Русский       Українська       English ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ
     > Биография      > Автореферат      > Библиотека      > Ссылки по теме      > Отчет о поиске

   > Автореферат
        Введение
        Актуальность темы
        Цели и задачи
        Предполагаемая научная новизна
        Локальный обзор
        Национальный обзор
        Мировой обзор
        Описание результатов
        Выводы
        Источники

Мирошкин Александр Николаевич


Синтез и исследование композиционных микропрограммных устройств управления с базовой структурой


               Введение

         Управление и контроль многих современных производственных процессов уже давно выполняется с использованием автоматизированных систем управления. Многие современные процессы очень требовательны к обслуживающим их системам управления. Одни требуют высокого быстродействия, другие - низкой стоимости. Это диктует необходимость разработки новых методов синтеза управляющих устройств с целью оптимизации их характеристик.
        Известно, что наибольшего быстродействия достигают автоматы с "жесткой" логикой, наиболее гибкими являются автоматы с "программируемой" логикой. Композиция этих двух автоматов получила название композиционного микропрограммного устройства управления.

Рисунок 1. Базовая структура композиционного микропрограммного устройства управления
(Flash-анимация. Для активации изображения используйте элементы управления)


        Классическая структура КМУУ имеет ряд преимуществ:
  1. формат МК содержит только операционную часть (минимизация разрядности управляющей памяти (УП));
  2. использование естественной адресации МК, однако в УП отсутствуют МК переходов (минимизация емкости УП);
  3. многонаправленные микропрограммные переходы осуществляются за один такт, что минимизирует время выполнения микропрограммы.

               Актуальность темы

         Минимизация аппаратурных затрат для реализации устройства является классической проблемой. Одним из направлений деятельности кафедры ЭВМ Донецкого национального технического университета является разработка и оптимизация управляющих устройств. Мне было предложено исследование композиционных микропрограммных устройств управления (КМУУ) как перспективного метода решения основных недостатков классических типов управляющих устройств. Исследованные в работе алгоритмы оптимизации автомата позволяют найти решение данной проблеме для данного типа управляющих устройств.

               Цели и задачи

         Целью данной работы является синтез и исследование композиционных микропрограммных устройств управления с базовой структурой в базисе современных больших интегральных схем (БИС).
        Для достижения данной цели решаются такие задачи:
  1. рассмотрение и изучение существующих методов синтеза КМУУ;
  2. анализ алгоритмов оптимизации устройств;
  3. анализ существующего элементного базиса ПЛИС;
  4. выбор оптимального алгоритма оптимизации для реализации КМУУ на ПЛИС;
  5. создание инструмента исследования КМУУ с целью практической реализации обоснованных алгоритмов оптимизации.
        Для практического исследования алгоритмов оптимизации разработана система автоматического проектирования (САПР) КМУУ. Основной недостаток КМУУ - недостаточная гибкость в перепрограммировании. Даже при незначительном изменении граф-схемы алгоритма синтез автомата необходимо выполнять заново. Применения такого инструмента как САПР не решит проблему недостаточной гибкости КМУУ в перепрограммировании, но позволит экономить человеческие и временные ресурсы в процессе перепроектирования управляющего автомата.
        САПР написана на языке С++, для сборки и отладки проекта была использована среда Visual C++ 2005 Express Edition, которая доступна для свободного использования.
        Для тестирования САПР использовался редактор граф-схем алгоритма FSM-Editor, который разрабатывался магистром Лавриком А.С. в рамках проекта. Тестовые граф-схемы алгоритмов выполнялись как вручную, так и при помощи автоматического генератора. При автоматической генерации были получены ГСА с заданными параметрами разветвленности, среднем количестве микроопераций в операторной вершине, количестве логических условий и т.п.

               Предполагаемая научная новизна

 данного проекта заключается в обосновании зависимости выбора определенной архитектуры управляющего устройства от характеристик граф-схемы алгоритма управления. Планируется исследовать различные архитектуры КМУУ с базовой структурой для различных значений параметров граф-схем алгоритмов управления. Нахождение закономерностей позволит еще до этапа генерации управляющего устройства предположить его характеристики в зависимости от выбранной архитектуры и выбрать оптимальную с учетом ограничений на быстродействие и аппаратурные затраты автомата.

               Локальный обзор
        Кафедра ЭВМ Донецкого национального технического университета ведет исследования по направлению "Синтез и оптимизация управляющих устройств" уже не первый год. По данной тематике были защищены как магистерские работы, так и кандидатские диссертации, что говорит об определенных достижениях.
        Магистр Цололо Сергей Алексеевич занимался исследованием методов синтеза устройств управления на программируемых пользователем вентильных матрицах. Основное внимание уделил схемам FPGA фирмы Xilinx.
        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 Бережок Алексей Юрьевич исследовали применение UML при проектировании управляющих автоматов. Итогом работы стала САПР, входными параметрами для которой является UML-схема реализации управляющего автомата.
        Работа Скоропада Александра Сергеевича носит название "Разработка подсистемы САПР и верификации управляющего автомата Мура с многоуровневой архитектурой". Работа представляет интерес с точки зрения использования в ней языка описания граф-схем алгоритма, описывающего как связи между вершинами, так и содержимое вершин. Для пояснения синтаксических конструкций языка описания ГСА используются 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. Конечным продуктом данной САПР являются VHDL-файлы описания архитектуры устройств.
        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.
        Наиболее близкой темой занимался Данилов Максим Васильевич, работа которого носит название "Разработка и исследования системы автоматизированного проектирования композиционных микропрограммных устройств управления". Руководителем является Ковалев Сергей Александрович. Указанная работа использует специфический язык описания граф-схем алгоритма, что усложняет ее использование. А также в ней не предусмотрены алгоритмы оптимизации. Существенным преимуществом разрабатываемого проекта по сравнению с проектом Данилова Максима Васильевича является наделение САПР определенной степенью интеллекта, которая заключается в предварительной оценке характеристик управляющего автомате и выдаче рекомендаций по генерации определенной архитектуры автомата.

               Национальный обзор

         Данное научное направление вызывает интерес не только в нашем университете, но и в некоторых других высших учебных заведениях Украины.
        Национальный авиационный университет ---> Институт электроники и систем управления
        Запорожская государственная инженерная академия ---> Факультет Информационных технологий ---> Каферда автоматизированного управления технологическими процессами
        Донецкий государственный институт искусственного интеллекта ---> Кафедра технической информатики
        Восточноукраинский национальный университет им. В.Даля ---> Кафедра компьютеризированных систем и Кафедра автоматики и систем управления
        Днепропетровский национальный университет ---> Радиофизический факультет
        Харьковский национальный университет радиоэлектроники ---> Кафедра автоматизации проектирования вычислительной техники
        Это лишь некоторые вузы, которые занимаются решением похожих проблем.

               Мировой обзор
        Тема управляющих автоматов является актуальной не только на территории Украины, но и за ее пределами. Практика показывает, что во многих университетах созданы так называемые, исследовательские группы. Далее приведены некоторые такие группы по странам дальнего и ближнего зарубежья.
        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.
        Лаборатория систем управления университета Карлсруэ (Германия) во главе с доктором Фолькером Кребсом.
        Израильская ассоциация автоматического управления (IAAC) , профессор Эзра Зэхэб.
        Центр исследования комплексных автоматизированных систем (Болонский университет, Италия) во главе с профессором Клаудио Бонивенто.
        И, конечно, Институт информатики и электроники Зеленогурского университет (Зелена Гора, Польша), во главе с профессором Марианом Адамским.
        Из российских университетов данными вопросами занимаются:
        Владимирский государственный университет ---> Факультет информационных технологий ---> кафедра Вычислительной техники
        Московский Государственный Институт Электронной Техники ---> Факультет электроники и компьютерных технологий ---> Кафедра "Проектирование и Конструирование Интегральных Микросхем"
        Благодаря международным конференциям и межвузовскому сотрудничеству происходит обмен опытом и достижениями в разработке различных вопросов синтеза устройств управления.

               Описание результатов

         САПР на данном этапе разработки реализует синтез архитектуры композиционного микропрограммного устройства управления с базовой структурой без алгоритмов оптимизации. Принятая во входном XML-файле стратегия кодирования операторных и условных вершин принимается как основная для отметки состояний автомата, что не дает оптимального набора адресов переходов.
        Синтез комбинационной схемы формирования адреса следующей операторной линейной цепи выполнен тривиальным образом, без минимизации использования одинаковых сигналов при формировании многонаправленных переходов. Схема счетчика выполнена на D-триггерах и зависит от количества разрядов адреса управляющей памяти. Сама память выполнена внешнего типа, что позволяет использовать полученный VHDL-файлы для прошивки в базисе CPLD. Содержимое управляющей памяти на данном этапе сохраняется в текстовый файл, который создается в той же директории, что и входной XML-файл.
        В перспективе планируется реализовать подключаемые модули, которые бы выполняли синтез оптимизированных архитектур автоматов. Кроме реализации алгоритмов, уменьшающих разрядности адреса, входных шин условий и выходных шин реакций, планируется реализовать алгоритмы оптимальной отметки состояний, что позволит уменьшить число функций возбуждения памяти. Также при формировании функций возбуждения памяти возможно альтернативное использование как D-, так и T-триггеров, что позволит минимизировать количество функций возбуждения памяти.
        Модули синтеза оптимизированных структур управляющих автоматов планируется выполнить в виде динамических библиотек, что позволит сделать САПР более гибкой и расширяемой.

               Выводы

         Для достижения поставленной цели были рассмотрены существующие методы синтеза КМУУ с базовой структурой, а также алгоритмы оптимизации архитектуры устройства с целью минимизации его аппаратурных затрат и временных характеристик. Для реализации КМУУ было изучено многообразие современного элементного базиса ПЛИС, выбраны основные характеристики интегральных схем с целью синтеза оптимальных для реализации в базисе управляющих устройств.
        Для исследования алгоритмов оптимизации была создана САПР КМУУ, которая может быть также использована не только в научных, но и в промышленных целях.
        По состоянию проекта на сегодняшний день можно сделать вывод о том, что цель будет достигнута после реализации в САПР алгоритмов оптимизации КМУУ, а также проведения ряда исследований по определению граничных значений характеристик ГСА, которые будут взяты за основу при анализе произвольной ГСА с целью рекомендации оптимальной для каждого конкретного случая архитектуры.

               Источники

    Печатные источники

  1. Баркалов А.А. Микропрограммное устройство управления как композиция автоматов с жесткой и программируемой логикой // АВТ. - 1983. - №4. - С. 42-50.
  2. Баркалов А.А., Швец А.Г., Синтез композиционного микропрограммного устройства управления с модифицированной адресацией микрокоманд // АВТ. - 1994. - №5. - С.22-30.
  3. Саломатин В.А., Баркалов А.А., Стародубов К.Е. Оптимизация логической схемы микропрограммного устройства управления на ПЛМ и ПЗУ // УСиМ. - 1987. - №2. - С. 57-60.
  4. Соловьев В.В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. - М.: Горячая линия-Телеком, 2001. - 636с. ил.

    Работы магистров прошлых лет

  5. Бережок Алексей Юрьевич:
  6. Боровлев Артем Сергеевич:
  7. Войтенко Сергей Аркадьевич:
  8. Данилов Максим Васильевич:
  9. Костянок Тятьяна Николаевна:
  10. Силуанов Антон Федорович:
  11. Скоропад Александр Сергеевич:
  12. Цололо Сергей Алексеевич:
  13. Шишко Сергей Николаевич:

    Вузы Украины

  14. Восточноукраинский национальный университет им. В.Даля
  15. Днепропетровский национальный университет
  16. Донецкий государственный институт искусственного интеллекта
  17. Запорожская государственная инженерная академия
  18. Национальный авиационный университет
  19. Харьковский национальный университет радиоэлектроники

    Иностранные исследовательские группы

  20. Университет Аугзбурга
  21. Факультет компьютерных наук Дрезденского технического университета
  22. Лаборатория систем управления университета Карлсруэ (Германия)
  23. Израильская ассоциация автоматического управления (IAAC)
  24. Центр исследования комплексных автоматизированных систем (Болонский университет, Италия)
  25. Зеленогурский университет (Польша)
  26. Владимирский государственный университет
  27. Московский Государственный Институт Электронной Техники

    Другие источники

  28. Сайт Microsoft, с которого можно скачать пакет Visual C++ Express
     > Биография      > Автореферат      > Библиотека      > Ссылки по теме      > Отчет о поиске