Последовательность разработки ИУС

Разработку автоматизированных информационно-управляющих систем осуществляют в соответствии с техническим заданием.

Техническое задание на разработку АИУС должно включать в себя:

-цель разработки и назначение системы;

-технические требования;

-требования к стандартизации и унификации;

-технико-экономические показатели;

-эргономические требования;

-порядок разработки и испытаний системы.

В свою очередь, технические требования включают в себя требования:

-функциональные;

-технические, по составу системы;

-к конструкции и технологичности;

-к сырью, исходным материалам и покупным изделиям;

-к надежности;

-эксплуатационные и ремонтные;

-к упаковке, хранению и транспортировке.

К функциональным требованиям относят, например:

-порядок и способы взаимодействия ИУС с сопрягаемыми объектами;

-показатели, определяющие эффективность ИУС (точность вычислений, время готовности к работе и др.);

-электромагнитную совместимость;

-расход электроэнергии;

-некоторые специфические эксплуатационные (например, пылевые и др.) и т.д.

Основными т е х н и ч е с к и м и п а р а м е т р а м и при разработке ИУС, как правило, служат:

-разрядность и форма представления информации (фиксированная или (и) плавающая точка);

-разрядность и форматы команд;

-состав и число команд (либо требование унификации системы команд);

-время выполнения отдельных команд или производительность на смеси команд;

-информационный объем ЗУ (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ в отдельности);

-возможности по наращиванию информационной емкости ЗУ;

-номенклатура датчиков входной информации и параметры входных сигналов;

-требования к устройствам вывода и индикации информации;

-архитектура (структура аппаратных средств, формат и система команд);

-число уровней прерывания, система прерываний;

-особенности системного программного обеспечения;

-требования к встроенному контролю;

-уровень реконфигурации аппаратных средств;

-организация интерфейсов (магистральная, радиальная, древовидная, радиально-магистральная) и физические длины линии связи между устройствами системы;

-скорость передачи информации и протоколы обмена информацией по внешним интерфейсам;

-схемотехнические особенности интерфейсов (типы линий связи, логические уровни передаваемых сигналов, входные и выходные сопротивления, гальваническая развязка и т.п.);

-параметры первичных источников питания (номиналы напряжений, допуски на изменения, допуски на уровень помех).

Технические требования должны включать в себя следующие конструктивные и технологические требования:

-к габаритным, установочным и присоединительным размерам, способам крепления элементов ИУС на объекте;

-ограничения по массе;

-ограничения по виду исполнения (блочное, моноблочное);

-доступ ко всем элементам системы в рабочем и нерабочем состояниях;

-по средствам защиты от климатических, механических и других факторов воздействия;

-по обеспечению безопасности при эксплуатации;

-по применению прогрессивных технологических процессов;

-по обеспечению взаимозаменяемости в условиях производства,

эксплуатации и ремонта;

-к виду и составу ЗИПа и поверочных средств.

Надежностные показатели в зависимости от особенностей использования ИУС чаще всего задаются:

-вероятностью безотказной работы в течение некоторого интервала времени;

-временем наработки на отказ;

-функцией и коэффициентом готовности;

-средним временем работы между отказами;

-средним временем восстановления.

Эксплуатационные требования , как правило, характеризуются: -комплексом климатических, механических и других факторов воздействия;

-устойчивостью к влиянию внешних физических полей.

Кроме того, технические требования могут включать в себя специальные требования, например, к патентной чистоте, к контролю ИУС (ручной, автоматизированной), к эксплуатации в аварийных ситуациях, к математическому обеспечению.

Последовательность разработки ИУС может быть представлена в виде блок- схемы алгоритма, показанной на рисунке 3.2.1.

Анализ ТЗ на разработку позволяет выявить и обосновать основные требования, предъявляемые к ИУС, и ограничения, накладываемые на основные технические характеристики.

К требованиям, предъявляемым к ИУС, относятся:

-количество и типы входных и выходных каналов;

-точность обработки информации и выработки выходных величин;

-максимально допустимое время запаздывания выработки информации по каждому каналу.

Перечень ограничений, которые необходимо учитывать при разработке ИУС, связан с принципиально существующими пределами изменений технических характеристик ИУС (если входная информация представлена в виде амплитудного значения напряжения переменного тока частотой 400 Гц, то принципиальная граница времени обновления данных составляет 2,5 мс).

Ограничения э к с п л у а т а ц и о н н ы е , связанные с невозможностью применения тех или иных технических решений (например, невозможность использования перфорированных корпусов ; требования установки внешних разъемов по условиям подключения ИУС к конкретному объекту и т.д.)

Т е х н о л о г и ч е с к и е ограничения, связанные с тем, что существующие уровни промышленного производства предприятий - поставщиков комплектующих элементов и предприятия - изготовителя ИУС - не всегда позволяют использовать желаемые, но принципиально невозможные элементы, достижимые технические решения и технологические приемы.

Анализ ТЗ позволяет обосновать требования к каждой составной части системы: ЭВМ, устройству сопряжения с объектом (УСО), пульту управления (ПУ), системам отображения информации (СОИ), программному обеспечению (ПО), вторичным источникам питания (ВИП) и т.д.

В силу взаимовлияния параметров УСО и ЭВМ на окончательные характеристики ИУС в целом на блок - схеме (см.рис.3.1.) представлена только одна, но наиболее важная часть алгоритма их совместной разработки.

При построении ИУС могут использоваться различные типы ЭВМ. Здесь схема алгоритма приводится для случая построения системы на базе средств микропроцессорной техники. Особенностью разработки микропроцессорных ИУС является возможность применения микроЭВМ, серийно выпускаемых промышленностью. Рис. 3.1.

ЭВМ зависит от результата анализа на соответствие ее параметров выработанным требованиям в условиях заданных ограничений. При известных характеристиках микроЭВМ и с учетом предъявленных требований разрабатывается УСО и одновременно - специальное программное обеспечение. Разрабатываются алгоритмы различного целевого назначения, по которым составляются рабочие программы.

Оценочные характеристики УСО и микроЭВМ позволяют сделать вывод о возможности их совместного использования в ИУС.

На каждом этапе взаимной передачи функций осуществляется переработка УСО и специального программного обеспечения с последующей оценкой результатов. Если результат оказывается отрицательным, то выбирают другую микроЭВМ из перечня серийно выпускаемых и все действия повторяют.

При невозможности выбора серийно выпускаемой микроЭВМ возникает проблема разработки специализированной микроЭВМ для данной ИУС. При этом должны быть решены такие основные задачи, как выбор типа микропроцессора, выбор и разработка структуры микроЭВМ.

Проблема выбора типа микропроцессора достаточно хорошо освещена в следующей литературе:

1. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы/ Под ред. В.Б. Смолова. - М.: Радио и связь, 1981 - 303 с.

2. Нестеров П.В. Микропроцессоры. Архитектура и ее оценка/ Под ред. Л.Н.Преснухина. - М.: Высш.шк., 1984. - 284 с.

Решение задачи выбора и разработки структуры микроЭВМ ставит вопрос и о системе команд. Наиболее рациональным, а для систем с преемственностью программного обеспечения ранее разработанных ИУС обязательным является применение стандартной системы команд - системы команд серийно выпускаемых ЭВМ, принятых в качестве базовых, или системы команд разработанных ранее специализированных микроЭВМ для данного класса ИУС. Выбор стандартной системы команд позволяет использовать типовые средства отладки программного обеспечения и приступить к разработке УСО.

Если выбрана специальная система команд, ориентированная на конкретный класс задач, то далее разрабатываются микропрограммы выполнения команд и средства отладки программного обеспечения (различные кросс-средства, оценочные модули и аппаратно-программные отладочные комплексы).

Положительное решение всех указанных вопросов приводит к разработке конструкторской документации, изготовлению макетного образца и проведению лабораторных испытаний с целью определения его соответствия требованиям ТЗ.

Если образец не удовлетворяет требованиям, то решается вопрос о глубине его переработки. В случае больших объемов работ осуществляется возврат к предыдущим этапам, а при малом объеме доработок или при соответствии требованиям ТЗ конкретизируется конструкторская документация и изготовляется опытный образец.

Аналогичные этапы существуют и при разработке пульта управления (ПУ), систем отображения информации (СОИ) и др., однако в силу их большей независимости это процесс, как правило, протекает параллельно разработке УСО и микроЭВМ.

С другой стороны, процесс разработки ИУС как и любой системы обработки информации может быть (условно) разбит на четыре этапа:

- системный;

- структурный;

- логический;

- технический.

Однако функциональная сложность и завершенность БИС микропроцессорных комплектов (МПК), унифицированность интерфейсов и наличие типовых системотехнических решений изменяют содержание и относительную сложность этапов разработки микропроцессорных ИУС. В частности, становится более тесной связь между задачами, решаемыми на системном и структурном этапах. Ряд задач структурного, логического и технического этапов исключается вообще.

На системном этапе анализируются требования к проектируемой ИУС, устанавливается состав устройств ввода - вывода информации, определяется архитектура системы и предварительно решается задача аппаратной или программной реализации выделенных функций. Результатом этапа должны быть укрупненная структурная схема ИУС, номенклатура входных и выходных сигналов, их временные и электрические характеристики. Сложность разработки архитектуры системы состоит в том, что часто приходится исследовать вопросы аппаратной реализации требуемых функций из-за отсутствия в МПК соответствующих БИС. В первую очередь это относится к задачам, где необходимо уменьшить время обработки данных.

На этом же этапе производится выбор средств реализации ИУС - стандартная микроЭВМ или МПК. Это достаточно сложная процедура, при которой необходимо учитывать множество факторов. Здесь отметим, что определяющими являются быстродействие, функциональная полнота комплекта, архитектурные и эксплуатационные характеристики МП, а также характеристики программных средств.

С т р у к т у р н ы й этап проектирования включает разработку

функционально- структурного описания аппаратных средств ИУС и алгоритмов реализации функций системного и прикладного программного обеспечения.

Результатом этапа является структурная схема микропроцессорной ИУС, структура программных средств и алгоритмы реализации выделенных ранее функций с соответствующей алгоритмической структурой. Здесь окончательно определяется состав функциональных расширителей и формируются требования к ним.

Определяющими данными при разработке ФР служат перечень подлежащих реализации функций, типы и форматы данных, ограничения по времени на выполняемые функции, интерфейс МП, к которому должны подключаться ФР, требования по доступным для ФР аппаратным затратам. На структурном этапе выбираются базовые функции для каждого ФР, методы их выполнения, определяются способы подключения ФР (в режиме периферийного устройства или сопроцессора), структура и форматы управляющих слов, разрабатываются структурная схема ФР и алгоритмы его работы.

Логический этап проектирования включает разработку функциональных схем, программ и микропрограмм работы всех ФР и ИУС в целом.

На т е х н и ч е с к о м этапе разрабатываются принципиальные схемы, кодируются микропрограммы, составляются временные диаграммы, разрабатывается конструкция.

В конце каждого этапа производится оценка характеристик ФР и всей ИУС в целом и их сопоставление с требованиями технического задания. Процесс проектирования носит итеративный характер: в случае получения неудовлетворительных характеристик осуществляется возврат к одному из предыдущих этапов.

Приведенная последовательность этапов имеет достаточно общий характер.