2.2.2.1.13 Моделирование

Моделирование представляется наиболее сложной подсистемой среды разработки. Именно на уровне моделирования во многом определяются ограничения на поддерживаемые архитектуры устройств. Микроконтроллер является цифровой микросхемой, то есть работает с логическими сигналами, однако в большинстве микроконтроллеров есть модули аналого-цифрового преобразования (АЦП) и цифро-аналогового преобразования (ЦАП), позволяющие преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой и соответственно обратно.

На данный момент на рынке средств моделирования микроконтроллеров существуют в основном два типа систем:

1) отдельное приложение-симулятор позволяет смоделировать работу бинарного образа программы;

2) симулятор встроен в интегрированную среду разработки.

Ключевым недостатком первого рода программ (к таким относится, например, популярный цифровой симулятор Proteus [48]) является отсутствие возможностей интегрированной среды разработки, что не позволяет отлаживать программу на исходном языке (отладка программы, скомпилированной в машинный код в таком симуляторе возможна, но не имеет большого смысла).

Симуляторы, встроенные в интегрированные среды разработки, обычно являются закрытыми, что не позволяет использовать их в рамках разрабатываемой системы (в приведенном обзоре аналогов все среды, имеющие симуляторы, не предоставляют возможности использовать их как отдельные компоненты).

Поскольку разработка инструменты цифрового моделирования (а тем более аналогового) представляется чрезвычайно трудоемкой по ресурсам задачей, принято решение сделать инструмент функционального моделирования, то есть упрощенного моделирования, необходимого для отладки программы и не производящего моделирования работы блоков микроконтроллера на уровне аппаратуры.

2.2.2.1.14 Концепция параметризированных сигналов

В качестве упрощения моделирования различных форм сигналов принято решение использовать параметризированные сигналы, несущие информацию о своей форме в виде числовых параметров. Все множество возможных сигналов в системе делится на следующие заранее предустановленные типы (все сигналы, безусловно, дискректизированы по времени):

- логический сигнал (дискретизированный по уровням 1 и 0);

- сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

- сигналы интерфейсов (SPI, UART, TWI / I2C и т. д.);

- непрерывный сигнал по значению (для представления аналоговых сигналов).

Таким образом, дискретизация всех сигналов во времени означает, что тип сигнала и его параметры не могут меняться чаще, чем период дискретизации сигналов в системе. Однако это не означает, что в системе не могут представляться непрерывные по значению и времени сигналы. Для представления аналоговых сигналов (согласно разложению в ряд Фурье) будет использоваться смесь гармонических сигналов, в качестве параметров которого будут выступать амплитуда, частота и фаза. Как известно, с помощью наборов таких гармоник можно теоретически представить любой сигнал. Ограничением системы на форму сигнала в данном случае выступает невозможность изменения параметров гармоники чаще, чем период дискретизации.

Сигналы в системе могут передаваться между следующими парами объектов:

1) между блоком устройства и выводами этого устройства;

2) между разными выводами устройств.

Для возможности передачи сигнала между парами объектов необходимо проведение между ними соединения на схеме оборудования. По одной соединительной связи в определенный момент времени может проходить сигнал только одного определенного типа с определенными параметрами или не быть сигнала. Если со стороны отправителя был отправлен сигнал определенного типа, а принимающая сторона сигнал такого типа не способна принимать, то подсистема моделирования должна проинформировать об этой ошибке пользователя (предупреждение в консоли ошибок). Считается, что время доставки сигнала от отправителя к получателю занимает один такт работы системы моделирования (такт равен периоду дискретизации сигналов).