Основные методы проектирования микропроцессорных устройств.

БАЗОВЫЕ КОНЦЕПЦИИ

Для начала несколько основных определений.

• Электронная система — в данном случае это любой электронный узел, блок, прибор или комплекс, производящий обработку информации.

• Задача — это набор функций, выполнение которых требуется от электронной системы.

• Быстродействие — это показатель скорости выполнения электронной системой ее функций.

• Гибкость — это способность системы подстраиваться под различные задачи.

• Избыточность — это показатель степени соответствия возможностей системы решаемой данной системой задаче.

• Интерфейс — соглашение об обмене информацией, правила обмена информацией, подразумевающие электрическую, логическую и конструктивную совместимость устройств, участвующих в обмене. Другое название — сопряжение.

Микропроцессорная система может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рис. 1.1). В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации), но суть от этого не меняется. Если система цифровая (а микропроцессорные системы относятся к разряду цифровых), то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью АЦП, а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью ЦАП. Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде.

Рис. 1.1.  Электронная система.

Характерная особенность традиционной цифровой системы состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой системы. То есть изменение этих алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и/или связей между ними. Например, если нам нужна дополнительная операция суммирования, то необходимо добавить в структуру системы лишний сумматор. Или если нужна дополнительная функция хранения кода в течение одного такта, то мы должны добавить в структуру еще один регистр. Естественно, это практически невозможно сделать в процессе эксплуатации, обязательно нужен новый производственный цикл проектирования, изготовления, отладки всей системы. Именно поэтому традиционная цифровая система часто называется системой на "жесткой логике".

Любая система на "жесткой логике" обязательно представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Это имеет свои бесспорные преимущества.

Во-первых, специализированная система (в отличие от универсальной) никогда не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована).

Во-вторых, именно специализированная система может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. А именно логические элементы всегда обладают максимальным на данный момент быстродействием.

Но в то же время большим недостатком цифровой системы на "жесткой логике" является то, что для каждой новой задачи ее надо проектировать и изготавливать заново. Это процесс длительный, дорогостоящий, требующий высокой квалификации исполнителей. А если решаемая задача вдруг изменяется, то вся аппаратура должна быть полностью заменена. В нашем быстро меняющемся мире это довольно расточительно.

Путь преодоления этого недостатка довольно очевиден: надо построить такую систему, которая могла бы легко адаптироваться под любую задачу, перестраиваться с одного алгоритма работы на другой без изменения аппаратуры. И задавать тот или иной алгоритм мы тогда могли бы путем ввода в систему некой дополнительной управляющей информации, программы работы системы (рис. 1.2). Тогда система станет универсальной, или программируемой, не жесткой, а гибкой. Именно это и обеспечивает микропроцессорная система.

Рис. 1.2.  Программируемая (она же универсальная) электронная система.

Но любая универсальность обязательно приводит к избыточности. Ведь решение максимально трудной задачи требует гораздо больше средств, чем решение максимально простой задачи. Поэтому сложность универсальной системы должна быть такой, чтобы обеспечивать решение самой трудной задачи, а при решении простой задачи система будет работать далеко не в полную силу, будет использовать не все свои ресурсы. И чем проще решаемая задача, тем больше избыточность, и тем менее оправданной становится универсальность. Избыточность ведет к увеличению стоимости системы, снижению ее надежности, увеличению потребляемой мощности и т.д.

Кроме того, универсальность, как правило, приводит к существенному снижению быстродействия. Оптимизировать универсальную систему так, чтобы каждая новая задача решалась максимально быстро, попросту невозможно. Общее правило таково: чем больше универсальность, гибкость, тем меньше быстродействие. Более того, для универсальных систем не существует таких задач (пусть даже и самых простых), которые бы они решали с максимально возможным быстродействием. За все приходится платить.

Таким образом, можно сделать следующий вывод. Системы на "жесткой логике" хороши там, где решаемая задача не меняется длительное время, где требуется самое высокое быстродействие, где алгоритмы обработки информации предельно просты. А универсальные, программируемые системы хороши там, где часто меняются решаемые задачи, где высокое быстродействие не слишком важно, где алгоритмы обработки информации сложные. То есть любая система хороша на своем месте.

Однако за последние десятилетия быстродействие универсальных (микропроцессорных) систем сильно выросло (на несколько порядков). К тому же большой объем выпуска микросхем для этих систем привел к резкому снижению их стоимости. В результате область применения систем на "жесткой логике" резко сузилась. Более того, высокими темпами развиваются сейчас программируемые системы, предназначенные для решения одной задачи или нескольких близких задач. Они удачно совмещают в себе как достоинства систем на "жесткой логике", так и программируемых систем, обеспечивая сочетание достаточно высокого быстродействия и необходимой гибкости. Так что вытеснение "жесткой логики" продолжается.

Применение микропроцессоров в измерительной технике позволяет резко повысить точность приборов, значительно расширить их возможности, повысить надежность, быстро­действие, решить задачи, которые ранее вообще не решались.

Конкретное рассмотрение функций микропроцессорных систем в измерительных приборах показывает, что с помощью этих систем достигаются:

- многофункциональность приборов, упрощение управления процессом измерения;

- автоматизация регулировок;

- самокалибровка и автоматическая поверка;

- улучшение метрологи­ческих характеристик прибора;

- выполнение вычислительных процедур;

- статистическая обработка результатов наблюдений;

- определение и перевод в линейную форму функции измеряемой физической вели­чины;

- создание программируемых, полностью автоматизированных приборов.

ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.

В то время, как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время, есть микроконтроллеры, обладающие больши́ми вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Ограничения по цене и энергопотреблению сдерживают также рост тактовой частоты контроллеров. Хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания. Во многих моделях микроконтроллеров используется статическая память для ОЗУ и внутренних регистров. Это даёт контроллеру возможность работать на меньших частотах и даже не терять данные при полной остановке тактового генератора. Часто предусмотрены различные режимы энергосбережения, в которых отключается часть периферийных устройств и вычислительный модуль.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Такие устройства подходят для массового производства в тех случаях, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти. В отличие от процессоров общего назначения, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.[2]

Неполный список периферии, которая может присутствовать в микроконтроллерах, включает в себя:

• различные интерфейсы ввода-вывода, такие как UART, I²C, SPI, CAN, USB, Ethernet

• аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

• компараторы

• широтно-импульсные модуляторы

• таймеры

• контроллеры бесколлекторных двигателей

• контроллеры дисплеев и клавиатур

• радиочастотные приемники и передатчики

• массивы встроенной флеш-памяти

Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков, например, Форта. Используются также встроенные интерпретаторы Бейсика. Для отладки программ используются программные симуляторы (специальные программы для персональных компьютеров, имитирующие работу микроконтроллера), внутрисхемные эмуляторы (электронные устройства, имитирующие микроконтроллер, которые можно подключить вместо него к разрабатываемому встроенному устройству) и интерфейс JTAG.

Классы микроконтроллеров

Все микроконтроллеры можно условно разделить на 3 класса

• 8-разрядные

• 16- и 32- разрядный

• Цифровые сигнальные процессоры (DSP)

8-разрядные

Наиболее распространённым семейством микроконтроллеров являются 8-битные микроконтроллеры, широко используемые в промышленности. В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. В то же время есть и микроконтроллеры, обладающие большими вычислительными возможностями, например цифровые сигнальные процессоры.

Немного особняком в этом классе стоят микроконвертеры (ADuC - AD uConverter) фирмы Analog Devices. Они позиционируются как высокоточные АЦП (приоритетное устройство), а микроконтроллер и остальная переферия являются своеобразной "обвеской". Засчет понижения производительности становится возможным добиться более высокой точности АЦП (до 24 бит, при низких, до 100 Гц, частотах).

Цифровые сигнальные процессоры (DSP)

КРИТЕРИИ ВЫБОРА

Основные критерии выбора микроконтроллера представлены ниже в порядке значимости. Каждый критерий детально объясняется в дальнейшем.

• Пригодность для прикладной системы. Может ли она быть сделана на однокристальном микроконтроллере или ее можно реализовать на основе какой либо специализированной микросхемы?

  • Имеет ли микроконтроллер требуемое число контактов/портов ввода/ вывода, т.к. в случае их недостатка он не сможет выполнить работу, а в случае избытка цена будет слишком высокой?

  • Имеет ли он все требуемые периферийные устройства, такие как последовательные порты ввода/вывода, RAM, ROM, A/D, D/A и т.д.?

  • Имеет ли он другие периферийные устройства, которые не потребуются в системе?

  • Обеспечивает ли ядро процессора необходимую производительность, т.е. вычислительную мощность, позволяющую обрабатывать системные запросы в течение всей жизни системы на выбранном прикладном языке? Слишком много расточительно, слишком мало не будет работать.

  • Выделено ли в бюджете проекта достаточно средств, чтобы позволить себе использовать данный микроконтроллер. Для ответа на этот вопрос, обычно требуются расценки поставщика. Если данный микроконтроллер не приемлем для проекта, все остальные вопросы становятся несущественными, и вы должны начать поиски другого микроконтроллера.

• Доступность.

  • Существует ли устройство в достаточных количествах?

  • Производится ли оно сейчас?

  • Что ожидается в будущем?

• Поддержка разработчика.

  • Ассемблеры.

  • Компиляторы.

  • Средства отладки.

    • Оценочный модуль (EVM).

    • Внутрисхемные эмуляторы.

    • Насадки для логических анализаторов.

    • Отладочные мониторы.

    • Отладчики программ в исходных текстах.

• Информационная поддержка

  • Примеры применения.

  • Сообщения об ошибках.

  • Утилиты, в том числе "бесплатные" ассемблеры.

  • Примеры исходных текстов.

• Поддержка применений у поставщика.

  • Есть ли специальная группа, которая занимается только поддержкой применений?

  • Есть ли инженеры, техники или продавцы?

  • Насколько квалифицирован поддерживающий персонал, действительно ли он заинтересован в помощи вам при решении вашей проблемы?

  • Существует ли телефонная и/ или FAXовая связь?

• Надежность фирмы производителя.

  • Компетентность, подтвержденная разработками.

  • Надежность производства, т.е. качество продукции.

  • Время работы в этой области.

СИСТЕМНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

Проведение системного анализа вашего проекта позволит определить и требования к микроконтроллеру.

• Какие требуются периферийные устройства?

• Применяются ли битовые операции или только числовые?

• Сколько требуется манипуляций для обработки данных?

• Должна ли система управляться по прерываниям, по готовности или по командам человека?

• Каким количеством устройств (битов ввода/вывода) необходимо управлять?

• Какие устройства из числа многих возможных типов I/O устройств должны контролироваться управляться: терминалы, выключатели, реле, клавиши, сенсоры (температура, свет, напряжение и т.д.), звуковые устройства, визуальные индикаторы (LCDдисплеи, LED), аналогоцифровые (A/D), цифроаналоговые (D/A) преобразователи?

• Одно или несколько напряжений питания требуется для системы?

• Насколько отказоустойчив источник питания?

• Будет ли работать устройство при напряжении вашей бортовой сети питания?

• Должны ли напряжения удерживаться в узком фиксированном диапазоне изменений, или же система может работать при большой нестабильности?

• Каков рабочий ток?

• Изделие должно работать от сети или от батарей?

• Если от батарей, должны ли использоваться перезаряжаемые батареи и если это так, то каково время работы без перезарядки, и какое для нее требуется время?

• Существуют ли ограничения по размеру, весу, эстетическим параметрам, таким как форма и/или цвет?

• Существуют ли какие-либо специфические требования к условиям окружающей среды, таким как военные условия, температура, влажность, атмосфера (взрывоопасная, коррозийная и т.д.), давление/ высота?

• Пользовательское программное обеспечение должно базироваться на дисках или ROM?

• Изделие работает в реальном времени, и если да, собираетесь ли вы создать или приобрести ядро программ реального времени или, возможно, будет достаточно обычной широко используемой версии?

• Достаточно ли персонала и времени для развития вашего собственного ядра программ?

• Как будут оплачиваться авторские права и программное обеспечение?

Для решения задач реального времени требуется большая исследовательская работа, чтобы удовлетворить их особым требованиям.

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Микроконтроллеры в целом можно разделить на группы 8, 16 и 32 разрядных по размеру их арифметических и индексных регистров.

Тактовая частота или, более точно, скорость шины определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. Некоторые микроконтроллеры, в основном ранних разработок имеют узкий диапазон допустимой тактовой частоты, в то время как другие могут работать вплоть до нулевой частоты. Иногда выбирается специфическая тактовая частота, чтобы сгенерировать другую тактовую частоту, требуемую в системе, например, для задания скоростей последовательной передачи. В основном, вычислительная мощность, потребляемая мощность и стоимость системы увеличиваются с повышением тактовой частоты. Цена системы при повышении частоты увеличивается из-за стоимости не только микроконтроллера, но также и всех требующихся дополнительных микросхем, таких как RAM, ROM, PLD и контроллеры шины.

Рассмотрим технологию, с использованием которой изготовлен микропроцессор: N-канальную металлокиселполупроводник (NMOS), которая использовалась в микроконтроллерах ранних разработок, сравним с современной CMOS технологией с высоким уровнем интеграции (HCMOS). В отличие от ранних NMOS процессоров, в HCMOS уровни сигналов изменяются в диапазоне от 0 до уровня напряжения питания. В связи с этим обстоятельством предпочтение отдается HCMOS процессорам. Кроме того, HCMOS потребляют меньшую мощность и, следовательно, меньше нагреваются. Геометрические размеры элементов в HCMOS меньше, что позволяет иметь более плотные схемы и, таким образом, работать при более высоких скоростях. Более плотный дизайн также уменьшает стоимость отдельного микроконтроллера, т.к. на кремниевой пластине того же размера можно получить большее количество чипов. По этим причинам сегодня подавляющее большинство микроконтроллеров производятся с использованием HCMOSтехнологии.

ВОЗМОЖНОСТИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

За счет достижения более высокого уровня интеграции и надежности при сохранении низкой цены, все микроконтроллеры оснащены встроенными дополнительными устройствами. Эти устройства под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера выполняют определенные функции. Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

К наиболее известным встроенным устройствам относятся

1. устройства памяти,

2. порты ввода/вывода (I/O),

3. таймеры,

4. системные часы/генератор.

Устройства памяти включают

1. оперативную память (RAM),

2. постоянные запоминающие устройства (ROM),

3. перепрограммируемую ROM (EPROM),

4. электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM).

Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Следует принимать во внимание диапазон и разрешение таймера, так же как и другие подфункции, такие как функции сравнение и/или захвата входных линий при измерении длительности сигнала

Средства I/O включают

1. последовательные порты связи

2. параллельные порты (I/O линии)

3. аналогоцифровые преобразователи (A/D)

4. цифроаналоговые преобразователи (D/A)

5. драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD).

Другими, реже используемыми, встроенными ресурсами являются

1. внутренняя/внешняя шина,

2. таймер слежения за нормальным функционированием системы

3. сторожевая схема

4. система обнаружения отказов тактового генератора

5. возможность выбора конфигурации памяти и системный интеграционный модуль (SIM). SIM обычно заменяет внешнюю "склеивающую" логику, необходимую для организации взаимодействия микроконтроллера с внешними устройствами через заданные контакты микросхемы.

В большинство микроконтроллеров с внутрисхемными ресурсами включается блок конфигурационных регистров для управления этими ресурсами.

НАБОР КОМАНД МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Необходимо внимательно изучить набор команд и регистров каждого микроконтроллера, так как они играют важнейшую роль в определении возможностей системы в целом.

• Есть ли какие-либо специальные команды, которые будут использоваться в вашей системе, такие как умножение, деление и табличное интерполирование?

• Есть ли какие-либо режимы энергосбережения для экономии батарейного питания, такие как стоповый, стоповый с низким потреблением мощности и/или с ожиданием?

• Есть ли какие-либо команды битовых манипуляций (установка бита, очистка бита, тест бита, изменение бита, команды перехода по установленному/очищенному биту), облегчающие применение микроконтроллера, или команды манипуляции с битовыми полями?

Реальным критерием производительности является количество тактовых циклов, требуемое для выполнения задачи, а не количество исполненных команд.

ПРЕРЫВАНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Проверка структуры прерываний необходима всегда, когда создается система реального времени.

• Сколько линий или уровней прерывания имеется и сколько их требуется для вашей системы?

• Имеется ли маска уровней прерывания?

• Когда уровень прерывания подтвержден, есть ли индивидуальные векторы для программы-обработчика прерывания, или должны опрашиваться все возможные источники прерывания, чтобы определить источник?

В критических по скорости применениях, таких как управление принтером, критерием выбора подходящего микроконтроллера может быть время реакции на прерывание, т.е. время от начала прерывания (в худшем случае, фазированного относительно тактового генератора микроконтроллера) до выполнения первой команды соответствующего обработчика прерывания.

ЗАКАНЧИВАЯ ВЫБОР

Для окончательного шага в процессе выбора постройте таблицу, содержащую рассматриваемые микроконтроллеры в одной графе, а их важные характеристики в другой. Затем приложите бланки технических описаний производителей, чтобы получить справедливое наглядное сравнение. Некоторые производители имеют предварительно сделанные сравнительные описания их микроконтроллеров, которые упростят вашу задачу, но проверьте по техническим описаниям, все ли новейшие продукты представлены.

Среди возможных характеристик

1. цена (на ожидаемый объем продукции, включая предсказание будущей цены, т.е. уменьшится ли цена, если вы вольетесь в производство?),

2. RAM, ROM, EPROM, EEPROM,

3. таймер(ы),

4. A/D, D/A, последовательные порты, параллельные порты, скорость шины (минимальная/максимальная),

5. специальные команды (умножение, деление и т.д.),

6. число доступных прерываний,

7. время отклика прерывания (время от начала прерывания до выполнения первой команды, управляемой прерыванием),

8. размер корпуса/тип (керамический DIP или LCC, пластиковый 0.3" DIP или 0.6" DIP, сжатый DIP (расстояние между контактами .071"), PLCC, PQFP, EIAJQFP, SOIC; некоторые из них используют технологию поверхностного монтажа),

9. требования по питанию

и другие детали, важные для устройства вашей системы.

Если после всего этого у вас в списке все еще больше одного микроконтроллера, рассмотрите возможности расширения системы и стоимость. Какое расширения, по вашему мнению, может понадобиться в будущих версиях этого продукта? И наконец, рассмотрите цену, т.к. если два микроконтроллера стоят одинаково, но один предлагает немного больше возможностей, которые не требуются сегодня, но сделали бы будущие расширения доступными без добавочных затрат, выбирайте этот микроконтроллер.

ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ В УСЛОВИЯХ РЫНКА

Рынок микроконтроллеров (МК) может рассматриваться как сложная, слабо структурированная система с большим числом входов. Система подвержена изменениям, скорость которых в настоящее время быстро растет. Выбор МК при проектировании или модернизации аппаратуры можно формулировать как решение оптимальной задачи при трехкомпонентном критерии (работоспособность, надежность, стоимость). Выбор осуществляется на множестве вариантов, допустимых при данном состоянии рынка. Рост объема необходимых операций приводит к мысли о необходимости автоматизации процедуры выбора.

Исходные понятия

• Рынок есть посредническая система — интерфейс взаимодействия потребителя и производителя.

• Система находится под действием детерминированных факторов — законодательных актов и случайных воздействий — конъюнктурных условий.

• Единая математическая модель рынка отсутствует, описания рыночных операций строятся как отношения между различными входами в систему. Таким образом, система «рынок» относится к категории сложных систем.

• Группы объектов купли-продажи, объединяемые по какому-либо признаку, образуют подсистемы рынка.

• Рынок — система слабо структурированная, так как нет однозначного определения признака выделения подсистем.

• Рынок — система динамичная, так как скорость ее изменения сравнима со скоростью изменения показателей МК и запросов потребителей.

Подход к выбору МК

Содержательно положение МК в составе рынка оценивается следующими тремя компонентами:

• работоспособность — соответствие всех показателей МК нормам технических условий;

• надежность — сохранение работоспособности на отрезке времени эксплуатации;

• стоимость закупки.

Работоспособность и уровень надежности МК в предусмотренных условиях эксплуатации гарантируются производителем при поступлении МК на рынок. Однако при проектировании или модернизации аппаратуры упомянутые условия могут не соблюдаться из-за специфики применения МК.

Особенности применения могут оказаться причиной роста числа характерных для МК-явлений — сбоев (некатастрофических отказов). Современные программные средства позволяют при сбое обнаружить, а иногда и исправить дефектный фрагмент цифровой последовательности. Тем не менее, задача проверки работоспособности МК в аппаратуре не снимается. В работе «Малые выборки при оценке работоспособности и надежности электронных компонентов» [1] предлагается для числовой оценки работоспособности использовать подсчет числа сбоев за определенное время.

Эта операция может быть реализована программно. В отличие от гарантированных рыночных показателей при такой оценке:

• рассматриваются только некатастрофические отказы — сбои;

• предполагается возможность предварительной закупки малого количества МК для испытаний в аппаратуре;

• уровень работоспособности оценивается по числу сбоев на сравнительно коротком времени испытаний в штатном режиме работы аппаратуры;

• понятие «надежность» заменяется на «длительная работоспособность», определяемая как работоспособность в ускоренном режиме работы аппаратуры.

Модель работоспособности

Отметим некоторые особенности используемой модели работоспособности: независимой единицей информации считается фрейм; сбой ликвидируется заменой фрейма.

Если в условиях применения число фреймов, передаваемых в единицу времени, меньше или равно средней частоте повторения сбоев, то МК считается неработоспособным.

Если число фреймов, передаваемых в единицу времени, много больше средней частоты повторения сбоев, то сбои практически не влияют на работоспособность. Если порядки упомянутых частот близки, то происходит снижение работоспособности, что выражается в потере быстродействия аппаратуры. Процесс возникновения сбоев может быть стационарен. Тогда распределение времени между сбоями экспоненциальное с показателем, не зависящим от времени.

Может, однако, возникнуть и нестационарность, но не наличие последействия, так как восстановление производится полным обновлением фрейма. Тогда, в зависимости от времени, показатель экспоненты изменяется, и для описания процесса целесообразно использовать модель, обобщающую экспоненциальную, с показателем зависящим от времени.

Следствия:

• закупку МК при создании новой или модернизации старой аппаратуры следует производить в два этапа (на первом этапе производится контрольная закупка малого числа МК);

• обработку результатов испытаний на первом этапе целесообразно производить, применяя модель, обобщающую экспоненциальную.

Проведение испытаний

Стационарность подтверждается непосредственно в процессе испытаний. Если в результате испытаний обнаружена стационарность, то экспериментальная интенсивность сбоев оценивается так:

где n — число сбоев, EDH (Equivalent Device Hours) есть произведение N х H х At, где N — число образцов аппаратуры, H — время испытаний, At — коэффициент ускорения.

В нестационарном варианте оцениваются

Здесь n_i — число сбоев в момент t_i, n_j — в момент t_j, (EDH)i_j — время, эквивалентное (t_j – t_i). Обычным является n_ij = 1, а (t_j – t_i) — случайная величина.

Подробности дальнейшей обработки результатов испытаний, сводящейся к определению вероятности замены фреймов, выходят за рамки данной статьи.

Сбои могут быть программными и аппаратными – имеются в виду – аппаратные.

Решение закупки

Пусть первый этап подтвердил целесообразность серийной закупки. Тогда основным показателем для принятия решения становится объединенный критерий надежности (а не длительной работоспособности) и стоимости. Такие критерии пока разработаны в недостаточной степени. Одним из немногих является FIT (Failure in Time) [2].

где p — вероятность появления катастрофического отказа, N — число образцов, поставленных на испытания, a — уровень значимости, m=2-n+2 — число степеней свободы.

FIT только косвенно связан со стоимостью. Чем больше FIT, тем менее точна гарантия надежности. Естественно, стоимость такой продукции должна быть ниже. Пользуясь FIT, будем учитывать сказанное.

База данных

Изложив методологию проверки избранного МК для определенных условий применения, перейдем к организации базы данных (БД), отвечающей намеченному плану поэтапного выбора МК.

Свойства БД могут рассматриваться как характеристики сложной системы — рынка. Содержательно отношения в системе «рынок» должны отражать категории:

• класс изделия по назначению (Кл);

• гарантию работоспособности — параметры МК (П);

• групповой состав производителей МК — фирма, компания, корпорация и т. д. (Ф);

• технологию изготовления (Т);

• конструктивные особенности — корпусировка, расположение контактов и т. д. (К);

• уровень надежности в серийном выпуске — FIT или непосредственно результаты испытаний (Н);

• стоимость — оптовую или розничную (С).

При большом числе требований, предъявляемых со стороны потребителя, целесообразно построение рыночных отношений в форме принадлежностей к определенным группировкам.

Рассмотрим декомпозицию рынка как метод последовательного выбора МК. Будем стремиться сохранять способность к декомпозиции рынка от исходных требований потребителя до выбора конкретных МК. Каждое из требований покупателя есть в свою очередь отношение принадлежности МК к определенной категории, объединяющей допустимую для покупателя продукцию рынка, как-то: параметры, фирма и т. д. Покупатель, выступая как эксперт, строит ряд предпочтений, выполненный в виде частных отношений допустимости, например:

Если такой ряд удается построить, то способ решения задачи выбора МК становится прозрачным и выполняется следующим образом:

1. Декомпозиция

Слева направо в ряду (4) последовательно выделяются частные допустимые подмножества. При этом, как правило, элементы подмножества не равноценны. Можно указать наилучший вариант и меру отклонения от него (рис. 1).

2. Синтез

Начиная с правого конца ряда (4) производится выбор МК. Наилучшие решения в процессе выбора справа налево обычно бывают противоречивы. Приходится отказываться от них и удовлетворять весь ряд предпочтений с наименьшими потерями по принятой на шагах декомпозиции мере отклонения. Иногда удается выполнить оценку выбора МК по единой мере более чем одной категории. Таким является, в частности, FIT.

Возможны случаи, когда покупатель не может полностью построить ряд (4). Пусть, например, только работоспособность (П) и стоимость (С) находятся в отношении предпочтения, тогда:

Здесь ~ — знак нетранзитивности. Порядок записи Ф, Т, К, Н, Кл безразличен.

Для выполнения соотношения (5) при декомпозиции удобно вначале применить к ряду (4) подстановку. Перенумеруем в произвольном порядке частные отношения. Воспользуемся нумерацией, проставленной в ряду (4). Тогда подстановка выделяет два независимых цикла, в которых несущественен порядок записи номеров:

Цикл {2, 7} подлежит декомпозиции согласно правилу А. Выполнив условия оптимальности для П (например, минимальные отклонения параметров от номинала), найдем вариант наименьшей стоимости в подмножестве С. Выбор Ф, Т, К, Н, Кл ставится в зависимости от решения {П, С}, определяющего единое подмножество, допустимое для всего второго цикла.

Рассмотренный пример — простейший. Реально может иметь место выделение нескольких циклов и предпочтений между ними. В любом случае подстановки дают единый подход к алгоритмизации.

Рабочая БД

Первоначальным шагом в разработке базы данных было построение концептуальной модели (рис. 2). Такая модель представляет собой компьютерное отображение категорий реального мира в виде объектов (МК, технология изготовления, класс изделия по назначению), обладающих атрибутами (характеристики объектов — названия, значения, пояснения) и находящихся в некоторых отношениях (связи между объектами, например, фирма разрабатывает МК по технологии). Данный шаг обоснован тем, что графический подход сильно повышает вероятность получения точных моделей по сравнению с текстовым подходом реляционного моделирования.

Следующим шагом было преобразование концептуальной модели в реляционную. Причина выбора реляционной модели базы данных проста. Такая модель поддерживает все логические отношения между данными, и логический доступ к данным не зависит от физической реализации.

Полученная модель БД спроектирована как система управления базами данных (СУБД) для небольших компаний, так как такие СУБД обладают надежностью, отсутствием необходимости в выделенном сервере и функциональностью.

Дальнейший этап в разработке БД — реализация полученной модели в приложении MS Access 2000. Такой выбор обусловлен:

• удобством и легкостью создания приложений на основе MS Access 2000;

• не требуется особых затрат на разработку;

• наличием развитых средств администрирования;

• поддержкой технологии COM (программист может использовать средства других разработчиков, не имея в наличии исходных кодов);

• наличием возможности экспорта и импорта в любой источник ODBC (прикладного программного интерфейса универсального доступа к БД);

• высокой степенью интеграции с другими СУБД и офисными приложениями;

• представлением данных как в стандартном для офисных приложений виде, так и в формате HTML.

Полученную БД можно представить в виде неориентированного графа (рис. 3), вершины которого — таблицы.

Все вершины составлялись с учетом изложенного в пп. 1–6 принципа объединения категорий с возможностью построения полного — типа (4) — или частичного — типа (5) — ряда предпочтений покупателем. Часть вершин (1–8) несут информацию по той или иной категории, а оставшиеся являются атрибутами категорий или дополнительными таблицами, обусловленными правилами построения базы данных на этапе реляционного моделирования.

Вершина 1 отвечает категории МК (микроконтроллеры), вершина 2 — категории Ф (фирмы-производители), вершина 3 — категории Т (технологии изготовления), вершина 4 — категории Кл (классы изделий по назначению), вершина 5 — категории К (типы корпусов), вершина 6 — категории Н (результаты испытаний), вершина 7 — категории И (испытания), вершина 8 — категории С (стоимость). Ребра графа имеют смысл отношений категорий.

Пример поиска МК по заданному условию

Критерии выбора МК выбираются покупателем, то есть строится ряд предпочтений (4). Однако для выбора МК, как отмечалось, не всегда используются все категории (5). Гарантия работоспособности МК (соответствие заданным техническим характеристикам) обязательно учитывается при выборе микроконтроллера, иначе теряется смысл поиска МК для уже установленных технических решений. Поэтому критерий П выполняется самим появлением МК на рынке.

Поставим задачу — выбрать МК, удовлетворяющий условиям:

1. критерий надежности FIT не больше 10 (FIT<n, где n=10);

2. стоимость C < Cn;

3. класс изделия по назначению — Flashmemory.

Построим ряд предпочтений:

Используя нумерацию ряда (4) выделяем интересующий нас цикл {6, 1, 7, 3} > {1, 3, 6, 7}. Полученный цикл запишем в виде: {фирмы, назначение: Flash, FIT<n, C<Cn}. В примере рассмотрим компоненты только следующих фирм: ADI, Atmel Corp., Micron и Zilog.

Выбирая МК по классу назначения Flash, получаем табл. 1 (информация предоставлена производителями).

Таблица 1. Выбранные МК

Фирма	Испытания	FIT	Микроконтроллер
ADI	Life Test 60%, 55 °C, 0.7eV	6	AD600, AD602, AD640, AD674, AD834
ATMEL	Life 60%, 125–150 °C, 0.7eV	6	все МК
Micron	High Temperature Operating Life 60%, 125 C, 0.3eV	50	4Mb Smart Voltage
ZiLOG	Long-Term Life Test 60%, 55 °C, 0.7eV	10	все МК

Большой FIT у продукции фирмы Micron объясняется малым объемом выборки — 432 микроконтроллера. В данном примере, согласно табл. 1, наиболее привлекательными с точки зрения эксперта-покупателя являются микроконтроллеры фирмы Atmel.

Заключительный шаг: выбираем МК, используя категорию стоимости в следующем порядке: Atmel, ADI, Zilog, Micron, согласно правилу синтеза 6Б.

Вследствие динамики цен, а также наличия или отсутствия на рынке в достаточном объеме требуемых микроконтроллеров, выбор МК варьируется с течением времени.

Итак, выбор МК произведен по установленным покупателем критериям: ряд фирм, выбранный класс назначения, требуемый уровень надежности и минимальная стоимость.

Литература

1. Гусев А. В., Лидский Э. А., Мироненко О. В. Малые выборки при оценке работоспособности и надежности электронных компонентов. Часть II. // Chip news — Инженерная микроэлектроника. 2002. No 3.

2. MTTF and FIT Rate Calculations. ADI Quality Systems. Corporate Information.