1. ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ

І ПРИСТРОЇВ НА МІКРОКОНТРОЛЕРАХ

1.1. Формалізація проектування МК-систем і пристроїв

1.1.1. Блоково-ієрархічний підхід

При проектуванні мікроконтролерних пристроїв (МКП) або систем (МКС) можна використати блоково-ієрархічний підхід, при якому уявлення про МКП або МКС, що проектуються, розчленовуються на ієрархічні рівні [1]. На вищому рівні використовується найменш деталізоване уявлення, що відображає лише тільки загальні риси і особливості системи, що проектується. На наступних рівнях ступінь подробиці розгляду зростає, при цьому система розглядається не загалом, а окремими блоками. Такий підхід дозволяє на кожному рівні формулювати і вирішувати задачі допустимої складності, що піддаються усвідомленню й розумінню людиною та рішенню за допомогою доступних засобів проектування. Переваги такого підходу полягають в тому, що складна задача великої розмірності розбивається на групи задач малої розмірності, що послідовно вирішуються, причому всередині груп різні задачі можуть вирішуватися паралельно. Так загальна задача (ЗЗ) для МКП або МКС може бути розбита на ряд глобальних задач (ГЗ), що розташовуються на наступному (за загальною задачею) рівні ієрархії (рис. 1.1) такому, наприклад, як:

– організація взаємодії мікроконтролера (МК) з об'єктом керування

(ввід-вивід даних);

– обробка даних;

– організація зв'язку з оператором (задання режимів роботи, відобра-

ження результатів і т.п.);

– організація зв'язку між окремими МК в МКП або МКС;

– організація зв'язку з ЕОМ більш високого рівня, ніж МКП.

Кожну глобальну задачу можна розбити на ряд задач малої розмірності (ЗМР), які вирішуються на наступному рівні ієрархії. У свою чергу будь-яку задачу малої розмірності можна розбити на ряд найпростіших задач (НЗ), що вирішуються на самому низькому рівні ієрархії. Таким чином, горизонтальні ієрархічні рівні проектування представляють собою рівні опису об'єктів, що відрізняються ступенем подробиці відображення властивостей об'єкта. На всіх горизонтальних рівнях є групи задач, які пов'язані з проектуванням схем, програм, конструкцій і технологій. Ці групи задач називаються аспектами або вертикальними рівнями проектування. Відрізняють такі аспекти, як: функціональний, алгоритмічний (програмний), конструкторський і технологічний (табл. 1.1).

– 1- й рівень

– 2- й рівень

– 3- й рівень

– 4- й рівень

Рис. 1.1. Рівні ієрархії при блоково-ієрархічному підході

У функціональному і алгоритмічному аспектах можна виділити наступні рівні проектування:

1. Постановка задачі.

2. Системний (структурний) і архітектурний.

3. Функціонально-логічний і програмний.

4. Схемотехнічний і мікропрограмний.

Вихідною інформацією для системного і архітектурного рівнів проектування МКП і МКС є: закони їх функціонування, задані у вигляді аналітичних співвідношень перетворення вхідної інформації; набір схем алгоритмів виконання основних функцій МКП і МКС, що реалізовуються апаратним і програмним шляхом; критерії оптимальності та набір обмежень на параметри МКП і МКС, що розробляються.

Розглянемо основні задачі, що вирішуються в функціональному і алгоритмічному аспектах на різних рівнях проектування МКП і МКС.

Основними задачами системного і архітектурного рівнів є:

– визначення принципів організації МКП і МКС;

– розробка структурної схеми, тобто визначення складу пристроїв і способів їх взаємодії в процесі функціонування;

– вибір однокристальних мікроконтролерів (ОМК) та інших апаратних засобів;

– уточнення функцій МКП і МКС, що реалізовуються, а також поділ на функції, що реалізовуються апаратним і програмним шляхами;

– розробка детальних блок-схем алгоритмів програм і визначення форматів даних;

– визначення вимог до параметрів пристроїв і формування технічних завдань (ТЗ) на розробку окремих блоків МКП і МКС.

Таблиця 1.1

Рівні та аспекти проектування мкс

Рівні	Аспекти
	Функціональ-ний	Алгоритмічний	Конструкторсь-кий	Технологічний
1	Постановка задач	Розробка закону функціонування МКС. Проектування схем алгоритмів	–	–
2	Системний (структурний)	Архітектурний (машинний)	Стояк, панель	Розробка принципової схеми технологічно-го процесу
3	Функціонально-логічний	Програмування модулів	ТЕЗ, модуль	Розробка маршрутів технологічно-го процесу
4	Схемотехніч-ний Компонентний	Мікропрограм-ний	Кристал інтегральної мікросхеми	Проектування технологічних операцій

Основні задачі функціонально-логічного і програмного рівнів:

– деталізація функцій, що виконуються кожним блоком і пристроєм;

– розробка функціональних і принципових схем всіх пристроїв;

– алгоритмічна реалізація функцій, що виконуються програмним шля-

хом, і представлення алгоритмів на одній з прийнятих алгоритмічних мов або Асемблері;

– синтез контролюючих і діагностичних тестів.

На схемотехнічному і мікропрограмному рівнях розробляються принципові схеми та найпростіші програмні модулі, здійснюється запис робочих програм в постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП) ОМК.

Конструкторський аспект включає в себе ієрархічні рівні проектування стояків, панелей, типових елементів заміни (ТЕЗів), модулів і кристалів (чипів) інтегральних мікросхем.

Технологічний аспект включає в себе ієрархічні рівні визначення принципової схеми технологічного процесу, тобто складу і послідовності етапів виготовлення МКС, розробки маршрутів технологічних процесів, визначення складу і послідовності операцій, вибір баз і групи технологічного обладнання, проектування технологічних операцій.

Блоково-ієрархічний підхід, розглянутий вище, дозволяє досить просто розподілити, у разі необхідності, інтелект пристроїв або систем між декількома мікроконтролерами. При цьому кожну глобальну задачу або навіть задачу меншої розмірності можна "доручити" вирішувати окремому мікроконтролеру. Очевидно, що в цьому випадку неминуче виникає задача організації хороших інтерфейсних зв'язків як між окремими ОМК і МКП, так і між МКП і ЕОМ, що знаходяться на більш високому рівні ієрархії в МКС (наприклад, в локальних керуючих мережах на основі ОМК). Причому, для зв'язку ОМК в межах одного МКП доцільно використати більш прості (нестандартні) інтерфейси. Стандартні ж інтерфейси типу I2C або RS-232 краще використовувати для обміну даними між МКП або МКП і ЕОМ в межах однієї МКС.

На кожному із рівнів, що розглядаються, розробнику доводиться вирішувати задачі синтезу і аналізу. Метою задачі синтезу є отримання конкретних варіантів апаратури, що проектується, а метою задачі аналізу – вивчення властивостей варіантів апаратури та їх оцінка.

Відрізняють структурний і параметричний синтез. Мета структурного синтезу – отримання структури пристрою, тобто складу елементів і способу зв'язку їх між собою. Задачу вибору оптимальної структури називають структурною оптимізацією. Мета параметричного синтезу – визначення числових значень параметрів елементів і пристроїв, причому задачу отримання оптимальних значень параметрів називають параметричною оптимізацією.

При вирішенні задач аналізу використовують моделі системи, що проектується. Відрізняють фізичні та математичні моделі. Фізичними моделями є різного роду макети, стенди. Математична модель – це сукупність математичних об'єктів (чисел, змінних, векторів, множин і т.п.) та відношення між ними, яка адекватно відображає властивості об'єкта, що проектується. Математичні моделі можуть бути функціональними, якщо вони відображають фізичні або інформаційні процеси, які протікають в об'єкті, що моделюється, і структурними, якщо вони відображають тільки структурні (в тому числі й геометричні) властивості об'єктів.

Функціональні моделі, як правило, задаються у вигляді аналітичних співвідношень, а структурні – у вигляді графів і матриць. При проектуванні МКС, розробці та відлагодженні програм функціонування МКП широко використовують функціональні моделі роботи МКП, що реалізовуються на ЕОМ.