Широкое внедрение электроники и автоматики во все сферы деятельности человеческого общества, выдвигает всё более жёсткие требования к изделиям электронной техники. В настоящее время для реализации цифровых систем в качестве аппаратного базиса используются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) с различной архитектурой. Применение этого базиса позволяет повысить надежность, быстродействие, степень интеграции проектируемых устройств, а также существенно снизить время проектирования и конструирования, потребление мощности и габариты приборов.
Современные цифровые системы строятся на основе принципа микропрограммного управления, который предполагает наличие управляющего устройства, в частности микропрограммного устройства управления (МУУ), координирующего работу всех блоков системы. Двумя основными классами МУУ являются автоматы (МПА) с «жёсткой» логикой, представляющие собой последовательностную схему, синтезируемую по описанию, заданному абстрактным автоматом; а также автоматы с «программируемой» логикой, основанные на операционно-адресном представлении информации, хранимой в специальной управляющей памяти. Эти классы обладают рядом проблем, которые с успехом решаются МУУ представленными в виде композиции автоматов с «жесткой» и «программируемой» логикой, которые получили название композиционных микропрограммных устройств управления (КМУУ).
Подобный подход способствует снижению аппаратурных затрат в схеме и увеличению быстродействия ЭВМ. Но и схема в таком случае становится специализированной, что ограничивает возможность эффективного использования микропрограммирования на уровне пользователя.
1.2. Цель и задачи работы
Целью работы является уменьшение стоимости и увеличение быстродействия синтезируемых МПА, путем минимизации логической схемы за счет применения структуры с преобразователем "Номер входа - адрес входа".
Для достижения поставленной цели в процессе исследований необходимо:
Выполнить анализ существующих структур и методов синтеза МУУ в базисе CPLD, а также обзор актуальных ПЛИС с архитектурой CPLD.
Разработать структуру МПА, позволяющую оптимизировать аппаратурные затраты и быстродействие схемы МПА при ее реализации в базисе CPLD.
Разработать программное обеспечение (САПР), позволяющее автоматизировать процесс синтеза КМУУ на основе заданной отмеченной ГСА и получить описание его схемы на языке VHDL.
Исследовать характеристики схем МПА с использованием предложенной структуры, а также сравнить полученные характеристики с характеристиками МПА, в которых применяются другие структуры.
1.3. Предполагаемая научная новизна и планируемая научная ценность
Научная новизна полученных результатов диссертационной работы заключается в разработке структуры КМУУ, ориентированной на минимизацию стоимости и увеличение быстродействия МПА.
Планируемая научная ценность заключается в следующем:
Разработана структура КМУУ с улучшенными характеристиками в базисе CPLD.
Разработана САПР, позволяющая автоматизировать процесс синтеза КМУУ на основе отмеченной ГСА. Результатом работы программы является описание схемы КМУУ на языке VHDL.
2.1. Локальный обзор
Кафедра ЭВМ Донецкого национального технического университета уже длительное время ведет исследования связанные с гостемой "Разработка теории, программного и аппаратного обеспечения специализированных компьютерных систем". По данной тематике были защищены как магистерские так и кандидатские диссертации, поэтому имеет смысл рассомтреть несколько работ магистров предыдущих лет.
Цололо Сергей Алексеевич занимался исследованием методов синтеза устройств управления на программируемых пользователем вентильных матрицах с применением метода смешанного кодирования микроопераций, который позволил сократить аппаратурные затраты устройства.
Шишко Сергей Николаевич исследовал вопросы разработки и исследования композиционных микропрограммных устройств управления с кэш-памятью. Основной задачей исследований было увеличение быстродействия композиционных микропрограммных устройств управления за счет уменьшения среднего времени доступа к управляющей памяти.
Костянок Тятьяна Николаевна разрабатывала методы синтеза микропрограммных автоматов Мили с кодированием объектов.
Войтенко Сергей Аркадьевич и его коллега Бережок Алексей Юрьевич исследовали методы автоматического проектирования управляющих автоматов. В результате их работы была разработана САПР с клиент-серверной архитектурой, позволяющая из описания автомата в формате ХML получать его VHDL описание.
Скоропад Александр Сергеевич исследовал язык описания граф-схем алгоритма, описывающий как связи между вершинами, так и содержимое вершин. Для пояснения синтаксических конструкций языка описания ГСА использовались так называемые формы Бэкуса-Науэра, служащие для описания грамматик формальных языков.
Силуанов Антон Федорович занимался разработкой системы автоматизированного проектирования микропрограмных автоматов Мили с преобразованием объектов в базисе FPGA.
Боровлев Артем Сергеевич выполнял похожую работу, но объектом его исследований был автомат Мура. По описанию граф-схемы алгоритма выполняется синтез VHDL-модели автомата с применением оптимизирующих алгоритмов.
Тема управляющих автоматов является актуальной по всему миру. Практика показывает, что во многих университетах созданы так называемые, исследовательские группы. Вот некоторые из них:
Группа университета Аугзбурга (Германия) во главе с профессором, доктором Фрицем Колониусом.
Группа Факультета компьютерных наук Дрезденского технического университета (Германия) во главе с профессором, доктором Нагелем.
Предварительные исследования структуры с преобразователем "номер входа-адрес входа" показали явное преимущество в сравнении с базовой структурой. Это хорошо видно на примере, продемонстрированном в таблице. При увеличении количества операторных вершин, экономия числа эквивалентных вентилей при применении описанной структуры растёт.
Число строк ПСТ
Кол-во условных вершин
Кол-во МО
Кол-во разрядов для кодирования операторных вершин
Кол-во разрядов для кодирования входов ОЛЦ
Стоимость структуры КМУУ, ЭВ
Змеевидность, %
Выгода, ЭВ
Базовая
Преобразователь НВАВ
14
5
10
3
3
274
277
61,54
-3
14
5
10
4
3
324
314
76,19
10
14
5
10
5
3
382
358
86,49
24
14
5
10
6
3
456
419
92,75
37
14
5
10
7
3
562
512
96,24
50
14
5
10
8
3
732
669
98,08
63
14
5
10
9
3
1030
954
99,03
76
14
5
10
10
3
1584
1494
99,51
90
Более подробный результат можно увидеть на следующем графике:
3.2. Выводы
Проведенные исследования показали, что в сравнении с базовой, применение предложенной структуры позволяет снизить аппаратурные затраты, так как для кодирования состояний используются коды меньшей разрядности, чем для адресации множества операторных вершин ГСА.
Дальнейшие исследования направлены на адаптацию предложенной структуры к современному базису ПЛИС, а также на разработку методов оптимизации представленной схемы, в частности на исследование возможной минимизации поля, отвечающего за кодирование микрокоманд.
Соловьёв В.В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. – 2-е изд., стереотип. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007. – 636 с. ил.
Баркалов А.А., Палагин А.В. Синтез микропрограммных устройств управления. - Киев: ИК НАН Украины, 1997. - 156с.
