Некоторые аспекты применения УМК “Моделирование цифровых систем на языке VHDL”

Некоторые аспекты применения УМК “Моделирование цифровых систем на языке VHDL” в учебном курсе “Основы автоматизации проектирования”

П.А. Таберкин 

В соответствии с учебным планом многоуровневой подготовки специалистов курс “Основы автоматизации проектирования” изучается студентами специальности 2203 “Системы автоматизированного проектирования” в седьмом семестре и включает 36 часов лекционных занятий, 18 часов практических занятий и 18 часов индивидуальных занятий.

В первой части курса рассматриваются основные этапы проектирования РЭА и ЭВА: системотехнический, схемотехнический и конструкторский; основные задачи каждого этапа, их особенности и взаимосвязи; обобщенная структурная схема САПР, виды обеспечения САПР и требования к их компонентам 1-3.

Во второй части курса рассматриваются наиболее широко применяемые подходы и методы решения ключевых задач каждого этапа проектирования, а также назначение, состав и особенности таких систем автоматизированного проектирования как PSpice, OrCAD, AutoCAD и P-CAD1,3-5.

Основной целью курса  является изучение общих сведений об объектах, моделях и задачах автоматизированного проектирования; основных понятий САПР; назначения, состава, принципов и особенностей функционирования различных систем автоматизированного проектирования. Т. о., в этом курсе предпринята попытка дать цельную картину процесса автоматизированного проектирования РЭА и ЭВА, основных проблем и подходов к их решению. Отдельные этапы и задачи проектирования, методы их решения более подробно изучаются студентами специальности 2203 “Системы автоматизированного проектирования” в других учебных курсах, таких как “Автоматизация конструирования ЭВА”, “Оптимизация в САПР” и т. д.

Основной проблемой при преподавании курса “Основы автоматизации проектирования” является организация и наполнение практических и индивидуальных занятий таким образом, чтобы они с максимальной эффективностью способствовали освоению студентами данного курса.

С этой целью для практических и индивидуальных занятий студентам предлагалась следующая задача – разработать техническое задание и эскизный проект для построения в Таганроге различных систем связи. 

Варианты заданий:

цифровая система интегрированной связи на базе АТС Алкатель 1000 С12;

сотовая цифровая система связи на базе системы Алкатель 900 с использованием в качестве центра коммутации подвижной связи АТС Алкатель 1000 С12;

система расширенного факс-сервиса FAXNET, использующая принцип “Store-and-Forward” (цифровое запоминание и отправка факсимильных сообщений) на основе выделенной телефонной сети “Искра-2”;

интегральная цифровая система связи на базе System X фирмы GEC PLESSEY TELECOMMUNICATIONS LIMITED;

цифровая сотовая система GMH 2000 фирмы HUGHES NETWORK SYSTEM, Inc.;

интегральная сеть деловой спутниковой связи фирмы HUGHES NETWORK SYSTEM, Inc.;

территориальная радиально-зоновая система сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования “ВОЛЕМОТ”;

система радиотелефонной связи для сельской местности “ЛЕС-С”;

система персонального радиовызова “ЛУЧ-1С”;

цифровая система связи на базе электронной УАТС типа DX 200 фирмы Nokia Telecommunications Oy;

цифровая система радиотелефонной связи ACTIONET фирмы Nokia Telecommunications Oy.

В качестве раздаточных материалов использовались материалы фирм-разработчиков, содержащие описание и технические характеристики соответствующих систем.

Результаты работы показали, что студенты способны достаточно грамотно разработать техническое задание на проектирование соответствующей системы и выполнить привязку предложенных проектов к местным условиям.

Накопленный опыт позволяет сделать следующие выводы:

– необходимо расширить часть курса, посвященную системотехническому этапу проектирования ЭВА, уделяя особое внимание рассмотрению основ прикладной теории конечных автоматов и базирующихся на ней методов синтеза микропрограммных автоматов;

– при проведении практических занятий возможно использование УМК “Моделирование цифровых систем на языке VHDL”, в частности – интегрированной системы подготовки и контроля VHDL-описаний.

Язык VHDL содержит средства, позволяющие отобразить три аспекта, характеризующие цифровую аппаратуру6:

–функциональный (функция аппаратуры может детализироваться от уровня системы команд и алгоритмов устройств до булевых функций);

– временной (задержки, производительность, время отклика – от задержек фронтов сигналов до тактов и задержек электромеханических устройств);

– структурный (схемы, типы и связи компонент – от уровня устройств типа процессор-память до уровня вентилей и переключающих элементов).

Программная система VHDL-ANALYZER позволяет осуществить проверку фрагментов VHDL-описаний систем и дает возможность из корректных VHDL-описаний фрагментов создать проектную библиотеку или библиотеки проектов. Такие фрагменты описаний, которые могут независимо анализироваться VHDL системой и при отсутствии ошибок помещаться в библиотеку проекта, в терминах языка VHDL называются проектными модулями (design unit). Такими модулями могут быть:

– объявление интерфейса объекта проекта (entity);

– объявление архитектуры (architecture);

– объявление конфигурации (configuration);

– объявление интерфейса пакета (package);

– объявление тела пакета (package body).

Таким образом, УМК “Моделирование цифровых систем на языке VHDL” может быть использован в учебном курсе “Основы автоматизации проектирования” для решения следующих задач:

– исследование и отладка VHDL-описаний отдельных фрагментов различных систем связи, в первую очередь подсистем управления, коммутации, учета и управления трафиком ячеек цифровых сотовых систем радиосвязи в виде конечных автоматов;

– создание и сопровождение проектных библиотек, содержащих разработанные и отлаженные студентами проектные модули, описывающие те или иные аспекты реальных цифровых систем;

– создание на основе иерархических систем VHDL-описаний проектных модулей, отображающих структурные и поведенческие аспекты соответствующих фрагментов, VHDL-описаний реальных систем в целом;

– исследование промежуточных результатов на различных уровнях и этапах разработки технического задания и эскизного проекта;

– моделирование на VHDL различных микросхем и микропроцессорных систем.

Это позволит значительно увеличить степень детализации и повысить достоверность проектных решений при разработке студентами технических заданий и эскизных проектов для построения различных систем в конкретных условиях, глубже освоить инструментарий языка VHDL студентами при отладке VHDL-описаний и моделировании микросхем и простых микропроцессорных систем, смоделировать участие студентов в реальном процессе проектирования сложной системы крупным проектным коллективом.

Список литературы

Ильин В. Н. и др. Автоматизация схемотехнического проектирования.- М.: Радио и связь, 1987.

Морозов К. К., Одиноков В. Г., Курейчик В. М. Автоматизированное проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры.- М.: Радио и связь, 1983.

Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике: СправочникЕ. В. Авдеев и др.; Под ред. И. П. Норенкова.- М.: Радио и связь, 1986.

Карберри П. Р. Персональные компьютеры в автоматизированном проектировании.- Машиностроение, 1989.

Разевиг В. Д. Применение программ P-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ.- Вып. 1-4.- М.: Радио и связь, 1992.

Поляков А. К. Моделирование цифровых систем на языке VHDL. Учебное пособие/М.: Моск. энерг. ин-т, 1995.