Технология проектирования программного обеспечения систем управления комплексами транспортировки и сортировки интегральных микросхем и модулей

Диссертационная работа была выполнена на кафедре Автоматики и Процессов Управления Санкт-Петербургского Электротехнического Университета при участии автора в разработке технологических линий транспортировки, тестирования и сортировки интегральных микросхем и модулей компанией Acuid Corporation Ltd.

Высокая скорость развития современной полупроводниковой промышленности, рост количества компаний, работающих в этой отрасли, привели в постоянному расширению набора требований, предъявляемых к системам транспортировки, сортировки и тестирования интегральных микросхем и модулей. Быстрая смена технологий производства и тестирования полупроводниковых изделий обусловливает необходимость оперативной модификации или замены компонент систем. Согласно исследованиям, проведенным американской консалтинговой компанией ARC Advisory Group, объем мирового рынка систем автоматизации производственных процессов растет. В период с 2000 по 2005 год прогнозируется усредненный годовой коэффициент роста 3.9%. В условиях жесткой экономической конкуренции и высокой стоимости оборудования особую важность приобретает задача минимизации времени простоя модифицируемой технологической линии, а так же повышение эффективности процесса разработки новых установок. Решение проблемы предполагает охват множества сторон процесса разработки программного обеспечения, призванного управлять компонентами системы. Среди них повышение эффективности использования знаний разработчиков аппаратной части и технологов, ускорение процесса перехода от модели программного комплекса к реализации программного кода, упрощение процесса контроля соответствия программной реализации модулей управления разработанной спецификации, ускорение внедрения новых систем в существующие среды.

С точки зрения анализа проблематики проектирования, характеристики текущего периода развития приводят к выводу о том, что одной из актуальных проблем в данной предметной области является создание технологий автоматизированного проектирования программных комплексов управления [10,21,24]. Такие технологии должны позволить:

1) интеграцию отдельных систем транспортировки и сортировки микросхем в единую информационную или технологическую систему;

2) формальный переход от модели программного модуля к программному коду;

3) контроль за соответствием результирующего программного кода структуре построенной модели модуля управления.

ЦЕЛИ РАБОТЫ:

Целью работы является разработка технологии автоматизированного проектирования и реализации программного обеспечения, а так же программной среды выполнения программных модулей комплексов управления системами транспортировки, тестирования и сортировки интегральных микросхем [7−8]. Для достижения поставленной цели необходимо:

1) разработать обобщенную информационно-логическую модель системы транспортировки и сортировки интегральных микросхем;

2) разработать обобщенные механизмы построения программного кода модуля управления на основании графа состояний объекта;

3) разработать унифицированную программную среду функционирования программных модулей управления элементами систем транспортировки и сортировки микросхем.

ОСНОВНЫЕ РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ:

1) по разработке обобщенной информационно-логической модели: определение функциональных компонент типовых систем транспортировки и сортировки микросхемвыделение основных информационных потоков между компонентами системытипизация информационных потоковдекомпозиция компонент системы транспортировки и сортировки микросхем;

2) по разработке обобщенных механизмов построения программного кода: разработка первичной формы представления алгоритма функционирования программного модуля управленияразработка унифицированной структуры программного модуля управленияпостроение механизма отображения принятой формы представления алгоритма на структуру программного модуля- 3) по разработке унифицированной среды функционирования модулей управления: формирование набора функциональных операций различных уровней абстракции, выполняемых программными компонентами системывыделение логически обособленных программных слоев среды выполнения программных модулей управленияпостроение структуры информационных связей между программными слоями среды.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: Для решения поставленных задач в работе использовались положения прикладных разделов объектно-ориентированной методологии разработки программного обеспечения [1,15,20], теории систем реального времени [11,25], методы теории программных алгоритмов и структур данных [17−19], методы автоматизации программирования и теории синхронизации вычислительных процессов и параллельных вычислений [4,5,16].

Конкретные подходы к решению поставленных задач могут быть охарактеризованы следующим образом:

1) в части формирования обобщенной программной модели:

— в настоящей работе в качестве отправной точки был принят вариант методологии объектно-ориентированного проектирования, предложенный Гради Бучем [1];

2) в части разработки механизма формирования программного кода модуля управления:

— предполагаемый подход к проектированию программных модулей управления ориентирован на синтез программного кода, соответствующего формальному описанию алгоритма функционирования компонента системы;

— в рамках технологии проектирования программных модулей предполагается использование графов переходов для формального представления алгоритма функционирования компонент системы;

— решение соответствующей задачи связывается с использованием предложенного в работе механизма отображения структуры графа [2−3] переходов на язык программирования;

3) в части построения унифицированной среды выполнения модулей управления: для решения задачи по разработке архитектуры системы использованы элементы теории алгоритмов и структур данныхпостроение механизмов взаимодействия компонент среды базируется на положениях прикладных разделов теории синхронизации вычислительных процессов и параллельных вычислений.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1) Функционально-целевая декомпозиция систем транспортировки, тестирования и сортировки интегральных микросхем.

2) Объектная информационно-логическая модель систем транспортировки, тестирования и сортировки интегральных микросхем, инвариантная к принципам построения функциональных подсистем и их элементов.

3) Технология перехода от автомата, описывающего построенное разработчиками поведение объекта управления, к разработанной унифицированной структуре программного модуля, реализующего поведение объекта.

4) Структура программной среды выполнения унифицированных модулей управления компонентами автоматизируемых систем транспортировки, тестирования и сортировки интегральных микросхем и модулей.

НОВИЗНА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ: В настоящей работе предложен оригинальный вариант организации процесса разработки программных комплексов управления системами транспортировки и сортировки микросхем и модулей. К числу новых результатов, полученных в ходе исследований, следует отнести: В части формирования обобщенной программной модели:

1) разработка общей структуры системы транспортировки и сортировки микросхем и модулей;

2) типизация информационных связей между модулями системы;

3) разработка общих алгоритмов функционирования типовых подсистем;

В части разработки механизма формирования программного кода модуля управления:

1) разработана нотация представления алгоритма функционирования модуля, базирующаяся на использовании графов изменения состояния;

2) сформирована структурная модель программного модуля управления, реализующая механизмы предварительной обработки типизированных информационных потоков, а так же содержащая машину принятия решений, которая обеспечивает функционирование модуля в соответствии с разработанным графом;

3) предложен механизм перехода от нотации графов состояний [1,20] к программному коду на языке программирования;

В части построения унифицированной среды выполнения модулей управления:

1) предложена архитектура среды выполнения программных модулей управления, предназначенная для работы под управлением микроядерной операционной системы;

2) разработана и реализована концепция авто-идентификации системы управления в ходе объединения нескольких разнородных систем в одну информационно-управляющую структуру;

3) реализованы компоненты среды выполнения программных модулей для ОС ОКХ [11]. Среда включает в себя более 20 компонент и вспомогательных модулей;

4) разработан шаблон программного модуля управления, пригодный для построения автогенератором кода, язык программирования С++.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ:

1) разработанная технология пригодна к эксплуатации в процессах проектирования программного обеспечения технологических систем по транспортировке, тестированию и сортировке микросхем и модулей;

2) предложенный в работе вариант организации перехода от описания алгоритма функционирования до программного кода обеспечивает формальное соответствие фрагментов программного кода графу изменения состояний, что упрощает отладку, дальнейшую модификацию и развитие программного обеспечения;

3) отдельные выделенные подсистемы программного комплекса могут использоваться в смежных областях для построения распределенных программных комплексов управления;

4) концепция автоидентификации системы управления может быть использована для построения программных комплексов управления технологическими линиями, объединяемыми в единую информационно-управляющую систему.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ:

Элементы предложенной в настоящее время технологии и разработанная среда выполнения программных модулей были использованы компанией Acuid Corporation Ltd. для построения программного обеспечения управления следующими технологическими линиями по транспортировке, тестированию и сортировке микросхем и модулей:

1) IPS — высокопроизводительный гравитационный комплекс [49] тестирования микросхем памяти (1999г). Производительность выходного потока подсистемы сортировки — до 18 микросхем в секунду.

2) MhTIOOO — манипуляторная исследовательская система транспортировки, сортировки и тестирования модулей памяти [50,51] (2000г). Поддерживает неограниченное количество сортов — результатов тестирования.

3) PhT200 — комбинированная исследовательская система транспортировки, тестирования и сортировки микросхем памяти [48] (1999г). Производительность до 12 микросхем в секунду.

4) MSMhT3000 — промышленная манипуляторная система транспортировки, тестирования и сортировки модулей памяти [52] (2001 г). Производительность — до 800 модулей в час.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ: Промежуточные и окончательные результаты исследований были представлены на конференциях «Перспективные технологии автоматизации-99» (Вологда 1999), «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии» (Вологда 2000), в журналах «Известия СПбГЭТУ», «КомпьютерРпсе», «Терабайт», а так же на электронных форумах сети Internet, посвященных разработке программных систем под управлением ОС QNX. Кроме того, результаты работы использовались в ходе разработок систем управления компанией Acuid Corporation Ltd. Разработанные системы, в частности, демонстрировались на выставках Semicon Japan 99, Productronica99(Мюнхен), SemiconWest 2000 (Сан-Франциско) .

ПУБЛИКАЦИИ:

Материалы исследований опубликованы в четырех печатных трудах:

— Программный комплекс системы управления потоками микросхем;

— Программный комплекс интеграции разнородных систем управления потоками микросхем в единую информационную систему;

— Разработка программных систем управления средней сложности;

— Phindows для ОС QNXи заявке на изобретение, кроме того в печати находится статья «Принципы построения систем транспортировки и сортировки интегральных микросхем».

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВ: Первая глава работы посвящена типологии систем транспортировки, тестирования и сортировки микросхем и модулей. Основными предметами рассмотрения являются требования к разрабатываемым системам, подходы и к построению систем и их компонент, общая структура типовых технологических линий, основные достоинства и недостатки различных принципов их построения.

Во второй главе осуществляется выбор используемого типа модели, удобного для представления программного комплекса управления системами транспортировки, тестирования и сортировки микросхем и модулей. Разрабатывается модель системы и ее основных подсистем, проводится анализ и типизация информационных потоков. В рамках полученной модели детализируется структура типовых подсистем, рассматриваются типовые карты состояний объектов подсистем, выделенных в процессе построения и детализации модели. В этой главе описывается предполагаемая функциональная архитектура программного модуля управления, приводятся механизмы обработки типовых информационных потоков.

Третья глава содержит описание архитектуры среды выполнения программных модулей управления, описывает функциональные характеристики ее компонент. В главе рассматриваются вопросы взаимодействия компонент среды и модулей управления, жизненный цикл модулей, приводится организация структур данных и информационных потоков программного модуля. Материалы главы содержат технологию перехода от разработанного графа изменения состояния объекта к программному модулю управления.

Четвертая глава описывает процесс проектирования программного комплекса системы транспортировки, тестирования и сортировки. Содержит примеры построения объектов подсистем и переход от полученных графов изменения состояния объектов к программному коду на языке С.

4.4 Основные результаты главы.

В ходе работы над главой продемонстрирован пример применения технологии проектирования программного комплекса управления исследовательской системой транспортировки, сортировки и тестирования интегральных микросхем и модулей. Показаны переходы от концептуального проектирования частного варианта архитектуры системы на основании обобщенной информационно-логической модели к проектированию отдельных подсистем и, далее, к разработке автоматов конкретных объектов управления. Рассмотрен процесс подготовки к переходу от автоматов объектов к программному коду модулей управления, функционирующих в рассмотренной в главе III программной среде выполнения модулей управления.

Приведенный пример разработки программного кода процесса управления демонстрирует:

• удобство формального разделения процесса проектирования модуля управления;

• прозрачность отображения принципов управления, реализованных на графах, в программный код;

• наблюдаемость переменных состояния, на основании которых осуществляются те или иные переходы в графе;

• удобство дальнейшей модификации алгоритма управления и программного кода модуля, что является следствием прозрачности и наблюдаемости;

• возможность автогенерации программного кода по графам, и разработанным функциональным операциям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом диссертационной работы явилась разработка частного варианта организации технологии автоматизированного проектирования и реализации программных средств, а так же программной среды выполнения программных модулей комплексов управления системами транспортировки, тестирования и сортировки интегральных микросхем. В ходе проведенных в работе исследований решены следующие задачи:

1) Построена архитектура и разработана обобщенная информационно-логическая модель типовой системы транспортировки, тестирования и сортировки интегральных микросхем и модулей. В рамках разработки модели:

• проведена декомпозиция типовой системы на верхнем уровне абстракции;

• осуществлена типизация информационных связей между элементами модели;

• разработаны типовые карты состояний выделенных элементов;

• определена структура типового модуля управления компонентом системы.

Полученная модель обеспечивает унификацию процесса построения архитектуры программного комплекса управления конкретной автоматизируемой системой.

2) Разработана и внедрена технология построения программного кода модулей управления, которая базируется на представлении поведения компонент системы в виде графов изменения состояния и определяет:

• этапы разработки программного модуля;

• форму представления поведения компонента на базе графа изменения состояния;

• процедуру однозначного перехода от графа изменения состояния к программному коду модуля управления.

Применение предложенной технологии позволяет:

• привлечь к разработке формального алгоритма поведения компонента системы технологов и конструкторов и прочих разработчиков технологической линии;

• упростить переход от формального описания алгоритма к программному коду;

• сократить время модификации разработанных модулей за счет однозначного соответствия структуры программного модуля формальному представлению алгоритма поведения;

• повысить эффективность отладки алгоритма за счет наблюдаемости переходов, осуществляемых машиной принятия решений, и переменных, на основании которых эти решения принимаются.

3) Реализована и внедрена среда выполнения генерируемых программных модулей. Предлагаемая архитектура среды выполнения программных модулей управления обеспечивает решение следующих задач:

• быстрая модификации разработанных систем управления;

• автоматизация разработки и включения в единый комплекс систем новых систем управления (как локальных так и удаленных) без доработки функционирующих рабочих мест операторов;

• интеграция и детализация информации о ходе процесса управления;

• наглядность представления информации;

• доступность по управлению любого компонента системы;

• перенастройка систем «на ходу»;

• нечувствительность к распределенности аппаратных средств;

• унификация разработки и реализации программных модулей управления.

Использование разработанной среды выполнения программных модулей позволяет снизить временные затраты на разработку и модификацию систем управления установками для транспортировки и сортировки микросхем и модулей. Полученные средства позволяют объединять несколько разнородных систем управления в единый информационный комплекс без дополнительных доработок функционирующего программного обеспечения. Наличие формализованного перехода от разработанного алгоритма к программному модулю управления упрощает контроль за соответствием действий программного модуля управления исходному технологическому процессу, а так же позволяет быстро локализовывать участки кода, соответствующие конкретным технологическим операциям.

Разработанная технология и реализованные инструментальные средства нашли практическое применение при разработке программных комплексов управления системами транспортировки, тестирования и сортировки микросхем и модулей компанией Acuid Corporation Ltd. -MSMhT3000, MhTlOOO, PhT200.

Среди направлений дальнейшего развития разработанной технологии проектирования программных комплексов управления системами транспортировки, тестирования и сортировки интегральных микросхем и модулей, а так же совершенствования программных средств, построенных для реализации технологии можно выделить следующие:

• разработка средств автоматизированного построения структуры системы, проектирования автоматов объектов управления, задание информационных потоков;

• разработка средств и механизмов контроля корректности разрабатываемых автоматов и матриц принятия решений;

• разработка средств имитационного моделирования поведения разработанных автоматов объектов управления;

• разработка средств автогенерации программного кода на основании информации, полученной в ходе проектирования автоматов модулей управления;

• разработка средств формирования базы данных, содержащей информацию о составе системы, правилах интерпретации состояний объектов, правилах формирования и анимирования мнемосхемы системы, правилах диагностики и формирования рекомендаций оператору и т. д.;