Компьютер является сложной системой в силу наличия у него большого числа элементов, разнообразных связей между элементами и подсистемами, свойств целенаправленности, целостности, иерархичности. К подсистемам компьютера относятся процессор (процессоры), оперативная память, кэш-память, шины, устройства ввода-вывода. В качестве надсистемы могут выступать вычислительная сеть, автоматизированная и (или) организационная система, к которым принадлежит компьютер. Внутренние параметры — времена выполнения арифметических операций, чтения (записи) в накопителях, пропускная способность шин и др. Выходные параметры — производительность компьютера, емкость оперативной и внешней памяти, себестоимость, время наработки на отказ и др. Внешние параметры — напряжение питания сети и его стабильность, температура окружающей среды и др.
К характеристикам сложных систем часто относят следующие понятия:
· Целенаправленность — свойство искусственной системы, выражающее назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы.
· Целостность — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство выходных параметров не является простым повторением или суммой параметров элементов.
· Иерархичность — представления в виде нескольких уровней, между компонентами которых имеются отношения целое-часть.
Составными частями системотехники являются следующие основные разделы:
1. Иерархическая структура систем, организация их проектирования;
2.Анализ и моделирование систем. Имеет две четко различимые задачи:
-создание моделей сложных систем (в англоязычном написании — modeling);
-анализ свойств систем на основе исследования их моделей (simulation)
3.Синтез и оптимизация систем. Подразделяют на две задачи:
-синтез структуры проектируемых систем (структурный синтез)
-выбор численных значений параметров элементов систем (параметрический синтез).
Эти задачи относятся к области принятия проектных решений.
В проектировании выделяются следующие уровни:
· системный уровень, на котором решают наиболее общие задачи проектирования систем, машин и процессов; результаты проектирования представляют в виде структурных схем, генеральных планов, схем размещения оборудования, диаграмм потоков данных и т.п.;
· макроуровень, на котором проектируют отдельные устройства, узлы машин и приборов; результаты представляют в виде функциональных, принципиальных и кинематических схем, сборочных чертежей и т.п.;
· микроуровень, на котором проектируют отдельные детали и элементы машин и приборов.
В каждом приложении число выделяемых уровней и их наименования могут быть различными. Так, в радиоэлектронике микроуровень часто называют компонентным, макроуровень — схемотехническим уровнем. Между схемотехническим и системным уровнями вводят функционально-логический уровеньВ вычислительной технике системный уровень подразделяют на уровни проектирования ЭВМ (вычислительных систем) и вычислительных сетей. В машиностроении имеются уровни деталей, узлов, машин, комплексов.
В зависимости от последовательности решения задач иерархических уровней различают нисходящее, восходящее и смешанное проектирование. Последовательность решения задач от нижних уровней к верхним характеризует восходящее проектирование, обратная последовательность приводит к нисходящему проектированию, в смешанном стиле имеются элементы как восходящего, так и нисходящего проектирования. Например, при наличии заранее спроектированных составных блоков (устройств) можно говорить о смешанном проектировании.
Структурирование процесса проектирования ведется в трех направлениях, показанных на рис. 1 в виде трех координатных осей.
Наряду с декомпозицией описаний на иерархические уровни применяют разделение представлений о проектируемых объектах на аспекты - функциональный, информационный, структурный и поведенческий (процессный).
Функциональное описание относят к функциям системы и чаще всего представляют его функциональными схемами.
Структурное описание характеризует составные части системы и их межсоединения и может быть представлено структурными схемами, а также различного рода конструкторской документацией.
Информационноеописание включает в себя основные понятия предметной сущности, словесное пояснение или числовые значения характеристик (атрибутов) используемых объектов, а также описание связей между этими понятиями и характеристиками. Информационные модели можно представлять графически (графы, диаграммы сущность-отношение), в виде таблиц или списков.
Поведенческое описание характеризует процессы функционирования (алгоритмы) системы и (или) технологические процессы создания системы. Разработка алгоритмов и программного обеспечения систем является предметом алгоритмического проектирования, а разработка технологических процессов изготовления изделий — предметом технологического проектирования.
Наиболее крупные части проектирования как процесса, развивающегося во времени, называют стадии проектирования. Выделяют концептуальное проектирование, в процессе которого принимаются принципиальные проектные решения по облику и принципам действия проектируемых устройств и систем, стадии научно-исследовательских работ (НИР), эскизного проекта или опытно-конструкторских работ (ОКР), технического, рабочего проектов, испытаний опытных образцов или опытных партий.
В ТЗ на проектирование объекта указывают, по крайней мере, следующие данные:
1. Назначение объекта;
2. Условия эксплуатации представляются внешними параметрами, для которых указаны области допустимых значений. Примеры внешних параметров: температура окружающей среды, внешние силы, электрические напряжения, нагрузки и т.п.
3. Требования к выходным параметрам, т.е. к величинам, характеризующим свойства объекта, интересующие потребителя. Эти требования выражены в видеусловий работоспособности.
Примеры условий работоспособности:
· расход топлива на 100 км пробега автомобиля < 8 л;
· коэффициент усиления усилителя на средних частотах > 300;
· быстродействие процессора > 40 Мфлопс.
В проектных процедурах вместо еще не существующего проектируемого объекта оперируют некоторым квазиобъектом —моделью, которая отражает некоторые интересующие исследователя свойства объекта. Модели называют математическими моделями, если они формализованы средствами аппарата и языка математики. Математические модели могут быть геометрическими, топологическими, динамическими, логическимии т.п., если они отражают соответствующие свойства объектов. Математическая модель в общем случае представляет собой алгоритм вычисления вектора выходных параметров при заданных векторах параметров элементов (внутренних параметров) и внешних параметров . Выходные параметры систем могут быть двух типов.
Во-первых, это параметры-функционалы, т.е. функционалы зависимостей . Примеры таких параметров: амплитуды сигналов, временные задержки, мощности рассеивания и т.п.
Во-вторых, это параметры, характеризующие способность проектируемого объекта работать при определенных внешних условиях. Эти выходные параметры являются граничными значениями диапазонов внешних переменных, в которых сохраняется работоспособность объекта.
Моделированиесостоит из этапов формирования модели (modeling) и исследования модели(решения, simulation).
В свою очередь, формирование модели включает две процедуры: во-первых,разработку моделей отдельных компонентов, во-вторых, формирование модели системы из моделей компонентов.
Первая из этих процедур выполняется предварительно по отношению к типовым компонентам вне маршрута проектирования конкретных объектов. Как правило, модели компонентов разрабатываются специалистами в прикладных областях, причем знающими требования к моделям и формам их представления в САПР. Обычно в помощь разработчику моделей в САПР предлагаются методики и вспомогательные средства, например, в виде программ анализа для экспериментальной отработки моделей. Созданные модели включаются в библиотеки моделей прикладных программ анализа.
На маршруте проектирования каждого нового объекта выполняется вторая процедура (рис. 1) — формирование модели системы с использованием библиотечных моделей компонентов. Как правило, эта процедура выполняется автоматически по алгоритмам, включенным в заранее разработанные программы анализа. Примеры таких программ имеются в различных приложениях и прежде всего в отраслях общего машиностроения и радиоэлектроники. При применении программного обеспечения (ПО) пользователь описывает исследуемый объект на входном языке программы анализа не в виде системы уравнений, которая будет получена автоматически, а в виде списка элементов структуры, эквивалентной схемы, эскиза или чертежа конструкции.
Вторая процедура моделирования — исследование модели (simulation) — сводится к решению уравнений математической модели, например, системы дифференциальных уравнений, и вычислению вектора выходных параметров . Выполнение анализа и сопоставление полученных результатов с желаемыми значениями называют процедурой верификации.
Создать проект объекта (изделия или процесса) означает выбрать структуру объекта, определить значения всех его параметров и представить результаты в установленной форме. Результаты (проектная документация) могут быть выражены в виде чертежей, схем, пояснительных записок, программ для программно-управляемого технологического оборудования и других документов на бумаге или на машинных носителях информации.
Разработка (или выбор) структуры объекта есть проектная процедура, называемая структурным синтезом, а расчет (или выбор) значений параметров элементов — процедурапараметрического синтеза.
Задача структурного синтеза формулируется в системотехнике как задача принятия решений (ЗПР). Ее суть заключается в определении цели, множества возможных решений и ограничивающих условий. Классификацию ЗПР осуществляют по ряду признаков: одно- и многокритериальные, детерминированные, недетерминированные - при наличии случайных параметров, ЗПР в условиях неопределенности, т.е. при неполноте или недостоверности исходной информации.
