Материал: Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем
ГОУВПО ”Воронежский государственный
технический университет”
ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА
ПРИБОРОВ, УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ
Межвузовский сборник научных трудов
Воронеж 2007
УДК 621. 396. 6: 621. 315. 616. 97: 658:562
Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2007. 265 с.
В межвузовском сборнике научных трудов представлены статьи, посвященные вопросам анализа и прогнозирования надёжности и качества приборов, устройств и технических систем, применению математического моделирования в оптимальном проектировании приборов и устройств различного назначения, физико-технологическим аспектам повышения надёжности промышленных изделий. Материалы сборника соответствуют научному направлению “Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приёма, обработки и защиты информации”, отражающему отдельные разделы перечня Критических технологий Российской Федерации, утвержденного Президентом Российской Федерации.
Сборник предназначен для аспирантов и научных сотрудников.
Сборник подготовлен в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD, содержится в файле Сборник КИПРА 2007.doc, объем файла 11 Mb.
Редакционная коллегия:
А.В. Муратов - д-р техн. наук, проф. - ответственный редактор,
Воронежский государственный технический университет;
О.Ю. Макаров - д-р техн. наук, проф. - зам. ответственного редактора, Воронежский государственный технический университет;
П.П. Чураков - д-р техн. наук, проф., Пензенский государственный
университет;
В.Г. Керков - канд. техн. наук, доц., Федеральный государственный научно-исследовательский и испытательный центр радиоэлектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности;
А.А. Чаплыгин – канд. техн. наук, ОАО «Концерн «Созвездие»»;
С.Д. Кретов - канд. техн. наук, доц. - технический редактор,
Воронежский государственный технический университет;
О.В. Урминская - ответственный секретарь, Воронежский государственный технический университет
Рецензенты: кафедра информационно-технического обеспечения органов внутренних дел Воронежского института МВД России;
д-р техн. наук, проф. Н.И. Баранников
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
© Коллектив авторов, 2007
© Оформление. ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007
Введение
Одной из важнейших задач на современном этапе в области радиоэлектроники и приборостроения является обеспечение надежности и качества радиоэлектронных устройств и комплексов, приборов, сложных технических и технико-информационных систем, повышение эффективности и устойчивости их функционирования. Поэтому решение комплекса соответствующих вопросов является одной из важнейших составляющих процесса разработки и эксплуатации таких устройств и систем, во многом определяющих области их применения и уровень конкурентоспособности.
В статьях, представленных в настоящем сборнике, рассматриваются различные задачи и вопросы, связанные с анализом, моделированием показателей надежности, подходы и методы ее обеспечения и повышения качества и технического уровня радиоэлектронных устройств, технических комплексов, информационных систем на этапах их проектирования, производства и эксплуатации, постановка и методы решения связанных с этим задач.
Данные работы выполнены на базе проведенных авторами исследований в области структурной и параметрической надежности, создания методов построения и проектирования надежных устройств, приборов и систем, анализа показателей качества технических устройств и программно-технических комплексов и систем, разработки новых качественных материалов и технологических процессов. Материалы, представленные в сборнике, могут быть полезны специалистам, занимающимся проектированием и эксплуатацией качества радиоэлектронных устройств и комплексов, приборов и систем, а также аспирантам и студентам соответствующих специальностей.
УДК 681.3
А.В. Муратов, В.А. Муратов, И.А. Новикова, А.А. Пирогов
АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТОПОЛОГИИ СБИС
И СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ
С повышением степени интеграции общая тенденция проектирования цифровых СБИС заключается в стирании существующих различий между этапами чисто логического и схемотехнического проектирования. Используются новые методы разработки на основе более высокой степени абстракции, с использованием современных САПР, и новые методы структурной организации БИС, таких как система на кристалле
Системы на кристалле (СнК) – это методология разработки заказных микросхем на основе уже готовых сложнофункциональных блоков (IP-модулей). Не все заказные схемы разрабатываются в соответствии с этой методологией. Изделия с относительно небольшим числом элементов (до одного миллиона) или с предельными требованиями к электрическим и эксплутационным параметрам целесообразно разрабатывать по традиционному маршруту одним коллективом разработчиков. Сложнофункциональные блоки, разработанные для традиционных заказных интегральных микросхем, могут быть использованы повторно при проектировании систем на кристалле. Производственной основой современных СнК является субмикронная КМОП – технология. Предельное быстродействие в СнК обычно требуется для синхрогенераторов и блоков ввода – вывода информации. Предварительную оценку возможностей техпроцесса можно сделать на основе результатов завершенных разработок.
Требуемые технические показатели системы на кристалле могут ограничиваться разными факторами: возможностями полупроводниковой технологии, конструкцией корпуса, условиями теплоотвода в аппаратуре и другими.
В большинстве случаев каждый из этих ограничивающих факторов можно изменить путем перехода на более дорогие технические решения. Например, уменьшить конструктивно - технологические размеры физической структуры кристалла, использовать многокристальные модули и принудительное охлаждение корпусов. Однако себестоимость продукции при этом может возрасти в несколько раз и сделать изделие неконкурентоспособным. Поэтому предельные параметры СнК рассматриваются в рамках конкретных конструктивно – технологических и экономических ограничений. В такой ситуации существует опасность, что требования, установленные в техническом задании, не могут быть выполнены используемыми средствами [1].
Рассмотрим далее наиболее распространенные средства САПР, применяемые при проектировании и верификации топологии СнК.
Приборно-технологическая САПР «ISE Tcad» ориентирована на проектирование элементной базы СнК и позволяет осуществить сквозное моделирование, как интегральных полупроводниковых структур, так и дискретных элементов, рассчитать полный набор статических, динамических и частотных характеристик активных и пассивных элементов СнК.
Система «Tanner EDA» является универсальным пакетом программ комплексного проектирования топологии СнК и предназначена для полного цикла проектирования и верификации полученного проекта.
Средство визуализации и редактирования топологии СнК на завершающем этапе подготовки кристалла к выдаче на изготовление включает все основные функции редактирования полигонов и ячеек, масштабирования отдельных областей и коррекции ошибок с последующим сохранением файла и перезапуском DRC (design rule check)/LVS (layout versus schematic) -верификации [2]. Обеспечивается высокая точность DRC-верификации и исчерпывающий LVS-анализ ячеек, блоков, и кристаллов в целом. Для всех существующих технологических процессов, норм и типов проектов данный программный продукт может быть наиболее оптимальным решением.
На рисунке представлена схема маршрута проектирования топологии систем на кристалле.
Основные этапы проектирования топологии систем на кристалле:
1. Техническое задание.
Формулирование основных требований к проектируемой топологии СнК. Требований к выходным характеристикам, условиям эксплуатации, технологии производства и т.д.
Маршрут проектирования топологии СнК
с использованием современных САПР
2. Проектирование элементной базы топологии СнК.
Осуществляется при помощи пакета программ «ISE Tcad» и включает в себя моделирование технологических процессов полупроводниковых структур, моделирование топографии слоев полупроводниковых приборов.
3. Проектирование топологического чертежа СнК.
Осуществляется при помощи пакета программ «Tanner EDA» (L-Edit). Исходными данными для разработки являются:
Схема электрическая принципиальная;
Линейные габаритные размеры элементов, используемых в схеме, топологические нормы и ограничения;
Модели полупроводниковых элементов полученных на предыдущем этапе.
DRC - верификация.
Создание DRC – библиотек топологических норм, на основе полученных данных технического задания. Проверка всего проекта на соответствие данным нормам.
LVS – верификация.
Получение Spice - описания схемы и элементов при помощи пакета «Tanner T-Spice» и «Tanner LVS», полученных из топологического чертежа и принципиальной схемы. Осуществляется проверка целостности схемы, правильности подключения элементов, проверка выходных параметров и характеристик в контрольных узлах схемы, путем сравнения Spice - кода.
4. Получение топологии в формате GDSII (Tanner L-Edit), предназначенного для использования непосредственно в процессе производства [2].
Литература
1. Ломов А.Б. Проектирование гибридных интегральных микросхем. М.: “МКИП”, 1997. 324 с.: ил.
2. Немудров В.Д., Мартин Г.В. Системы на кристалле. Проектирование и развитие. М.: Техносфера, 2004. 246 с.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
О.Ю. Макаров, И.Б. Шапошников
Выбор методов тестирования клиентской части
АСУ рынка FOREX
В статье описывается процедура выбора методов тестирования клиентской части АСУ рынка FOREX, обеспечивающих максимальную скорость разработки, функциональность и надежность работы системы
Принципы кодирования и тестирования клиентской части АСУ рынка FOREX значительно отличаются от принципов кодирования базы данных или серверной части. Это связано с требованиями, предъявляемыми к клиентской части ПО на указанном сегменте рынка. В связи с бурным развитием биржевой торговли с помощью Интернет, требования, которым должен удовлетворять терминал трейдера, на современном этапе не полностью определены. Следовательно, при его проектировании на первый план выступает не надежность, а быстрота реагирования на изменяющиеся запросы рынка.
Быстроту проектирования и перепроектирования клиентского ПО можно обеспечить следующими путями:
Использованием технологии экстремального программирования вместо унифицированного процесса разработки программ.
Простотой языка кодирования, позволяющей распространять программу методом «открытого кода».
Максимальной гибкостью функционирования программы, достигаемой путем предоставления возможности настройки как можно большего числа параметров программы непосредственно на месте.
В связи с перечисленными требованиями особенно эффективно использование технологии экстремального программирования (XP). В XP отсутствует понятие технологической процедуры. Единственной моделью системы является ее полноразмерный упрощенный вариант. То есть, если в традиционных моделях жизненного цикла реально функционирующая модель системы создается только на этапе тестирования, в XP она является результатом любого этапа работ.
Для реализации приведенной парадигмы при проектировании клиентской части АСУ рынка FOREX использовались следующие методики [1]:
Игра в планирование (planning game) – определяет перечень задач, которые необходимо реализовать в следующей версии продукта.
Небольшие версии (small releases) – самая первая упрощенная версия системы быстро вводится в эксплуатацию, после чего через относительно короткие промежутки времени происходит выпуск версии за версией.
Метафора (metaphor) – это простая общедоступная и общеизвестная история, которая коротко описывает, как работает вся система. Эта история управляет всем процессом разработки.
Простой дизайн (simple design) – в каждый момент времени система должна быть спроектирована так просто, как это возможно. Чрезмерная сложность устраняется, как только ее обнаруживают.
Тестирование (testing) – разработчики постоянно пишут тесты для модулей. Для того, чтобы разработка продолжалась, все тесты должны срабатывать. Заказчики пишут тесты, которые демонстрируют работоспособность и завершенность той или иной возможности системы.
Переработка (refactoring) – разработчики реконструируют систему, не изменяя при этом ее поведения. При этом они устраняют дублирование кода, улучшают коммуникацию, упрощают код и повышают его гибкость.
Программирование парами (pair programming) – весь разрабатываемый код пишется двумя разработчиками на одном компьютере.
Коллективное владение (collective ownership) – в любой момент времени любой член команды может изменить любой код в любом месте системы.
Непрерывная интеграция (continuous integration) – система интегрируется и собирается множество раз в день. Это происходит каждый раз, когда завершается решение очередной задачи.
40-часовая неделя (40-hour week) - разработчики работают не более 40 часов в неделю. Никогда нельзя работать сверхурочно две недели подряд.
Заказчик на месте разработки (on-site customer) – в состав команды входит реальный живой пользователь системы. Он доступен в течение всего рабочего дня и способен отвечать на вопросы о системе.
Стандарты кодирования (coding standards) – разработчики пишут весь код в соответствии с правилами, которые обеспечивают коммуникацию при помощи кода.
Любая из приведенных методик сама по себе плохо приспособлена для использования в рамках проекта. Чтобы обеспечить их эффективное применение на практике, XP рекомендует использовать их все одновременно, выбрав одну в качестве основной методики, вокруг которой строятся все остальные.
В применении к клиентской части АСУ рынка FOREX ключевой методикой было выбрано тестирование [2], поскольку удаленность конечного заказчика (трейдера) не дает возможности частой смены версий программы по причине низкой пропускной способности каналов связи и дороговизны трафика. Следовательно, именно полнота и качество тестирования определяет удобство пользования конечным продуктом на стороне клиента.
Противоречие между требованиями максимально быстрого внедрения и смены версий клиентской части АСУ рынка FOREX и обеспечения ее бессбойной работы было разрешено путем создания специальной группы привилегированных пользователей, осуществляющих предварительное тестирование и оценку очередной версии программы, а также самостоятельно дорабатывающих ее посредством поставляемого с клиентской частью языка настройки [3].
По результатам применения технологии экстремального программирования для разработки клиентской части АСУ рынка FOREX были сделаны следующие выводы. С самого начала работы над проектом было принято решение придерживаться нескольких методик ХР: программировать в парах, использовать настолько простой дизайн, насколько возможно, постоянно перерабатывать систему и писать модульные тесты. В процессе разработки эти принципы доказали свою эффективность. Технология экстремального программирования - писать тесты для кода, прежде чем написан сам код, позволила выявить архитектурные проблемы системы и ускорить процесс ее разработки [4].
При использовании еще одной технологии – сбора пользовательских требований в виде историй, результаты оказались не вполне однозначными. Была выявлена проблема поиска общего языка с пользователями. Причиной являлся тот факт, что от пользователей требовалось получить истории, одновременно релевантные и недвусмысленные [5], а для этого им надо было активно помогать. В конце концов, был сделан вывод, что в ХР недостает одной специальной роли. При работе над системой необходим человек, чьей основной задачей будет взаимодействие с пользователями.
В процессе создания и переработки тестовых примеров выяснилось, что для написания основных доменных объектов очень полезными будут специально придуманные для них небольшие языки, благодаря которым тестовый код становится гораздо более кратким и удобочитаемым. Кроме того, было решено не тратить время на разработку способов задания экземпляров объектов в процессе написания тестов, вместо чего были определены грамматики для десяти доменных классов. По грамматике автоматически создавался синтаксический анализатор, который использовался конструктором для создания доменного объекта.
Несмотря на выявленные недостатки, выбор технологии экстремального программирования для разработки клиентской части АСУ рынка FOREX был правильным. Главные преимущества такого подхода - прогнозируемость и сведение к минимуму затрат на разработку и предоставление заказчику того продукта, который он желал получить на момент выпуска.
Литература
Бек К. «Экстремальное программирование»: Пер. с англ. СПб.: Питер, 2002. 224 с.
Бек К. «Экстремальное программирование: разработка через тестирование»: Пер. с англ. СПб.: Питер, 2003. 216 с.
Фаулер М., Бек К., Брант Д., Робертс Д., Апдайк У. «Рефакторинг: улучшение существующего кода»: Пер. с англ. СПб.: Символ-Плюс, 2002. 432 с.
Амблер С. «Гибкие технологии: экстремальное программирование и унифицированный процесс разработки»: Пер. с англ. СПб.: Питер, 2004. 416 с.
Гамма Э., Хельм Р., Джонсон Р., Влисседес Дж. «Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования»: Пер. с англ. СПб: Питер; М.: ДМК Пресс, 2001.
Воронежский государственный технический университет
УДК 681.3
А.Б. Антиликаторов, М.Ю. Чепелев, В.В. Цветков
Обеспечение динамических параметров
и минимизации помех устройств
аналого-цифрового преобразования
Рассматриваются особенности осуществления заземления и трассировки плат с АЦП для обеспечения оптимального соотношения динамических характеристик и минимального уровня радиочастотных и электромагнитных шумов
Многим разработчикам долгое время не удавалось достичь желаемых характеристик схем с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и они приходили к выводу, что получение приводимых в технической документации характеристик вообще невозможно на практике. Виной этому неудачная техника заземления в схемах с быстродействующими АЦП и схемах со смешанными сигналами, которая приводит к чрезмерным помехам, в случае если токи сигналов цифровых цепей находят себе пути в аналоговой области схемы (через общий полигон или заземляющий слой).