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 системыразработка 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, 20 002 001 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.

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 системыопределить габаритные ограниченияопределить временные ограниченияопределить структуру унифицированных средств обслуживания системырешить 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.