Выбор способа кроссплатформенной программной реализации функций БКУ

Новшеством, предлагаемым в работе, является автоматическая разработка программного обеспечения БКУ по технологии Model-based design.

Model-Based Design (модельно-ориентированное проектирование) - эффективный и экономически выгодный способ разработки систем управления, обработки сигналов и изображений, построения систем связи, разработок в области мехатроники и создания встраиваемых систем. Вместо физических прототипов и текстовых спецификаций в модельно-ориентированном проектировании применяется исполняемая модель. Эта модель используется во всех этапах разработки. При таком подходе можно разрабатывать и проводить имитационное моделирование как всей системы целиком, так и ее компонентов. Есть возможность автоматической генерации кода, испытаний в непрерывном режиме и верификации [9].

В модельно-ориентированном проектировании процесс разработки сосредоточен вокруг системной модели - от фиксации и разработки технических требований до внедрения и тестирования. Данная модель системы - основа исполняемой спецификации, которая используется и разрабатывается на всем протяжении процесса проектирования. Исполняемая спецификация может также включать входные данные и предполагаемые выходные данные или критерии соответствия и условия эксплуатации, а также ссылки на требования. Цель исполняемой спецификации заключается в однозначной формулировке цели разработки, а также в возможности анализа осуществимости и совместимости требований посредством моделирования.

Основой этого метода служит компьютерное моделирование в системе Matlab-Simulink-Stateflow, которое позволяет реализовать все этапы модельно-ориентированного программирования - от учета требований к разработке до тестирования конечного продукта. Пакет Simulink представляет собой различные блоки устройств, взаимодействующие между собой. Пакет Stateflow позволяет смоделировать и разработать конечную автоматную модель, а затем использовать её как блок Simulink- модели [10].

Почти 60% FPGA и ASIC требуют повторной сборки после устранения функциональных дефектов. Продукт компании MathWorks для генерации HDL -кодов, косимуляции (совместного моделирования) и проверки помогают успешно справиться с этой задачей.

Работая с независимыми моделями, можно еще до их внедрения быстро исследовать архитектуру, настройки фиксированных точек и оптимизацию. Автоматическая генерация кода на языке описания аппаратных средств (HDL) позволяет проводить быструю итеративную проверку алгоритма и прийти к подходящим компромиссам.

Simulink можно использовать для разработки моделей систем, содержащих цифровые, аналоговые и программные элементы [11]. Simulink HDL Coder позволяет быстро найти компромисс между мощностью аппаратуры и скоростью вычислений. Выбирая подходящую конвейерную обработку и архитектуру, разработчик получает лучшую аппаратную реализацию своего алгоритма. Выбирать можно, к примеру, между каскадной, последовательной и древовидной реализациями. Чтобы учесть требования изменившейся спецификации, достаточно изменить модель Simulink и автоматически сгенерировать код HDL. Моделирование системы на высоком уровне абстракции позволяет повторно использовать разработку, делает проект транспортабельным и независимым от целевой платформы. К примеру, разработчик может использовать библиотеку моделей Simulink, быстро получая для каждого варианта модели код HDL, не редактируя при этом сам код Verilog или VHDL. Кроме того, проект можно сделать доступным для нескольких команд. И, наконец, возможно прототипирование на ПЛИС и массовая реализация на прикладных интегральных схемах.

Встроенная утилита HDL Coder генерирует HDL -код под заданное устройство. Важнейшее преимущество концепции Model-based-design проявляется на данном этапе. Оно заключается в следующем: при смене целевой микросхемы нет необходимости переписывать код программы, как это делается в традиционной методике построения систем, достаточно лишь изменить при генерации кода параметр назначенного устройства. За счет данного кросс-платформенного метода работа сокращается в десятки раз по времени, что уж говорить о трудоемкости.

Разработка и верификация программного обеспечения для БКУ космических аппаратов является сложной многоуровневой задачей, выполнение которой в настоящее время занимает годы. Существует возможность снизить это время за счет автоматизации разработки ПО на базе средств и методов компании MathSoft, обеспечивающих процесс автоматической генерации программных кодов для выбранных аппаратных платформ из визуальных моделей StateFlow и Simulink среды MATLAB.

Разработка ПО сводится, таким образом, к построению визуальных моделей управляющих алгоритмов, проверке их адекватности с использованием моделей источников сигналов и генерации программного кода, оптимизированного под особенности аппаратной платформы (процессоры, контроллеры, ПЛИС) [12,13].

Модельно-ориентированное проектирование является наглядным методом решения задач, связанных с проектированием комплекса управления, обработки сигналов и систем связи. МОП является методологией, применяемой при разработке встроенного программного обеспечения. Модельно-ориентированного проектирование существенно отличается от традиционной методологии проектирования. Вместо того чтобы использовать сложные структуры и обширные программные коды, разработчики могут использовать МОП для создания моделей с расширенными функциональными характеристиками, с помощью использования различных блоков. Одним из преимуществ данного метода является то, что с помощью МОП упрощается процесс тестирования и верификации модели. Это эффективный и экономически выгодный способ разработки систем управления, обработки сигналов и изображений, построения систем связи и создания встраиваемых систем. Применение этого подхода в компаниях позволило увеличить качество продукции и уменьшить время разработки более чем в два раза.

Проектирование, разработка и тестирование систем связи сопряжено с решением целого ряда сложных задач: от разработки алгоритмов кодирования, модуляции и фильтрации, до оптимизации каналов связи, протоколов передачи данных и их программной реализации на DSP процессорах или FPGA.

Модельно-ориентированное проектирование - это новый метод для решения всего комплекса перечисленных задач в рамках единой среды разработки на платформе MATLAB/Simulink. Этот метод объединяет разные этапы разработки системы, такие как формирование спецификаций и системных требований, имитационное моделирование, разработка системы, отладка и тестирование в непрерывный рабочий процесс (рисунок 1.6).

Основной идеей является то, что разработка систем цифровой обработки сигналов с реализацией на микропроцессорах и на ПЛИС является трудоемким процессом и с точки зрения временных затрат, и с точки зрения поиска специалистов. В большинстве случаев специалист изначально не знает, какой именно алгоритм будет наиболее эффективным в решении его задачи, а также не всегда ясно, на каком "железе" этот алгоритм будет реализован.

Среда проектирования MATLAB и Simulink позволяет быстро создавать алгоритмы в виде математических моделей и выбирать наиболее оптимальный вариант алгоритма. Нет необходимости сразу писать на С или HDL (и тратить недели на проверку той или иной реализации) до того, как выбран удовлетворяющий вариант.

Одним из этапов является автоматический синтез C и HDL кода и верификация непосредственно на отладочных платах. Данный процесс разработки носит название модельно-ориентированное проектирование (Model-Based Design) и применяется во многих российских конструкторских бюро как единый инструмент проектирования цифровых систем обработки сигналов. Основные функции, выполняемые в данной среде: проектирование систем цифровой обработки сигналов в MATLAB и Simulink - введение в System Objects, потоковая обработка информации с помощью System Objects, ускорение алгоритмов цифровой обработки сигналов; перенос и проверка алгоритмов на FPGA - автоматическая генерация С кода, автоматическая генерация HDL кода, проверка алгоритмов в режиме Software-in-the-loop и FPGA-in-the-loop [14].

Таким образом, на данном этапе работы были решены следующие задачи: в качестве используемой была выбрана централизованная схема построения внутренней структуры бортового комплекса управления; было принято решения отказаться от использования операционных систем реального времени в пользу конечных автоматов; кросплатформенность программного обеспечения будет выполнена с помощью технологии Model-Based Design, предусматривающей автоматическую генерацию кода конфигурации под практически любую из существующих ПЛИС.