Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С - Стивен Барретт

2.5. Структурное проектирование

Несколько следующих параграфов мы посвятим изложению основных идей метода структурного проектирования. Для создания этого раздела мы использовали материалы, изложенные в [1, 7], а также опыт собственных разработок. Метод структурного проектирования не гарантирует обязательного успешного завершения проекта. Однако этот метод значительно увеличивает вероятность создания за ограниченное время качественной системы, полностью совместимой с управляемым объектом.

2.5.1. Основные положения метода структурного проектирования

Теория. Метод структурного проектирования — это регламентированная последовательность действий, которая позволяет разработать структуру аппаратных и программных средств встраиваемой системы, удовлетворяющих техническим требованиям к проектируемому устройству.

Первым шагом этой последовательности действия является как можно более полное описание технических требований к будущей системе. В подавляющем большинстве случаев технические требования формулирует не тот, кто потом реализует систему. Поэтому технические требования должны быть как можно более точно доведены до исполнителя. Исполнитель обязан подробно исследовать предложенные ему технические требования, понять их обоснованность и согласованность. Представьте себе трагедию разработчика, который выполнил систему, работающую правильно, но по неправильному техническому заданию! Разработчик потратил время и деньги на проект, но он не нужен заказчику! Кто виноват? Вывод: структурное проектирование использует определение проблемы как путь к определению решения этой проблемы.

Применение. На протяжении всего этого параграфа мы будем иллюстрировать применение выдвинутых концепций на примере разработки системы управления стереоусилителем. Прототип нашего примера контроллер стереоусилителя, был разработан доктором Паррисом Нилом (Parris Neal) из Аэрокосмической Академии в Колорадо. Парис — превосходный инженер, разрабатывает стереоусилители мирового уровня. Любой из его проектов — это произведение искусства. Паррис разработал стереоусилитель, который может принимать звуковые сигналы от шести различных источников. Пользователь должен выбрать сигнал либо с помощью переключателей на передней панели корпуса усилителя (рис. 2.1), либо с дистанционного пульта управления, связанного со стереоусилителем по инфракрасному каналу. Паррис попросил первого автора этой книги разработать микропроцессорный контроллер для этого усилителя, используя 8 разрядный RISC МК компании Atmel. Ему было интересно на практике исследовать возможности МК Atmel в качестве низкостоимостного МК для следующих проектов.

а) Вид спереди

б) Плата с микроконтроллером

в) Вид сзади 

Рис. 2.1. Внешний вид стереоусилителя с дистанционным управлением

После первого обсуждения были выявлены следующие технические требования к проекту:

• Необходимо разработать микропроцессорный контроллер для управления стереоусилителем;

• Контроллер должен обеспечить подключение ко входу стереоусилителя одного их шести источников звукового сигнала. Выбор источника сигнала может осуществляться оператором с пульта управления или с дистанционного пульта управления, связанного с основным устройством по инфракрасному каналу.

• При разработке устройства управления необходимо использовать МК компании Atmel.

После знакомства с этими первыми техническими требованиями был создан список вопросов, который должен был бы помочь разработчику более полно понять все особенности данного проекта:

• Что конкретно должен делать контроллер в ответ на выбор номера канала воспроизведения?

• Кто несет ответственность за интерфейс сопряжения между контроллером и стереоусилителем?

• Каковы электрические характеристики сигналов с передней панели усилителя и с удаленного пульта управления?

• Какие сигналы должен формировать контроллер для управления переключением каналов усилителя?

В ответ на эти вопросы заказчик (доктор Паррис Нил) выдал детальное словесное описание желаемых режимов работы своего устройства на четырех страницах. Он также нарисовал обобщенную блок схему алгоритма процесса управления. На основе этого описания нами совместно в процессе непрерывного обсуждения были созданы структурная схема контроллера и более подробная блок схема алгоритма. Далее мы два месяца переписывались по электронной почте, чтобы уточнить все детали устройства. Заметьте, в течение этих двух месяцев ни одной строки кодов программы не было написано!

Теория. Тщательный детальный анализ требований заказчика должен предшествовать собственно процессу проектирования. Эти требования затем превращаются в детальное описание технических характеристик будущего устройства. Технические характеристики содержат полное описание режимов функционирования устройства, включая реакцию устройства на каждое входное воздействие, а также алгоритмы обработки данных и обработки ошибок. Все пункты описания технических характеристик устройства, которые могут толковаться двояко, должны быть совместно обсуждены заказчиком и исполнителем с целью устранения разногласия по каждому пункту. Когда формулирование порядка работы устройства закончено, можно задуматься о способах воплощения этого устройства.

Вторым шагом структурного проектирования является разбиение поставленной задачи (системы) на несколько иерархически взаимосвязанных более мелких задач (подсистем). Что это все означает? Мы разобьем систему на несколько функционально законченных подсистем, и определим взаимосвязи между ними. Поскольку для каждой такой подсистемы определены функции, но техническая реализация этих функций пока еще не ясна, разработчики именуют их «черными ящиками».

Каждый такой «черный ящик» — это хорошо описанный блок, который выполняет некоторую законченную функцию. Мы знаем его входы и выходы, но пока не знаем все детали функционирования. Мы продолжаем делить систему на такие «черные ящики» до тех пор, пока функция каждого выделенного блока не станет полностью ясной для понимания. Кроме того, в процессе разделения на блоки и создания из них иерархической структуры проектируемой системы мы показываем связи между блоками.

Третий шаг структурного проектирования — это создание графического образа работы системы, который способствует более полному пониманию внутренних связей между блоками в процессе функционирования устройства. Для создания графического образа системы применяются структурные схемы и диаграммы работы. Применение. Как было ранее упомянуто, мы использовали детальные структурные схемы и блок схемы алгоритмов для обсуждения с заказчиком технических характеристик проектируемой системы. Было бы чрезвычайно трудно превратить 4 страницы текста с описанием требований к устройству во взаимосвязанную картину без использования этих графических образов.

Теория. Структурная схема алгоритма функционирования системы (или ее аппаратного обеспечения, или программы управления) — это основной результат структурного проектирования, который иллюстрирует, каким образом большая система (или электрическая схема, или программа управления) состоит из модулей, которые изображены блокам на рисунке. Стрелки используются для того, чтобы показать, что один из модулей системы формирует сигналы для другого модуля. В случае структурной схемы программного обеспечения один модуль вызывает другой, к которому направлена стрелка. Стрелка с кружком показывает, что один программный модуль передает данные другому модулю. Блок-схема алгоритма тоже очень полезный инструмент, который позволяет проследить процесс преобразования данных на протяжении исполнения всей программы. Однако блок-схемы алгоритма читабельны только для относительно небольших алгоритмов, когда эти схемы умещаются на одной или двух страницах. В универсальном языке моделировании блок схемы алгоритмов заменены на диаграммы работы. Мы вернемся к этому вопросу в 2.7.

Применение. Структура программного обеспечения контроллера управления стереоусилителем показана на рис. 2.2. Блок схема алгоритма — на рис. 2.3. Проанализировав эти рисунки, можно увидеть, что структура программы управления показывает взаимосвязь отдельных модулей программы, в то время, как блок схема алгоритма является графическим описанием порядка функционирования этой программы. В этот момент, Вы можете подумать: «Наконец-то! Теперь можно кодировать программу!». Но нет, существует еще несколько обязательных этапов структурного проектирования, которые должны предшествовать написанию текста программы.