Разработка методов создания структуры унифицированных средств обслуживания управляющих систем на этапах жизненного цикла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Заева, Маргарита Анатольевна

• Заева, Маргарита Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Заева, Маргарита Анатольевна

Условные обозначения и сокращения.

Введение.

1. Анализ задач обслуживания АСОИУ на различных этапах жизненного цикла и подходов к их решению.

1.1. Анализ задач обслуживания АСОИУ.

1.2. Анализ подходов к решению задач.

1.3. Анализ организации и возможностей использования функций JTAG для решения задач обслуживания.

1.3.1. Организация JTAG регистров.

1.3.2. Команды JTAG.

Выводы.

2. Формальное описание аппаратурных средств системы и структуры комплексных унифицированных средств.

2.1. Требования к структуре и компонентам модуля.

2.2. Классификация аппаратурных средств блока.

2.3. Анализ стадий выполнения задач обслуживания.

2.4. Формальное описание структуры блока и комплексных унифицированных средств.

2.5. Критериальная функция.

2.6. Анализ критерия.

2.7. Анализ ограничений.

Выводы.

3. Постановка и решение задачи создания структуры унифицированных средств обслуживания управляющих систем на этапах жизненного цикла.

3.1. Формальная постановка задачи создания унифицированных средств.

3.2. Решение поставленной задачи.

3.3. Методика создания структуры унифицированных средств обслуживания.

3.4. Программная реализация методики.

Выводы.

4. Разработка средств, обеспечивающих решение задач обслуживания.

4.1. Технологический контроль.

4.1.1. Подход к решению задачи технологического контроля.

4.1.2. Практическая реализация предложенного подхода с использованием измерительного стенда.

4.1.2.1. Унифицированные средства связи измерительного стенда со средствами обмена на модулях.

4.1.2.2. Формирование и хранение данных для доступа к внешним связям между компонентами и межмодульным связям.

4.1.2.3. Проведение сеанса контроля.

4.1.2.4. Анализ и вывод оператору результатов проведенного контроля.

4.1.2.5. Контроль МС окружения и кластеров.

4.2. Конфигурирование и реконфигурирование.

4.2.1. Виды входных файлов ПМК для записи во flash-память.

4.2.2. Особенности алгоритма записи во flash-память.

4.2.2.1. Таблица соответствия контактов и ее использование.

4.2.2.2 Служебные последовательности.

4.2.2.3. Алгоритм выполнения команды.

4.2.3. Конфигурирование.

4.2.4. Конфигурирование внутрикристальной flash-памяти. SVF-файл и его выполнение.

4.3. Тестирование.

4.3.1. Реализация модуля тестирования для стенда.

4.3.2. Реализация модуля тестирования для УУД.

4.4.Требования к техническим характеристикам персонального компьютера, используемого в качестве стенда.

4.5. Оценка экономической эффективности применения методики создания унифицированных средств обслуживания управляющих систем.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов создания структуры унифицированных средств обслуживания управляющих систем на этапах жизненного цикла»

Актуальность проблемы.

Среди проблем, решаемых разработчиками систем, есть группа специфических задач, решение которых напрямую не связано с достижением целей, для которых создается системы. Однако, без решения этих задач не обходится ни одна система. Это задачи обслуживания системы. Этапы изготовления и наладки сопряжены с необходимостью контроля качества изготовленных составных частей системы - модулей, записи информации о структуре в программируемые логические интегральные схемы и исполняемых кодов программ в память процессоров, а также проверки правильности выполнения задач оборудованием системы. В это же время, возможно выявление алгоритмических ошибок или недостатков, что потребует внесения изменений в структуры, заложенные в программируемые интегральные схемы и изменение исполняемых кодов для процессоров. В процессе эксплуатации одним из важных моментов является проверка работоспособности оборудования — тестирование системы. Для решения задач обслуживания обычно применяются специально разработанные для данной системы вспомогательные технические и программные средства. Разработка этих средств - дорогостоящая и требующая затрат времени задача. Причем разработка вспомогательного оборудования и программного обеспечения, как правило, выполняется каждый раз при разработке новой системы или значительном изменении уже созданной. Следовательно, один из путей повышения эффективности разработки и обслуживания системы -разработка такого вспомогательного оборудования и программного обеспечения, которое бы позволило решать задачи обслуживания для целого ряда систем, а не для каждой системы в отдельности, при этом одно и то же вспомогательное оборудование позволяло бы решать весь спектр задач обслуживания. Таким образом, возникает необходимость разработки универсальных средств для решения задач обслуживания системы на разных этапах жизненного цикла.

Проблема создания вспомогательного оборудования и программного обеспечения для решения вопросов обслуживания электронных компонент широкого класса систем не нова. В 1985 году ведущие производители электронных компонент, такие как IBM, AT&T, Texas Instruments Inc., Philips Electronics NV, Siemens, Alcatel, Ericsson, объединились, чтобы найти унифицированное решение проблемы тестирования микросхем. Эта группа (JTAG - Joint Test Action Group) разработала стандарт граничного тестирования, который в 1990 году был принят в качестве промышленного IEEE 1149.1-90 (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Однако, со временем, стандарт граничного тестирования нашел применение и в других областях обслуживания электронных компонент, таких как программирование и изменение структуры микросхем. Это связано с распространением микросхем с изменяемой структурой. Начали появляться новые технологии, которые позволяли проводить программирование уже после монтажа микросхем, а также вносить схемотехнические изменения в структуры, закладываемые в кристалл микросхемы, на этапах наладки и эксплуатации устройства. Технология граничного тестирования, благодаря возможности доступа к внутрикристальным структурам, позволила наряду с тестированием проводить и операции по программированию и реконфигурированию в системе.

Использование технологии, основанной на JTAG, обеспечивает решение задач изготовления, наладки, тестирования на предэксплуатационных этапах и выполнение функций контроля, тестирования, а в случае необходимости, реконфигурирование системы в процессе эксплуатации без изменения состава и взаимосвязей в оборудовании. Полученные на основе системного анализа технические оценки и практика построения автоматизированных систем показывают необходимость использования единого подхода для решения задач обслуживания. Это позволит сделать систему более эффективной с точки зрения материальных и временных затрат за счет ухода от уникальности обслуживающего оборудования и необходимости его разработки для каждой новой системы и для каждой задачи обслуживания. Решение этих задач может быть обеспечено с помощью разработки структуры унифицированных средств для решения задач обслуживания управляющих систем на этапах жизненного цикла от изготовления до окончания эксплуатации.

Целью работы является разработка методов создания структуры унифицированных средств для решения задач обслуживания широкого класса управляющих систем, обеспечивающих снижение затрат на этапах от изготовления до окончания эксплуатации, реализованных в виде методики.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

Проанализировать виды автоматизированных систем обработки информации и управления с целью выделения такого класса систем, для которых целесообразно применение унифицированных средств и соответствующей методики.

Сформулировать требования к аппаратурным средствам системы, позволяющие использовать унифицированные средства.

Провести анализ средств, обеспечивающих возможность применения унифицированного оборудования для решения задач обслуживания. На основании проведенного анализа сформулировать исходные данные для проектирования структуры средств доступа.

Разработать методы и алгоритмы создания структуры унифицированных средств обслуживания управляющих систем на этапах жизненного цикла, решить задачу оптимизации структуры унифицированных средств.

Реализовать разработанные методы в виде методики создания структуры унифицированных средств обслуживания управляющих систем. Оценить основные достоинства и недостатки предлагаемой методики.

Реализовать разработанную методику на практике, создать и внедрить программно-аппаратурный комплекс для решения задач обслуживания. Оценить экономическую целесообразность предложенного решения.

Методы исследования. В работе используется аппарат теории множеств, элементы системного анализа, эвристические подходы при создании рациональных алгоритмов синтеза структуры средств обслуживания, моделирование на ЭВМ, испытания, опытная эксплуатация экспериментальных образцов.

Научная новизна. Развит подход к построению автоматизированных систем обработки и управления в части унификации оборудования для решения задач обслуживания системы.

Выделен класс задач обслуживания автоматизированных систем обработки и управления.

Впервые решена задача создания структуры унифицированных средств, обеспечивающих решение задач обслуживания на этапах жизненного цикла от изготовления до окончания эксплуатации управляющих систем.

Впервые предложен метод создания структуры унифицированных средств обслуживания управляющих систем с использованием технологии, основанной на JTAG, позволяющий решать задачи обслуживания для целого ряда систем, а не для каждой системы в отдельности, при этом одно и то же вспомогательное оборудование позволяет решать весь спектр задач обслуживания.

Впервые предложен рациональный эвристический метод решения задачи построения структуры унифицированных средств.

Практическая ценность. Разработана методика и программа создания структуры унифицированных средств решения задач обслуживания широкого класса систем, а также программно-аппаратурный комплекс для выполнения функций обслуживания в системе. Данный комплекс позволяет решать задачи технологического контроля широкого класса систем, выполнять конфигурирование и тестирование систем на этапах наладки и эксплуатации с использованием унифицированных средств. Разработанный комплекс поддерживает использование стандартизованных файлов, полученных при проектировании в автоматизированных системах проектирования электронных устройств. При проведении обслуживания и наладки с использованием стенда обеспечивается удобный пользовательский интерфейс. Разработаны программные средства для решения задач обслуживания в автономном режиме.

Результаты диссертации использованы при создании системы управления и обработки информации (УПО-М) в составе БСК 17Р71 для КА 11Ф644.

Использование результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы при:

1. Разработке вторичного преобразователя измерителя акустического импеданса и других параметров, 1998 - 2000 г.г.

2. Изготовлении экспериментального образца цифровой системы сбора и обработки радиочастотных сигналов, 20002001 г.г.

3. Разработке средств для реализации цифрового модуля обнаружения, регистрации и выдачи идентификационного кода подвижного состава, 2001-2002 г.г.

4. Работах по настройке подкомплекса УПО аппаратуры 17Р71. Участие в испытаниях и сдаче ОТК и ПЗ комплекса аппаратуры 17Р71, 2002 г.

5. Разработке типового модуля вторичной обработки цифровой системы сбора и обработки радиочастотных сигналов, 2003 - 2004 г.г.

Указанные работы проводились на кафедре №29 «Управляющие интеллектуальные системы» Московского инженерно-физического института (государственного университета).

Реализация результатов работы. Методика создания унифицированных средств для обслуживания управляющих систем на этапах от изготовления до окончания эксплуатации использована при создании БСК 17Р71 для КА 11Ф644.

Создан, прошел испытания и опытную эксплуатацию стенд для решения задач обслуживания системы БСК 17Р71.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на конференции «Микроэлектроника и информатика - 98» (Зеленоград, 1998 г.), конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (Рязань, 1999 г), международном технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2001 г.), научной сессии МИФИ-2003 (Москва, 2003 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах. Личный вклад представляется соответственно по позициям списка использованных источников.

1] - Изложены вопросы построения программной части стенда для проведения технологического контроля качества изготовления аппаратурных средств с использованием JTAG.

2] - Изложены вопросы создания программных средств конфигурирования и реконфигурирования цифровых средств для вычисления отсчетов фазового спектра.

3] - Изложены основы методики построения систем с использованием интерфейса JTAG.

4] - Изложены вопросы построения модуля для конфигурирования и управления аппаратурными средствами видеосистемы.

5] - Изложены вопросы построения программных модулей системы для реконфигурирования, контроля работоспособности и тестирования цифровых средств обработки.

6] - Изложены основные подходы к построению структуры унифицированных средств для обслуживания управляющих систем и выполнена ее программная реализация.

Структура работы.

Материал диссертации изложен в последовательности решения основных задач исследования.

Основное внимание в работе уделяется разработке структур унифицированных средств обслуживания управляющих систем на этапах от изготовления до окончания эксплуатации.

В первой главе анализируются методы решения задач обслуживания, рассматриваются вопросы состава цифровых автоматизированных систем обработки информации и управления, определяется круг систем, для которых предлагается решать задачи обслуживания с помощью унифицированных средств, приводится анализ возможностей технологии JTAG.

Во второй главе рассматриваются требования к структуре системы, необходимые для того, чтобы решить задачу построения структуры унифицированных средств предложенным методом, приводится метод формального описания структуры аппаратурных средств системы и унифицированных средств, формулируются ограничения, предлагается и обосновывается критерий.

В третьей главе дается математическая постановка задачи, предлагаются пути решения поставленной задачи. Там же приводится решение поставленной задачи и формулируется методика создания структуры унифицированных средств обслуживания управляющих систем на этапах от изготовления до окончания эксплуатации.

В четвертой главе приводится описание практической реализации предложенной методики. Там же изложены экономические оценки эффективности методики.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и 5 приложений. Работа в целом содержит 123 страницы текста, включая 4 таблицы, 26 рисунков, список использованных источников 74 наименования.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Заева, Маргарита Анатольевна

ВЫВОДЫ:

1. Метод реализован на примере разработки средств обслуживания при создании бортового специализированного комплекса для космического аппарата. С его помощью удалось: сформулировать требования к аппаратурным средствам системы; определить габаритные ограничения; определить временные ограничения; определить структуру унифицированных средств обслуживания системы; решить задачи обслуживания системы, возникающие на разных этапах жизненного цикла, с помощью единого подхода.

2. Был создан, прошел испытания и опытную эксплуатацию программно-аппаратурный комплекс для решения задач для решения задач обслуживания системы в составе БСК 17Р71. Комплекс показал высокую эффективность при создании, наладке и обслуживании системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе впервые разработан подход, обеспечивающий решение задач обслуживания системы на этапах жизненного цикла от изготовления до окончания эксплуатации, с использованием унифицированного оборудования.

2. Сформулирована задача создания структуры унифицированных средств решения задач обслуживания. В качестве критериальной функции предложена оценка занимаемой унифицированными средствами площади.

3. Впервые решена задача создания структуры унифицированных средств решения задач обслуживания.

4. Результаты положены в основу методики создания структуры унифицированных средств, реализованной в виде комплекса программ.

5. Выработаны требования к аппаратурным средствам системы для успешного применения методики.

6. Разработан комплекс программно-аппаратурных средств для решения конкретных сервисных задач с использованием унифицированных средств.

7. Разработанный метод применен на практике при проектировании системы унифицированных средств при разработке бортового специализированного комплекса 17Р71 для КА 11Ф644.

8. Был создан, прошел испытания и опытную эксплуатацию программно-аппаратный комплекс для решения задач обслуживания системы БСК 17Р71.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Заева, Маргарита Анатольевна, 2004 год

1. Заева М.А., Решетько В.М. Разработка аппаратных средств для вычисления отсчетов фазового спектра. Конференция «Микроэлектроника и информатика 98», Тезисы докладов, стр. 45-46. МИЭТ, 1998.

2. Заева М.А., Решетько В.М. Система проектирования приборов на базе PLD с использованием интерфейса JTAG. Конференция «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании», Тезисы докладов, стр. 123-126, Рязань, 1999.

3. Заева М.А., Новичихин В.Н., Осипов А.А. Многопользовательская интерактивная видеосистема. Конференция «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании»

4. Тезисы докладов, стр. 230-234, Рязань, 2000.

5. Заева М.А., Зорин А. Л., Решетько В. М. Подход к решению задачи доступа к внутримодульным и межмодульным структурам. Научная сессия МИФИ-2003. Сборник научных трудов, том 12, стр. 81-82, Москва, 2003.

6. Built-in Self-Test (BIST) Using Boundary Scan, Texas Instruments Inc., SCTA043A, December 1996.

7. Integrated Development Environment, Intellitech Corp., April 2001.

8. Design for Test Access Analyzer, Intellitech Corp., April 2001.

9. IEEE Std 1149.1 (JTAG) Testability Primer. Texas Instruments Inc., SSYA002C, 1997.

10. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. — СПб.: БХВ Санкт-Петербург. — 2000.

11. Хетагуров Я.А. Основы проектирования автоматизированных систем управления (АСУ): Учеб.пособие/ Хетагуров Я.А.,Древе Ю.Г.,Первов В.В.- М.: МИФИ- 1975.

12. Технические средства АСУ: Справочник в 2 т./ Под общ.ред.Кезлинга Г.Б.- JL: Машиностроение, 1986.

13. Управляющие вычислительные машины в АСУ технологическими процессами/ Под ред.Харрисона Т.; Пер.с англ.- М.: Мир Т.2.- 1976.

14. Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И. Теоретические основы информационной техники. -М.: Энергия, 1979.

15. A Look at Boundary Scan From a Designer's Perspective, Texas Instruments Inc., SCTA028, Augast 1996.

16. Design Tradeoffs When Implementing IEEE 1149.1, Texas Instruments Inc., SCTA045A, January 1997.

17. Balancing your design cycle. A practical guide to hw/sw co-verification. URL: http://www.synopsys.com/.

18. Вопросы теории и построения АСУ/ Под ред.Атовмяна И.О.;МИФИ.-М.: Атомиздат. Вып.4: Проектирование надежных систем и оценка их эффективности.- 1980.

19. Хетагуров Я.А. Экономика создания и эффективности АСУ: Учеб. пособие/ Хетагуров Я.А.,Чучкин В.И.- М.: МИФИ, 1986.

20. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов/Под ред. Ю.М.Казаринова. -М.: Высшая школа, 1990.

21. Бортовые вычислительные машины и системы: Учеб. пособие для вузов/В .И.Матов, Ю.А.Белоусов, Е.П.Федосеев. Под ред.В.И.Матова.-М.: Высшая школа, 1988.

22. Казначеев В.И. Диагностика неисправностей цифровых автоматов.-М: Советсвое радио,-1975.

23. Ярмолик В.Н. Контроль и диагностика цифровых узлов ЭВМ-Минск: Наука и техника, 1988.

24. Липаев В.В. Надежность программного обеспечения АСУ/ Липаев В.В.- М.: Энергоиздат, 1981.

25. Геллер С.И. Журавлев Ю.П. Основы логического проектирования ЭВМ.-М: Советское радио-1969.

26. АСЕХ IK Programmable Logic Device Family, A-DS-ACEX-3.3, September 2001, ver. 3.3, Altera Corp.

27. APEX 20K Programmable Logic Device Family, A-DS-APEX20K-04.0, February 2002, ver. 4.3, Altera Corp.

28. MAX 3000A Programmable Logic Device Family, A-DS-M3000A-02.0, March 2001, ver. 2.0, Altera Corp.

29. IEEE Std 1149.1 (JTAG) Testability. Texas Instruments Inc. SSYA002C 1997.

30. Product Bulletin. Boundary-Scan Logic. Texas Instruments Inc.32. http://www.jtag.com/.33. www.ieee.org.

31. Universal Scan Tutorial and User Guide, ver 6.0, Ricreations, Inc. October 1,2003.

32. Корпоративный сайт фирмы Texas Instruments Inc http://www.ti.com.

33. Корпоративный сайт фирмы Corelis http://www.corelis.com .

34. Корпоративный сайт фирмы Asset http://www.asset-intertech.com/.

35. Корпоративный сайт Intellitech Corp http://www.jtagtest.com.

36. Корпоративный сайт фирмы Altera http://www.altera.com.

37. Корпоративный сайт фирмы Actel http://www.actel.com .

38. Корпоративный сайт фирмы Xilinx http://www.xilinx.com.

39. Корпоративный сайт National Semiconductor Corporation http ://www.national. com.43. http://www.agilent.com.

40. А. Платунов, H. Постников, А. Чистяков, Механизм граничного сканирования в неоднородных микропроцессорных системах, CHIP NEWS, 1996.

41. Boundary Functional Test, Intellitech Corp., April 2001.

42. Boundary-Scan Intelligent Diagnostics, Intellitech Corp., April 2001.

43. Virtual Interconnect Test, Intellitech Corp., April 2001.

44. Virtual Component and Cluster Test, Intellitech Corp., April 2001.

45. SCBS676C (SN54LVT8980, SN74LVT8980 EMBEDDED TEST-BUS CONTROLLERS IEEE STD 1149.1 (JTAG) TAP MASTERS WITH 8BIT GENERIC HOST INTERFACES — DECEMBER 1996 REVISED AUGUST 1997).

46. ByteBlasterMV. Parallel Port Download Cable. Altera Corp. A-DS-BYTBLMV-01, LO1-05942-00, April 1998, ver 1.

47. TL16PIR552 DUAL UART WITH DUAL IrDA AND 1284 PARALLEL PORT SLLS222A DECEMBER 1995 - REVISED AUGUST 1996, Texas Instruments Inc.

48. ELECTRONIC INDUSTRIES ALLIANCE JEDEC Solid State Technology Association "Standard Test and Programming Language (STAPL)". URL: http://www.jedec.org/.

49. Altera Corporation 1997 "Jam Programming & Test Language Specification". URL: http://www.altera.com/.

50. JTAG Programmer Guide, Xilinx Development System 2000-03-21.

51. ARM Limited 1999 "Using Embedded ICE". URL: http://www.arm.com/.

52. In-System Flash Programming Using Boundary-Scan, JTAG Technologies B.V. 2000-08-03.

53. Implementing FIR Filters in FLEX Devices. Altera Corp., AN073, January 1996, ver.l.

54. JTAG Boundary-Scan Testing in Altera Devices. Altera Corp. Application Note 39, November 1995, ver 3.59. www.intel.com.

55. Memory Products. Flash-Memories. Intel Corp., Order Number 296449002, 1990.

56. AMD. Am29LV200B. Publication 21521, Rev B, July 1998.

57. Am29LV002B 2 Megabit (256 К x 8-Bit) CMOS 3.0 Volt-only Boot Sector Flash Memory, Publication# 21520 Rev: D Amendment/+1, Issue Date: November 13, 2000, AMD Corp.

58. AS7C1026 AS7C31026 5V/3.3V 64K*16 CMOS SRAM, DID 11-20004-*A. 3/8/99, page 107, Copyright ©2000 Alliance Semiconductor. All rights reserved.

59. Serial Vector Format Brochure, Intellitech Corp., April 2001.

60. Использование интерфейса JTAG для отладки встраиваемых систем. Ключев А.О., Коровьякова Т.А., Платунов А.Е. // Изв. вузов. Приборостроение. — 1998. — Т 41, № 5.

61. Craig A. Haller, Macraigor System Inc. The ZEN of BDM. URL: http ://www.macraigor. com.

62. Д.Грис. Конструирование компиляторов для цифровых вычислительных машин. Москва, "Мир", 1975.

63. А.В. Фролов, Г.В. Фролов. Программирование для Windows NT (в 2-х томах). Москва, «Диалог-МИФИ», 1996.

64. Хелен Кастер. Основы Windows NT и NTFS. М.: Издательский отдел «Русская редакция» ТОО «Channel Trading Ltd», 1996.

65. TMS320C5x С Source Debugger. Texas Instruments Inc., SPRU055B, February 1994.

66. Digital Signal Processing Applications with TMS320 Family. Theory, Algorithms and Implementations. Texas Instruments Inc., 1989.

67. TMS320C5x User's Guide. Texas Instruments Inc., SPRU056C, January 1997.

68. TMS320C2x/2xx/5x Optimizing С Compiler. Texas Instruments Inc., SPRU024D, March 1995.

69. TMS320Clx/2x/2xx/5x Assembly Language Tools. Texas Instruments Inc., SPRU018D, March 1995.

70. Пример реализации УУД на процессоре TMS320VC5402PGE