Аппаратно программной

Кроме того, в СССР мини-ЭВМ выпускаются различными ведомствами для своих нужд. По своей архитектуре они соответствуют подклассам СМ-1700 и СМ-4. Внутри подкласса все модели стыкуются между собой, так как имеют одинаковую архитектуру и интерфейсы. Между подклассами стыковка машин обеспечивается наличием аппаратно-программных адаптеров. Мини-ЭВМ типа СМ-4 имеют также адаптер стандартного сопряжения каналов и программную совместимость с микро-ЭВМ типа «Электроника-60» и ПЭВМ «Элек-троника-85».

Комплекс аппаратно-программных средств системы «Кулон» позволяет одновременно работать двум разработчикам, проектирующим различные БИС. Для этого система комплектуется техническими средствами таким образом, что создаются два поста операторов. Каждый пост имеет в своем составе полный набор аппаратных средств, сопряженных через интерфейсный блок с одной ЭВМ «Электроника 100-25». Работа каждого из двух проектировщиков строится на приоритетной основе в режиме разделения времени и позволяет обеспечить более полную загрузку системы и повысить эффективность работы ЭВМ.

Метод коммутации сообщений широко используется в современных телеграфных сетях и сетях ПД; на его базе предполагается строить перспективные сети телеграфной связи и данных. Метод. КС положен в основу систем реперфораторного переприема (АТОЛ), аппаратно-программных комплексов АПК «Телеграф» (сеть ПС), телеграфных концентраторов ЭТК-КС (сеть КС). Однако наиболее полно принцип КС реализуется в центрах коммутации сообщений, построенных на базе больших ЭВМ — как универсальных, так и специализированных. Первые системы КС были внедрены на сетях ПДС в конце 50-х — начале 60-х гг., но только появление ЭВМ третьего и четвертого поколений обеспечило широкое внедрение центров КС на телеграфных сетях и сетях ПД. Центры коммутаций сообщений. Все операции над сообщениями, проходящими через центр КС, можно разделить на три группы. К первой группе относятся функции обработки сообщений,- ко второй — функции управления сообщениями и к третьей — функции обеспечения взаимодействия центра КС с другими элементами данной сети или других сетей. 258

Одна из возможных аппаратно-программных реализаций рассматриваемого алгоритма обработки сигналов в импульсных РТС представлена на 4.5. Она дана в виде условной схемы взаимосвязей программного алгоритма с дополнительными аппаратными средствами, играющими роль внешних устройств по отношению к микропроцессорному вычислителю, выполняющему программный алгоритм. Эта схема наглядно иллюстрирует тот факт, что практическая реализация микропроцессорных устройств обработки радиотехнических

После выбора стандартной аппаратуры и разработки специфического оборудования ввода/вывода (по крайней мере, после четкой спецификации свойств и характеристик этого оборудования) переходят к этапу разработки и отладки программного обеспечения. Временное запаздывание начала работ по разработке программного обеспечения (отраженное на 2.13) является основной болевой точкой проектирования аппаратно-программных систем. В разд. 2.5, посвященном проектированию БИС SOPC, будет показано, как эта проблема решается при современном подходе. Однако и для традиционной реализации МПС появление ПЛИС существенно повлияло на применяемые средства и методы разработки и отладки программного обеспечения. На 2.15 показан состав средств, поддерживающих типовую процедуру разработки программного обеспечения. Если отладку программного обеспечения предполагается производить сразу в конечной системе, то этой отладке должна предшествовать отладка аппаратуры, и только затем отладка аппаратных и программных средств может производиться совместно. Необходимость подобного совмещения отражена на 2.13.

Значительное число областей приложения микропроцессорных систем связано с реализацией аппаратно-программных комплексов, работающих в режиме реального времени. Поэтому существенное место в стандартных средствах проектирования занимают вопросы упрощения и ускорения разработок именно таких систем.

Наиболее перспективным методом отладки встроенных микропроцессорных устройств (в общем случае не только их) являются методы встроенной внутрикристальной отладки. Эти методы наибольшее распространение получили в современных 32-разрядных МП. Структура кристалла, содержащего встроенные средства отладки аппаратно-программных ресурсов, приведена на 2.21. Но даже у 8-разрядных процессоров известны варианты встраивания отладочных средств в кристалл. Примером может служить продукция фирмы Cygnal Integrated Products (www.cygnal.com), в которой комбинация свойства внутрисистемной программируемое™ (ISP), внутренней Flash-памяти и встроенных в кристалл специальных отладочных средств существенно облегчает процедуру отладки. Другим примером того же подхода является продукция фирмы Atmel (www.atmel.com). Выпускаемые этой фирмой AVR-процессоры имеют 8-битовую архитектуру и поддерживают JTAG-интерфейс. В состав кристалла включены отладочные средства, которые существенно упрощают процесс отладки.

тельных пределах конструктивно инвариантными к аппаратным и программным решениям. Переход от одного способа реализации к другому не требует существенной конструктивной переработки. Технологической основой сопряженного проектирования являются САПР, интегрирующие в себе средства проектирования и отладки аппаратно-программных систем. Кроме того, работа как самих САПР, так и проектировщиков существенно упрощается, если возможно использование инвариантных способов описания аппаратной и программной реализации.

Проектированием сложных аппаратно-программных систем традиционно занимаются специалисты трех профилей: системные инженеры, инженеры-программисты и инженеры-схемотехники. Методы и средства автоматизации, используемые этими разработчиками, существенно отличаются — программисты в своей работе больше внимания уделяли вопросам эффективного описания программного обеспечения с точки зрения его поведения, в то время как схемотехники традиционно тяготели к средствам, позволяющим эффективно описывать структуру проектируемой системы.

Подробное описание SystemC можно найти в Reference Manual Release 1.0. Здесь же остановимся на кратком описании тех базовых понятий, добавление которых к универсальному языку программирования позволило в совмещенном варианте моделировать совместное поведение HW и SW. В общем случае, набор этих понятий мог бы иметь другое синтаксическое оформление, однако важным представляется их целевое назначение и, как следствие, обязательное присутствие подобных конструкций в языке, претендующем на системный уровень спецификации аппаратно-программных Систем.

Как VHDL, так и Verilog в их современной форме оказываются недостаточными для представления комплексных аппаратно-программных проектов. С одной стороны, эти языки не обладают достаточной мощностью для описания сложных процессов обработки данных (во всяком случае, программы при использовании только возможностей HDL были бы чрезвычайно громоздки), да и компиляторов HDL-программ в машинный код типовых компьютеров на сегодня не известно. Если даже предположить представление процессорного блока и программной части задачи с использованием типовых HDL, потребовались бы несоразмерно большие затраты машинного времени на процедуры моделирования, отладки и верификации. Традиционные же языки программирования, прежде всего C/C++, не содержат средств для представления многих аспектов поведения аппаратной подсистемы.

Для реализации указанных возможностей при проектировании РТС на основе МП радиоинженер должен не только хорошо владеть современными методами обработки информации и способами их аппаратной реализации, но и освоить способы аппаратно-программной реализации алгоритмов на основе имеющихся и перспективных МПК. Успех разработки будет непосредственно зависеть от того, насколько удачно выбрано соотношение аппаратной и программной частей системы, а также взаимодействие между ними. Авторы надеются, что приведенное в настоящей книге описание структуры системы, программирования и способов использования одного из лучших МПК нового поколения будет способствовать ускорению внедрения МП-техники в радиотехнические системы.

На практике это важное условие согласования вычислительных возможностей МПК с длительностью и частотой поступления радиотехнических сигналов выполняется лишь в очень редких случаях. Поэтому представленный на 4.4 программный алгоритм обработки радиотехнических сигналов следует рассматривать как исключение в практике проектирования микропроцессорных Чаще всего в силу определенных технических ограничений приходится довольствоваться смешанной, аппаратно-программной реализацией требуемого алгоритма. При этом наиболее быстрые операции, такие, как поиск, обнаружение, селекция, Дискриминирование и т. п., выполняются аппаратными средствами, а программная часть состоит из сравнительно медленных вычислительных операций со статистической обработкой множества входных данных, поступающих из аппаратной части за длительный интервал наблюдения.

4.5. Схема аппаратно-программной реализации

Из рассмотренных типовых структурных схем радиотехнической аппаратуры обработки сигналов видно, что наиболее широко распространенными ее узлами являются следующие: устройства поиска и обнаружения сигналов, Ешполняющие операцию предварительной грубой фиксации измеряемого параметра; устройства дискрими ни рова-ния (дискриминаторы), предназначенные для осуществления текущих отсчетов параметра, используемых в процессе дальнейшей фильтрации данных; устройства селекции, обеспечивающие работу дискриминаторов, имеющих ограниченную зону чувствительности по измеряемому параметру. Эти устройства являются неотъемлемыми составными частями РТС при полностью аппаратной реализации заданного алгоритма обработки сигналов (см. 4.3) и могут рассматриваться как дополнительные аппаратные средства обработки при смешанной, аппаратно-программной реализации ( 4.5). Следует заметить, что к дополнительным аппаратным средствам цифровых РТС можно отнести также устройства аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования (см. гл. 3), на которых не будем еще раз останавливаться, а рассмотрим наиболее важные и специфические узлы РТС — устройства поиска и обнаружения сигналов и устройства дискримини-рования.

Ясно, что m-кратное повторение схемы оптимального цифрового обнаружителя ( 4.7) требует очень больших аппаратурных затрат. Поэтому такая схема практически непригодна для аппаратной реализации многоканальных устройств поиска, хотя в сочетании с программными средствами (т. е. в смешанной, аппаратно-программной реализации) такая схема может применяться, если быстродействие вычислительного устройства позволяет выполнить основные операции обработки за время действия строба одного канала. При аппаратной реализации многоканальных устройств поиска наибольший практический интерес представляют простейшие схемы 4.10, соответствующие бинарному накоплению сигнала при прямоугольной аппроксимации закона амплитудной модуляции импульсов в пределах пачки. Для построения m-канального обнаружителя на основе первой из таких схем ( 4.10, а) требуется т двоичных счетчиков с m-канальным распределителем (демультиплексором) сигналов на выходе амплитудного бинарного квантователя. Поэтому при больших значениях т практическая реализация такого варианта схемы затруднительна.

Следует заметить, что при смешанной, аппаратно-программной реализации аналогичных устройств может оказаться полезной схема с ОЗУ произвольного доступа (см. 4.12), так как эти ОЗУ всегда входят в состав микропроцессорных вычислительных устройств. Необходимым условием такой реализации является возможность прямого доступа в память вычислительного устройства и обеспечение тре-бумой скорости обмена данными.

Однако отмеченное преимущество схемы 4,14 связано с существенным усложнением практической реализации обнаружителя, так как эта схема содержит N регистров памяти и N умножителей (в отличие от схемы 4.7, содержащей один регистр и один умножитель). Поэтому при аппаратной реализации таких обнаружителей чаще всего используются рассмотренные ранее упрощения схемы, связанные с бинарной дискретизацией выборочных данных г/(т)и (или) коэффициентов at. Такая схема в общем виде может быть полезной при смешанной, аппаратно-программной (или чисто программной) реализации, особенно при построении одноканальных обнаружителей пачки, когда временной параметр ta известен (например, известна дальность в угломерно-дальномерной импульсной РТС). В этом случае большая часть операций обработки (например, умножение, сложение, сравнение с порогом) может выполняться вычислительным устройством, а аппаратную часть можно свести к реализации схем

представлена на 4.22, где опущены аналого-цифровые элементы (бинарные квантователи), выполняющие операции (4.15) для согласования цифровой схемы с реальными аналоговыми сигналами «(/) KSS((). В этой схеме операции умножения vbs(t) = ub(t)sbs(t)u vbc(t) = = ub(t)sbc(t) выполняются сумматорами по mod 2, а интегрирование бинарных функций vbs(t] и vbc(t) — синхронными реверсивными счетчиками, на вход которых подается тактовая последовательность с периодом Г0/4. Время интегрирования задается с помощью специального сигнала тфм, разрешающего работу счетчиков (после предварительного обнуления) во время прихода опорного сигнала sbs(t—т) (имеющего длительность тфм). По окончании интервала Ги с выходов счетчиков снимаются знакопеременные двоичные числа ±28(т) и ±ZC(T), причем отрицательные снимаются в дополнительном коде. Операция вычисления функции г(т) = ZS(T) + ZC(T) и сравнения ее с порогом /С может выполняться специализированным арифметическим устройством (при аппаратной реализации обнаружителя) или универсальным вычислительным устройством (при аппаратно-программной реализации). В последнем случае после окончания интервала тфм должна выполняться операция ввода чисел ±zs и ±zc в вычислительное устройство, а затем их программная обработка, которая должна завершаться к моменту прихода следующего ФМ-сиг-

Методы комплексной аппаратно-программной отладки.............................188

4.4. Пример автоматизированного проектирования аппаратно-программной системы............................................................................560

Существующая тенденция интеграции проектных решений приводит к возможности построения всей системы на одной печатной плате, а возможно даже в одной БИС (вся система реализуется на одном кристалле SOPC). При современном уровне развития техники и технологии изготовления БИС вопрос выбора элементной базы оказывается значительно более важным, чем раньше. Например, анализ возможных вариантов реализации может привести к выводу о целесообразности создания смешанной аппаратно-программной системы (для МП, совмещенного с ПЛИС) или гибридной системы (для ПЛИС, совмещенной с ПАИС) в форме одиночной БИС. После определения варианта реализации системы проектировщик для выполнения последующих этапов должен выбрать САПР из жестко предопреде-