В настоящее время наблюдается непрерывный рост функциональных возможностей цифровой электронной техники (ЦЭТ), который приводит к повышению еѐ сложности. При этом прослеживается тенденция снижения стоимости и сокращения сроков морального старения таких устройств, а значит стоимости и сроков разработки и отладки. Все это приводит к необходимости повышения эффективности моделей ЦЭТ.

Современные системы моделирования обычно используют блочный подход при построении проекта модели. Он заключается в выборе и использовании необходимых элементов (блоков) из созданной разработчиком системы моделирования библиотеки, а также определении связей между ними (структуры). Каждый такой блок представляет собой множество простейших элементов математического аппарата – модуль, имитирующий поведение соответствующего блока реального объекта.

Традиционно системы моделирования используют в своей основе модели монолитной архитектуры. При запуске имитационного эксперимента такие модели строятся из своего проекта путем подстановки из библиотеки модулей соответствующих  блоков. Затем  происходит организация необходимых в соответствии с  проектом связей между блоками. Этот процесс обычно называется синтезом модели.

Проблема заключается в том, что получившаяся в результате синтеза модели комбинация элементов математического аппарата становится монолитным (отсюда и название архитектуры модели) образованием, в котором трудноразличима изначальная структура реального объекта.

Использование таких моделей эффективно при работе с реальными объектами невысокой сложности. Однако при моделировании сложной цифровой электронной техники неизбежно возникают следующие трудности. Во-первых, проблема интерпретации, возникающая из-за потери структуры объекта. Другими словами, при отладке необходимы значительные временные и трудозатраты на декомпозицию  модели. Во- вторых, возрастание трудозатрат и информационной нагрузки (требований к памяти) приводит к необходимости использовать несколько компьютеров и целую команду проектировщиков и отладчиков. Очевидно, что монолитная модель не может быть распределена на несколько компьютеров таким образом, чтобы сохранить работоспособность, целостность и адекватность условно-графического отображения. В-третьих, увеличение размера модели приводит к повышению вычислительной нагрузки, и, в свою очередь,  снижению еѐ быстродействия.

Описанные факторы негативно влияют на сроки и стоимость разработки цифровой электронной техники. Кроме того, существуют субъективные современные тенденции непрерывного сокращения сроков жизненного цикла такой техники и еѐ стоимости. Это связано с повсеместным распространением цифровой электронной техники, технической и экономической конкуренцией и другими факторами.

Распределѐнные модели отличаются от традиционных (монолитных) тем, что состоят из взаимодействующих автономных частей (компонент) не только на этапе разработки проекта, но и в ходе имитационного эксперимента и отладки модели. Это достигается благодаря использованию более сложного вида блока – компоненты. В отличие от блока, компонента состоит не только из функционального модуля, представляющего собой монолитную модель (внутреннюю часть), но и из его внешнего представителя. Он представляет собой «черный ящик», обладающий определѐнным интерфейсом для взаимодействия с блоком извне. Обе части компоненты связаны между собой через механизм обмена сообщениями о  происходящих событиях (Рисунок 1). Взаимодействие между блоками может осуществляться только посредством их внешних представителей.

Благодаря такому представлению блока (компоненты) модель становится иерархической. Это означает, что она может состоять из компонент, каждая из которых, в свою очередь, представляет собой структуру из множества подчиненных компонент. При этом количество таких иерархических уровней (слоѐв) неограниченно.

Внешние представители и их взаимосвязи в составе распределѐнной модели позволяют сохранить структуру реального объекта, хотя и несут в себе дополнительную информационную нагрузку и сложность реализации такой модели. Кроме того, две части компоненты могут находиться как в одном приложении, так и в разных адресных пространствах – в разных приложениях и даже на разных компьютерах. Распределение информационной и вычислительной нагрузки позволяет снизить требования к компьютерам, повысить быстродействие распределѐнной модели и организовать коллективную работу с моделью.

В настоящее время большинство систем моделирования цифровых электронных устройств использует при построении моделей графический интерфейс. Он предназначен для отображения модели цифрового устройства, и взаимодействия с ней при помощи специальной понятной проектировщику визуализации. Как правило, таким представлением модели являются еѐ схемное и блочно-схемное условно-графические отображения (Рисунок 2). При таком подходе проектировщиком схемного решения цифрового электронного устройства необязательно должен быть специалист в области моделирования, знакомый с особенностями математического аппарата и моделей, используемых для имитации поведения реальных блоков устройства.

Построение проектировщиком моделей простейших цифровых устройств выполняется с использованием моделей атомарных базовых блоков цифровых устройств, которые разрабатываются с помощью определенного математического аппарата специалистами по моделированию, которым для этого необходима другая визуализация. Например, наиболее простым и понятным представлением моделей D-сети Петри, используемых при разработке распределѐнных моделей цифровых устройств, является графовое (Рисунок 3).

При использовании графических отображений пользователь не имеет непосредственного доступа к модели. Вместо этого он взаимодействует с моделью через одну из еѐ визуализаций, которая выполняет соответствующие изменения в модели и отображает их результаты посредством механизма обмена сообщениями. Иными словами, блоки редактирования модели и еѐ графического отображения полностью независимы, хотя и связаны при помощи сообщений о происходящих в них событиях.

Каждая модель в системе моделирования, как правило, имеет два отображения – графовое и блочно- схемное или схемное и блочно-схемное. Графовое и блочно-схемное используются разработчиками системы моделирования и необходимы для создания встроенной библиотеки моделей атомарных базовых блоков цифровых устройств. Проектировщики же используют схемное и блочно-схемное отображения для разработки моделей сложных цифровых устройств и, при необходимости, создания с их помощью пользовательских базовых блоков. Такие блоки могут быть использованы для построения еще более сложных моделей.

Основным отображением модели является графовое или схемное. Блочно-схемная необходима для:

-   интерпретации модели, построенной с использованием одной визуализации, в терминах другой;

-   для построения более сложной модели, применяя существующую в качестве одного из еѐ базовых блоков (перехода на более высокий иерархический уровень).

Поэтому  нетрудно  заметить,  что  блочно-схемное  представление  модели  напоминает  внешнего представителя функционального модуля компоненты распределѐнной модели.

Если графовая и схемная визуализации обладают связью с моделью с начала еѐ построения, то блочно- схемная требует организации связи с ней. Для этого система моделирования должна содержать соответствующий интерпретатор.

Как уже было замечено, модель и еѐ отображения, аналогично функциональному модулю и его внешнему представителю, независимы, но связаны при помощи механизма обмена сообщениями. Такой подход позволяет:

-   использовать для отладки модели еѐ визуальные представления одновременно;

-     наблюдать за работой компонент распределѐнной модели любого иерархического уровня (блоков цифрового устройства любого уровня детализации);

-     разрабатывать модель сложного цифрового устройства одновременно с помощью целой  команды проектировщиков;

-    организовать удалѐнное наблюдение и взаимодействие в процессе имитационного эксперимента без размещения на управляющем компьютере модели («тонкий клиент»).

При этом необходимо обеспечить удобство пользователя при решении задач установки соединений, конфигурирования, размещения и организации связей. Это вызвано, в основном, тем, что в едином адресном пространстве такой обмен сообщениями реализуется, как правило, при помощи подписки и реакции на происходящие события. При нахождении объектов в разных адресных пространствах необходимо обеспечить формирование, передачу и разбор пакетов, транспортирующих сообщения через каналы связи от компьютера к компьютеру. Организация связей ещѐ осложняется и тем, что подписка выполняется в разных областях памяти, поэтому непосредственные указатели (ссылки) на такие объекты в памяти не могут быть использованы. Поэтому система моделирования должна содержать соответствующий блок, реализующий указанные задачи.

Таким образом, можно сформировать следующий список требований к разрабатываемой распределѐнной системе моделирования цифровых устройств:

1.      обеспечить построение модели в терминах D-сетей Петри с использованием графового отображения;

2.      предоставить возможность сохранения и загрузки модели и еѐ графового отображения в соответствующие библиотеки;

3.      реализовать разработку блочно-схемного отображения;

4.      обеспечить интерпретацию модели, разработанной в терминах D-сетей Петри с использованием графового отображения, в блочно-схемное отображение;

5.      реализовать возможность сохранения и загрузки блочно-схемного отображения в соответствующую библиотеку;

6.      обеспечить построение модели в терминах схемных решений с использованием полученных базовых блоков блочно-схемного отображения;

7.      предоставить возможность сохранения и загрузки модели и еѐ схемного отображения в соответствующие библиотеки;

8.      обеспечить интерпретацию модели, разработанной в терминах схемных решений, в блочно-схемное отображение;

9.      реализовать возможность конфигурирования, размещения компонент распределѐнной модели цифрового устройства и организации связей между ними при еѐ размещении в разных приложениях и на разных компьютерах;

10.   обеспечить возможность подключения и визуализации любого блока (компоненты) цифрового устройства.

 

Список литературы

1.      Питерсон, Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. / Дж. Питерсон. М.: Мир, 1984. 264 с.

2.      Танненбаум, Э. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. / Э. Танненбаум, М. ван Стеен. СПб.: Питер, 2003. 877 с.

3.      Удалов, А.В. Особенности реализации  моделей цифровой электронной техники. / А.В. Удалов, А.А. Веселов // Тверь: ТвГТУ. Сборник научных трудов магистрантов и аспирантов. 2013. №3. С. 23-25.

4.      Удалов, А.В. Применение распределенных моделей для повышения эффективности САПР цифровых электронных устройств. / А.В. Удалов, А.А. Веселов // Тверь: ТвГТУ. Сборник научных трудов магистрантов и аспирантов. 2012. №1. С. 30-33.

5.      Уэйкерли, Дж. Проектирование цифровых устройств. / Дж. Уэйкерли. М.: Постмаркет, 2002. 544 с.