3.3.2. Стратегии проектирования

Пакет MAX+PLUS II позволяет реализовать как стратегию восходя­ щего проектирования, так и нисходящего. И та и другая стратегии подра­ зумевают использование поведенческих и структурных описаний модулей. При структурном описании модуль представляется в виде совокупности взаимосвязанных компонентов более низкого уровня в иерархии описаний. При поведенческом же описании задается алгоритм работы модуля.

Восходящее проектирование применимо в том случае, когда для соз­ даваемого устройства имеется детальное структурное описание (обычно принципиальная схема на микросхемах средней степени интеграции), вы­ полненное на элементном базисе, отличном от имеющегося в распоряже­ нии разработчика СБИС.

При этом разработчик решает следующие задачи:

-создание функциональных аналогов элементов, использованных в заданном структурном описании;

-отладка созданных компонентов;

-сборка созданных компонентов в единый модуль;

-моделирование и отладка устройств в целом.

Таким образом, в процессе проектирования разработчик сначала соз­ дает модули нижнего уровня в иерархии описаний, а затем модуль верхне­ го уровня. Отсюда и название стратегии проектирования.

Стратегия нисходящего проектирования применяется в том случае, когда задан алгоритм работы (поведенческое описание) создаваемого уст­ ройства и набор системных требований (максимальная тактовая частота работы, задержка распространения сигналов от входов до выходов, по­ требление энергии, стоимость и т.д.). При этом поведенческое описание может быть Как формализованным (блок-схема алгоритма, граф, таблица переходов и выходов и т.д.), так и неформализованным (словесное описа­ ние). Реализация нисходящего проектирования базируется на итерацион­ ном выполнении структурной декомпозиции.

Упрощенно, ориентируясь на возможности пакета MAX+PLUS II, процедура нисходящего проектирования выглядит следующим образом:

-разрабатывается архитектура СБИС. Исходное поведенческое описа­ ние преобразуется в структурное, элементами которого являются архитектурные блоки;

-архитектурные блоки либо описываются на поведенческом уровне (например с помощью языка VHDL), либо осуществляется их струк­ турная декомпозиция и создается структурное описание, элементами которого являются функциональные модули;

-далее Процедура итерационно повторяется до тех пор, пока все функциональные модули не будут описаны на поведенческом уров­ не;

-после этого осуществляется функциональное моделирование моду­ лей, имеющих поведенческие описания;

-далее - функциональное моделирование модулей, имеющих струк­ турное описание (модули, имеющие поведенческое описание, входят в них как компоненты);

-далее - моделирование и отладка устройства в целом.

Таким образом, в процессе проектирования разработчик опускается с верхнего уровня иерархии описаний, уровня СБИС, к нижним уровням. Отсюда и название стратегии проектирования.

Стратегия нисходящего проектирования при прочих равных услови­ ях (квалификация разработчика, используемые средства проектирования) имеет безусловные преимущества как по временным затратам на разработ­ ку, так и по качеству проработки проекта. Так, например, ее использование позволяет распараллелить работу на уровне архитектурных и функцио­ нальных модулей, легко локализовать источник ошибки в работе модуля или устройства в целом, быстро внести изменения в алгоритм работы мо­ дуля на любой стадии проектирования. Поэтому, если это возможно, пред­ почтение следует отдавать именно такому подходу к проектированию.

Однако независимо от выбранной стратегии проектирования для за­ дания структур и алгоритмов работы модулей целесообразно использовать текстовое описание, созданное на языке VHDL.

4. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Рассмотрим основные понятия, определения и принципы, связанные с объектом проектирования.

4.1. Система передачи данных

Структурно на высшем уровне абстракции любую систему передачи данных (СПД) можно разбить на ряд блоков (рис. 4.1):

-ИИ - источник информации генерирует сообщения;

-Прд - передатчик, который преобразует информационные сообще­ ния в сигнал, пригодный для передачи на расстояние в конкретной физической среде;

-КС - канал связи, т.е. физическая среда, в которой передается сиг­ нал. В канале связи присутствуют различные помехи, искажающие передаваемый сигнал;

-Прм - приемник, который принимает сигнал из канала связи и рас­ познает переданное сообщение;

-ПИ - получатель (потребитель) информации (регистрирующее уст­ ройство, абонент, и т.д.).

Рис. 4.1. Структурная схема СПД

Блоки, осуществляющие непосредственно передачу сообщений от источника к потребителю (Прд, КС и Прм), принято выделять в отдельную подсистему - канал передачи данных (КПД).

4.1.1. Система телеизмерений (ТИ) и телесигнализации (ТС)

Рассмотрим в общем виде типовую систему телеизмерения и телесигнализации (рис. 4.2). На контролируемом пункте (КП) имеется удален­ ный объект управления, на котором установлены датчики (Д), измеряющие

ОУ -► д .

Рис. 4.2. Система ТИ и ТС как СПД

значения ряда физических параметров объекта или сигнализирующие об авариях и других событиях. Измерители выдают цифровой код (отсчеты), а датчики сигнализации - биты информации («авария» = «1», «норма» = = «0»), которые также группируются в сообщения. Датчики опрашиваются с заданной частотой, и отсчеты посредством КПД передаются в пункт управления (ПУ), где распределяются и поступают на соответствующие устройства индикации (И) и регистрации (Р). В данном случае КП можно рассматривать как многоканальный источник информации, а ПУ - как многоканальный потребитель информации.

4.1.2. КПД системы ТИ и ТС

Рис. 4.3. Структура КПД системы ТИ и ТС

Рассмотрим подробнее структуру КПД многоканальной системы ТИ и ТС.

Передатчик содержит:

-подсистему сбора информации (ПССИ) - оборудование группообразования, которое производит опрос датчиков (отдельных источников информации) согласно установленной дисциплине обслуживания и формирует групповой сигнал;

-кодер помехоустойчивого кода (КПК), который добавляет к переда­ ваемым сообщениям избыточные символы для обеспечения помехо­ устойчивой передачи;

-канальный кодер (КК), который производит логическое и физиче­

ское кодирование, преобразующее цифровой сигнал в сигнал, пере­ даваемый в канале связи.

Приемник содержит:

-канальный декодер (КДК), преобразующий принятый сигнал из ка­ нала связи в цифровую последовательность;

-декодер помехоустойчивого кода (КДПК), который обеспечивает обнаружение и (или) исправление ошибок в принятом сообщении, возникших из-за помехи в канале связи;

-подсистему распределения информации (ПСРИ) - оборудование группообразования, которое выделяет из принятого группового циф­ рового сигнала сообщения отдельных источников и направляет их к соответствующим потребителям информации.

Таким образом, КПД системы ТИ и ТС содержит цифровое оборудо­ вание, которое не зависит от конкретной среды передачи, и оборудование, согласующее передаваемый сигнал с каналом связи.

В приведенной структуре выделим цифровой передатчик (ЦПрд), цифровой приемник (ЦПрм) и цифровой канал связи (ЦКС), что позволяет в дальнейшем рассматривать приемник и передатчик как объекты проек­ тирования, не привязываясь к конкретной среде передачи и ограничиться цифровой схемотехникой на базе ПЛИС.

При этом цифровой канал связи представляет собой маску, которая инвертирует передаваемый бит информации с вероятностью, равной веро­ ятности ошибки на символ. Будем также полагать, что канал симметрич­ ный и ошибки независимы.

4.1.3. Технические характеристики КПД системы ТИ и ТС

Основными техническими характеристиками КПД системы ТИ и ТС являются:

-скорость передачи информации (бит/с) - количество бит полезной информации, передаваемой в единицу времени. Рассчитывается со­ гласно теореме Котельникова для восстановления измеренного сиг­ нала на приемной стороне;

-скорость передачи в канале связи (бит/с) - скорость изменения ма­ нипулированного параметра сигнала в канале связи. Ограничивается сверху полосой пропускания канала, снизу - минимальной допусти­ мой частотой опроса источников информации. Скорость передачи информации и скорость в канале связи могут не совпадать из-за до­ бавления избыточных символов при помехоустойчивом кодирова­ нии, применения многоуровневых кодов при цифровой передаче, и т.д.;

-надежность - вероятность передачи информации в заданных услови­ ях с заданной скоростью и точностью в течение заданного периода времени. Одним из методов повышения точности передачи, а следо­ вательно, и надежности системы в целом, является внесение избы­ точности в передаваемую информацию.

Величина синтаксической избыточности сообщения определяется как Лабе = Уд - Уол, где Уд - длина передаваемого закодированного сообще­ ния, Уод - минимально необходимая длина сообщения для передачи задан­ ного количества информации.

Для системы ТИ и ТС Лабс определяется используемым помехоустой­ чивым кодом, позволяющим обнаруживать и исправлять битовые ошибки определенной кратности для обеспечения заданной вероятности правиль­ ной передачи сообщения при данной вероятности ошибки на символ из-за помехи в канале связи.

4.2. Помехоустойчивое кодирование в КПД системы ТИ и ТС

Для помехоустойчивой передачи данных используют групповые ко­ ды, при этом по исходным информационным символам сообщения вычис­ ляются избыточные символы, которые при анализе на приемной стороне позволяют обнаружить и (или) исправить битовые ошибки, кратность ко­ торых определяется мощностью кода.

4.2.1.Циклические систематические коды (ЦСК)

Воснове циклических кодов лежит двоичная алгебра полиномов, для которой определены арифметические операции сложения, вычитания, ум­ ножения, деления и сравнения по модулю, например:

Сложение (по модулю два):

1 + 1=0; х' + х' =*'(1 + 1) = х1• 0 = 0;

(1 + х + х3) + (1 + х + х1) = 1 + 1 + х + х + х2 + х3= х2+ хг

Вычитание:

х ! - x J = х 1+ х ; (0 -1) = х; + х у(1 + 1-1) = х/ + х у

Умножение:

(1 + х)(1 + х + х2) = 1 + х + х2 + х + х2 + х3 = I + *3

Деление:

X 5 + X 2 + 1 X3 + X 2 + 1

х 5 + х 4 + х 2 х2 + Х + 1

х 4 +1

X4 + X3 + X

X3 + X + 1

Сравнение:

1 + x2 + x 5 sjc + x2(mod(l + x2 + x3)), где (x + x2) - вычет (остаток), (14x2 + x3) - модуль; />(х)(х"-1) = 0(mod(x2 -l));

1 + 1=0.

Пусть Уц - циклическое двоичное векторное пространство, замкну­ тое относительно операции суммы по модулю два и циклического сдвига

Пусть полином g(x) таков, что

хи - l = g (x )/i(x )o x " -1 = 0(modg(x)), h(x) = h0 + ... + /7mxm, n = m + к,

тогда вектором циклического кода длины п в алгебре A(mod(xn - 1),2) бу­ дет являться полином, разложенный в базисе {0,g(x),xg(x),...,xm_1g(x)}, т.е. полином степени меньше п, делящийся без остатка Hag(x):

Кодер строится на базе РЛЛОС с вынесенными сумматорами (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Структурная схема кодера (15,10,4) по h(x)

Пример. Для кода (15,10,4) проверочный полином:

h(x) = (х15 -1 ) / g '(х) = х 10+ х9 + X s + х 6+ х 5+ х 24-1.

*,4+ *12+;с10+1

д;13 + дс12 + дсп + *10 +х9+1

Х" + Х” +Х">+Х'

JC11+х9+ДС8 +1

д:10 +дг9 + дгб +1

х ]0 +х9 +х7 +х5

д:7 + дсб + дг5 +1

х1+ дг6 +д:4 +дг2

д:5 Н- л:4 + дг2 +1

0

Во время кодирования Y = 0 первые т тактов (загрузка сдвигового регистра) и Y= 1 последующие п тактов (непосредственно кодирование).

На рис. 4.8 приведена временная диаграмма моделирования работы кодера (15, 10, 4) при U=(1010101010).