, выбирается эле­ментная база для ее построения. В ходе работ на этом этапе наиболее слож­ным, трудно формализуемым и, следовательно, слабо поддающимся автома­тизации, является, например, принятие решения о разделении функций между программной и аппаратной или между цифровой и аналоговой час­тями системы. Большую роль здесь играют индивидуальные аспекты и опыт разработчика. Весьма сомнительной представляется возможность введения какого-либо обобщенного критерия качества, позволяющего однозначно определить наилучшую архитектуру проектируемой вычислительной системы.

При структурно-алгоритмическом проектировании определяются алгоритмы функционирования аппаратных и программных компонентов системы.

На этапе функционально-логического проектирования разрабатываются функ­циональные и принципиальные электрические схемы, программы, подго­тавливаются тестовые и контрольные данные.

На конструкторском этапе производится привязка элементов проекта к кон­структивным элементам.

Разбиение процесса проектирования на этапы связывают с различием тех­нических средств, как привлекаемых для создания проекта в роли инстру­ментария, так и используемых в качестве компонентов проекта, а также и технологических особенностей реализации конечного продукта. Хотя общая методология процесса проектирования не зависит от варианта разбиения процесса проектирования на отдельные уровни, содержание, а также методы и средства проектирования для различных уровней оказываются очень спе­цифичными и существенно зависят как от типа применяемой элементной базы, так и от способа реализации (изготовления) конечного продукта.

Представленная последовательность действий характерна для всех уровней проектирования. Для каждого уровня декомпозиция заканчивается при по­лучении типовых функций, соответствующих этому уровню иерархии. Так, например, при многоплатной реализации проекта декомпозиция заканчива­ется на верхнем уровне иерархии при представлении проекта в виде отдель­ных плат, на следующем уровне — в виде отдельной платы (типового эле­мента замены), еще ниже декомпозиция осуществляется до реализации функций при помощи той или иной микросхемы. При ориентации на про­граммируемые (разрабатываемые) пользователем микросхемы процедура де­композиции осуществляется уже для этой микросхемы в соответствии с со­ставом функциональных библиотек программируемых БИС/СБИС.

На любом этапе проектирования может быть выявлена ошибочность или не оптимальность выбранного ранее варианта реализации или принятого ре­шения. Такая ситуация требует оценки целесообразности возврата и пере­смотра решений. С учетом возможностей современных САПР проектирова­ние может считаться законченным после верификации проекта в целом, когда завершена отладка готового изделия.

Последовательная декомпозиция проекта на отдельные фрагменты (с опре­делением функций каждого фрагмента и его интерфейса) характерна для любого этапа проектирования и применяется при разработке широкого спектра цифровых устройств, начиная от устройства целиком и кончая про­ектированием отдельных БИС/СБИС. Такая методология проектирования отображает процесс проектирования "сверху вниз": от технического задания до электрических схем, файлов прошивки ПЗУ и конфигурации программи­руемых приборов, а также конструкции устройства в целом.

Другая последовательность, соответствующая методологии "снизу вверх", преду­сматривает объединение простейших модулей в более сложную структуру до тех пор, пока, в конце концов, не будет создан конечный проект. Исходные модули — это решения, созданные проектировщиком на более ранних эта­пах работы или в ходе работ над другими проектами, или доступные проек­тировщику и входящие в состав имеющихся библиотек САПР.

8.3. Факторы, влияющие на методику проектирования электронных устройств

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - Часть 1.

Первым фактором, влияющим на специфику проектирования и, как следст­вие, на возможные САПР, является тип обрабатываемой информации и свя­занные с ним методы и способы ее обработки. Проект или его отдельные фрагменты могут включать аналоговые, аналого-цифровые и/или цифроаналоговые элементы, строиться на основе дискретных (цифровых) компонен­тов или опираться на встроенные микропроцессорные средства. Отсюда следует многообразие вариантов проектирования, которые в современных технологиях часто называют потоком проектирования (Design Flow). Поток проектирования при этом определяется тем, какие компоненты превалиру­ют в проекте.

Следующим определяющим фактором является выбор технической базы для реализации фрагментов проекта, а также технологического способа реализации самого проекта. Как правило, одно и то же электронное изделие может быть реализовано различными способами. Здесь должен быть дан ответ на во­прос — будет ли проект построен на стандартных микросхемах, будут ли использоваться те или иные специализированные ИС или комбинация раз­личных типов ИС. Более того, в разные моменты жизненного цикла проекта в зависимости от тиражности изделия в составе проекта могут меняться ис­пользуемые типы ИС.

В наибольшей степени появление и широкое распространение БИС с про­граммируемой структурой и конфигурируемых систем на кристалле повлия­ло на два соседних иерархических уровня проектирования: проектирование собственно ИС с программируемой структурой (ИСПС) и проектирование печатных плат, содержащих такие БИС.

Хотя во многих чертах проектирование для этих двух уровней близко, спе­цифика проектирования и, соответственно, применяемые САПР заставляют рассматривать их, в зависимости от анализируемой проблемы, раздельно или последовательно.

Дополнительная литература к лекции

1. Автоматизированное проектирование цифровых устройств / С.С. Бадулин, Ю.М. Банаулов, В.А. Бердышев и др.; Под ред. С.С. Бадулина. – М.: Радио и связь. 1981. – 240 с.
2. Автоматизация проектирования БИС. В 6 кн.: Практ. пособие. / Под ред. Казеннова. – М.: Высш.шк., 1990.
3. Грушин С.И., Душутин И.Д., Мелехин В.Ф. Проектирование аппаратных средств микропроцессорных систем: Учеб. Пособие. – Л.:ЛПИ им. Калинина, 1990. – 78 с.
4. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учеб. Для втузов. – М.: Высш. шк., 1990. – 335 с.