ДонНТУ | Портал магистров | ФКНТ

 

Введение

     Разработка устройств управления - одно из наиболее важных теоретических направлений в цифровой технике. Этот раздел науки находится в постоянном развитии и претерпевает изменения, всё благодаря тому, что продукты производимые с использованием передовых технологий имеют широчайшее применение в промышленном производстве, а особенно в системах управления самими разнообразными объектами и процессами. Практически во все сферы производства внедряются цифровые системы. 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.

     Весь принцип микропрограммного управления цифровой системы можно представить, как совокупность двух автоматов – операционного автомата (ОА) и управляющего автомата (УА). ОА предназначен для хранения информации, вычисления логических условий, выполнения набора микроопераций, и др. УА, в свою очередь, генерирует последовательность управляющих сигналов, которая определяется микропрограммой и соответствует значениям логических условий, полученных от операционного автомата. Совокупность этих автоматов является так называемым микропрограммным устройством управления (МУУ), использующееся для координации работы всех блоков любой системы. Двумя основными классами МУУ являются автоматы (МПА) с «жёсткой» логикой, микропрограммы, алгоритмы для которых удобно представлять в виде граф схемы алгоритма (ГСА) и автоматы с «программируемой» логикой, основанные на операционно-адресном представлении информации, хранимой в специальной управляющей памяти. Оба эти класса имеют свои недостатки, но при использовании одновременно автоматов с «жёсткой» и «программируемой» логикой можно добиться значительного прогресса. Такой «симбиоз» получил название композиционных микропрограммных устройств управления (КМУУ).

 

Актуальность

     Аппаратные, а как следствие, и финансовые затраты являются основной проблемой в деле реализации любого устройства. Чтобы снизить затраты на стадии производства устройства нужно более качественно оптимизировать структуру автомата. Для этого используются схемы автоматов, позволяющие уменьшить следующие параметры: количество входов- путем замены логических; количество выходов- путем кодирования наборов микроопераций; количество входов/выходов- благодаря кодированию строк прямой структурной таблицы.

     Магистерская работа посвящена исследованию композиционных микропрограммных устройств управления с целью уменьшения аппаратных затрат, и следовательно, стоимости реализации логической схемы устройства, при сохранении быстродействия. Оптимизация схемы управляющего автомата выполняется при учете особенностей реализуемого алгоритма управления, заданной ГСА, и элементного базиса.

 

Связь работы с научными программами, планами, темами

     Магистерская работа выполняется на протяжении 2009-2010 г.г. согласно научному направлению кафедры электронных вычислительных машин.

Цели и задачи исследований

     Целью работы является уменьшение стоимости и увеличение быстродействия синтезируемых МПА, путем минимизации логической схемы.

Для достижения поставленной цели в процессе исследований необходимо:

1.Рассмотреть и изучить существующие методы синтеза КМУУ;
2.Выполнить анализ алгоритмов оптимизации устройств;
3.Выполнить анализ существующего элементного базиса ПЛИС;
4.Разработать способы оптимизации КМУУ по входам и выходам;
5.Оценить сложность реализации разработанных структур, и определить области их эффективного применения.

Предмет исследования: композиционные структуры микропрограммных устройств управления.

Объект исследования: управляющие автоматы, реализуемые в базисе SPLD и CPLD.

Методы исследований: В процессе исследований использовались: формальный аппарат конечных автоматов; теория множеств и булевой алгебры; теория вероятностей; теория графов.

Научная новизна

     Научная новизна полученных результатов магистерской работы заключается в разработке структуры КМУУ, ориентированной на минимизацию стоимости и увеличение быстродействия МПА.

Практическое значение полученных результатов

     Практическое значение заключается в разработке новых структур микропрограммных устройств управления, или модификации традиционных структур в базисе программируемых логических устройств, с целью уменьшения аппаратурных затрат в сравнении с тривиальными схемами управляющих автоматов.

Апробация работы

   Основные результаты докладывались и обосновывались на международных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Информатика и компьютерные технологии – 2009" (секция "Проектирование ЭВМ и цифровых устройств, FPGA-технологии") и "Информационные управляющие системы и компьютерный мониторинг - 2010" (секция "Компьютерная инженерия.

Обзор исследований и разработок по теме

     Локальный обзор. На кафедре «Электронных вычислительных машин» (ЭВМ) Донецкого национального технического университета уже многие годы ведутся работы, связанные с синтезом и оптимизацией управляющих устройств . По данной теме были защищены как магистерские, так и кандидатские диссертации, некоторые из них будут рассмотрены далее.

У Цололо Сергея Алексеевича темой магистерской работы было «Исследование методов синтеза устройств управления на программируемых пользователем вентильных матрицах», т.е. на FPGA.
Магистр Шишко Сергей Николаевич занимался разработкой и исследованием композиционных микропрограммных устройств управления с кэш-памятью.
Магистр Бережок Алексей Юрьевич выполнял исследование структур управляющих автоматов с элементаризацией линейных последовательностей состояний. В результате чего, получил программное обеспечение, построенное на платформе Eclipse с открытым кодом и реализующее генерацию кода на языке HDL из описания автомата в формате XML.
Магистр Данилов Максим Васильевич разработал САПР композиционных микропрограммных устройств управления.
Магистр Мирошкин Александр Николаевич занимался синтезом и исследованием композиционных микропрограммных устройств управления с базовой структурой.
Магистр Лаврик Александр Сергеевич исследовал синтез композиционных микропрограммных устройств управления с модифицированной системой микрокоманд на ПЛИС.
Магистр Казачанский Андрей Владимирович выполнял синтез и исследование композиционных микропрограммных устройств управления с использованием метода кодирования полей совместимых микроопераций.
Магистр Первак Сергей Владимирович занимался разработкой и исследованием двухуровневых структур микропрограммных устройств управления на базе микросхем семейства CoolRunner-II.
Магистр Толкачёв Дмитрий Олегович  разрабатывал и исследовал управляющий автомат Мили с формирователем адреса в базисе CPLD.

  Национальный обзор. Синтезом и оптимизацией управляющих автоматов занимаются и в других ВУЗах Украины.

1. Харьковский национальный университет радиоэлектроники (ХНУРЭ).  --> Кафедра автоматизации проектирования вычислительной техники;

2. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» --> Факультет информатики и вычислительной техники;

3. Национальный авиационный университет --> Институт электроники и систем управления;

4. Запорожская государственная инженерная академия --> Кафедра автоматизированного управления технологическими процессами;

5. Восточноукраинский национальный университет им. В.Даля --> Кафедра компьютеризированных систем и Кафедра автоматики и систем управления.

    Мировой обзор. Направление управляющих автоматов актуально не только на территории Украины, но и за ее пределами. Рассмотрим некоторые организации, которые исследуют данное направление.

1. Зеленогурский университет (Зелена Гора, Польша) --> Институт информатики и электроники;

2. Группа университета Аугзбурга (Германия);

3. Дрезденский технический университет (Германия) --> Факультет компьютерных наук;

4. Центр исследования комплексных автоматизированных систем (Болонский университет, Италия);

5. Массачусетсский технологический институт (США).

Основное содержание работы

     В данной работе обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования и разработки, научная новизна магистерской работы и ее практическая значимость.
     В магистерской работе приведен: анализ основных моделей двухуровневых микропрограммных устройств управления, то есть приведены обзоры методов синтеза и оптимизации управляющих автоматов; анализ современного элементного базиса; методы оптимизации логических схем управляющих автоматов в базисе программируемых логических устройств.

      Существует два основных метода реализации управляющих устройств:

     1. Автомат с “жёсткой” логикой, состоящий из комбинационной схемы КС и регистра памяти RG.

    2. Автомат с “программируемой” логикой, состоящий из схемы адресации микрокоманд  (СФА), регистра адреса микрокоманд (РАМК), управляющей памяти (УП) и схемы формирования микроопераций (СФМО) синтеза автомата с “программируемой” логикой (АПЛ) исходная ГСА должна быть представлена в виде микропрограммы (МП), состоящей из микрокоманд (МК) заданного формата. Микрокоманда содержит операционную часть (ОЧ) и адресную часть (АЧ). АПЛ функционирует следующим образом. Очередная МК считывается из УП по адресу, находящемуся в РАМК. Операционная часть МК поступает на СФМО и преобразовывается в микрооперации Y, управляющие операционным автоматом. Адресная часть МК используется схемой СФА наряду с логическими  условиями X для формирования в РАМК адреса следующей микрокоманды. Функционирование завершается после формирования признака окончания микропрограммы. Всем АПЛ присущ один существенный недостаток – если переход является L-направленным, то есть зависит от L логических условий, то он выполняется за L тактов. Это приводит к увеличению числа микрокоманд в микропрограмме, за счёт ввода L-1 дополнительных МК безусловного перехода и, как следствие, к увеличению времени выполнения микропрограммы и требуемой ёмкости УП. Если многонаправленные переходы выполняются меньше чем за L тактов, то это резко усложняет процесс синтеза схемы АПЛ . Второй недостаток АПЛ – необходимость задания в формате МК как минимум одного адреса перехода. Это увеличивает разрядность микрокоманд и, следовательно, ёмкость управляющей памяти. Автоматы с “жёсткой” логикой реализуют любые переходы за один такт, но отличаются нерегулярностью структуры, что усложняет их реализацию на БИС. В работе предпоолагается совместить в одном УУ положительные качества автоматов с “жесткой” и “программируемой” логикой, что приводит к композиционным микропрограммным устройствам управления.

    Устройство управления может быть реализовано в виде композиции автоматов с “жесткой” логикой, реализующих схему адресации микрокоманд, и “программируемой” логикой. Такие УУ называются композиционными микропрограммными устройствами управления (КМУУ) и отличаются следующими качествами:

   1. Формат микрокоманд содержит только операционную часть, что в рамках принятой стратегии кодирования наборов микроопераций минимизирует разрядность управляющей памяти.

   2. Для реализации функции переходов используется естественная адресация МК, однако, в УП отсутствуют управляющие микрокоманды, что минимизирует ёмкость УП.

  3. Переходы, зависящие от любого числа логических условий, производятся за один такт, что минимизирует время выполнения микропрограммы.

Рис.1. Структурная схема композиционного микропрограммного устройства управления.
(Анимация. 7 кадров. 10 циклов)

     В композиционных микропрограммных устройствах управления комбинационная часть обычно реализовывается на ПЛМ, а управляющая память - на ПЗУ.  Эти микросхемы являются наиболее дорогостоящими узлами схемы. По этому целью магистерской работы является исследование возможностей уменьшения аппаратных затрат при реализации комбинационной схемы и управляющей памяти; и разработка на этой основе новых структур композиционных микропрограммных устройств управления.

 Выводы по работе

   В магистерской работе будет дано актуальное решение научной задачи, важной для производства вычислительной техники, которое заключается в разработке и исследовании новых структур логических схем микропрограммных устройств управления, а также модификации уже существующих с учётом

В процессе исследований планируется решить следующие задачи:

• Анализ методов синтеза композиционных микропрограммных устройств управления на программируемых логических устройствах;

• исследование и разработка структур композиционных микропрограммных устройств управления с целью оптимизации аппаратных затрат при реализации логической схемы;

• анализ элементного базиса – SPLD, CPLS, FPGA;

• оценка сложности реализации разработанных структур, и определение области их эффективного применения.

Список литературы:

1. Баркалов О.О. Синтез пристроїв керування на програмованих логічних пристроях. – Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002. – 262 с.

2. Соловьев В.В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. – Москва: Горячая линия: Телеком, 2007. – 636 с.

3. Бибило П.Н. Синтез комбинационных ПЛМ – структур для СБИС. – Минск: Наука и техника, 1992. – 232 с.

4. Бибило П.Н. Основы языка VHDL. изд. 3. – М.: ЛКИ, 2007. – 328 с.

5. Суворова Е.А., Шейнин Ю.Е. Проектирование цифровых систем на VHDL. – СПб.: BHV, 2003. – 576 с.113.

6. Проектирование цифровых систем на комплектах микропрограммируемых БИС / С.С. Булгаков, В.М. Мещеряков, В.В. Новоселов; Под ред. В.Г. Колесникова. – М.: Радио и связь, 1984. – 240 с.

7. Швец А.Г. Синтез устройств управления на программируемых логических интегральных схемах//дисс. канд. техн. наук. – Донецк, ДонГТУ, 1995. – 171 с.

8. Зеленева И.Я. Методы синтеза многоуровневых структур управляючих автоматов на программируемых логических устройствах//дисс. канд. техн. наук. – Донецк, ДонГТУ, 2004.

9. Стешенко В. Программируемые логические интегральные схемы: обзор архитектур и особенности применения // http://www.compitech.ru/htm.cgi/arhiv_s/00_01/stat_23.htm.

10. Зотов В.Ю. Новая версия свободно распростаняемого пакета проектирования WebPACK ISE Фирмы Xilinx // http://www.compitech.ru/htm.cgi/arhiv/03_01/stat_152.htm.

11. Xilinx CoolRunner-II CPLD Product Specification, DS090 (v3.0) March 8, 2007.

12. Баркалов А.А., Титаренко Л.А. Синтез микропрограммных автоматов на заказных и программируемых СБИС. – Донецк:ДонНТУ, Технопарк ДонНТУ УНИТЕХ, 2009. – 336 с.

 Важное замечание

     При написании автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указаной даты.

 

 

Индивидуальный раздел