Архитектура оборудования

Ортогональная проекция F -117A Nighthawk .

Истребитель F-117 проводит учебное бомбометание с использованием бомб с лазерным наведением GBU-27 .

В инженерии архитектура оборудования относится к идентификации физических компонентов системы и их взаимосвязей. Это описание, часто называемое моделью проектирования оборудования , позволяет разработчикам оборудования понять, как их компоненты вписываются в архитектуру системы, и предоставляет разработчикам компонентов программного обеспечения важную информацию, необходимую для разработки и интеграции программного обеспечения. Четкое определение архитектуры оборудования позволяет различным традиционным инженерным дисциплинам (например, электротехнике и машиностроению) работать более эффективно вместе для разработки и производства новых машин, устройств и компонентов. ^[1]

Аппаратное обеспечение также является выражением, используемым в отрасли компьютерной инженерии для явного разграничения аппаратного обеспечения ( электронного компьютера ) от программного обеспечения , которое на нем работает. Но аппаратное обеспечение в дисциплинах автоматизации и программной инженерии не обязательно должно быть просто компьютером какого-то рода. Современный автомобиль запускает гораздо больше программного обеспечения, чем космический корабль Apollo. Кроме того, современный самолет не может функционировать без запуска десятков миллионов компьютерных инструкций, встроенных и распределенных по всему самолету и находящихся как в стандартном компьютерном оборудовании, так и в специализированных аппаратных компонентах, таких как логические вентили с проводной связью IC, аналоговые и гибридные устройства и другие цифровые компоненты. Необходимость эффективного моделирования того, как отдельные физические компоненты объединяются для формирования сложных систем, важна для широкого спектра приложений, включая компьютеры, персональные цифровые помощники (КПК), сотовые телефоны, хирургические инструменты, спутники и подводные лодки.

Архитектура оборудования — это представление спроектированной (или подлежащей проектированию ) электронной или электромеханической аппаратной системы, а также процесс и дисциплина для эффективной реализации дизайна (ов) такой системы. Обычно это часть более крупной интегрированной системы, охватывающей информацию , программное обеспечение и прототипирование устройств . ^[2]

Это представление , поскольку оно используется для передачи информации о связанных элементах, составляющих аппаратную систему, отношениях между этими элементами и правилах, регулирующих эти отношения.

Электрический многооборотный привод клапана с органами управления.

Это процесс , поскольку предписывается последовательность шагов для создания или изменения архитектуры и/или конструкции на основе этой архитектуры аппаратной системы в рамках набора ограничений.

Это дисциплина , поскольку совокупность знаний используется для информирования специалистов о наиболее эффективном способе проектирования системы в рамках набора ограничений.

Архитектура оборудования в первую очередь касается внутренних электрических (и, реже, механических ) интерфейсов между компонентами или подсистемами системы , а также интерфейса между системой и ее внешней средой, особенно устройств, которыми управляет пользователь, или электронных дисплеев, которые видит пользователь . (Этот последний, специальный интерфейс, известен как интерфейс «компьютер-человек» , также известный как интерфейс «человек-компьютер» или HCI ; ранее назывался интерфейсом «человек-машина».) ^[3] Разработчики интегральных схем (ИС) внедряют современные технологии в инновационные подходы для новых продуктов. Следовательно, несколько слоев активных устройств предлагаются в виде одного чипа, открывая возможности для реализации прорывного микроэлектронного, оптоэлектронного и нового микроэлектромеханического оборудования. ^{[4] [5]}

Фон

Пример аппаратной архитектуры, интегрированной в портативное медицинское устройство для мониторинга диабета .

Макет подводной лодки с подробным описанием оборудования и его функциональности.

До появления цифровых компьютеров электроника и другие инженерные дисциплины использовали термины система и аппаратное обеспечение, как они все еще широко используются сегодня. Однако с появлением цифровых компьютеров и развитием программной инженерии как отдельной дисциплины часто возникала необходимость различать спроектированные аппаратные артефакты, программные артефакты и комбинированные артефакты.

Программируемый аппаратный артефакт или машина, у которой отсутствует компьютерная программа, бессильны; даже как программный артефакт или программа, они столь же бессильны , если их нельзя использовать для изменения последовательных состояний подходящей (аппаратной) машины. Однако аппаратная машина и ее программирование могут быть спроектированы для выполнения практически неограниченного числа абстрактных и физических задач. В рамках компьютерной и программной инженерии (и, часто, других инженерных дисциплин, таких как коммуникации) термины «аппаратное обеспечение», «программное обеспечение» и «система» стали различать аппаратное обеспечение, которое запускает компьютерную программу , программное обеспечение и аппаратное устройство вместе с его программой.

Аппаратное обеспечение может управляться из программного обеспечения с помощью промежуточного устройства, называемого аппаратным контроллером. Этот аппаратный контроллер может использоваться для выполнения различных автоматизированных задач с помощью оборудования. Обычно аппаратный контроллер состоит из контактов GPIO (вход и выход общего назначения), поведение этих контактов контролируется фрагментом кода. ^[6]

Инженер -разработчик оборудования или архитектор имеет дело (более или менее) исключительно с аппаратным устройством; инженер-разработчик программного обеспечения или архитектор имеет дело (более или менее) исключительно с программой; а системный инженер или системный архитектор несет ответственность за то, чтобы программа могла правильно работать в аппаратном устройстве и чтобы система, состоящая из двух сущностей, могла должным образом взаимодействовать со своей внешней средой, особенно с пользователем, и выполнять свою предполагаемую функцию.

Таким образом, архитектура оборудования представляет собой абстрактное представление электронного или электромеханического устройства, способного выполнять фиксированную или изменяемую программу. ^{[7] [8]}

Архитектура оборудования обычно включает в себя некоторую форму аналогового, цифрового или гибридного электронного компьютера , а также электронные и механические датчики и исполнительные механизмы. Проектирование оборудования можно рассматривать как « схему разбиения » или алгоритм , который учитывает все текущие и прогнозируемые требования системы и организует необходимые компоненты оборудования в работоспособный набор четко ограниченных подсистем с не большим количеством частей, чем требуется. То есть, это схема разбиения, которая является исключительной, инклюзивной и исчерпывающей . Основная цель разбиения — организовать элементы в подсистемах оборудования таким образом, чтобы между ними было минимальное количество электрических соединений и электронных коммуникаций. Как в программном обеспечении, так и в аппаратном обеспечении хорошая подсистема, как правило, рассматривается как значимый « объект ». Более того, четкое распределение требований пользователя к архитектуре (аппаратному и программному обеспечению) обеспечивает эффективную основу для проверочных тестов требований пользователя в построенной системе.

Смотрите также

• Автоматизированное производство (CAM)
• Автоматизация проектирования электроники (EDA)
• Решатель МКЭ Элмера
• Анализ методом конечных элементов
• Архитектор оборудования
• Интегральная схема (ИС)
• Система на кристалле (SoC)
• Сверхбольшая интеграция (СБИС)
• Язык описания оборудования VHSIC (VHDL)
• Технология САПР (TCAD)
• Технология открытого каскада
• ASIC
• Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом

Ссылки

1. Рай, Л.; Канг, С.Дж. (2008). «Основанная на правилах модульная архитектура программного и аппаратного обеспечения для многопрофильных роботов с использованием динамической идентификации и выбора поведения в реальном времени». Системы, основанные на знаниях . 21 (4): 273–283. doi :10.1016/j.knosys.2007.05.008.
2. Фрэмптон, К. Д., Мартин, С. Э. и Майнор, К. (2003). «Масштабирование акустического потока для применения в микрофлюидных устройствах». Прикладная акустика . 64 (7): 681–692. doi :10.1016/S0003-682X(03)00005-7.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
3. Брунелли, К., Гарзия, Ф. и Нурми, Дж. (2008). «Крупнозернистая реконфигурируемая архитектура для мультимедийных приложений с возможностями вычисления подслов». Журнал обработки изображений в реальном времени . 3 (1–2): 21–32. doi :10.1007/s11554-008-0071-3. S2CID  25962199.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
4. Cale, TS, Lu, J.-Q. & Gutmann, RJ (2008). «Трехмерная интеграция в микроэлектронике: мотивация, обработка и термомеханическое моделирование». Chemical Engineering Communications . 195 (8): 847–888. doi :10.1080/00986440801930302. S2CID  95022083.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
5. Кавальканти, А., Ширинзаде, Б., Чжан, М. и Кретли, Л. К. (2008). «Архитектура оборудования нанороботов для медицинской обороны». Датчики . 8 (5): 2932–2958. Bibcode : 2008Senso...8.2932C. doi : 10.3390 /s8052932 . PMC 3675524. PMID  27879858. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
6. "Techsoverflow - это все о технологиях Techsoverflow" . Получено 2022-12-17 .
7. Assif, D., Himel, R. & Grajower, Y. (1988). «Новое электромеханическое устройство для измерения точности межокклюзионных записей». Журнал ортопедической стоматологии . 59 (6): 672–676. doi :10.1016/0022-3913(88)90380-0. PMID  3165452.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
8. Циммерманн, М., Волден, Т., Кирштейн, К.-У., Хафизович, С., Лихтенберг, Дж., Бранд, О. и Хирлеманн, А. (2008). «Архитектура интегрированной системы на основе КМОП для статической консольной матрицы». Датчики и приводы B: Химия . 131 (1): 254–264. doi :10.1016/j.snb.2007.11.016.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )