Подходы к проектированию МП-систем

Рекомендации и советы по проектированию МП-систем можно обнаружить в различных литературных источниках, например [3, 9, 4]. При этом возможны разные подходы. В [3] описывается возможность применения формализованных процедур синтеза автомата к проектированию схем алгоритмов для реализации их МП-системой, приводится пример проектирования на основе такого подхода.

Заслуживает внимания подход, который можно назвать методом нисходящего проектирования. Достаточно обстоятельное его освещение дано в [9]. Основной принцип — движение от постановки задачи к уяснению функций проектируемой системы, далее — к выделению функциональных модулей системы четким описанием их входов, выходов и функций, далее - к выбору способа реализации (аппаратного или программного) тех или иных модулей Затем идет проектирование аппаратных модулей и их схемотехническая реализация с использованием стандартных БИС, входящих в выбранный микропроцессорный комплект. Параллельно проектируются программно реализуемые модули системы. Осуществляется разработка укрупненной схемы алгоритма, разбиение ее на множество частных процедур, затем реализация их на языке ассемблера заданного МП. Кроме того, в [9] уделено внимание выбору соотношения между аппаратными и программными средствами МПС, приведен ряд примеров проектирования системы.

В [14] предлагается для успешного проектирования МПС пройти несколько уровней решения задачи проектировании. Выделим следующие уровни.

0-й уровень. Уяснение задачи до получения ясного ответа на вопрос

Что требуется от системы?

1-й уровень ("уровень концепций").

Определение того, что делать должна МП-система, т.е. представление действий системы в виде цепочки (цепочек) очень укрупненных блоков.

2-й уровень (алгоритмический).

Решается вопрос, как делать (максимально подробно)

Цель уровня - раскрыть содержимое блоков в схеме действий уровня концепций.

3-й уровень (командный).

Решается вопрос, какими командами, регистрами, портами реализуются шаги алгоритма из 2-го уровня.

Замечание 1. Ни 1-й, ни 2-й уровни не требуют еще привязки к конкретному процессору (дня этих уровней все МП как будто одинаковы). После успешной проработки и решений вопросов на уровнях 0...2 проектирования, можно осуществлять привязку к конкретному МП. Система команд и архитектура заданного или выбранного МП являются основой для перехода от алгоритмического уровня к более низкому уровню.

Замечание 2. Начиная с нулевого уровня, общая линия разработки МПС, описываемая выше, отражала пока только аспект проектирования программного обеспечения МПС. Поэтому подчеркнем здесь в явном виде и необходимость учета аппаратного аспекта в проектировании. А именно, вместе с выбором МП следует определить и другие аппаратные средства, в том числе для организации обмена с устройствами ввода-вывода. Значит, надо выбрать конкретные (типовые или специальные) варианты схемотехнических решений по подключению УВВ к ядру МП-системы.

После прохождения проектирования через уровни 0...3, с учетом замечаний 1 и 2. основная часть вопросов проектирования решена. Далее следует убедиться в правильности решений, в частности непротиворечивости программных средств и их аппаратного обеспечения. Полезно убедиться в правильности функционирования системы по проекту, ставя себя на место пользователя и проигрывая всевозможные режимы эксплуатации системы.

Несколько пояснений относительно содержания уровней проектирования.

Первое. На нулевом уровне нужно разобраться с физическими процессами в автоматизируемом процессе (объекте), выявить причинно-следственные связи его параметров и признаков, установить имеющиеся потоки информации. Выявить, какие из признаков должны быть входными, какие - выходными для разрабатываемой МП-системы, какие ПУ нужны для их ввода-вывода, какие временные соотношения в объекте являются существенными для учета в МП-системе. Требуется выяснить, какие виды преобразования информации надлежит осуществлять в системе. Определить, какими должны быть реакции МПС на внешние события (в объекте или со стороны пользователя, и т.д.). При необходимости надо определить требования по устранению возможных противоречивых и неопределенных ситуаций.

Второе. На уровне концепций (l-й уровень) следует построить блок-схему, только показывающую очередность или порядок действий системы по обслуживанию сигналов от объекта или внешней среды. Блоки на этом уровне изображают действие, могущее включать множество более мелких. На этом уровне не следует заботиться о содержании конкретной реализации этих блоков. Важно выстроить очередность обслуживания ПУ и вычислений, в крупном масштабе.

Проиллюстрируем это двумя примерами блок-схем на уровне концепций.

Пример 1. Работа с объектами в режиме циклического обслуживания.

Функции блоков:

1 Инициализировать систему при включении питания (либо при начальном пуске).

2 Проверить УВВ №1 и, если необходимо, обменяться с ним.

3 То же для УВВ №N

4 Прочитать состояние всех управляющих переключателей и произвести вычисление, если необходимо.

5 Вычислить новые значения управлявших воздействий и передать их на выходные линии системы.

6 Произвести регенерацию очередной цифры 10-разрядного семисегментного дисплея.

7 Ожидать 10 мс.

Каждый блок выполняет вполне определенную функцию. Заметим, кстати, что выполнение этой функции предполагает наличие как программной процедуры, так и аппаратных средств, обеспечивающих ее исполнение (в том числе набора ПУ и схем их подключения к МПС). Но на данном этапе это не важно, а пригодится при переходе от уровня 2 к уровню 3.

Пример 2. Работа с объектами в режиме прерывания.

Функции блоков:

1 Инициализация системы при включении напряжения питания (или инициализация при сигнале кнопки " Начальный пуск").

2 Циклическая регенерация всех цифр светодиодного семисегментного дисплея в период ожидания прерывания.

3 Переходпо получении сигнала прерывания кподпрограмме обслуживания соответствующего УВВ.

4 Ввод данных с ПУ №1.

5 Ввод данных с ПУ №2.

6 Ввод данных с ПУ № N

7 Вычисление текущего результата и выдача управляющих значений на выход системы.

8 Перекодировка результата для выдачи на дисплей.

Если в примере 1 МПС использует метод программного последовательного опроса (поллинга) внешних источников информации, то в примере 2 предусмотрена реализация работы с ПУ ввода по их сигналам прерываний, а с дисплеем (ПУ вывода) в режиме циклического обслуживания (регенерации и вывода данных). Здесь, после включения питания и приведения МПС а исходное состояние (автоматически или с участием пользователя), МП зацикливается на выполнении блока 2 и периодически подсвечивает цифры светодиодного дисплея, так что человеческий глаз в силу инерции зрения не замечает их мерцания.

3.3 Этапы и примерный график работы над курсовым проектом

Для лучшей организации самостоятельной работы студентов над проектом можно рекомендовать примерную последовательность выполнения работ, приведенную ниже.

Общие требования коформлению пояснительной записки соответствуют действующему стандарту на оформление отчетов по научно-исследовательским работам.

СТРУКТУРА И ОФОРМЛЕНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

4.1 Общие требования

Результаты выполнения курсового проекта оформляются каждым студентом в виде пояснительной записки и графических демонстрационных материалов для защиты.

Графическая часть выполняется на 3 листах формата А3 при помощи специализированного графического редактора (КОМПАС, AutoCAD, Microsoft Visio и пр.) и отражает, как правило, следующие стороны проекта:

1. Содержательную постановку задачи (сведения об объекте управления или контроля, о назначении проектируемой системы, с указанием источников входной и потребителей выходной информации, точек съема и требуемых форм представления данных, требуемого набора периферийных устройств для МПС) и блочную структуру разрабатываемой системы.

2. Блок-схему алгоритма решения задачи, реализуемого разрабатываемой системой.

3. Схему принципиальную, изображающую состав и структуру аппаратного обеспечения разрабатываемой МП-системы: порядок соединения БИС и других компонент разработанной МПС, аппаратные средства сопряжения устройств ввода-вывода с ядром МПС.

Пояснительная записка к курсовому проекту должна содержать:

- титульный лист типовой формы (см. приложение Б), который может быть совмещен с обложкой;

- индивидуальное задание (форма типовая, согласно приложению В);

- реферат;

- содержание;

- введение;

- основную часть;

- заключение;

- список источников;

- приложения.

Общие требования к оформлению пояснительной записки соответствуют действующему стандарту на оформление отчетов по научно-исследовательским работам.

Реферат включает:

- сведения об объеме пояснительной записки, количестве иллюстраций, таблиц, использованных литературных источников;

- перечень ключевых слов (от 5 до 15 слов);

- текст реферата (рекомендуемый объем до 1000 знаков).

Содержание должно отражать структуру пояснительной записки (разделы и подразделы) с указанием номеров страниц.

Введение должно кратко определить область, к которой относится объект (процесс), рассматриваемый в задаче, современное состояние и актуальность решаемой задачи проектирования МПС для автоматизации управления объектом или контроля данного объекта.

Заключение должно содержать:

- оценку основных эксплуатационных характеристик разработанной системы;

- выводы об эффективности реализации аппаратных и программных средств системы;

- предложения по возможному использованию результатов проекта;

- предложения по совершенствованию содержания курсового проектирования.

Список источников оформляется согласно действующему стандарту. Требуется включить в него данные об учебной, справочной литературе, материалах в периодической печати и других источниках, использованных при работе над проектом.

Приложения должны содержать материалы, способствующие раскрытию и ясному представлению полученных при проектировании результатов. Это могут быть схемы, рисунки, таблицы, листинги программ и другие материалы.

Основная часть пояснительной записки должна отражать процесс проектирования системы, в частности, принятие решений и выбора варианта реализации тех или иных ее сторон. Могут быть включены, например, такие разделы:

1. Постановка задачи.

2. Выбор периферийных устройств.

3. Выбор стратегии обслуживания устройств ВВ.

4. Учет, специальных требований к режимам работы МПС.

5. Распределение функций между аппаратными и программными средствами МПС.

6. Распределение адресного пространства и портов в МПС.

7. Разработка структурной схемы аппаратных средств МПС.

8. Разработка схемотехнической реализации блоков и аппаратуры МПС в целом.

9. Разработка алгоритмов программных средств МПС.

10. Программная реализация на ассемблере.

11. Составление указаний разработчика для пользователя системой.

4.2 Методические рекомендации по содержанию некоторых разделов

К разделу " Постановка задачи"

Исходя из индивидуального задания, следует явно сформулировать требования пользователя (ТП) к разрабатываемой системе. Сэтой целью необходимо глубоко вникнуть в характер и физический смысл процесса или объекта, подлежащего автоматизации, выявить закономерности и зависимости между различными количественными и качественными признаками, описывающими объект. Следует осознать и описать пространственные и временные взаимосвязи явлений в объекте, которые должны учитываться в разрабатываемой системе управления или контроля.

Далее, проводится анализ объекта и описываются выявленные потоки информации в нем, существенные для управления или контроля. При необходимости следует сделать обоснованные упрощающие предположения и допущения и явно отразить их в данном разделе пояснительной записки. Составляется формальный перечень исходных данных и результирующих (выходных) данных для МПС, подлежащей проектированию. На его основе следует перечислить функции, которые должна будет выполнять система. В итоге получают функциональную спецификацию (Входы, Выходы, Функции) для дальнейшего проектирования.

На основе функциональной спецификации описывается формализованная постановка задачи на разработку системы, соответствующей данной спецификации. При этом часто бывает удобным или необходимым использовать графическую, табличную либо математическую символику.

Следует обдумать и явно сформулировать дополнительные требования к режимам работы и, возможно, особенностям применения разрабатываемой МПС, такие как ограничения на время реакции системы, на объем памяти иди другие аппаратные ресурсы и т.п., если таковые вытекают из требований пользователя или анализа объекта (процесса) автоматизации.

К разделу "Выбор периферийных устройств"

Типы и число ПУ для разрабатываемой МП-системы должны быть адекватны характеру, форме представления и количественным параметрам входных и выходных данных.

В данном разделе следует показать, как из анализа задачи вытекает выбор подходящих устройств ввода информации от объекта или пользователя (ПУ ввода) и устройств выдачи данных из МПС (информации для пользователя или управляющих воздействий на исполнительные механизмы). Освещается выбор типов датчиков, преобразователей (АЦП, ЦАП, комбинационных и измерительных преобразователей, и др.), исполнительных механизмов, а также устройств взаимосвязи человека с МПС.

Так, например, излагаются соображения, определяющие необходимый набор клавиш и тип клавиатуры. Некоторые полезные сведения по этому вопросу можно, в частности, почерпнуть в [2, 3, 6, 11]. Планируется и описывается требуемый (по смыслу задачи) порядок работы пользователя с клавиатурой и иными органами управления, предполагаемый способ получения им выходной информации от МПС (вид индикаторов, табло, сигнальные лампы, дисплей, и форм выдаваемых данных; возможные звуковые сигналы для человека, их длительность, тональность и др. параметры). Следует предложить конкретные типы устройств и схему мест их размещения на объекте. Рекомендуется эту схему повторить и из первом листе графической части.

К разделу "Выбор стратегии обслуживания устройств ВВ"

В данном разделе автору проекта следует ответить на вопросы: как должны будут вводиться или выводиться данные через ПУ? Какой способ обмена МПС с ПУ является наиболее рациональным, исходя из условий задачи, для того или иного УВВ (программный опрос, работа в режиме прерывания или прямой доступ к памяти). Следует пояснить свой выбор, с учетом временных характеристик физических процессов в объекте и требуемого быстродействия ПУ и ядра МПС, а также ограничений на максимально допустимый период обслуживания некоторых конкретных ПУ (например, период циклической подсветки светодиодных семисегментных индикаторов не должен быть слишком большим, чтобы не замечались мерцания цифр).

Составляется обобщенный алгоритм (на уровне концепций, о котором упоминалось в разделе 3.2). Даются комментарии к нему.

На основе сделанного выбора надо описать предварительный план распределения портов для обслуживания ПУ согласно принятой концепции. Тут же намечаются требуемый состав интерфейсных блоков (Стандартных БИС или специально разработанных схем) и способ подключения каждого ПУ к соответствующему блоку (пока только на функциональном уровне, без детальной схемотехнической проработки).

К разделу "Учет специальных требовании к режимам работы МПС".

В этом разделе следует в явной форме указать в каком режиме (режимах) автор предполагает использование разрабатываемой МП-системы. Должна ли разрабатываемая система работать автономно без участия человека (быть необслуживаемой) или ее пуск, останов осуществляет оператор, т.е. она относится к классу обслуживаемых? Какой характер работы должен быть у системы: периодический или разовый (в режиме ожидания сигналов о событиях внешней среды)? Как быстро она должна возвращаться в исходное состояние?

В зависимости от ответов на эти и подобные вопросы в проектируемой МПС требуется предусмотреть те или иные аппаратурные блоки, обеспечивающие начальный пуск (ручной или автоматический), возможность экстренной приостановки или продолжения работы программы, переключение с одной программы на другую, повторный пуск и т.д. Соответственно и в программном обеспечении может потребоваться введение специальных программных модулей, обслуживающих реакция МПС на те или иные сигналы, повторный старт с требуемого адреса, инициализацию системы перед очередным сеансом работы.

После принятия проектных решений на этом этапе полезно сверить их с решениями по стратегии обслуживания УВВ (см. выше): возможно, возникнет необходимость что-то скорректировать, чтобы увязать ихмежду собой. Это также требуется осветить в разделе.

К разделу "Распределение функций между аппаратными и программными средствами".

Некоторые из функций, реализуемые МП-системой. могут выполнять только аппаратные модули, другие — только программные модули. Норяд функций можно реализовать двояко. Например, учет времени может осуществляться аппаратно (схемами "генератор-счетчик", либо БИС таймеров, либо даже механическим устройством "часы" с контактными датчиками). С другой стороны, известны методы формирования и учета времени интервалов чисто программными средствами, с использованием счета числа машинных тактов [3, 4].

Другим примером двояких реализаций функций в MПС являются преобразования кодов (ПК). Самые разные ПК можно выполнить как с помощью чисто аппаратных преобразователей (например, пo схемс «Дешифратор-шифратор»), так и программами [2, 3, 6].

Поэтому еще до построения блочной структуры МПС и блок-схемы алгоритма желательно сделать выбор, определяющий способ реализации подобных функций и, следовательно, необходимостью включения соответствующего блока в аппаратурную или программную чисть системы.

Кразделам "Разработка блочной структуры аппаратных средств МПС" и "Разработка алгоритмов ПО".

Если вы успешно поработали над предыдущими этапами, то у вас, вероятно, уже вырисовалось представление о том, какие ПУ должны быть включены в состав аппаратуры проектируемой МПС, какие интерфейсные блоки нужны для их подключения. Используя справочную литературу, можно уже подобрать подходящие БИС интерфейсов либо запланировать блок интерфейса ввода-вывода для вашей задачи попроще, если это возможно и дешевле. Вы уже можете тогда оценить и количество портов для подключения интерфейсных схем ПУ к МПС.

Выбираете тип МП и других БИС для реализации ядра МПС. Изображаете все модули, включаемые в состав МПС, и структуру шинных связей между ними в общем виде. Из этого эскизного проекта структуры МПС должно быть видно, с какими объектами будет иметь дело алгоритм решения задачи вашей МПС.

В соответствии с этим вразделе "Разработка алгоритмов ПО" следует описать сначала версию блок-схемы алгоритма с крупными блоками, связанными с объектами из блочной структуры аппаратной части МПС (например, с конкретными портами ПУ) либо с символическими обозначениями сигналов и портов. Затем производится детализация блок-схемы.

К разделу "Распределение адресного пространства".

Следует определиться и описать, как в вашей МПС будут адресоваться порты ПУ: путем отображения "ВВ на ВВ" или "ВВ на память". Кроме того, оценить, какого объема может потребоваться ПЗУ и какого ОЗУ. Таким образом, здесь следует составить карту памяти МПС и карту адресного пространства ВВ.

Если в дальнейшем, при составлении программы, выяснится недостаток или излишек запланированной памяти, то нужно будет при необходимости внести коррективы. С учетом этого планируйте адреса под ВВ.

К разделу "Разработка схемотехнической реализации блоков и аппаратуры МПС в целом".

Во-первых, следует определиться по справочной литературе с требуемым схемным "обрамлением" выбранного МП, уяснить назначение схемных элементов в нем и приступить к составлению схемы блока «ЦП» разрабатываемой МПС.

Во-вторых, согласно принятой карте памяти необходимо спроектировать модуль основной памяти, включающий ПЗУ и ОЗУ, либо одно из них, если достаточно.

B-третьих, создается схемная реализация аппаратуры подсистемы ввода-вывода. Очень вероятно, что потребуется с помощью справочной литературы расширить познания по особенностям конкретных схемных компонент, необходимых для обеспечения требуемых в вашей МПС режимов ввода-вывода. Это могут быть БИС блоков прерывания (например, i8259, или аналог - KP580BH54), расширитель ввода-вывода КР580ВР43, либо другие.

4.3 Методические рекомендации к подготовке графических материалов в системе КОМПАС-3D

Общие сведения о проектировании объектов в системе КОМПАС-3D

Графические документы. Тип документа, создаваемого в системе K0MПAC-3D, зависит от рода информации, хранящейся в этом документе.

Основной тип графического документа в K0MПAC-3D — чертеж. Чертеж содержит графическое изображение объекта, основную надпись, рамку, иногда — дополнительные элементы оформления (знак неуказанной шероховатости, технические требования и т.д.).

Основная надпись появляется и размещается на листах чертежа автоматически — пользователю требуется лишь заполнить ее ячейки. В некоторые из них возможен полуавтоматический ввод текста.

Так как основная надпись является частью оформления, изменение ее размеров или структуры непосредственно в документе невозможно. Чтобы задать для листа другую основную надпись, нужно присвоить ему оформление, содержащее эту основную надпись (Сервис → Параметры → Параметры первого листа → Оформление).

Если листу необходимо задать нестандартную основную надпись, вам придется сначала описать ее, включить в оформление, а затем присвоить это оформление документу.

Чертеж K0MПAC-3D может содержать один или несколько листов. Для каждого листа можно задать формат, кратность, ориентацию и др. свойства. В файле чертежа КОМПАС-3D могут содержаться не только чертежи (в понимании ЕСКД), но и схемы, плакаты и прочие графические документы, для создания которых используются стандартные инструменты программы.

Трехмерные модели. Лист 1 традиционно содержит иллюстрационный материал, характеризующий объект автоматизации, что сопряжено с построением трехмерных моделей, которые могут быть двух видов:

1. Деталь — модель изделия, изготавливаемого из однородного материала, без применения сборочных операций. Создание детали включает в себя создание плоской фигуры - эскиза, на основе которой образуется тело, и формообра­зующее перемещение эскиза — операцию. Кроме того, при создании эскиза необходимо придерживаться основных требования для различных видов операций.

2. Сборка — модель изделия, состоящего из нескольких деталей с заданным взаимным по­ложением. В состав сборки могут также входить другие сборки (подсборки) и стандартные изделия.

Вспомогательный тип графического документа в КОМПАС-3D — фрагмент. Фрагмент отличается от чертежа отсутствием рамки, основной надписи и других объектов оформ­ления конструкторского документа. Он используется для хранения изображений, которые не нужно оформлять как отдельный лист (эскизные прорисовки, разработки и т.д.). Кроме того, во фрагментах также хранятся созданные типовые решения для последую­щего использования в других документах.

Менеджер библиотек.

Работа со всеми библиотеками КОМПАС-3D производится с помощью специальной утилиты — Менеджера библиотек. Для включения и отключения окна Менеджера библиотек служит команда Сервис — Менеджер библиотек.

Типовая последовательность действий при создании ассоциативного чертежа модели.

Ассоциативный чертеж модели — это чертеж, который строится на основе созданной модели и который ассоциативно связан с ней, т.е. изменение модели приводит к изменению ее чертежа.

1. Открыть в K0MПAC-3D модель, ассоциативный чертеж которой создается. Определить, какая ориентация модели наиболее подходит для главного вида. Если выбранное положение модели невозможно установить, используя стандартные ориентации, добавить пользовательскую ориентацию, соответствующую нужному положению.

2. Создать чертеж K0MПAC-3D.

3. Если модель не очень сложная, для создания ее чертежа можно использовать команду построения стандартных видов Вставка → Вид с модели → Стандартные. Она позволяет сразу получить весь необходимый набор проекций, в том числе изометрическую.

4. При создании сборочных чертежей, а также чертежей сложных деталей рекомендуется использовать команду построения произвольного вида Вставка → Вид с модели → Произвольные.

5. Создав в чертеже стандартные или произвольные виды, следует приступать к построению на их основе проекционных и местных видов, местных разрезов, выносных элементов, разрезов.

6. Если необходимо, отредактировать изображение в ассоциативных видах: назначить «неразрезаемые» компоненты, отключить отображение деталей, которые не должны показываться на чертеже.

7. Добавить в чертеж необходимые объекты оформления: размеры, технологические обозначения, надписи и другие элементы (осевые линии, обозначения центра и т.п.). Перед тем, как приступить к их созданию, рекомендуется включить ассоциативность и параметризацию при вводе всех объектов. Благодаря этому размеры, технологические обозначения, осевые линии и другие объекты, введенные вручную, будут связаны с изображением модели и смогут «отслеживать» его изменения. Например, после изменения диаметра отверстия в детали в ассоциативном виде изменится диаметр окружности, изображающей это отверстие, а также значение размера, ассоциативно связанного с ней. Кроме того, для удобства дальнейшей работы с чертежом рекомендуется создавать отдельные слои для расположения объектов разных типов.

8. Скомпоновать виды на листе чертежа. Если необходимо, отключить проекционные связи между видами.

Общие правила выполнения электрических схем. Для создания электрических схем служит библиотека Электроника и Электротехника. При исполнении принципиальной схемы МПС с использованием компонентов этой библиотеки поддерживаются правила выполнения и оформления схем, регламентирующие стандарты седьмой классификационной группы ЕСКД. Виды и типы схем, общие требования к их выполнению должны соответствовать ГОСТ 2.701-84 "ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению", правила выполнения всех типов электрических схем – ГОСТ 2.702-75 «ЕСКД. Правила выполнения электрических схем». При выполнении электрических схем цифровой вычислительной техники руководствуются правилами ГОСТ 2.709-81 «ЕСКД. Правила выполнения электрическтх схем цифровой вычилительной техники». Обозначение цепей в электрических схемах выполняют по ГОСТ 2.709 72 «ЕСКД. Система обозначений в электрических схемах», буквенно-цифровые обозначения в электричесикх схемах – по ГОСТ 2.720-81 «ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах».

Познавательные статьи:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология