Автоматизированное проектирование электронных устройств

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

1 Цели, задачи и проблемы автоматизации проектирования сложных систем

Автоматизированным называют проектирование, осуществляемое человеком при взаимодействии с ЭВМ. Степень автоматизации может быть различной, и оценивается долей  проектных работ, выполняемых на ЭВМ без участия человека. При=0 проектирование называется неавтоматизированным, при =1 - автоматическим.

Система автоматизированного проектирования - организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации и выполняющая автоматизированное проектирование.

Разработка средств автоматизации проектирования сложных электронных систем преследует следующие цели:

·сокращение сроков и снижение стоимости разработки и внедрения изделий;

·уменьшение количества ошибок при проектировании;

·обеспечение возможности изменения проектных решений и сокращения сроков проверки и тестирования изделий.

Задачи, решаемые на различных этапах проектирования, можно укрупненно разделить на три группы: синтез и анализ. Задача анализа заключается в изучении поведения и свойств системы при заданных характеристиках внешней среды, ее компонентов и структуре системы (или ее модели). Согласно общей теории систем, синтез - это процесс порождения функций и структур, необходимых и достаточных для получения определенных результатов. Выявляя функции, реализуемые системой, определяют некоторую систему, о которой известно только то, что она будет делать.

В связи с этим, этап синтеза функций называется абстрактным синтезом. Существуют еще этапы структурного и параметрического синтеза. При структурном синтезе определяется структура объекта - множество составляющих его элементов и способы их связи между собой(в составе объекта и с внешней средой). Параметрический синтез заключается в определении числовых значений параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности (т.е.необходимо найти точку или область в пространстве внутренних параметров, в которых выполняются те или иные условия).

Ðàçðàáîòêà ÑÀÏÐ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðóïíóþ íàó÷íî-òåõíè÷åñêóþ ïðîáëåìó. Íåñìîòðÿ íà áîëüøèå òðóäîçàòðàòû (50-200 êâàëèôèöèðîâàííûõ ñïåöèàëèñòîâ), ñîçäàíèå èíòåãðèðîâàííûõ ÑÀÐÏ â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ òåõíèêè - íåîáõîäèìîñòü, âûçâàííàÿ ðîñòîì ñëîæíîñòè îáúåêòîâ ïðîåêòèðîâàíèÿ. Ñ ó÷åòîì èçëîæåííîãî ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü îñíîâíûå òðåáîâàíèÿ, êîòîðûì äîëæíû óäîâëåòâîðÿòü ÑÀÏÐ:

1. Èìåòü óíèâåðñàëüíóþ ñòðóêòóðó, ðåàëèçóþùóþ ïðèíöèïû äåêîìïîçèöèè è èåðàðõè÷íîñòè (áëî÷íî-èåðàðõè÷åñêèé ïîäõîä). Ïðè÷åì ñèñòåìû ïðîåêòèðîâàíèÿ ðàçëè÷íûõ óðîâíåé èåðàðõèè äîëæíû áûòü èíôîðìàöèîííî ñîãëàñîâàíû. Èíôîðìàöèîííàÿ ñîãëàñîâàííîñòü îçíà÷àåò, ÷òî äëÿ ïîñëåäîâàòåëüíîãî èäóùèõ ïðîåêòíûõ ïðîöåäóð, âûõîäíûå äàííûå îäíîé èç íèõ ìîãóò áûòü âõîäíûìè äëÿ äðóãîé è ïðè ýòîì íå òðåáóåòñÿ íèêàêèõ ïðåîáðàçîâàíèé.

2. Èìåòü âûñîêóþ ñòåïåíü èíòåãðàöèè. Ñòåïåíü èíòåãðàöèè äîëæíà áûòü òàêîâà, ÷òîáû îáåñïå÷èòü ðåàëèçàöèþ âñåãî ïóòè ïðîåêòèðîâàíèÿ: îò âûäâèæåíèÿ èäåè âïëîòü äî ðåàëèçàöèè ïðîåêòà. Âàæíóþ ðîëü äëÿ îáåñïå÷åíèÿ èíòåãðàöèè èíñòðóìåíòàëüíûõ ñðåäñòâ ïðîåêòèðîâàíèÿ èãðàþò òàê íàçûâàåìûå èíôðàñòðóêòóðû (frameworks), ÑÀÏÐ, îáåñïå÷èâàþùèå êàê èíòåãðèðîâàíèå ðàçëè÷íûõ ñðåäñòâ ïðîåêòèðîâàíèÿ è äàííûõ, òàê è âûïîëíåíèå ôóíêöèé óïðàâëåíèÿ ïðè ïîìîùè åäèíîãî èíòåðôåéñà ïîëüçîâàòåëÿ.

3. Îñóùåñòâëÿòü ïðîåêòèðîâàíèå â ðåàëüíîì ìàñøòàáå âðåìåíè. Óìåíüøåíèå âðåìåíè, íåîáõîäèìîãî äëÿ âçàèìîäåéñòâèÿ ÑÀÏÐ ñ ïîëüçîâàòåëåì îáåñïå÷èâàåòñÿ íàëè÷èåì îïåðàòèâíûõ òåõíè÷åñêèõ ñðåäñòâ âçàèìîäåéñòâèÿ ðàçðàáîò÷èêà ñ ñèñòåìîé, ýôôåêòèâíîñòü ïðîöåäóð ïðîåêòèðîâàíèÿ è ò.ï.

4. Ñòðóêòóðà ÑÀÏÐ äîëæíà áûòü îòêðûòîé, ò.å. îáëàäàòü ñâîéñòâîì óäîáñòâà ðàñøèðåíèÿ ïîäñèñòåì ïðè åå ñîâåðøåíñòâîâàíèè.

5. Èìåòü ñðåäñòâà êîíòðîëÿ âõîäíîé è âûõîäíîé èíôîðìàöèè.

6. Èìåòü ñðåäñòâà àâòîìàòè÷åñêîãî âíåñåíèÿ èçìåíåíèé â ïðîåêò.

2. Ñòðóêòóðà êîìïëåêñà àïïàðàòíî-ïðîãðàììíûõ ñðåäñòâ ÑÀÏÐ

Âñå àïïàðàòíî-ïðîãðàììíûå ñðåäñòâà, ñîñòàâëÿþùèå áàçîâîå îáåñïå÷åíèå ÑÀÏÐ, ìîãóò áûòü êëàññèôèöèðîâàíû ïî âûïîëíÿåìûì ôóíêöèÿ:

·ìàòåìàòè÷åñêîå îáåñïå÷åíèå (ÌÎ);

·ëèíãâèñòè÷åñêîå îáåñïå÷åíèå (ËÎ);

·ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå (ÏÎ);

·òåõíè÷åñêîå îáåñïå÷åíèå (ÒÎ);

·èíôîðìàöèîííîå îáåñïå÷åíèå (ÈÎ);

·îðãàíèçàöèîííîå îáåñïå÷åíèå (ÎÎ);

 ÌÎ âõîäÿò: òåîðèÿ, ìåòîäû, ìàòåìàòè÷åñêèå ìîäåëè, àëãîðèòìû, èñïîëüçóåìûå ïðè àâòîìàòèçèðîâàííîì ïðîåêòèðîâàíèè.

ËÎ ïðåäñòàâëåíî ñîâîêóïíîñòüþ ÿçûêîâ, ïðèìåíÿåìûõ ïðè àâòîìàòèçèðîâàííîì ïðîåêòèðîâàíèè. Îñíîâíàÿ ÷àñòü ËÎ - ÿçûêè îáùåíèÿ ÷åëîâåêà ñ ÝÂÌ.

ÏÎ - ýòî ñîâîêóïíîñòü ìàøèííûõ ïðîãðàìì è ñîîòâåòñòâóþùàÿ äîêóìåíòàöèÿ. Îíî äåëèòñÿ íà îáùåñèñòåìíîå è ïðèêëàäíîå. Êîìïîíåíòàìè îáùåñèñòåìíîãî ÏÎ ÿâëÿþòñÿ, íàïðèìåð, îïåðàöèîííûå ñèñòåìû, êîìïèëÿòîðû è ò.ï. Ýòè ïðîãðàììíûå ñðåäñòâà ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ îðãàíèçàöèè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ òåõíè÷åñêèõ ñðåäñòâ, ò.å. äëÿ ïëàíèðîâàíèÿ è óïðàâëåíèÿ âû÷èñëèòåëüíûì ïðîöåññîì.

Ïðèêëàäíîå ÏÎ ñîçäàåòñÿ äëÿ íóæä ÑÀÏÐ. Îíî îáû÷íî ïðåäñòàâëåíî â ôîðìå ïàêåòîâ ïðèêëàäíûõ ïðîãðàìì (ÏÏÏ), êàæäûé èç êîòîðûõ îáñëóæèâàåò îïðåäåëåííûé ýòàï ïðîöåññà ïðîåêòèðîâàíèÿ.

Êîìïîíåíòû ÒÎ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñîâîêóïíîñòü âçàèìîñâÿçàííûõ è âçàèìîäåéñòâóþùèõ òåõíè÷åñêèõ ñðåäñòâ (íàïðèìåð, ÝÂÌ, ñðåäñòâà ïåðåäà÷è, ââîäà, îòîáðàæåíèÿ è äîêóìåíòèðîâàíèÿ äàííûõ), ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ àâòîìàòèçèðîâàííîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ.

ÈÎ îáúåäèíÿåò äàííûå, íåîáõîäèìûå äëÿ àâòîìàòèçèðîâàííîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ. Îíè ìîãóò áûòü ïðåäñòàâëåíû â âèäå òåõ èëè èíûõ äîêóìåíòîâ íà ðàçëè÷íûõ íîñèòåëÿõ, ñîäåðæàùèõ ñâåäåíèÿ ñïðàâî÷íîãî õàðàêòåðà î ïàðàìåòðàõ îáúåêòà ïðîåêòèðîâàíèÿ, ïðîìåæóòî÷íûõ ðåçóëüòàòàõ è ò. ä.

Îñíîâíàÿ ÷àñòü ÈÎ ÑÀÏÐ - ýòî áàíê äàííûõ (ÁÍÄ), ïðåäñòàâëÿþùèé ñîáîé ñîâîêóïíîñòü ñðåäñòâ äëÿ öåíòðàëèçîâàííîãî íàêîïëåíèÿ è êîëëåêòèâíîãî èñïîëüçîâàíèÿ äàííûõ â ÑÀÏÐ. ÁÍÄ ñîñòîèò èç áàçû äàííûõ (ÁÄ) è ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ áàçîé äàííûõ (ÑÓÁÄ). ÁÄ - ñàìè äàííûå, íàõîäÿùèåñÿ â ÇÓ ÝÂÌ è ñòðóêòóðèðîâàííûå â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðèíÿòûìè â äàííîì ÁÍÄ ïðàâèëàìè. ÑÓÁÄ - ñîâîêóïíîñòü ïðîãðàììíûõ ñðåäñòâ, îáåñïå÷èâàþùèõ ôóíêöèîíèðîâàíèå ÁÍÄ. Ñ ïîìîùüþ ÑÓÁÄ îñóùåñòâëÿåòñÿ çàïèñü äàííûõ â ÁÍÄ, èõ âûáîðêà ïî çàïðîñàì ïîëüçîâàòåëÿ è ïðèêëàäíûõ ïðîãðàìì, è ò.ä.

Ïðîöåññ àâòîìàòèçèðîâàííîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîñëåäîâàòåëüíîå âçàèìîäåéñòâèÿ áîëüøîãî ÷èñëà ïðîãðàììíûõ ìîäóëåé. Âçàèìîäåéñòâèå ìîäóëåé ïðîÿâëÿåòñÿ â îñíîâíîì â ñâÿçÿõ ïî óïðàâëåíèþ (óïîðÿäî÷åííûå ïåðåõîäû îò èñïîëíåíèÿ îäíîãî ïðîãðàììíîãî ìîäóëÿ ê èñïîëíåíèþ äðóãîãî), è ïî èíôîðìàöèè (èñïîëüçîâàíèå îäíèõ è òåõ æå äàííûõ â ðàçëè÷íûõ ìîäóëÿõ) (ñì. ðèñ. 1 è 2).

Ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ñëîæíûõ ñèñòåì çíà÷èòåëüíîé ÿâëÿåòñÿ èìåííî ïðîáëåìà èíôîðìàöèîííîãî ñîãëàñîâàíèÿ ðàçëè÷íûõ ïðîãðàììíûõ ìîäóëåé. Ñóùåñòâóåò òðè îñíîâíûõ ñïîñîáà ðåàëèçàöèè ñâÿçåé ïî èíôîðìàöèè:

÷åðåç ïåðåäà÷ó ïàðàìåòðîâ èç âûçûâàþùåé ïðîãðàììû â âûçûâàåìóþ ïðîãðàììó;

÷åðåç îáùèå îáëàñòè (îáìåííûå çîíû) âçàèìîäåéñòâóþùèõ ìîäóëåé;

÷åðåç áàíê äàííûõ.

Ðåàëèçàöèÿ èíôîðìàöèîííûõ ñâÿçåé ÷åðåç ïåðåäà÷ó ïàðàìåòðîâ îçíà÷àåò, ÷òî ïåðåäàþòñÿ ëèáî ïàðàìåòðû, ëèáî èõ àäðåñà. Ïðèìåíÿåòñÿ ïðè ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøîì îáúåìå ïåðåäàâàåìûõ äàííûõ è èõ ïðîñòîé ñòðóêòóðå.

Ðåàëèçàöèÿ èíôîðìàöèîííûõ ñâÿçåé ÷åðåç îáìåííóþ çîíó, êàæäûé ìîäóëü äîëæåí íàïðàâëÿòü äàííûå â îáìåííóþ çîíó, ïðåäñòàâëÿÿ èõ â ôîðìå, äîïóñòèìîé ñ ïîçèöèè òðåáîâàíèÿ ëþáîãî èç îñòàëüíûõ ìîäóëåé. Òàê êàê òðåáîâàíèÿ ê ñòðóêòóðå äàííûõ êàæäîãî ìîäóëÿ - ïîòðåáèòåëÿ äàííûõ ìîãóò îêàçàòüñÿ ðàçëè÷íûìè, òî ñïîñîá ñâÿçè ÷åðåç îáìåííûå çîíû ñðàâíèòåëüíî ëåãêî ðåàëèçóåòñÿ òîëüêî ïðè ìàëîì è ñòàáèëüíîì ÷èñëå èíôîðìàöèîííûõ ñâÿçåé. Ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ ïðîãðàììíûõ ìîäóëåé âíóòðè îïðåäåëåííîãî ÏÏÏ.

Åñëè æå îäíè è òå æå ìîäóëè ìîãóò âõîäèòü â ðàçëè÷íûå ïðîåêòíûå ïðîöåäóðû, âçàèìîäåéñòâîâàòü ñî ìíîãèìè ìîäóëÿìè, òî öåëåñîîáðàçíî óíèôèöèðîâàòü ñðåäñòâà èíôîðìàöèîííîãî îáìåíà. Òàêàÿ óíèôèêàöèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ êîíöåïöèè ÁÍÄ. Ãëàâíàÿ îñîáåííîñòü èíôîðìàöèè, õðàíèìîé â ÁÍÄ, çàêëþ÷àåòñÿ â åå ñòðóêòóðèðîâàííîñòè. Îñíîâíûå ïðåèìóùåñòâà èíôîðìàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÁÍÄ çàêëþ÷àþòñÿ â ñëåäóþùåì:

- ñíèìàþòñÿ îãðàíè÷åíèÿ íà ÷èñëî îáñëóæèâàåìûõ ïðîåêòíûõ ïðîöåäóð;

- âîçìîæíî ðàçâèòèÿ è ìîäèôèêàöèÿ ïðîãðàììíîé ñèñòåìû;

- âîçìîæíà ìîäèôèêàöèÿ ìîäåðíèçàöèÿ òåõíè÷åñêèõ ñðåäñòâ äëÿ õðàíåíèÿ äàííûõ  áåç èçìåíåíèÿ ÏÏÏ;

- îáåñïå÷èâàåòñÿ öåëîñòíîñòü äàííûõ.

Îäíàêî ðåàëèçàöèÿ èíôîðìàöèîííûõ ñâÿçåé ÷åðåç ÁÍÄ äàííûõ èìååò è ñâîè íåäîñòàòêè, ñâÿçàííûå ãëàâíûì îáðàçîì ñî çíà÷èòåëüíûìè çàòðàòàìè âðåìåíè íà ïîèñê äàííûõ â ÁÄ.

Ðèñ. 1. Ãðàô, îòðàæàþùèé ñâÿçè ïî óïðàâëåíèþ.

Ðèñ. 2. Ãðàô, îòðàæàþùèé ñâÿçè ïî èíôîðìàöèè.

Ðèñ. 3. Ðåàëèçàöèÿ èíôîðìàöèîííûõ ñâÿçåé ÷åðåç ÑÓÁÄ.

3. Ñîñòàâ ÑÀÏÐ ýëåêòðîííûõ ñèñòåì

Ñîâðåìåííàÿ ÑÀÏÐ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñëîæíûé ïðîãðàììíî-àïïàðàòíûé êîìïëåêñ, èìåíóåìûé â íàó÷íî-òåõíè÷åñêîé ëèòåðàòóðå êàê "ðàáî÷àÿ ñòàíöèÿ" (PC).

Ðèñ. 3. Ñòðóêòóðà ðàáî÷åé ñòàíöèè ïðîåêòèðîâàíèÿ ýëåêòðîííûõ ñèñòåì.

Ðèñ. 4. Ñòðóêòóðà ÏÎ ÑÀÏÐ.

4. Èåðàðõè÷åñêèå óðîâíè ïðåäñòàâëåíèÿ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ

Îñíîâíûì ìåòîäîì ïðîåêòèðîâàíèÿ ñ ïðèìåíåíèåì ÑÀÏÐ ÿâëÿåòñÿ áëî÷íî-èåðàðõè÷åñêèé ìåòîä èëè ìåòîä äåêîìïîçèöèè ñëîæíîãî îáúåêòà íà ïîäñèñòåìû (áëîêè, óçëû, êîìïîíåíòû).  ýòîì ñëó÷àå îïèñàíèå ñëîæíîé ñèñòåìû ðàçäåëÿåòñÿ íà èåðàðõè÷åñêèå óðîâíè (óðîâíè àáñòðàãèðîâàíèÿ) ïî ñòåïåíè ïîäðîáíîñòè îòðàæåíèÿ ñâîéñòâ ñèñòåìû. Íà êàæäîì óðîâíå ïðåäñòàâëåíèÿ ïðîåêòà ñóùåñòâóåò ñâîå ïîíÿòèå ñèñòåìû, ïîäñèñòåìû, ýëåìåíòà ñèñòåìû, çàêîíà ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ýëåìåíòîâ ñèñòåìû â öåëîì è âíåøíèõ âîçäåéñòâèé.

Èìåííî ýòè ïîíÿòèÿ îïðåäåëÿþò òîò ëèáî èíîé óðîâåíü èåðàðõèè ïðåäñòàâëåíèÿ óñòðîéñòâà. Ïîäñèñòåìà - ýòî ÷àñòü ñèñòåìû, êîòîðàÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñîâîêóïíîñòü íåêîòîðûõ åå ýëåìåíòîâ, âûäåëåííûõ ïî îïðåäåëåííîìó ôóíêöèîíàëüíîìó ïðèçíàêó, è ïîä÷èíÿåòñÿ ïî ñâîåé öåëè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ åäèíîé öåëè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ âñåé ñèñòåìû. Ïîä ýëåìåíòîì ñèñòåìû ïîíèìàþò åå ÷àñòü, âûïîëíÿþùóþ îïðåäåëåííóþ ôóíêöèþ (ôóíêöèè) è íå ïîäëåæàùóþ äåêîìïîçèöèè ïðè äàííîì óðîâíå ðàññìîòðåíèÿ. Íåäåëèìîñòü ýëåìåíòà - ýòî ïîíÿòèå, íî íå ôèçè÷åñêîå ñâîéñòâî ýòîãî ýëåìåíòà. Îïåðèðóÿ ïîíÿòèåì ýëåìåíò ïðîåêòèðîâùèê îñòàâëÿåò çà ñîáîé ïðàâî ïåðåéòè íà äðóãîé óðîâåíü íà îñíîâàíèè ÷àñòè èëè îáúåäèíèâ íåñêîëüêî ýëåìåíòîâ â îäèí.

Íà âåðõíåì èåðàðõè÷åñêîì óðîâíå ðàññìàòðèâàåòñÿ âåñü ñëîæíûé îáúåêò êàê ñîâîêóïíîñòü âçàèìîäåéñòâóþùèõ ïîäñèñòåì. Íà ñëåäóþùåì èåðàðõè÷åñêîì óðîâíå ïîäñèñòåìû ðàññìàòðèâàþòñÿ îòäåëüíî êàê ñèñòåìû, ñîñòîÿùèå èç íåêîòîðûõ ñîñòàâíûõ ÷àñòåé (ýëåìåíòîâ), è èìåþò áîëüøóþ ïîäðîáíîñòü îïèñàíèÿ. Äàííûé èåðàðõè÷åñêèé óðîâåíü ÿâëÿåòñÿ óðîâíåì ïîäñèñòåì. Êîëè÷åñòâî óðîâíåé èåðàðõèè âñåãäà îãðàíè÷åíî. Óðîâíè õàðàêòåðèçóþòñÿ òåì, ÷òî ìíîæåñòâî òèïîâ ýëåìåíòîâ, èç êîòîðûõ ìîæåò áûòü ñîñòàâëåíà ïîäñèñòåìà ïðîåêòèðîâàíèÿ, îãðàíè÷åíî. Òàêîå ìíîæåñòâî íàçûâàåòñÿ áàçèñîì óðîâíÿ.

Ìåòîä äåêîìïîçèöèè ïîðîæäàåò ñåðüåçíûå ïðîáëåìû ïðè ñîçäàíèè ÑÀÏÐ:

·îïðåäåëåíèå óðîâíåé èåðàðõèè è áàçèñîâ äëÿ íèõ;

·ðàçðàáîòêà ìàòåìàòè÷åñêîãî îáåñïå÷åíèÿ;

·îòîáðàæåíèå èç îäíîãî áàçèñà â äðóãîé è äð.

Ìåòîä èåðàðõè÷åñêîãî ïðåäñòàâëåíèÿ ïðîåêòèðóåìîãî îáúåêòà, èñïîëüçóåìûé ðàçðàáîò÷èêàìè ýëåêòðîííûõ ñõåì è ñèñòåì, ìîæåò áàçèðîâàòüñÿ íà äâóõ ñïîñîáàõ ïðåäñòàâëåíèÿ (îïèñàíèÿ) ýëåìåíòîâ: ñòðóêòóðíîì è ïîâåäåí÷åñêîì.

Ñòðóêòóðíûé ñïîñîá ïðåäóñìàòðèâàåò îïèñàíèå ýëåìåíòà ñèñòåìû êàê ñîâîêóïíîñòè âçàèìîñâÿçàííûõ ýëåìåíòîâ áîëåå íèçêîãî óðîâíÿ, òåì ñàìûì îïðåäåëÿÿ áàçèñ ýòîãî óðîâíÿ. Ñòðóêòóðíàÿ ôîðìà èåðàðõèè ïðîåêòà ïîäðàçóìåâàåò ïðîöåññ äåêîìïîçèöèè èëè ðàçáèåíèÿ ïðîåêòà òàê, ÷òî íà ëþáîì óðîâíå, êîòîðûé âûáèðàåòñÿ äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ, ìîäåëü ñèñòåìû ñòðîèòñÿ êàê ñîâîêóïíîñòü âçàèìîñâÿçàííûõ ýëåìåíòîâ, îïðåäåëåííûõ äëÿ äàííîãî óðîâíÿ. Çäåñü ñðàçó æå âîçíèêàåò âîïðîñ: êàêèì îáðàçîì îïðåäåëÿþòñÿ ýòè ýëåìåíòû? ×àùå âñåãî îíè ôîðìèðóþòñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ýëåìåíòîâ ñëåäóþùåãî, áîëåå íèçêîãî óðîâíÿ. Òàêèì îáðàçîì, êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 5, ïðîåêò ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí â âèäå äåðåâà, ïðè÷åì ðàçëè÷íûì óðîâíÿì èåðàðõèè àáñòðàêöèé ñîîòâåòñòâóþò ñâîè óðîâíè ýòîãî äåðåâà. Íà óðîâíå ëèñòüåâ äåðåâà îïðåäåëÿåòñÿ ïîâåäåíèå ýëåìåíòîâ ïðîåêòà ñàìîãî íèçêîãî óðîâíÿ. Ïîâåäåí÷åñêèé ñïîñîá ïðåäóñìàòðèâàåò îïèñàíèå ýëåìåíòà ñèñòåìû ïî çàâèñèìîñòÿì âõîä/âûõîä ïðè ïîìîùè íåêîòîðîé ïðîöåäóðû. Ïðè÷åì ýòî îïèñàíèå îïðåäåëÿåòñÿ íåêîòîðîé ñîáñòâåííîé ïðîöåäóðîé, à íå îïèñûâàåòñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì äðóãèõ ýëåìåíòîâ. Ïîýòîìó ïîâåäåí÷åñêàÿ ìîäåëü èñïîëüçóåòñÿ äëÿ îïèñàíèÿ ýëåìåíòîâ óðîâíÿ ëèñòüåâ äåðåâà ïðîåêòà. Ïîñêîëüêó ïîâåäåí÷åñêàÿ ìîäåëü íåêîòîðîãî ïðîåêòà ìîæåò ñóùåñòâîâàòü íà ëþáîì óðîâíå, ðàçëè÷íûå ÷àñòè ïðîåêòà ìîãóò èìåòü ïîâåäåí÷åñêèå îïèñàíèÿ íà ðàçíûõ óðîâíÿõ.

Ðèñ. 5. Ïðîåêò, ïðåäñòàâëåííûé â âèäå ïîëíîãî (à) è íåïîëíîãî (á) äåðåâà.

Íà ðèñ. 5 (à) ïîêàçàíî "ïîëíîå" äåðåâî ïðîåêòà, ãäå âñå ïîâåäåí÷åñêîå îïèñàíèå ôîðìèðóåòñÿ íà îäíîì è òîì æå óðîâíå. Íà ðèñ 5 (á) ïîêàçàí ïðîåêò, ïðåäñòàâëåííûé â ôîðìå íåïîëíîãî äåðåâà, ãäå ïîâåäåí÷åñêèå îïèñàíèÿ îòíîñÿòñÿ ê ðàçëè÷íûì óðîâíÿì. Ïîäîáíàÿ ñèòóàöèÿ âîçíèêàåò ïîòîìó, ÷òî ðàçðàáîò÷èêó çà÷àñòóþ æåëàòåëüíî ñòðîèòü è àíàëèçèðîâàòü âçàèìîñâÿçè ìåæäó ñèñòåìíûìè êîìïîíåíòàìè åùå äî çàâåðøåíèÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, íå îáÿçàòåëüíî èìåòü ñïåöèôèêàöèè âñåõ ñèñòåìíûõ êîìïîíåíòîâ, íàïðèìåð, íà óðîâíå ëîãè÷åñêèõ âåíòèëåé, ÷òîáû ïîëó÷èòü âîçìîæíîñòü êîíòðîëÿ ïðîåêòà â öåëîì íà îòñóòñòâèå îøèáîê. Òàêîé êîíòðîëü îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè ïîìîùè ìíîãîóðîâíåâîãî ìîäåëèðîâàíèÿ, òî åñòü ìîäåëèðîâàíèÿ, ïðè êîòîðîì ïîâåäåí÷åñêèå îïèñàíèÿ ìîäåëåé êîìïîíåíòîâ îòíîñÿòñÿ ê ðàçëè÷íûì óðîâíÿì èåðàðõèè. Âàæíûì äîïîëíèòåëüíûì äîñòîèíñòâîì ïîäîáíîãî ïîäõîäà ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îí ñïîñîáñòâóåò ïîâûøåíèþ ýôôåêòèâíîñòè ìîäåëèðîâàíèÿ.

C òî÷êè çðåíèÿ ðàçðàáîò÷èêà àïïàðàòíûõ ñðåäñòâ ìîæíî âûäåëèòü øåñòü îñíîâíûõ óðîâíåé èåðàðõèè, ïðåäñòàâëåííûõ íà ðèñ. 6.

Ðèñ. 6. Óðîâíè èåðàðõèè ïðåäñòàâëåíèÿ ýëåêòðîííûõ ñèñòåì.

Ýòî ñèñòåìíûì, ìèêðîñõåìíûé (èëè ÈÑ), ðåãèñòðîâûé , âåíòèëüíûé, ñõåìíûé è òîïîëîãè÷åñêèé óðîâíè. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî èåðàðõèÿ óðîâíåé ïðåäñòàâëåíèÿ èìååò ôîðìó óñå÷åííîé ïèðàìèäû. Ðàñøèðåíèå ïèðàìèäû êíèçó îòîáðàæàåò óâåëè÷åíèå ñòåïåíè äåòàëèçàöèè, ò.å. êîëè÷åñòâà ýëåìåíòîâ, êîòîðûå íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïðè îïèñàíèè ïðîåêòèðóåìîãî óñòðîéñòâà íà ýòîì óðîâíå.

Òàáëèöà 1. Èåðàðõèÿ ìîäåëåé

Íà ñàìîì íèæíåì óðîâíå, êðåìíèåâîì, â êà÷åñòâå áàçîâûõ ïðèìèòèâîâ èñïîëüçóþòñÿ ãåîìåòðè÷åñêèå ôîðìû, êîòîðûå ïðåäñòàâëÿþò îáëàñòè äèôôóçèè, ïîëèêðåìíèÿ è ìåòàëëèçàöèè íà ïîâåðõíîñòè êðåìíèåâîãî êðèñòàëëà. Ñîåäèíåíèå ýòèõ ôîðì êàê áû èìèòèðóåò ïðîöåññ èçãîòîâëåíèÿ êðèñòàëëà ñ òî÷êè çðåíèÿ ðàçðàáîò÷èêà. Çäåñü ïðåäñòàâëåíèå òîëüêî ÷èñòî ñòðóêòóðíîå(íå ïîâåäåí÷åñêîå).

Íà ñëåäóþùåì, áîëåå âûñîêîì óðîâíå, ñõåìíîì, ïðåäñòàâëåíèå ïðîåêòà ôîðìèðóåòñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ìåæñîåäèíåíèé òðàäèöèîííûõ àêòèâíûõ è ïàññèâíûõ ýëåìåíòîâ ýëåêòðè÷åñêîé ñõåìû: ðåçèñòîðîâ, êîíäåíñàòîðîâ è áèïîëÿðíûõ è ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ. Ñîåäèíåíèå ýòèõ êîìïîíåíòîâ èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ ïîâåäåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ñõåìû, âûðàæàåìîãî ñ ïîìîùüþ çàâèñèìîñòåé ìåæäó íàïðÿæåíèÿìè è òîêàìè.Äëÿ ïîâåäåí÷åñêîãî îïèñàíèÿ íà ýòîì óðîâíå ìîæíî èñïîëüçîâàòü äèôôåðåíöèàëüíûå óðàâíåíèÿ.

Òðåòèé óðîâåíü-óðîâåíü ëîãè÷åñêèõ âåíòèëåé, òðàäèöèîííî èãðàåò îñíîâíóþ ðîëü ïðè ïðîåêòèðîâàíèè öèôðîâûõ ñõåì è ñèñòåì. Çäåñü èñïîëüçóþòñÿ òàêèå áàçîâûå ýëåìåíòû, êàê ëîãè÷åñêèå âåíòèëè È, ÈËÈ è ÍÅ è ðàçëè÷íûå òèïû òðèããåðîâ. Ñîåäèíåíèå ýòèõ ïðèìèòèâîâ ïîçâîëÿåò îáðàáàòûâàòü êîìáèíàöèîííûå è ïîñëåäîâàòåëüíîñòíûå ëîãè÷åñêèå ñõåìû. Ôîðìàëüíûé àïïàðàò äëÿ ïîâåäåí÷åñêîãî îïèñàíèÿ íà ýòîì óðîâíå- áóëåâà àëãåáðà.

Âûøå âåíòèëüíîãî óðîâíÿ â èåðàðõèè íàõîäèòñÿ ðåãèñòðîâûé óðîâåíü. Çäåñü áàçîâûå ýëåìåíòû - ýòî òàêèå êîìïîíåíòû, êàê ðåãèñòðû, ñ÷åò÷èêè, ìóëüòèïëåêñîðû è àðèôìåòèêî-ëîãè÷åñêèå óñòðîéñòâà (ÀËÓ). Ïîâåäåí÷åñêîå ïðåäñòàâëåíèå ïðîåêòà íà ðåãèñòðîâîì óðîâíå âîçìîæíî ñ èñïîëüçîâàíèåì òàáëèö èñòèííîñòè, òàáëèö ñîñòîÿíèé è ÿçûêîâ ðåãèñòðîâûõ ïåðåäà÷.

Íàä ðåãèñòðîâûì óðîâíåì íàõîäèòñÿ óðîâåíü ìèêðîñõåì (èëè ÈÑ). Íà ìèêðîñõåìíîì óðîâíå â êà÷åñòâå ýëåìåíòîâ âûñòóïàþò òàêèå êîìïîíåíòû, êàê ìèêðîïðîöåññîðû, óñòðîéñòâà îñíîâíîé ïàìÿòè, ïîñëåäîâàòåëüíûå è ïàðàëëåëüíûå ïîðòû è êîíòðîëëåðû ïðåðûâàíèé. Õîòÿ ãðàíèöû ìèêðîñõåì ÿâëÿþòñÿ è ãðàíèöàìè ìîäåëåé ýëåìåíòîâ, âîçìîæíû è äðóãèå ñèòóàöèè. Òàê, íàáîð ìèêðîñõåì, êîòîðûå ñîâìåñòíî îáðàçóþò îäíî ôóíêöèîíàëüíîå óñòðîéñòâî, ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê îäèí ýëåìåíò. Ïîêàçàòåëüíûì ïðèìåðîì çäåñü ìîæåò ñëóæèòü ìîäåëèðîâàíèå ðàçðÿäíî - ìîäóëüíîãî ïðîöåññîðà. Âîçìîæåí è àëüòåðíàòèâíûé âàðèàíò - êîãäà ýëåìåíòû ïðåäñòàâëÿþò îòäåëüíûå ñåêöèè îäíîé ìèêðîñõåìû, íàïðèìåð, íà ýòàïå àíàëèçà òåõíè÷åñêîãî çàäàíèÿ è äåêîìïîçèöèè. Ãëàâíîé îñîáåííîñòüþ çäåñü ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ýëåìåíòîì ïðåäñòàâëÿåòñÿ áîëüøîé áëîê ëîãèêè, ãäå äëÿ äëèííûõ è çà÷àñòóþ ñõîäÿùèõñÿ òðàêòîâ îáðàáîòêè äàííûõ íåîáõîäèìî ïðåäñòàâëÿòü çàâèñèìîñòè âûõîäîâ îò âõîäîâ. Êàê è â ñëó÷àå ýëåìåíòîâ íèæåëåæàùèõ óðîâíåé, ýëåìåíòû ìèêðîñõåìíîãî óðîâíÿ íå ñòðîÿòñÿ èåðàðõè÷åñêè èç áîëåå ïðîñòûõ ïðèìèòèâîâ, à ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé åäèíûå îáúåêòû-ìîäåëè. Òàê, åñëè íóæíî ìîäåëèðîâàòü ïîñëåäîâàòåëüíûé ïîðò ââîäà-âûâîäà (óíèâåðñàëüíûé àñèíõðîííûé ïðèåìîïåðåäàò÷èê, ÓÀÏÏ), ñîîòâåòñòâóþùóþ ìîäåëü íå ñòðîÿò ïóòåì ñîåäèíåíèÿ áîëåå ïðîñòûõ ôóíêöèîíàëüíûõ ìîäåëåé òàêèõ áëîêîâ, êàê ðåãèñòðû è ñ÷åò÷èêè, çäåñü ñàì ÓÀÏÏ ñòàíîâèòñÿ áàçîâîé ìîäåëüþ. Ìîäåëè òàêîãî òèïà âàæíû äëÿ èçãîòîâèòåëåé êîìïëåêñíîãî îáîðóäîâàíèÿ, êîòîðûå ïðèîáðåòàþò ìèêðîñõåìû ó äðóãèõ ôèðì-èçãîòîâèòåëåé, íî íå çíàþò èõ âíóòðåííåé ñòðóêòóðû óðîâíÿ ëîãè÷åñêèõ âåíòèëåé, ïîñêîëüêó ýòî ÿâëÿåòñÿ îáû÷íî ñåêðåòîì ôèðìû. Ïîâåäåí÷åñêîå îïèñàíèå ìîäåëè ìèêðîñõåìíîãî óðîâíÿ ñòðîèòñÿ íà îñíîâå âõîäíîé-âûõîäíîé çàâèñèìîñòè êàæäîé êîíêðåòíîé ÈÑ-àëãîðèòìà,ðåàëèçóåìîãî äàííîé ÈÑ. Âåðõíèé óðîâåíü - ýòî ñèñòåìíûé óðîâåíü.  êà÷åñòâå ýëåìåíòîâ ýòîãî óðîâíÿ èñïîëüçóþòñÿ ïðîöåññîð, ïàìÿòü è êîììóòàòîð (øèíà) è äð. Ïîâåäåí÷åñêîå îïèñàíèå íà ýòîì óðîâíå âêëþ÷àåò òàêèå îñíîâíûå äàííûå è õàðàêòåðèñòèêè, êàê, íàïðèìåð, ïîêàçàòåëü áûñòðîäåéñòâèÿ ïðîöåññîðà â ìèëëèîíàõ êîìàíä â ñåêóíäó (ìåãîôëîïñû) èëè ïðîïóñêíàÿ ñïîñîáíîñòü òðàêòà îáðàáîòêè äàííûõ (áèò/ñ).  Èç òàáë. 1 è âûøåèçëîæåííîãî âèäíî, ÷òî ñòðóêòóðíûå èëè ïîâåäåí÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ñîñåäíèõ óðîâíåé â îïðåäåëåííîé ñòåïåíè ïåðåêðûâàþòñÿ. Íàïðèìåð, è íà ðåãèñòðîâîì è íà ìèêðîñõåìíîì óðîâíå ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ ïðåäñòàâëåíèå ïðè ïîìîùè ÃÑÀ. Îäíàêî ñòðóêòóðíîå ïðåäñòàâëåíèå äëÿ îáîèõ óðîâíåé ñîâåðøåííî ðàçëè÷íî, ïîýòîìó îíè è ðàçäåëÿþòñÿ. Ìèêðîñõåìíûé è ñèñòåìíûé óðîâåíü èìåþò ïî ñóòè îäíè è òå æå ýëåìåíòû, îäíàêî îíè àáñîëþòíî ðàçëè÷íû ïî ñâîèì ïîâåäåí÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì. Òàê, ïîâåäåí÷åñêèå ìîäåëè óðîâíÿ ÈÑ ïîçâîëÿþò âû÷èñëÿòü äåòàëüíûå îòäåëüíûå ðåàêöèè â âèäå çíà÷åíèé öåëûõ ÷èñåë è áèòîâ. À ïîâåäåí÷åñêîìó ïðåäñòàâëåíèþ ñèñòåìíîãî óðîâíÿ ñâîéñòâåííî ñåðüåçíîå îãðàíè÷åíèå - îíî ñëóæèò ïðåèìóùåñòâåííî äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ ïðîïóñêíîé ñïîñîáíîñòè ñèñòåìû èëè îïðåäåëåíèÿ ñòîõàñòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ñèñòåìû. Íà ïðàêòèêå ïðåäñòàâëåíèå ïðîåêòà íà ñèñòåìíîì óðîâíå èñïîëüçóåòñÿ ãëàâíûì îáðàçîì äëÿ ñðàâíèòåëüíîé îöåíêè ðàçëè÷íûõ àðõèòåêòóð.  îáùåì, ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü ìîäåëè ðàçíîãî óðîâíÿ, åñëè òðåáîâàíèÿ ëèáî ïîâåäåí÷åñêîãî, ëèáî ñòðóêòóðíîãî õàðàêòåðà ðàçëè÷íû.

Ïîñëåäíåå ïîíÿòèå, ñâÿçàííîå ñ èåðàðõè÷åñêèì ïðåäñòàâëåíèåì ïðîåêòà, - ýòî òàê íàçûâàåìîå îêíî ïðîåêòà.

Ýòèì òåðìèíîì îáîçíà÷àåòñÿ ãðóïïà óðîâíåé äåðåâà ïðîåêòà, ñ êîòîðûìè ðàáîòàåò êàæäûé êîíêðåòíûé ðàçðàáîò÷èê. Òàê, îêíî ïðîåêòà äëÿ ðàçðàáîòêè ÑÁÈÑ îõâàòûâàåò êðåìíèåâûé, ñõåìíûé, âåíòèëüíûé, ðåãèñòðîâûé è ìèêðîñõåìíûé óðîâíè. Ðàçðàáîò÷èêà âû÷èñëèòåëüíîé ìàøèíû, ñ äðóãîé ñòîðîíû, îáû÷íî èíòåðåñóåò îêíî, îõâàòûâàþùåå âåíòèëüíûé, ðåãèñòðîâûé, ìèêðîñõåìíûé è ñèñòåìíûé óðîâíè. Èìåííî êîíöåïöèÿ îêíà ïðîåêòà ÿâëÿåòñÿ îñíîâîé äëÿ ìíîãîóðîâíåâîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ. Ñ ðîñòîì ñëîæíîñòè ÑÁÈÑ ñòàíåò íåöåëåñîîáðàçíî âêëþ÷àòü âåíòèëüíûé óðîâåíü â îêíî ïðîåêòà, ïîñêîëüêó íà îäíîì êðèñòàëëå ìîæíî áóäåò ðàçìåñòèòü ñîòíè òûñÿ÷ ëîãè÷åñêèõ âåíòèëåé. Ðåãèñòðîâûé óðîâåíü, õîòÿ îí áåçóñëîâíî èìååò ìåíüøóþ ñëîæíîñòü, ÷åì âåíòèëüíûé, ìîæåò òàêæå ñîäåðæàòü íåîáÿçàòåëüíûå ïîäðîáíîñòè äëÿ òåõ, êîãî èíòåðåñóþò òîëüêî ñèãíàëû ââîäà-âûâîäà ÑÁÈÑ.

Òàêèì îáðàçîì, ñ òî÷êè çðåíèÿ ðàçðàáîò÷èêà ìàøèíû ñàìà ÑÁÈÑ áóäåò ñòàíîâèòüñÿ ýëåìåíòîì ïðîåêòà.

Ðèñ. 7. Ïðèìåð ðåàëèçàöèè óðîâíåé ïðåäñòàâëåíèÿ ìóëüòèïðîöåññîðíîé ñèñòåìû.