Личные данные | Автореферат | Ссылки | Библиотека | Проекты
Автореферат | Графическая документация
Составил: Гриценко Антон
Примечания:
Целью данной работы является рассмотрение структуры, архитектуры и назначения реконфигурируемой вычислительной платформы. Данная платформа предназначена для аппаратной реализации сложных динамических алгоритмов с оптимальными затратами аппаратуры. Основным отличием реконфигурируемой вычислительной платформы от существующих вычислительных платформ является динамическое изменение конфигурации аппаратуры в процессе работы платформы, выполнения сложного динамического алгоритма.
На данный момент основным способом реализации сложных динамических алгоритмов является разработка комбинированных аппаратно-программных систем. Такие системы включают универсальное аппаратное обеспечение, построенное на базе технологий заказных интегральных схем, систем на стандартных элементах или базовых матричных кристаллах. Это аппаратное обеспечение предоставляет системный программный интерфейс, который используется мощным программным обеспечением, реализующим логику сложных динамических алгоритмов.
Реконфигурируемая вычислительная система имеет ряд преимуществ перед комбинированной вычислительной системой:
Основным логическим элементом реконфигурируемой вычислительной платформы является аппаратный вычислительный процесс, являющийся аналогом программного процесса.
В разделе 2 описывается иерархическая структура и архитектура реконфигурируемой вычислительной платформы; раздел 3 описывает аппаратный вычислительны процесс.
Реконфигурируемая вычислительная платформа – аппаратно-программная платформа, предназначенная для реализации сложных динамических вычислительных алгоритмов с оптимизацией использования аппаратных ресурсов. Основной характеристикой реконфигурируемой вычислительной платформы является динамичность аппаратной конфигурации, которая выражается в реконфигурации аппаратных ресурсов для выполнения сложного динамического вычислительного алгоритма. Вычислительный алгоритм представляется в виде набора аппаратных вычислительных процессов. Аппаратный вычислительный процесс – конфигурация аппаратного обеспечения, которая выполняет определенную вычислительную задачу или набор вычислительных задач.
Аппаратно-программная платформа – платформа, которая представляет собой комбинацию взаимодействующих аппаратных и программных модулей. Аппаратно реализуются наиболее критичные модули, в то время как все остальные могут реализовываться программно. Приоритетной для реконфигурируемой вычислительной платформы является полностью аппаратная реализация, в случае комбинированной реализации на некоторые подсистемы накладывается ряд ограничений.
Реконфигурируемая вычислительная платформа представляет собой иерархическую систему (Рисунок 1).
Первым уровнем иерархии является исполнительная система – аппаратно-программная система, которая предоставляет аппаратные ресурсы и аппаратно-программный интерфейс для реализации аппаратных вычислительных процессов. Конфигурация исполнительной системы является прозрачной для клиентов. Прозрачность обеспечивает компонент исполнительной системы – менеджер данных, который реализует поддержку унифицированного интерфейса с клиентами исполнительной системы, независимо от текущей аппаратной конфигурации.
Вторым уровнем иерархии является система управления реконфигурированием – аппаратно-программная система, предназначенная для реализации алгоритмов реконфигурирования аппаратных вычислительных процессов.
Третий уровень иерархии включает два компонента. Аппаратная операционная система – аппаратно-программная система, предназначенная для реализации алгоритмов управления порядком реконфигурации аппаратных вычислительных процессов. Аппаратная операционная система обеспечивает порядок выполнения сложного динамического алгоритма. Память аппаратных конфигураций – аппаратная система, предназначенная для хранения аппаратных конфигураций исполнительной системы для различных аппаратных вычислительных процессов.
Клиенты реконфигурируемой вычислительной платформы взаимодействую только с первым уровнем иерархии – исполнительной системой, посредством менеджера данных. Второй и третий уровни иерархии полностью скрыты от клиентов.
Архитектура реконфигурируемой вычислительной платформы определяет ее компонентную декомпозицию, внешние и внутренние интерфейсы. Компонентная декомпозиция на уровне архитектуры осуществляется в соответствии с иерархической структурой реконфигурируемой вычислительной платформы (Рисунок 2).
Исполнительная система является центральным компонентом реконфигурируемой вычислительной системы. Она обеспечивает реализацию сложного динамического алгоритма. Остальные компоненты являются подсистемами окружения и предназначены для поддержки работы исполнительной системы. Аппаратная операционная система контролирует выполнение аппаратных вычислительных процессов, посредством интерфейса логического состояния исполнительной системы. В соответствии с внутренней логикой аппаратной операционной системы и в зависимости от логического состояния исполнительной системы формируются запросы реконфигурирования аппаратных вычислительных процессов.
Система управления реконфигурированием обеспечивает обработку запросов реконфигурирования аппаратных вычислительных процессов от аппаратной операционной системы. Обработка запросов включает несколько этапов, в частности: контроль физического состояния исполнительной системы, подготовка аппаратных ресурсов к реконфигурации, поиск и передача аппаратной конфигурации вычислительного процесса и т.д. Система управления реконфигурированием использует интерфейс реконфигурирования, предоставляемый исполнительной системы в заключительной стадии реконфигурации.
Аппаратный вычислительный процесс логически является частью сложного динамического алгоритма, физически представляет собой конфигурацию аппаратного обеспечения (Рисунок 3).
Для аппаратного вычислительного процесса характерны два состояния:
С физической точки зрения в обоих состояниях аппаратный вычислительный процесс представлен в форме одного и того же потока данных.
Аппаратная операционная система (АОС) – система, предназначенная для управления протеканием вычислительного процесса реализованного аппаратно; вся бизнес-логика данной системы также реализована аппаратно.
Аппаратная операционная система оперирует вычислительными процессами. Вычислительный процесс – конфигурация аппаратного обеспечения, которая включает конфигурацию ресурсов аппаратного обеспечения и его интерфейсов. Вычислительный процесс является аналогом программного процесса, при этом вычислительный процесс не использует понятие абстрактного вычислительного процессора, а использует реальную аппаратную конфигурацию. Поток вычислительного процесса – часть вычислительного процесса, которая использует его ресурсы и интерфейсы для выполнения вычислительного алгоритма или его части. Каждый вычислительный процесс содержит один или несколько вычислительных потоков. Параллельность выполнения потоков вычислительного процесса обеспечивается структурой аппаратного обеспечения.
Аппаратная операционная система (Рисунок 4) является расширением систем реального времени. АОС организует контроль протекания вычислительных процессов в соответствии с заданными временными параметрами. АОС является системой реального времени с минимальным временем отклика, которое характеризуется задержками работы аппаратуры.
Платформой для реализации и использования аппаратной операционной системы является реконфигурируемая вычислительная система времени исполнения (РВСВИ). РВСВИ предоставляет интерфейс и ресурсы для изменения аппаратной конфигурации без остановки вычислительного процесса, в общем смысле, без остановки работы аппаратного обеспечения (Рисунок 5). РВСВИ позволяет реализовать вычислительный процесс управляемый АОС с использованием минимального количества аппаратного обеспечения, которое будет реконфигурироваться в процессе работы системы.
Аппаратные операционные системы делятся на два типа:
Проектирование аппаратных операционных систем основывается на применении технологии управляемой моделями архитектуры и технологии совмещенного программно-аппаратного проектирования. Для эффективного использования этих технологий используется понятие виртуальной системы реального времени.
Виртуальная система реального времени (ВСРВ) – система, построенная с использованием следующих технологий:
Это определение можно переформулировать в виде: ВСРВ это независимая от платформы модель системы реального времени, которая с использованием соответствующих средств может быть трансформирована в программную, аппаратную или программно-аппаратную систему реального времени. ВСРВ является артефактом проектирования АОС как системы реального времени, который позволяет использовать все преимущества современных модельно-ориентированных технологий (Рисунок 6).
Реализация аппаратных операционных систем включает ряд шагов:
Верификация является важным шагом при реализации АОС. Верификация аппаратной реализации подразумевается использование одного из языков верификации для построения систем утверждений и контрактов и последующего моделирования. Верификация может выполняться путем использования программного прототипа в качестве платформы для разработки утверждений и контрактов.
Реализация АОС имеет ряд принципиальных проблем, в частности, основной проблемой является отсутствие эффективных программных систем трансформации, которые позволяют преобразовать независимую от платформы модель в описание этой модели на одном из языков аппаратуры. На начальном этапе возможна ручная трансформация, но такой подход является необъективным уже в близкой перспективе. Второй проблемой является то, что управляемая моделями архитектура построена на понятиях объектно-ориентированной парадигмы и предусматривает объектно-ориентированные реализации независимых от платформы моделей. В то же время наиболее распространенные на данный момент языки описания аппаратуры (VHDL, Verilog) являются структурными языками, что создает дополнительные трудности при трансформации.
Аппаратные операционные системы предполагается использовать как системы управления для организации вычислительного процесса в системах на базе РВСВИ. При этом вычислительный алгоритм должен удовлетворять одному из наборов условий:
(с) Гриценко Антон, Донецкий национальный технический университет, 2006 год
при использовании материалов данного сайта, ссылка на первоисточник обязательна
