Последната
актуализация
на този
раздел е от 2019
година.
2.
РЕАЛИЗАЦИЯ НА РЕШЕНИЕТО
Възлов
момент в
процеса на
проектиране
представлява
преходът от
етапа “синтез”
към етапа “реализация”.
Встъпвайки в
последния,
проектантът
разполага
със
синтезираното
решение, т.е. с
алгоритъма
за действие.
От тук
нататък са
възможни
различни
пътища за
развитие на
процеса на
проектиране,
което зависи
от
предпочитаните
средства за
реализация.
Ако бъдат
избрани
универсални
средства,
реализацията
най-често
води до проектиране
на
програмното
му
осигуряване.
Ако бъдат
избрани
специализирани
средства, реализацията
се насочва
към
проектиране
на логически
структури.
Много често
средствата
се
комбинират.
Избирането
по същество е
проблем. Този
проблем се
решава с
помощта на минимаксни
правила,
които
използват
количествените
оценки на
всеки
отделен
вариант на
реализация
на решението.
Количествените
оценки
следва да
бъдат
получени в
смисъла на
всеки един от
формулираните
критерии,
характеризиращи
реализацията.
Критериите
за оценка на
дадена
реализация
се
формулират
като се
изхожда от
същността на
нейното
приложение и
от условията,
в които тя ще
работи. Така
например, ако
реализацията
е предназначена
да работи в
космически
условия, то
тя следва да
бъде
проектирана
така, щото да
има
минимална
консумация
на енергия.
Критерият за
минимум на
консумираната
енергия е водещ
в този
случай,
защото
енергията е
най-скъпото
нещо в
космически
условия. С
особена
значимост за
тези условия
е и критерият
за оценка на
теглото. В
случаи,
когато
приложението
формира
сигнали с
големи
честоти или
изисква
високо
скоростни
реакции от страна
на
реализацията,
водещо
значение ще придобие
критерият за
оценка на
нейното бързодействие.
Когато
реализацията
е предназначена
за обща
употреба и
към нея не са
предявени
някакви
специални
изисквания,
тогава на преден
план излиза
критерият за
максимална
простота и
универсалност
на решението.
Критериите
по същество
представляват
математически
функции,
чиито
аргументи са
параметри
или
характеристики
на реализацията.
Постигането
в даден
вариант на
реализация
на решението
на екстремни
стойности за
оценките в
смисъла на
няколко
критерия
едновременно,
представлява
специална
задача, която
се решава с
методите на
многокритериалната
оптимизация.
Такива цели
обаче тук не
се преследват.
Обикновено,
когато водещ
за проекта е
критерият за
максимално
бързодействие,
се избира
специализирана
апаратна
реализация на
решението.
Може да се
каже, че
реализацията
никога не е
чисто
програмна
или чисто апаратна.
Почти винаги
в
практическите
решения тези
средства се
преплитат на
различните
нива на
реализацията,
което е нещо
естествено
при търсене
на
оптималността
й.
Тук ще
се постараем
да осветлим
чрез няколко
примера
процеса на
проектиране
на цифрови
възли и
устройства.
Понятието
устройство
(операционно,
управляващо
и прочие) се
определя като
съвкупност
от два
елемента:
·
Логическа
структура;
·
Алгоритъм
на
функциониране,
и то е
съобразено с
принципа за
декомпозиция
на Глушков (вижте
определението
в глава 2 на книга [1]).
От
това
определение
произтича
методическата
последователност
в процеса на
проектиране.
Ако приемем,
че в резултат
на синтеза е
получен
алгоритъм, то
става ясно,
че
логическата
структура на
бъдещото
устройство
ще произлезе
от него, т.е. ще
бъде
проектирана
по него и ще
бъде
неговата апаратна
реализация.
По същество
тази дейност
се отнася към
микрооперационното
ниво на
структурния
подход.
Проектирането
на едно
устройството,
предназначено
да реализира
алгоритъма-решение
протича
обобщено в
следните
подетапи:
Г1) Синтез
на
логическата
структура на
устройството
Необходимо
е да поясним,
че под
логическа структура
се разбира
съвкупността
от два елемента:
а)
Съвкупност
от логически
възли;
б)
Съвкупност
от логически
връзки.
Понятията
логически
възел и логическа
връзка са
определени в книга [1]. Тук
следва да
напомним, че
не всяка
съвкупност
от логически
възли
представлява
логическа
структура. В
логическата
структура се
включват само
такива
елементи,
които се
определят по
необходимост
от
алгоритъма,
който тя ще
реализира. По
същия начин
се изграждат
и връзките. В
логическата
структура се
изграждат само
онези връзки,
които са
необходими
за реализацията
на
алгоритъма.
Както
съставът,
така и видът
на
включваните
логически
възли и
логически
връзки се определят
при
непрекъснатото
съобразяване
и мотивиране
от страна на
проектиращия
с водещите за
проекта
критерии.
В
процеса на
синтез на
логическата
структура се
получава и микропрограмата
за
управление
на
устройството.
Микропрограмата
изразява
алгоритъма
на функциониране
на
структурата,
т.е. решението
от етап В).
Управлението
на
логическата структура
се постига с
помощта на
подходящо
употребени управляващи
сигнали,
които
възбуждат в
нейните
логически
възли, в
необходимите
моменти,
вменените им
микрооперации.
Микропрограмата
по същество изразява
алгоритъма
за
управление
на
логическата
структура на
операционната
част на
проектираното
устройство.
Синтезираните
логически
структури се
представят
(изразяват)
чрез
нестандартизирани
условни
графични
елементи.
Символиката,
която ще бъде
употребена
тук за представяне
на
логическите
структури, е
дефинирана в
глава 2 на книга
[1].
Микропрограмите
се
представят с
помощта на
блок-схеми
или с езика
на
микрооперациите,
определен
също в там.
Г2) Синтез
на
принципната
логическа
схема
Построяването
на
принципната
логическа
схема на
проектираното
устройство
представлява
подетап на
логическото проектиране.
Когато това
проектиране
се извършва в
условия,
които
позволяват
използуването
на
функционално
пълните
системи от
логически
функции,
говорим, че
проектирането
се извършва в
Булев базис.
Получената в
тези условия
принципна
логическа
схема е
най-оптималната
от гледна
точка на
алгебрата на
логиката. В
тази схема не
съществуват
излишъци и
всяка
отделна
логическа
функция е
реализирана
в своята
минимална
форма.
В
случаите,
когато се
знае, че
процесът на
проектиране обезателно
ще премине в
следващите
етапи Д), Е), и
т.н.,
логическото
проектиране
на структурата
следва да се
извърши в
елементната база
на
реализацията.
Под
елементна
база се
разбират
реалните
градивни
елементи за
построяване
на опитния
образец на
устройството.
Елементната
база
обикновено
представлява
реално
технологично
семейство от
интегрални
схеми,
избрани или
зададени
предварително.
Проектираната
схема при тези
условия се
нарича
принципна
електрическа
схема, тъй
като освен
логиката, тя
изобразява и
електрическото
свързване на
изводите на
логическите
елементи.
Логическото
проектиране
в условията
на реална
елементна
база следва
да бъде
съобразявано
с
ограниченията,
които тя
налага.
Поради тази
причина ние
го приемаме
за отежнено
(обременено).
Реалната елементна
база налага
свои
изисквания
върху логическото
проектиране.
Конструктивно
завършените
елементи
рядко
съответстват
напълно на
функционалните
и параметричните
възможности
на
предвидените
в структурата
логически
възли.
Обикновено в
отделните
конструктивно
завършени
единици те
или не
достигат или
са в излишък.
И в двата
случая, в
крайната
реализация
на схемата,
съществуват
излишъци.
Последните
се изявяват в
наличието на
свободни, не
употребени
логически
елементи,
съдържащи се
в
интегралните
схеми. Те
създават
допълнителни
проблеми,
като например
повишават
консумацията,
повишават
температурата,
в резултат на
което се
влошават техническите
параметри,
заемат
излишна площ
и пр. В
съвременни
условия
градивните елементи
се предлагат
във удобни и
гъвкави
форми, за
които
казаното
по-горе може
да се стори
на някои
читатели
дори
неразбираемо.
Това зависи
от
натрупания
практически
опит, който
имат, както и
от
средствата
за
проектиране,
с които
работят.
Имаме
предвид
елементната
база от вида CPLD или FPGA
интегрални
схеми, както
и
програмните
платформи за
автоматизиране
на процеса на
проектиране.
Тук обаче
искаме да
изясним нашето
разбиране, че
проектирането
по същество е
творчески
процес, в
който освен
човешкия
интелект,
никакви
други
средства не
се използват.
Принципните
логически
схеми се
представят
чрез стандартизирани
условни
графични
елементи,
чиято
символика
кратко ще
бъде
пояснена по-нататък.
Всеки добър
справочник
на реални
градивни
елементи
следва да
съдържа и условните
им графични
означения.
Г3) Синтез
на
управляващия
алгоритъм
Предписаните
за
проектираната
логическа
структура
управляващи
сигнали, чрез
които се
възбуждат
съответните
микрооперации,
представляват
едно
множество,
което следва
да бъде
функция на
управляващото
устройство.
Управляващото
устройство
се синтезира
въз основа на
теорията на
крайните
автомати.
Синтезът на
това
устройство
може да се извърши
по
методиката
за синтез на
крайни автомати
с апаратно
закрепената
логика или
по
методиката
за синтез на крайни
автомати с
програмно
закрепената
логика.
Основната
задача на
всяко
управляващо
устройство е
да реализира
онази
последователност
от
управляващи
сигнали,
която въздействайки
върху
операционното
устройство,
реализира в
него онзи
алгоритъм,
който по-горе,
на етап В),
беше наречен
“решение” на
проблема.
Синтезът
на
управляващото
устройство
зависи от
избрания метод
за
управление –
синхронен
или
асинхронен.
Изборът на
метод за
управление е
един от
първичните
елементи на
проектирането
и зависи от
избора на
водещите
критерии и
допустимите
компромиси
за цялата
разработка.
Изходният
материал, с
който се
пристъпва към
непосредственото
проектиране
на управляващото
устройство, е
блок-схемата
на микропрограмата.
Тъй като
блок-схемата
е продукт от
проектирането
на
логическата
структура на
операционното
устройство,
следва добре
да се
разбира, че проектирането
на
управляващото
устройство
не може да
започне
преди тя да
бъде готова,
и че това е
последния
подетап от
реализацията.
Следващият
раздел е: