Программа дисциплины
Интегрированные информационно-управляющие системы
Специальность: «Комплексная защита объектов информатизации»
Всего: 14 лекций,
3 лабораторные работы,
зачет.
Лекция № 1.
Модульная техника в защите информации.
Системы управления при обеспечении защиты информации. (графические процессоры и пр.)
Объект управления – автоматизированная система. Сейчас жизнь не мыслима без компьютеров. Спектр применения широкий: контроль периметра, системы видеонаблюдения, интеллектуальное зрение, идентификация личности и др. Наиболее интересным является интеллектуальное зрение.
Понятие «Системы управления».
Система управления — систематизированный набор средств влияния на подконтрольный объект для достижения определённых целей данным объектом.
Понятие «Внедренные системы управления».
Внедренные системы – это объект управления, интегрированный с микропроцессорной системой управления в одно устройство. Например, устройство последней мили (до него тяжело добраться, и оно управляется удаленно).
Модульный принцип построения систем управления.
Принцип открытой архитектуры — это возможность постоянного усовершенствования вычислителя и его отдельных частей с использованием новых устройств.
Понятие «Система на кристалле».
Система на кристалле (СНК) — электронная схема, выполняющая функции целого устройства и размещенная на одной интегральной схеме. В англоязычной литературе называется System-on-a-Chip, SoC. В зависимости от назначения она может оперировать как цифровыми сигналами, так и аналоговыми, аналого-цифровыми, а также частотами радиодиапазона. Как правило, применяются в портативных и встраиваемых системах.
Лекция № 2.
Уровни стандартизации модулей.
1) На конструктивном уровне. В этом случае стандартизации подвержены механические, тепловые, энергетические характеристики блоков, а так же иногда и интерфейсы связей.
Например, линейные технологии:
- COTS (коммерческие модули, готовые к применению);
- ROTS (расширенные модули, готовые к применению);
- MOTS (военные модули, готовые к применению).
3) На уровне интерфейсов. Например: VME-Bus, Compact-PCI.
2) На функциональном уровне. Например, Фирма Siemens изготавливает большое количество контроллеров, и она сама определяет стандарт на эти контроллеры.
3) На программном уровне (аутосорсинг) – автоматические источники. Например, когда мы пишем программу, то пользуемся готовыми блоками, которые мы настраиваем и адаптируем под конкретную задачу.
Модели жизненного цикла аппаратуры. Прототипирование.
Рисунки «Модель последовательностного жизненного цикла. Цикл Боэма.», «Спиральная модель жизненного цикла»
Понятие «Универсальный вычислитель».
Понятие «Специализированный вычислитель».
Специализированный вычислитель предназначен для решения одной определенной задачи или узкого класса задач, что определяет его структуру и основные технические характеристики. Специализация ЭВМ упрощает их математическое обеспечение, снижает аппаратурные затраты, способствует повышению точности и производительности.
Специализированные ЭВМ характеризуются периодическим повторением всех управляющих алгоритмов.
Процесс управления характеризуется цикличностью, длительностью цикла управления – количеством управляющих воздействий в секунду (временем принятия решений).
В ряде систем длительность цикла управления – это фиксированная величина, ограничения на которую накладывает постановщик задачи и алгоритмист.
Например, в STEP7 длина цикла по умолчанию равна 10 мс, после истечения которых, будет запущен определенный организационный блок.
Понятие «Программируемый логический контроллер».
Программи?руемый логи?ческий контро?ллер (ПЛК) (от англ. Programmable Logic Controller) или программируемый контроллер — специализированное компьютеризированное устройство, используемое для автоматизации технологических процессов. В отличие от компьютеров общего назначения, ПЛК имеют развитые устройства ввода-вывода сигналов датчиков и исполнительных механизмов, приспособлены для длительной работы без серьёзного обслуживания, а также для работы в неблагоприятных условиях окружающей среды. ПЛК являются устройствами реального времени. ПЛК характеризуется:
- определенной универсальностью;
- функциональной законченностью;
- возможностью внутрисистемного программирования.
Лекция № 3.
Внутрисхемное и внутрисистемное программирование.
Отличие внутрисхемного от внутрисистемного программирования заключается в том, что:
– Внутрисхемное программирование позволяет записывать управляющие программы в микроконтроллеры уже смонтированные в печатные модули по специально предназначенному для этого интерфейсу связи;
– Внутрисистемное программирование позволяет изменять управляющие программы микроконтроллера через информационный интерфейс блока, построенного на процессоре.
Соотнесение принципов универсализации и специализации.
Классификация ЭВМ. Пример развития на основе ARM архитектуры.
Соотнесение принципов универсализации и специализации.
Лекция № 4.
Понятие «графический процессор»
Лекция № 5.
Лекция № 6.
Понятие «SCADA-система».
Основные функции SCADA-системы.
Типичная структура SCADA-системы.
Рисунок «Структура SCADA-системы (на примере WinCC)»
Клиент-серверная архитектура SCADA-системы, реализация отказоустойчивости.
Рисунки: «Однопользовательский вариант использования WinCC», «Клиент-серверный вариант использования WinCC», «Горячее резервирование сервера WinCC»
Лекция № 7.
Место программатора в использовании современных МП и МК.
Рисунок: «Место программатора при построении систем управления»
Для определения места программатора следует выделить основные субъекты процесса программирования:
1. ПК, предназначенный для построения программируемой информации (инструментальные средства программирования)
2. аппаратура программатора
3. ЗУ хранящее программу или конфигурацию
4. объект, использующий информацию из памяти
Активное программирование – функцию ПК берет на себя объект программирования, который самостоятельно определяет программу или конфигурацию в ЗУ
Основные субъекты процесса программирования:
1. ПК предназначен для построения программной информации
2. аппаратура программатора
3. ЗУ хранящее программу или конфигурацию
4. объект, использующий информацию из памяти
Технология краевого сканирования корпорации JTAG.
Интерфейс краевого сканирования по стандартам IEEE?1149.1, IEEE?1149.4.
Лекция № 8.
Роль и место использования ПЛИС.
Временные и стоимостные характеристики изготовления ИИУС.
Место процессов интеграции в современных системах управления.
Лекция № 9.
Тенденция снижения уровней напряжения питания современных ИМС.
Виды и назначение современных ПЛИС и ПАИС.
Способы построения SoC (системы на кристалле).
Если разместить все необходимые цепи на одном полупроводниковом кристалле не удается, применяется схема из нескольких кристаллов, помещенных в единый корпус (System in a package, SiP). SoC считается более выгодной конструкцией, так как позволяет увеличить процент годных устройств при изготовлении и упростить конструкцию корпуса.
Типичная SoC содержит:
один или несколько микроконтроллеров, микропроцессоров или ядер цифровой обработки сигналов (DSP),
банк памяти, состоящий из модулей ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ или флеш.
источники опорной частоты, например, кварцевые резонаторы и схемы ФАПЧ(фазовой автоподстройки частоты),
таймеры, счетчики, цепи задержки после включения,
стандартные интерфейсы для внешних устройств: USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI.
входы и выходы цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.
регуляторы напряжения и стабилизаторы питания.
Блоки могут быть соединены с помощью шины собственной разработки или стандартной конструкции, например AMBA в чипах компании ARM.
Системы-на-кристалле потребляют меньше энергии, стоят дешевле и работают надёжнее, чем наборы микросхем с той же функциональностью. Меньшее количество корпусов упрощает монтаж. Тем не менее, создание одной слишком большой и сложной системы на кристалле может оказаться более дорогим процессом, чем серии из маленьких из-за сложности разработки и отладки и снижения процента выхода годных изделий.
Интегральные схемы FPSLIC.
Лекция № 10.
Программируемая логическая матрица «И-ИЛИ».
Одноименный рисунок.
Реализация многовходового логического элемента «И» программируемой логической матрицы. Схема монтажного «И».
Рисунки: «Схема монтажного «И»», «Программируемая логическая матрица «И-ИЛИ» с многовходовыми элементами»
Структура макроячейки ПЛИС CPLD.
Одноименный рисунок
Макро-ячейка состоит из:
1. конфигурируемой матрицы И-
2. фиксированной матрицы ИЛИ-
3. триггера
С1 – определяет источник синхронизации макро-ячейки
С2 – управляющий сигнал индивидуальный для каждой макро-ячейки, которая определяет будет производиться инверсия или нет
С3 – определяет, используется ли в макро-ячейке триггер или не используется
CLK – внешний тактовый импульс. Используется определенная логика из матрицы И- либо нулевое значение «запрет/запись»
С4 – определяет каковы будут уровни напряжения у выхода данной макро-ячейки в том случае, если она подключается к физическому выходу микросхемы
ВЛ – выходная логика
Лекция № 11.
Классификация и особенности применения программируемых логических микросхем. Конфигурационная память.
1. Преимущества ПЛИС
- функциональная гибкость
- высокое быстродействие за счет возможности параллелизации используемых алгоритмов
- наличие средств САПР, опирающихся на широкий спектр готовых решений
- возможность внутрисистемного и внутрисхемного программирования
- наличие библиотек макроопределений аппаратуры
- возможность реализации разнообразных внешних интерфейсов связи
2. Недостатки ПЛИС
- высокая стоимость микросхемы
- высокая сложность разработки конфигурации микросхем
- высокая вероятность возникновения ошибок вследствие сложности
Рисунки: «Использование ПЛИС CPLD», «Использование ПЛИС FPGA»
1. CPLD (Fails program gate array) cложные плис: информация о конфигурации ПЛИС хранится во внутренней энергонезависимой памяти
Преимущества:
1. не требуется дополнительной микросхемы памяти
2. высокая защищенность проекта
Недостатки:
1. необходимость реализации ПЗУ на ПЛИС (дороговизна)
2. небольшие объемы внутренней памяти
2. FPGA (Fails program gate array)
CROM – Конфигурационное ПЗУ
Информация о конфигурации микросхемы FPGA хранится во внутренней ОЗУ, куда она попадает из внешнего конфигурационного ПЗУ каждый раз при перезагрузке микросхемы.
Преимущества:
1. возможность реализации сложных схем в силу того, что ПЗУ может быть сделано объемным
2. возможность изменения функциональности микросхемы, даже в процессе работы устройства
Недостатки:
1. необходимость внешней микросхемы памяти
2. слабая защищенность проекта
3. данный тип микросхем используется в процессе прототипирования, или постепенной отладки проекта, который будет в последствии реализован на полузаказных ИС
Виды внутренних ресурсов программируемых логических интегральных схем (KLB, IOB, PLL, блочная память, макроячейки). Внутренняя структура программируемых логических интегральных схем.
Рисунок: «Внутренний состав ПЛИС».
Виды внутренних ресурсов:
- CLB
- IOB
- PLL
- блочная память макроячейки
-CLB - конфигурируемый логический блок, который состоит из набора макроячеек.
В зависимости от типов ПЛИС (FPGA, CPLD) базовый элемент может называться двояко:
1. в случае CPLD – это «макроячейка»
2. в случае FPGA – это блок «Look Up Table» и элемент памяти.
-IOB (input/output block) – определяет, какие макроячейки будут подключены к ножкам микросхемы и какая у них будет логика.
- PLL управляемый делитель частоты
- блочная память макроячейки – блоки ОЗУ, которые соответствуют CLB (память двухпортовая), т.е. можно и записывать и читать информацию.
- внутренние шины передачи информации макроячейки.
Лекция № 12.
Диаграмма Гайского-Кана.
Программно-управляемые вычислительные устройства на базе ПЛИС.
Понятие маршрута проектирования конфигурации программируемых логических интегральных схем. Типовой маршрут проектирования.
Представляет из себя граф, показывающий взаимовызов программ, выполняющих различные функции
Рисунки: «Типовой маршрут проектирования конфигурации ПЛИС – I», «Типовой маршрут проектирования конфигурации ПЛИС – II»
Разработка базы тестов – построение временных диаграмм входных тестовых сигналов, или написание их аналогов на языке VHDL или др. языках
Компиляция – подготовка проекта или распределение функциональных возможностей ПЛИС между элементами проекта
Cores (ядра), IP-блоки (интеллектуальная собственность) разработки сторонних организаций, которые могут быть использованы в создании проекта. Бывают платные и бесплатные.
Функциональное моделирование – процесс предназначенный для подтверждения работоспособности введенного проекта.
Трассировка – процесс, осуществляющий размещение конкретных функциональных узлов проекта с конкретными элементами ПЛИС.
Временное моделирование – предназначено для определения временных характеристик проекта.
Конфигурация ПЛИС (программирование ПЛИС) – запись в микросхему ПЛИС требуемых настроек и точек соединения в матрице
Для функционирования системы программное обеспечение не менее важно, чем аппаратное. Разработка, как правило, ведётся параллельно. Аппаратная часть собирается из стандартных отлаженных блоков, для сборки программной части используются готовые драйверы. Применяются средства автоматизации разработки CAD и интегрированные программные оболочки.
Для того, чтобы удостовериться в правильной работе созданной комбинации блоков, драйверы и программу загружают в эмулятор аппаратной части (микросхему с программируемыми цепями, FPGA). Также требуется задать расположение блоков и разработать межблочные связи.
Перед сдачей в производство аппаратная часть тестируется на корректность с использованием языков Verilog и VHDL, а для более сложных схем — SystemVerilog, SystemC, e и OpenVera. До 70 % общих усилий на разработку затрачивается именно на этом этапе.
Программно-управляемые устройства на базе ПЛИС
Рисунок: «Маршрут проектирования конфигурации ПЛИС при построении
программно-управляемых устройств»
Использование IP-блоков.
Рисунок: «Использование IP-блоков»
Языки описание аппаратуры.