Факультет: Компьютерных наук и технологий
Кафедра: Компьютерной инженерии
Специальность: Компьютерные системы и сети (КС)
Тема випускной работы: Исследование алгоритмов построения контроллеров с использованием систем на кристалле
Руководитель: Баркалов Александр Александрович
Консультант: Мальчева Раиса Викторовна
Современное стремительное развитие цифровой техники значительно расширяет области ее применения. Практически вся техника, которая изначально проектировалась как аналоговая, становится полностью цифровой. В связи с такими темпами развития современной цифровой техники все больше и больше обязанностей возлагают именно на микрокомпьютеры или микроконтроллеры. Ярким примером подобного развития являются системы бортовых компьютеров, используемые в автомобильной технике. Изначально автомобиль проектировался только как средство передвижения и не содержал в себе никакой электроники. Но с дальнейшим развитием технологий транспортные средства становятся все более комфортабельным и безопасным, что обеспечивается бортовыми средствами контроля. Представить современный автомобиль без бортового компьютера очень тяжело.
Именно исследованию и разработке подобного рода систем посвящена моя выпускная работа.
Объектом исследования выпускной работы являются технологии проектирования бортовых контроллеров на базе реконфигурируемых систем.
Основной целью магистерской работы является исследование и разработка бортового контроллера с использованием реконфигурируемых систем на кристалле. В качестве основной базы проектирования используется FPGA (Field-programmable Gate Array) или ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). ПЛИС — электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровыхмикросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования проектирования. Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др.
Университет
В Донецком национальном техническом университете, на кафедре «Компьютерная инженерия» данную тему рассматривали следующие магистры.
Садыкбаев Артем Вадимович
«Разработка реконфигурированной системы для реализации сортировщиков»
Гриценко Антон Александрович
«Реконфигурируемые вычислительные системы времени исполнения вычислительного процесса»
Бухтияров Станислав Алексеевич
«Исследование многопроцессорных систем на основе реконфигурируемой элементной базы»
Украина
В настоящее время в Институте кибернетики имени В.М. Глушкова под руководством А.В. Палагина ведутся работы по созданию компьютерной системы с реконфигурируемой (виртуальной) архитектурой, которая представляет собой проблемно - ориентированные конфигурации применительно к каждой конкретной задаче. В 2006 году вышла монография "Реконфигурируемые вычислительные системы", в которой обобщены теоретические результаты работы А.В. Палагина и его школы [1].
Система на кристалле (СнК) — это СБИС (сверх большая интегральная схема), интегрирующая на кристалле различные функциональные блоки, которые образуют законченное изделие для автономного применения в электронной аппаратуре. В англоязычной литературе называется System-on-a-Chip, SoC. Структура типовой СнК представлена на рисунке 2. В зависимости от назначения СнК может оперировать как цифровыми сигналами, так и аналоговыми, аналого-цифровыми, а также частотами радиодиапазона. Как правило, подобные микросхемы применяются в портативных и встраиваемых системах.
Основным цифровым блоком обычно является процессор, выполняющий программную обработку цифровых данных. Специализированные блоки обработки обеспечивают аппаратное выполнение функций, специфических для данной системы. Это могут быть, например, блоки цифровой обработки сигналов (DSP), аналоговые схемы, преобразователи потоков данных и др. устройства. Различные типы модулей памяти (SRAM, DRAM, ROM, EEPROM, Flash) могут входить в состав СнК или подключаться к ней как внешние блоки. Таймеры, АЦП и ЦАП, широтно-импульсные модуляторы и другие цифровые устройства могут интегрироваться в состав СнК в качестве периферийных устройств. Интерфейс с внешними устройствами обеспечивается с помощью параллельных и последовательных портов, различных шинных и коммуникационных контроллеров и других интерфейсных блоков, в т.ч. аналоговых (усилителей, преобразователей). Блоки могут быть соединены с помощью шины собственной разработки или стандартной конструкции, например, AMBA в чипах компании ARM. Если в составе чипа есть контроллер прямого доступа к памяти (ПДП), то с его помощью можно заносить данные с большой скоростью из внешних устройств напрямую в память чипа, минуя процессорное ядро.
Если разместить все необходимые цепи на одном полупроводниковом кристалле не удается, применяется схема из нескольких кристаллов, помещенных в единый корпус (System in a package, SiP). СнК считается более выгодной конструкцией, так как позволяет увеличить процент устройств, используемых при изготовлении, и упростить конструкцию корпуса.
Современная микроэлектроника обеспечивает следующие варианты реализации СнК:
Оба варианта реализации имеют свои достоинства и недостатки, которые целесообразно оценить в сравнении с традиционным способом монтажа систем на печатной плате из отдельных микросхем — системами на плате.
При проектировании СБИС микроконтроллеров кроме функциональных библиотек используются сложно-функциональные блоки (СФ блоки) — процессоры, таймеры, АЦП, различные интерфейсные блоки (UART, SPI, CAN, Ethernet и т.д). Эти СФ блоки формируют верхний уровень функциональных библиотек, используемых разработчиками и производителями микроконтроллеров.
При реализации СнК в виде ASIC используются традиционные способы проектирования ASIC с использованием аппаратно реализованных сложно-функциональных блоков, интегрированных в структуру СБИС, и синтезируемых СФ блоков, которые изготовитель транслирует в физическую структуру с помощью собственных библиотек функциональных элементов. Используя средства САПР, набор необходимых СФ блоков и современные технологии, можно реализовать в виде ASIC большинство электронных устройств, монтируемых в настоящее время на печатных платах. Таким образом, имеется возможность замены систем на плате системами на кристалле. Возникает альтернатива — разработка системы на плате или реализация функционально аналогичной СнК в виде ASIC.
Преимущества систем на плате:
Преимущества систем на кристалле:
Наиболее перспективным направлением в настоящий момент представляется методология проектирования СБИС типа «система на кристалле» с использованием платформенного принципа организации на основе встроенных микропроцессорных ядер и библиотек СФ-блоков. Весь спектр микропроцессоров как компонентов радиоэлектронной аппаратуры можно разбить на четыре группы, приведенные в таблице 1.
| Группа 1 | Группа 2 | Группа 3 | Группа 4 |
| 8 и 16 разрядные процессоры низкой стоимости | 32 разрядные процессоры средней стоимости | 32, 64 и 128 разрядные процессоры большой стоимости | Цифровые сигнальные процессоры |
| Управление исполнительными механизмами, контроллеры датчиков, основа для простых приборов и устройств | Основа для устройств средней сложности и сложных вычислительных устройств(мобильные телефоны, КПК, устройства навигации) | Основа для персональных компьютеров и вычислительных систем | Цифровая обработка сигналов |
Основными потребителями микропроцессоров являются отрасли бытовой техники, приборостроения, а также телекоммуникации и связи, в первую очередь за счет массовости выпускаемой продукции.
Рассмотрим основные требования к современной системе на кристалле широкого назначения, которые необходимо учесть при проектировании СнК:
Альтернативным способом реализации систем на кристалле являются высокоинтегрированные технологии FPGA, содержащих миллионы эквивалентных логических вентилей. Преимущества реализации СнК на базе FPGA:
Таким образом, СнК на базе FPGA имеют практически те же достоинства, что и системы на плате, но отличаются лучшими техническими характеристиками — более низким энергопотреблением, меньшими габаритами и массой. При этом по таким параметрам как производительность и энергопотребление СнК на базе FPGA уступают СнК, реализованным в виде ASIC [4].
Для функционирования системы программное обеспечение не менее важно, чем аппаратное. Разработка, как правило, ведётся параллельно. Аппаратная часть собирается из стандартных отлаженных блоков, для сборки программной части используются готовые драйверы. Применяются средства автоматизации разработки CAD и интегрированные программные оболочки.
Для того, чтобы удостовериться в правильной работе созданной комбинации блоков, драйверы и программу загружают в эмулятор аппаратной части (микросхему с программируемыми цепями, FPGA). Также требуется задать расположение блоков и разработать межблочные связи.Перед сдачей в производство аппаратная часть тестируется на корректность с использованием языков Verilog и VHDL. До 70 % общих усилий на разработку затрачивается именно на этом этапе.
Системы на кристалле потребляют меньше энергии, стоят дешевле и работают надёжнее, чем наборы микросхем с той же функциональностью. Меньшее количество корпусов упрощает монтаж. Тем не менее, создание одной слишком большой и сложной системы на кристалле может оказаться более дорогим процессом, чем серии из маленьких, из-за сложности разработки и отладки и снижения процента выхода годных изделий.
Начальные результаты докладывались и обосновывались на международных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Информатика и компьютерные технологии – 2010" (секция " Проектирование ЭВМ и цифровых устройств, FPGA-технологии, системное программирование ").
Проанализировав вышеизложенное, следует отметить, что системы на кристалле, реализуемые на базе FPGA, являются конкурентоспособными и постепенно будут использоваться чаще, чем системы на плате, тем самым заменяя их. Реализация микропроцессоров и микроконтроллеров в этих СнК будет выполнена с использованием различных вариантов процессорных сложно-функциональных блоков. Под вариантами использования СФ блоков подразумеваются: самостоятельная разработка, использование общедоступных ресурсов или покупка блоков у производителей микросхем.
Одной из актуальнейших задач является разработка и производство собственных микропроцессоров и систем на кристалле для решения различных задач. То есть наибольший экономический эффект принесет то изделие (микропроцессор, система на кристалле), которое будет подходить для решения максимально широкого круга задач.
http://www.russianelectronics.ru/developer-r/review/2189/doc/40316/
http://kit-e.ru/articles/plis/2008_10_67.php
http://www.promwad.com/library/system-on-chip-basis-successful-product-ru.html
http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200304/1.html
http://www.electronics.ru/issue/2004/3/13
http://www.russianelectronics.ru/developer-r/review/optic/350/doc/551/
http://reslib.com/book/System_on_a_Chip__Design_and_Test
http://www.iprinet.kiev.ua/gf/nau_rek.htm
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: ноябрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.