Анализ и разработка виртуального стенда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

вычислительный машина виртуальный стенд

Любая вычислительная машина - сложная система, которая состоит из множества компонентов на каждом уровне иерархии. Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно- математическое обеспечение. Существует множество различных методик изучения и исследования работы ЭВМ, в том числе с помощью воспроизведение работы отдельных систем с помощью лабораторных установок и их виртуальных аналогов.

В курсовой работе будут рассмотрены преимущества внедрения модели виртуального стенда. Рассматриваются возможные программные средства для разработки виртуальной лабораторной установки такие как Electronic Work bench, MATHLAB, Visual Studio C#, Lab VIEW.

В работе проводится обзор предметной области необходимый для правильного понимания процесса функционирования такого класса систем, как лабораторная установка УМ-21.

Был проведён анализ задачи разработки модели стенда с точки зрения АСНИ, который включает в себя изучение подобных работ, формулировку и классификацию требований к программному обеспечению, процесс моделирования, оценку эффективности и подобия, анализ целевых функций.

В курсовой работе представлен обзор основных этапов разработки модели стенда УМ-21, а также описана работа с виртуальной моделью.

1. Постановка задач исследования и обзор предметной области

1.1 Актуальность

Одним из важных компонентов образования студента в области информатики и вычислительной техники является закрепление полученных теоретических знаний в форме практических работ. Часто такие работы проводятся с использованием лабораторных установок. Оборудование чаще всего имеет высокую стоимость, сложную внутреннюю структуру, объёмную техническую документацию. Для его обслуживания и наладки необходим квалифицированный персонал. Установки сложно модернизировать, изменять состав и назначение.

В связи с этим становится актуальным использовать возможности компьютера для создания виртуальных стендов. В этом случае можно увеличить количество одновременно обучаемых студентов, установив соответствующую программу на необходимое число компьютеров. На виртуальном стенде можно без потерь показать результат действий, которые в случае работы с реальным оборудованием привели бы к поломке. Такой стенд может контролировать процесс выполнения лабораторной работы и указывать на ошибки. Это ускоряет процесс обучения и избавляет преподавателя контролировать работу каждого студента. Возможность включения справочной информации позволяет повысить качество обучения, делая доступной необходимые сведения. Можно выбрать наиболее эффективную форму подачи справочной информации, делая её наглядной, понятной, лёгкой для запоминания.

Таким образом, увеличивается скорость, качество обучения, снижается нагрузка на преподавателя, а сам процесс становится более эффективным и интересным.

1.1.1 Преимущества внедрения модели виртуального стенда

1. Замена устаревшего оборудования;

2. Возможность лёгкого расширения, усовершенствования, модернизации;

3. Уменьшается возможность выведения из строя оборудования;

4. Число выполняющих работы со стендом ограничивается числом персональных компьютеров, на которые установлен виртуальный стенд;

5. Возможность контроля качества выполнения в процессе работы, а не только по результатам;

6. Повышение эффективности обучения за счёт внедрения наглядной и информативной справочной информации;

7. Снижение нагрузки преподавателя путём перенесения функции контроля на программу.

1.2 Цель и задачи исследования

Целью исследования, проводимого в данной работе, является повышение качества обучения студентов путём создания виртуальной лабораторной установки, реализующей микропрограммный и аппаратный способы управления выполнением логических операций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. провести анализ предметной области;

2. обосновать и выбрать язык и среду для создания приложения;

3. разработать алгоритм программы, учитывающий особенности учебного процесса;

4. создать виртуальную лабораторную установку;

5. описать структуру установки и процесс работы с ней в видеоуроках.

1.3 Обзор возможных программных средств для разработки виртуальной лабораторной установки (выбор прототипа)

Лабораторная установка представляет собой детерминированную, дискретно-событийную динамическую систему (ДСДС). В такой системе переходы инициируют события, которые происходят в дискретные моменты времени. Событие соответствует началу или концу деятельности. Промежутки между событиями не всегда совпадают и могут быть детерминированным или стохастическим. ДСДС характерно наличие асинхронного поведения с множеством параллелизма, как правило, характеризуются сложной, иерархической структурой. Для моделирования таких систем существует развитый математический аппарат. Пригодными методами являются теория массового обслуживания, формальные языки, теория автоматов, временная логика, марковскиепроцессы, сети Петри и некоторые другие. Каждый из методов имеет достоинства и недостатки, поэтому выбор метода зависит от конкретной системы и поставленных задач.

Рассмотрим различные программные средства, пригодные для моделирования дискретно-событийной системы.

1.3.1Electronics Work bench

Electronics Work bench (продукт компании National Instruments) - предназначен для моделирования цифровых и аналоговых электронных схем. Electronics Work bench может проводить анализ схем на постоянном и переменном токах. Результаты этого анализа не отражаются на приборах, они используются для дальнейшего анализа схемы. В Electronics Work bench можно исследовать переходные процессы при воздействии на схемы входных сигналов различной формы. Программа также позволяет производить анализ цифро-аналоговых и цифровых схем большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов. Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки.

Electronics Work bench позволяет строить схемы различной степени сложности при помощи следующих операций:

? выбор элементов и приборов из библиотек;

? перемещение элементов и схем в любое место рабочего поля;

? поворот элементов и групп элементов на углы, кратные 90°;

? копирование, вставка или удаление элементов, групп элементов, фрагментов схем и целых схем;

? изменение цвета проводников;

? выделение цветом контуров схем для более удобного восприятия;

? одновременное подключение нескольких измерительных приборов и наблюдение их показаний на экране монитора;

? присваивание элементу условного обозначения;

? изменение параметров элементов в широком диапазоне.

1.3.2 MATHLAB

Система MATHLAB (MATrix LABoratory) предназначена для выполнения научных и инженерных расчётов на компьютере. С её помощью эффективно решаются задачи вычислительной математики, линейной алгебры, математической статистики и математического моделирования. В её состав входит несколько десятков специализированных пакетов, предназначенных для обработки денных в различных областях науки и техники (системы управления, нечёткие системы, нейронные сети, цифровая обработка сигналов и изображений).

MATLAB - это высокоэффективный язык инженерных и научных вычислений. Он поддерживает математические вычисления, визуализацию научной графики и программирование с использованием легко осваиваемого операционного окружения, когда задачи и их решения могут быть представлены в нотации, близкой к математической. Наиболее известные области применения системы MATLAB:

?математика и вычисления;

?разработка алгоритмов;

?вычислительный эксперимент, имитационное моделирование, макетирование;

?анализ данных, исследование и визуализация результатов;

?научная и инженерная графика;

?разработка приложений, включая графический интерфейс пользователя.

MATLAB - это интерактивная система, основным объектом которой является массив, для которого не требуется указывать размерность явно. Это позволяет решать многие вычислительные задачи, связанные с векторно-матричными формулировками, существенно сокращая время, которое понадобилось бы для программирования на скалярных языках типа C или FORTRAN.

1.3.3 Visual StudioC#

Интегрированная среда разработки Visual C# представляет собой набор средств разработки, предоставляемых через единый пользовательский интерфейс. Некоторые средства используются совместно с другими языками Visual Studio, в то время как другие, например, компилятор C#, свойственны только Visual C#. Быстрота и удобство создания пользовательских интерфейсов в Visual C# обеспечивается благодаря Windows Form Designer или Windows Presentation Foundation (WPF) Designer. Создание пользовательских интерфейсов происходит в три основных этапа.

? Добавление элементов управления на поверхность разработки.

? Установка начальных свойств для элементов управления.

? Написание обработчиков для заданных событий.

Элементы управления, являющиеся компонентами с визуальным представлением (например, кнопки и текстовые поля) можно перетащить мышью в поверхность разработки одного из конструкторов. После добавления элемента управления на поверхность разработки в окне Свойства можно задать его свойства, такие как цвет фона и текст по умолчанию. Программы с графическим интерфейсом пользователя главным образом основаны на событиях. Такие программы ожидают действий пользователя. В библиотеке классов .NET Frame work пространство имен System. Windows. Forms включает классы, используемые в приложениях Windows Forms, а пространство имен System. Windows. Controls - классы для приложений WPF.

1.3.4 Lab VIEW

Организация лабораторной установки УМ-21 позволяет сделать вывод, что одним из наиболее удобных средств моделирования является программный продукт Lab VIEW.

Lab VIEW (англ. Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Work bench) -- это среда графического программирования, которую используют технические специалисты, инженеры, преподаватели и ученые по всему миру для быстрого создания комплексных приложений в задачах измерения, тестирования, управления, автоматизации научного эксперимента и образования. Это среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments. Он основан на архитектуре потоков данных. Последовательность выполнения операторов в таких языках определяется не порядком их следования, а наличием данных на входах этих операторов. Операторы, не связанные по данным, выполняются параллельно в произвольном порядке.

Первая версия Lab VIEW была выпущена в 1986 году для Apple Macintosh, в настоящее время существуют версии для UNIX, Linux, Mac OS и пр., а наиболее развитыми и популярными являются версии для Microsoft Windows.

Lab VIEW используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами.

Среда Lab VIEW предоставляет в распоряжение пользователя широкий спектр инструментов и библиотек: от интерактивных мастеров настройки и пользовательских интерфейсов до встроенных компилятора, компоновщика и средств отладки.

Отличительная особенность Lab VIEW - это поддержка выполнения кода, написанного на языке G, в режиме потока данных (потоковое программирование), в то время как традиционные текстовые языки (например, C и C++) обеспечивают выполнение кода в виде последовательности команд.

Потоковое программирование в среде Lab VIEW позволяет разработчику полностью сфокусироваться на данных и путях их обработки. Узлы программы - функции, циклы и прочие конструкции языка - получают данные через входы, производят их обработку и выводят данные с помощью выходов. Как только значения параметров поступают на каждый из входных терминалов узла, происходит выполнение кода узла (обработка поступивших данных), после чего значения выходных параметров оказываются доступными на выходных терминалах узла для дальнейшей их передачи на другие узлы согласно логике потока данных. Соответственно, из двух последовательно связанных узлов, второй сможет быть выполнен только после получения данных от предыдущего.

Код языка G обычно удобен для визуальной работы с данными, моделирования процессов с помощью блок-схем и диаграмм состояний, которые также отражают потоки данных. Потоковое программирование обусловливает необходимость работать в терминологическом поле прикладной области задачи. Типичное приложение на языке G сначала получает данные с нескольких каналов датчиков температуры, затем передает данные функции, выполняющей анализ, и сохраняет данные на диск. Графическое представление программы наглядно демонстрирует порядок выполнения операций и потоки данных.

Lab VIEW предоставляет в распоряжение пользователя удобные и интуитивно понятные инструменты среды разработки. Средства отладки позволяют наглядно отобразить процесс распространения данных по проводникам и соответствующие значения на входах и выходах узлов кода. Т.е. происходит анимация выполнения задачи.

Среда предоставляет разработчику набор инструментов отладки. С помощью пиктограмм на инструментальной панели блок-диаграммы запускается пошаговое выполнение кода, устанавливаются точки останова, включается анимация выполнения.

Рисунок 1.1 - Пиктограммы стандартных отладочных средств на инструментальной панели блок-диаграммы

Одна из отличительных особенностей процесса отладки в Lab VIEW - это скрытое компилирование кода. Пока вы работаете с кодом, компилятор постоянно проводит семантический и синтаксический анализ кода. В случае обнаружения ошибок, блокируется возможность выполнения программы, а на инструментальной панели отображается пиктограмма со сломанной стрелкой.

Рисунок 1.2 - Реакция среды на ошибку в коде G

Нажатие на кнопку запуска приводит к отображению окна с перечнем ошибок, которые необходимо исправить. Программа может быть скомпилирована после устранения ошибок.

Языки потокового программирования позволяют автоматически распараллеливать выполнение кода. Они изначально содержат в себе информацию о том, какие участи кода следует выполнять параллельно. Данные между параллельно выполняющимися участками программы передаются с помощью механизма очередей. Многопоточность реализуется встроенным компилятором, самостоятельно определяющим участки кода, имеющие параллельно расположенные узлы, и организующим раздельные потоки для их параллельного исполнения. В компьютерной терминологии такой механизм называется «неявный параллелизм», т.е. реализация параллелизма осуществляется автоматически средствами разработки, а не специально написанным кодом.

Автоматическое управление памятью - одно из главных преимуществ языка G. Нет необходимости выделять память для переменных и присваивать им значения. Необходимо создать блок-диаграмму, отражающую движение данных. Узлы блок-диаграммы, которые генерируют данные, автоматически обеспечивают выделение памяти. Высвобождение памяти происходит автоматически после того как данные становятся не нужны. При добавлении дополнительных данных в массив или строку, вызываются процедуры выделения дополнительного объема памяти. Это позволяет сосредоточиться на решении поставленной задачи и не допускать ошибок в синтаксисе при программировании.

Графический язык программирования G в среде LabWIEV хорошо подходит для моделирования работы лабораторной установки УМ-21.

1.4 Функционирование ЭВМ при выполнении команд

1.4.1 Структура и классификация процессоров

Работу процессора характеризуют частота генератора f_к и зависящий от нее такт работы процессора T_пр(машинный такт). В течение машинного такта выполняется одна или несколько микроопераций процессора. Производительность выше у того компьютера, у которого короче машинный такт, т.к. величина производительности процессора определяется отношением выполняемых команд (операций) к единице времени.

Процессоры классифицируют по различным признакам. По способу организации выполнения операций выделяют процессоры с микропрограммным (гибким) и аппаратным (жестким) управлением. При микропрограммном управлении в ПЗУ процессора хранятся микропрограммы, состоящие из микрокоманд. Каждая микрокоманда обеспечивает выполнение одной или нескольких микроопераций. Выделяют следующие типы машинных команд: команды пересылки информации внутри компьютера, арифметические операции, логические операции, операции над строками, операции обращения к внешним устройствам компьютера, операции передачи управления, обслуживающие и вспомогательные операции. Каждому типу машинных команд соответствует определенный алгоритм. При аппаратном управлении все алгоритмы выполнения команд реализованы на основе логических схем.

Большинство процессоров управляется микропрограммно, так как в этом случае удобнее вносить изменение в функционирование команд и расширять их состав.

По функциональному назначению различают процессоры центральные (процессоры ЭВМ) и периферийные (ввода-вывода, телеобработки, матричные для выполнения специальных функций).

В зависимости от допустимых форм представления чисел процессоры делятся на обрабатывающие числа с фиксированной или плавающей точкой (запятой), а также десятичные числа. Процессор, обрабатывающий все перечисленные формы представления чисел, называется универсальным.

В зависимости от способа выполнения машинных команд процессоры подразделяются на синхронные, асинхронные и смешанные. В синхронных процессорах любая команда независимо от ее сложности занимает один машинный такт. Это приводит к неэффективному использованию машинного времени, так как величина такта резко возрастает из-за сложности команд и отрицательно сказывается на эффективности выполнения простых команд. В асинхронных процессорах любая команда занимает необходимое время, после чего процессор сразу же переходит к следующей команде.

По структуре системы команд, выполняемых процессором, выделяют процессоры со сложной системой команд (CISC-процессоры) и процессоры с сокращенной системой команд (RISC-процессоры). В первом случае расширение набора команд, увеличение числа способов адресации сопровождаются увеличением длины кода команды, кода операции, что может приводить к использованию «расширяющегося кода операции», увеличению числа форматов команд. Это вызывает усложнение и замедление процесса дешифрации кода операции и других процедур обработки команд.

При использовании RISC-архитектуры выбор набора команд и структуры микропроцессора направлены на выполнение набора команд за один машинный цикл. Выполнение более сложных, редко встречающихся операции, обеспечивают подпрограммы.

Все процессоры характеризуются разрядностью - максимальной длиной обрабатываемых чисел. Разрядность измеряется в битах.

Основными составляющими микропроцессора являются арифметико-логическое устройство, устройство управления, блок управления памятью, блока контроля и диагностики. Арифметическо-логическое устройство процессора служит для выполнения арифметических и логических действий над числами и кодами. В его состав входят сумматор (один или несколько), сдвигатель (один или несколько), регистры для хранения промежуточных результатов.

Устройство управления производит дешифрацию кодов команд, поступающих из оперативной памяти; вырабатывает последовательность управляющих сигналов, необходимых для выполнения команд; управляет последовательностью выборки команд и операндов из оперативной и местной памяти; управляет запросами на вмешательство в процесс вычислений, поступающими от блоков ЭВМ и из внешней среды.

Блок управления памятью обеспечивает управление передачей информации из оперативной памяти (ОП) в буферную память (БП) и оттуда в УУ, АЛУ и КД, и наоборот (БП входит в состав УП). УП также управляет передачей информации из ОП в каналы ввода-вывода и обратно, организует работу ОП.

Блок контроля и диагностики служит для фиксации и диагностирования сбоев и отказов оборудования процессора, оперативной памяти и каналов ввода-вывода. Важнейшей функцией блока КД является выполнение записи состояния основных регистров процессора в оперативную память по фиксированным адресам, что позволяет производить восстановление хода вычислений с момента, предшествовавшего возникновению сбоя, или отказа, оборудования. Кроме того, оборудование блока КД позволяет в значительной степени автоматизировать поиск неисправности.

1.4.2 Основные стадии выполнения команды

ЭВМ оперируют с данными, представленными в цифровой форме в двоичном алфавите. Это связано с тем, что в цифровых устройствах используются физические элементы с двумя устойчивыми состояниями, которые обозначаются символами 0 и 1.

В качестве основных структурных единиц информации в современных ЭВМ - приняты следующие:

- бит или двоичный разряд, является наименьшей единицей данных и может принимать значения 0 или 1;

- поле - последовательность битов, имеющая некоторый смысл;

- байт - восемь бит, используется как основной структурный элемент информации, адресуемый, передаваемый и обрабатываемый как целое;

- машинное слово - последовательность байтов, имеющая определенный смысл.

Рисунок 1.3 - Основные структурные единицы информации

Последовательность логических и арифметических операций, которые необходимо произвести над исходными данными и промежуточными результатами для получения решения задачи называется алгоритмом решения задачи. Алгоритм можно задать указанием последовательности операций над заданными машинными словами. Описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ, называется программой. Программа состоит из отдельных команд. Команда - это специальное машинное слово, которое определяет операцию ЭВМ и данные, над которыми эта операция будет выполняться. Таким образом, процесс обработки данных в ЭВМ заключается в выполнении команд, предписанных программой.

Операция задается условным кодом, называемым кодом операции (КОП), а операнды - данные, над которыми выполняется операция, адресами (А) ячеек, в которых они хранятся. Любая команда состоит, таким образом, из двух основных частей - операционной и адресной. Количество адресов операндов, содержащихся в команде, называется адресностью команды.

Рисунок 1.4 - Общая структура команды

В трехадресной команде А1 и А2 - адреса ячеек, содержащих исходные операнды, а А3 - адрес, по которому помещается результат. В двухадресной команде А3 отсутствует, поэтому результат операции либо остается в процессоре ЭВМ, либо записывается в ячейку с адресом А1 или А2. В одноадресной команде содержится только адрес одного операнда А1. Операция выполняется над числом, находящимся в определенном регистре процессора (например, это результат предыдущей операции) и числом, считанным по адресу А1.

Автоматическое управление процессом решения задачи осуществляется благодаря микропрограммному управлению. Оно заключается в том, что для каждой команды, выбранной процессором для выполнения, в устройстве управления находится программа ее реализации, называемая микропрограммой. Микропрограмма, состоит из микрокоманд, описывающих элементарные операции. В соответствии с последовательностью микрокоманд устройство управления вырабатывает электрические управляющие сигналы, заставляющие различные элементы АЛУ выполнять необходимые действия.

При выполнении программы процессор берёт очередную команду и определяет предписываемую ею операцию. Если эта операция состоит в выполнении арифметических или логических действий над операндами, то на следующем этапе происходит считывание операндов и далее производится непосредственно выполнение команды. После этого осуществляется формирование адреса следующей предписываемой программой команде.

Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды могут нужное количество раз извлекаться из памяти и выполняться. Так как команды представляются в памяти в цифровом виде, то над ними могут выполняться операции, называемые модификацией команд.

Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд передачи управления, изменяющих этот порядок безусловно или при выполнении некоторого условия. Команды передачи управления ЭВМ позволяют изменять ход вычислительного процесса, решать логические задачи.

Интервал времени, в течение которого происходит выборка из ОП команды, операнда и выполнение команды - рабочий цикл ЭВМ. Для одноадресной команды рабочий цикл состоит из трех тактов: такта выборки команды, такта выборки операнда, такта выполнения операции. Длительность такого рабочего цикла определяется следующим соотношением:

Т_Ц 2Т_О+Т_ОП,

где Т_О и Т_ОП - время обращения к ОП и время выполнения операции в АЛУ.

Рисунок 1.5 - Рабочий цикл

Время Т_ОП зависит от типа выполняемой операции. Например, время сложения двух операндов в десятки раз меньше времени умножения или деления. Поэтому длительность рабочего цикла является величиной переменной и изменяется в широких пределах. Существует три способа организации рабочего цикла: синхронный, асинхронный и смешанный.

Рисунок 1.6 - Способы организации рабочего цикла

При синхронном способе Т_Ц=const , т.е. на выполнение любой команды отводится строго определенное время. Это время определяется по самой длинной команде. На рисунке 1.6,а показано, что при синхронном способе на выполнение трех команд: сложение, умножение и деление, отводится одинаковое время, несмотря на реальное время их выполнения. Недостатком этого способа является нерациональное использование рабочего времени процессора. При асинхронном способе формирования рабочего такта длительность рабочего цикла является величиной переменной и начало выполнения следующей операции осуществляется по сигналу окончания предыдущей операции. Достоинством метода является большое быстродействие, недостатком - сложность аппаратно-программной реализации.

При смешанном способе все команды разбиваются на группы с равным или примерно равным временем выполнения. При расшифровке КОП в УУ определяется к какой группе принадлежит выполняемая команда и в зависимости от этого формируется необходимая длительность рабочего цикла. Другой разновидностью смешанного способа является следующий - для команд, требующих малого и среднего времени выполнения устанавливается фиксированная длительность рабочего цикла. Для более длительных команд используется асинхронный метод. Для изучения процесса выполнения операций используется учебный стенд УМ-21. Он отражает все особенности выполнения операций на ЭВМ в аппаратном и микропрограммном режиме. Рассмотрим его особенности подробнее.

1.5 Назначение и технические характеристики стенда УМ - 21

Учебный стенд УМ-21 предназначен для изучения основных принципов построения управляющих устройств микропроцессоров. Он позволяет реализовать аппаратный и микропрограммный способы управления выполнением операций в операционном блоке МП и провести их детальное исследование.

1.5.1 Логические операции, выполняемые установкой

- И (А В);

- ИЛИ (А В);

- НЕ ();

- Равнозначность ();

- Неравнозначность (А В);

- Сдвиг на один разряд (в сторону младших разрядов).

1.5.2 Арифметические операции, выполняемые установкой

- сложение (А + В);

- вычитание (А - В);

- умножение (А * В) в нескольких модификациях (умножение модулей, в дополнительных кодах, с использованием алгоритма убыстрения);

- деление (С / А).

1.5.3 Способы организации управления выполнением операций

- с жесткой логикой (аппаратный);

- микропрограммный.

1.5.4 Состав коммутационного поля установки

- блок арифметико-логического устройства (АЛУ), построенный на основе быстродействующих суммирующих схем с ускоренным распространением переноса. Разрядность АЛУ 8 бит;

- три операционных регистра, из них один - регистр хранения, два - сдвиговых. Разрядность 8 бит;

- два тумблерных регистра для задания операндов. Разрядность каждого регистра по 8 бит;

- полупроводниковое запоминающее устройство емкостью 16 восьмиразрядных слов;

- двоичный четырехразрядный счетчик;

- триггер Д типа;

- набор тумблеров для задания кода операции.

2. Анализ задачи разработки модели стенда с точки зрения АСНИ

2.1 Анализ подобных работ

В работе, представленной Институтом автоматики и электрометрии СОРАН, Новосибирским государственным университетом «Использование виртуальных лабораторных стендов для обучения программированию задач промышленной автоматизации», отражён метод создания виртуальных лабораторных стендов для обучения программированию управляющих алгоритмов в области промышленной автоматизации. Виртуальный лабораторный стенд, реализуемый в виде программы. Базовой средой разработки выбран Lab VIEW. Стенд представляет собой законченное приложение, включающее визуальную и поведенческую имитацию технологического объекта, а также средства создания управляющего алгоритма с возможностью запуска его на исполнение.

В работе отмечено, что пакет Lab VIEW обладает широкими возможностями для графического представления результатов и богатым набором встроенных функций обработки данных. Эта особенность была учтена и повлияла на выбор среды разработки лабораторной установки.

Для разработки стенда был принят пакет Lab VIEW. Это решение повлияло на направление изучения предметной области. Необходимо углубить и расширить знания об этом пакете. В работе Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева «Организация типовой дистанционной автоматизированной лаборатории с использованием Lab VIEW-технологий в техническом ВУЗе» рассматривается возможность организации сетевой работы виртуального стенда. Отличительной чертой структуры, представленной в работе, является использование платы ввода-вывода на каждом рабочем месте. Это позволяет применять принцип разделения времени при доступе к измерительному каналу удалённым пользователям.

Представленное в работе решение по организации занятий с лабораторными установками в компьютерном классе и дистанционно представляется интересным. Выбранная авторами структура достаточно дорогостоящая и предполагает наличие комплекса виртуальных установок. Поэтому именно такой способ организации не подходит для решаемой задачи, однако идея создания сетевого приложения представляется перспективной.

Работа «Виртуальный измеритель спектральной плотности шумов в пространстве Лапласа в инструментальной среде Lab VIEW» позволяет составить представление о возможном варианте внутренней структуры лабораторной установки. Данная структура отражает основные особенности графического языка программирования «G», который используется в среде. Этот язык программирования основан на архитектуре потоков данных. Последовательность выполнения операторов в языке определяется не порядком их следования, а наличием данных на входах этих операторов. Операторы, не связанные по данным, выполняются параллельно в произвольном порядке.

Таким образом, результатом изучения предметной области, анализа и систематизации полученных знаний складывается представление о составе предметной области и решениях, которые будут использованы при реализации готового приложения. Результатом изучения предметной области стало принятия следующих решений: средой разработки выбрана Lab VIEW, приложение будет работать по сети, составлено представление о структуре будущего приложения. Предполагается сохранить в виртуальном лабораторном стенде структуру построения реальной лабораторной установки, т.е. построить виртуальную установку на виртуальных микросхемах с учётом их функциональных схем.

2.2 Процесс моделирования

Организация лабораторной установки УМ-21 позволяет сделать вывод, что одним из наиболее удобных средств моделирования является программный продукт Lab VIEW.

Для создания модели стенда УМ-21 необходимо воспроизвести все основные узлы установки. Для этого необходимо реализовать формулы вычисления вероятностей. Они представляют собой микросхемы и их соединения. Среда Lab VIEW предоставляет возможность воспроизвести эти узлы согласно их функциональным схемам.

Основные этапы разработки:

1. На панели FrontPanel отображаются электронные схемы, элементы индикации и управления режимами в соответствии с их изображением на стенде УМ-21. Индикаторные картины,

2. На панели BlockDiagram производится соединение входов и выходов микросхем в соответствии с логикой работы устройства, происходит формирование моделей микросхем согласно их функциональным схемам.

3. Проверяется работа устройства, выполнение логических операций.

В результате моделирования установки будет получен электронный эквивалент стенда. Виртуальная модель позволит выполнять работу каждому студенту за отдельным компьютером, изучая работу установки в микропрограммном и аппаратном режимах на примере выполнения логических операций.

Виртуальную модель можно установить на любом компьютере, это позволит выполнить лабораторную работу индивидуально одновременно несколькими студентами, появляется возможность давать задания по работе с установкой на дом.

Виртуальная модель не требует больших ресурсов и может быть установлена на любом компьютере.

Наличие виртуальной лабораторной установки УМ-21 позволит гарантировать возможность изучения микропрограммного и аппаратного режимов работы устройства, т.к. в случае выхода его из строя, появляется возможность выполнять лабораторные работы за компьютером.

2.3 Формулировка и классификация требований к разрабатываемому программному обеспечению

Требования пользователей (user requirements).

Будущая система позволит решать следующие задачи:

- выполнять в аппаратном режиме следующие логические операции: И, ИЛИ, НЕ, равнозначность, неравнозначность, сдвиг на один разряд (в сторону младших разрядов).

- выполнять в микропрограммном режиме следующие логические операции: И, ИЛИ, НЕ, равнозначность, неравнозначность, сдвиг на один разряд (в сторону младших разрядов).

- выводить на виртуальный осциллограф диаграмму, позволяющую измерить время выполнения операции.

- в случае работы в микропрограммном режиме позволяет отображать расположение микрокоманд в памяти.

- в случае ошибки в микропрограмме, её можно исправить. Есть возможность исправить только ту часть микропрограммы, где допущена ошибка.

- позволяет увидеть графическое отображение операндов и результатов операции.

- позволят пользоваться виртуальной установкой в индивидуальном порядке каждому пользователю.

Системные требования (system requirements)

Операционная система:

Windows XP (SP2/ SP3) x86. Процессор: Pentium III/ Celeron 866 МГц или аналогичный AMD. ОЗУ: 256 MB. Монитор с разрешением: 1024 x 768.

Видеокарта:

512 MB DirectX 9.0c-поддерживающая с Shader Model 4.0.

Звуковая карта: Direct X 9.0c-поддерживающая. Место на жестком диске: 1 MB.

Клавиатура, мышь.

Требования к атрибутам качества (quality attributes)

- закрытая внутренняя структура не позволяет показать прохождение сигнала

- невозможно создать коммутацию или перекоммутацию в готовом приложении. Только разработчику доступна эта функция.

Функциональные требования

Система должна:

- корректно отображать время выполнения логических операций в аппаратном и микропрограммном режиме.

- корректно отображать результат выполнения операций, операнды.

- все тумблеры, индикаторы, осциллограф должны работать корректно.

Нефункциональные требования

- для обучения правилами пользования стендом добавлены видеоуроки, поясняющие его работу. Приложение простое в использовании.

- приложение просто устанавливается на компьютер путём перемещения файла с установкой на жёсткий диск компьютера.

2.3 Эффективность и подобие

Эксперимент - комплекс мероприятий, связанный с воспроизведением режимов функционирования объекта при заданных условиях. Экспериментами занимается теория планирования и реализации экспериментов, теория подобия.

Любой объект оценивается целевой функцией. Прежде чем использовать модель в процессе исследований, необходимо проверить, отвечает ли она предъявляемым требованиям. К модели предъявляются следующие требования:

1. Полнота, адаптивность, возможность достаточно широких изменений. Это нужно для последовательного приближения к моделям, удовлетворяющим требованиям точности воспроизведения объекта. Полнота модели должна рассматриваться с различных точек зрения. Функциональная полнота модели должна позволять реализовать функции, характерные для объекта. Кроме того, модель должна быть достаточно полной для рассмотрения большого числа вариантов поведения и требуемой точности исследования.

2. Модель должна быть достаточно абстрактной, чтобы допускать варьирование большим числом переменных. При этом важно сохранить физический смысл объекта и возможность оценки полученных результатов.

3. Модель должна удовлетворять требованиям и условиям, ограничивающим время решения задачи. При исследовании в реальном масштабе времени допустимое время решения определяется ритмом функционирования объекта при нештатных ситуациях. Для достижения опережения или синхронности с процессами внутри объекта решают задачу снижения затрат машинного времени.

4. Модель должна ориентироваться на реализацию с помощью существующих технических средств, т.е. должна быть физически осуществима на данном уровне развития техники с учетом ограничения конкретного предприятия, выполняющего прогнозирование.

5. Модель должна обеспечивать получение полезной информации об объекте, исходя из поставленной задачи исследования. В большинстве случаев экономико-математические модели строятся с целью оптимизации моделируемых процессов. Информация, полученная с помощью модели, должна обеспечить расчет значений и позволить определить шаги поиска ее экстремального значения. Часто к исследовательским моделям предъявляются требования обеспечить заданные достоверность, точность результата при минимальных затратах на разработку.

6. Модель (по возможности) должна строиться с использованием общепринятой терминологии.

7. Модель должна предусматривать реальность проверки истинности соответствия ее оригиналу, т.е. обеспечивать проверку адекватности или верификацию.

8. Модель должна быть устойчива к ошибкам в исходных данных. В противном случае может иметь место использование результатов исследования при относительно небольших изменениях исходных данных. Это требование особенно важно в условиях относительно низкой точности исходных данных.

При использовании метода моделирования свойства и поведение объекта изучают путем применения вспомогательной системы - модели, находящейся в определенном соответствии с исследуемым объектом.

Под объектом исследования понимается либо некоторая система, элементы которой в процессе достижения конечной цели реализуют один или несколько процессов, либо некоторый процесс, реализуемый элементами одной или нескольких систем.

Рассмотрим соответствие приведённым критериям выбранных решений по организации виртуальной установки.

1. Полнота, адаптивность, возможность достаточно широких изменений будут достигнуты за счёт точного воспроизведения передней панели установки и воспроизведения схемного состава.

2. Абстракция модели будет обеспечена средой Lab VIEW, она позволяет свободно использовать большое количество переменных с сохранением производительности системы.

3. Модель удовлетворяет требованиям и условиям, ограничивающим время решения задачи. Работа за виртуальной установкой, как и за реальным стендом, будет осуществляться в реальном масштабе времени.

4. Модель физически осуществима и ориентируется на реализацию с помощью существующих технических средств (персональных компьютеров со средними характеристиками и средой Lab VIEW).

5. С помощью модели можно получить полезную информацию об объекте. Цель выполнения лабораторных работ студентом - изучение аппаратного и микропрограммного способов управления выполнением логических операций и измерение времени выполнения этих операций. Для достижения этой цели в стенд будет встроены все необходимые функции: отображение функциональных блоков для аппаратного и микропрограммного режимов, а также встроенный осциллограф для измерения времени выполнения операций. Цель построения виртуального стенда - повышения эффективности обучения студентов за счёт снижения стоимости и времени. Оценки соответствующих целевых функций будут представлены ниже.

6. Терминология построения модели определяется средой разработки Lab VIEWи используемым внутри неё графическим языком программирования G. Кроме того, для построения модели будут воспроизведены и закоммутированы соответствующим образом микросхемы, используемые в реальной установке. Предварительно для этой цели в среде Lab VIEW будут собраны необходимые схемы.

7. Истинность показаний модели легко проверить. Правильность выполнения логических операций будет показана с помощью соответствующей индикации, а время выполнения операций, отображаемое на виртуальном осциллографе будет соответствовать значениям, полученным на реальной установке.

8. Модель будет устойчива к ошибкам в исходных данных. Планируется включить в модель корректную реакцию на ошибки в данных, вводимых пользователем.

2.4 Целевые функции

1. Стоимостная (прибыль). Создание и введение в эксплуатацию виртуального аналога стенда дешевле закупки аналогичной лабораторной установки.

2. Временная. Снижение времени на обучение каждого студента. Возможность в индивидуальном порядке выполнить лабораторную работу позволяет повысить эффективность обучения каждого студента за более короткий срок.

Рассмотрим более подробно стоимостную функцию. Имеющуюся лабораторную установку в связи с некорректностью её работы необходимо заменить. Возможно использовать аналогичную установку. В этом случае необходимо учесть в стоимостной функции стоимость закупки установки () и величину затрат на эксплуатацию и обслуживание ().

Другим вариантом является использование модели лабораторной установки, запускаемой на компьютере. В этом случае стоимости закупки в стоимостной функции соответствует стоимость разработки программной реализации. Затраты на эксплуатацию и обслуживание в случае виртуальной установки соответствуют стоимости затрачиваемой электроэнергии на работу компьютера и стоимости обслуживания ЭВМ.

Стоимостная функция реальной лабораторной установки:

Стоимостная функция виртуальной лабораторной установки:



Исходя из вышеизложенных сведений, можно произвести количественную оценку коэффициентов стоимостной функции.

Такие значения коэффициентом обусловлены высокой стоимостью обслуживания и закупки аналогичной лабораторной установки.

Тогда, , а. Данное соотношение позволяет показать наглядно экономический эффект от внедрения виртуальной модели стенда.

Временная функция отражает время, затрачиваемое на обучение в процессе работы за реальной установкой и за виртуальным аналогом. Временную функцию составляют:

- время обучения работе за установкой. Время обучения работой за реальной установкой представляет из себя время изучения теоретического материала, представленного в лекциях, и время изучения и усвоения материала из методического пособия. Время обучения работе за установкой также включает изучение лекционного материала. Однако экономия времени осуществляется за счёт представления методического пособия по работе со стендом в форме видеоуроков. Для обучения работе в микропрограммном режиме работы минимально необходимо просмотреть 2 видеоурока, общая длительность которых не превышает 10 минут. Таким образом, соотношение коэффициентов примерно , где - время обучения с помощью видеоуроков, - время изучения методического пособия.

- время осуществления коммутации. При работе за реальной лабораторной установкой большая часть времени тратится на осуществление необходимой коммутации. При этом теряется суть выполнения работы - изучение времени выполнения операции в различных режимах и элементной базы, необходимой для выполнения операций в аппаратном и микропрограммном режимах. Кроме того, в случае работы с реальной установкой сложно найти ошибку. Т.к. неправильную работу вызывают как ошибки при коммутации, так они могут быть вызваны неисправностью отдельных коммутационных гнёзд. Данные временные затраты можно исключить за счёт выполнения правильной коммутации внутри стенда. Это позволит сэкономить время и сконцентрировать внимание обучающегося на схемном составе (за счёт визуализации соединений) и времени выполнения операций (за счёт встроенного в модель виртуального стенда осциллографа). В стоимостной функции эта информация будет отражена следующим соотношением , где - время осуществления коммутаций на виртуальном стенде, а - время осуществления коммутаций на реальном стенде. На практике это время занимает большую часть академического часа, выделенного на выполнение лабораторной работы.

- время записи микропрограммы в случае работы в микропрограммном режиме/время записи кода операции в случае работы в аппаратном режиме и время внесения операндов. Основная работа после осуществления коммутации заключается во внесении операндов и работе с ними согласно режиму работы. Эта особенность реального стенда сохранена в виртуальной модели. Поэтому временные коэффициенты, описывающие этот процесс приблизительно равны .

- время получения результата. Время получения результата включает в себя время отображения результата на индикаторах. В случае правильного внесения операндов и задания операции это время определяется быстродействием микросхем (для реального стенда) и быстродействием компьютера (для виртуальной модели). Эти времена приблизительно равны. Во время получения результата входит время подключения и настройки осциллографа. В случае отсутствия практических навыков работы с осциллографом у студента время настройки может быть большим. Однако при наличии опыта работы настройка осциллографа не должна занять много времени. В виртуальную установку встроен осциллограф, который, как и реальный осциллограф, необходимо настроить на правильную работу. Временные коэффициенты, описывающие этот процесс приблизительно равны .

Таким образом, стоимостные функции для реального и виртуального стендов будут выглядеть следующим образом:

- для реального стенда .

- для виртуального стенда .

Тогда, , а . Данное соотношение позволяет показать наглядно сокращение времени на обучение с помощью виртуального стенда. При этом можно рассчитывать на повышения качества обучения за счёт доступности подачи материала в форме видеоуроков перед традиционной формой методического пособия.

3. Этапы разработки модели стенда УМ-21

Для создания модели стенда УМ-21 необходимо воспроизвести все основные узлы установки. Они представляют собой микросхемы и их соединения. Среда Lab VIEW предоставляет возможность воспроизвести эти узлы согласно их функциональным схемам.

Основные этапы разработки:

1. На панели Front Panel отображаются электронные схемы, элементы индикации и управления режимами в соответствии с их изображением на стенде УМ-21.

2. На панели Block Diagram производится соединение входов и выходов микросхем в соответствии с логикой работы устройства, происходит формирование моделей микросхем согласно их функциональным схемам.

3. Проверяется работа устройства, выполнение логических операций.

Рассмотрим подробнее каждый этап.

На передней панели виртуального стенда располагается генератор. Он используется в УМ-21 для создания синхроимпульсов, необходимых для выполнения операций.

Рисунок 3.1 - Вид генератора на передней панели виртуального стенда

Генератор даёт возможность выбора типа сигнала, подаваемого на установку. Для работы необходимо подать постоянный сигнал амплитудой 5 Вольт и частотой 500 кГц. Попытка подать на установку переменный сигнал не приведёт к корректной работе и не даст на экране осциллографа ступенчатый сигнал.

Кнопка «Тип сигнала» добавлена в генератор с целью проверки знаний студентов о том, какой сигнал подаётся на микросхемы.

Рисунок 3.2 - Вид генератора на блок-диаграмме виртуального стенда

На передней панели стенда располагается арифметико-логическое устройство. Это четырехразрядное устройство, выполняющее 16 логических и 16 арифметических операций в режимах «положительной» и «отрицательной» логики. Его вид на виртуальном стенде соответствует реальной установке и представлен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Вид АЛУ на передней панели виртуального стенда

Чтобы организовать работу арифметико-логического устройства необходимо собрать его модель из логических элементов согласно функциональной схеме. АЛУ представляет собой две схемы К155ИП3.

Две схемы арифметико-логического устройства работают вместе с блоком ускоренного переноса, т.к. при выполнении арифметических операций поразрядный перенос формируется одновременно параллельно в четырёх разрядах. Необходимо формировать перенос из младшей четырехразрядной группы в старшую. Для этих целей в стенде используется высокоскоростная схема ускоренного переноса К155ИП4.