Широке впровадження електроніки й автоматики в усі сфери діяльності людського суспільства, висуває усе більше тверді вимоги до виробів електронної техніки. У цей час для реалізації цифрових систем як апаратний базис використаються програмувальні логічні інтегральні схеми (ПЛІС) з різною архітектурою. Застосування цього базису дозволяє підвищити надійність, швидкодію, ступінь інтеграції проектованих пристроїв, а також істотно знизити час проектування й конструювання, споживання потужності й габарити приладів.
Сучасні цифрові системи будуються на основі принципу мікропрограмного керування, що припускає наявність керуючого пристрою, зокрема мікропрограмного пристрою керування (МПК), що координує роботу всіх блоків системи. Двома основними класами МУУ є автомати (МПА) з «жорсткою» логікою, що представляють собою послідовнісну схему, синтезовану по опису, що задається абстрактним автоматом; а також автомати з «програмованою» логікою, засновані на операційно-адресному поданні інформації, збереженої в спеціальній керуючій пам'яті. Ці класи мають рядо проблем, які з успіхом вирішуються МПК представленими у вигляді композиції автоматів з «жорсткою» й «програмованою» логікою, які одержали назву композиційних мікропрограмних пристроїв керування (КМПК).
Подібний підхід сприяє зниженню апаратурних витрат у схемі й збільшенню швидкодії ЕОМ. Але й схема в такому випадку стає спеціалізованої, що обмежує можливість ефективного використання мікропрограмування на рівні користувача.
1.2. Мета та завдання роботи
Метою роботи є зменшення вартості й збільшення швидкодії синтезованих МПА, шляхом мінімізації логічної схеми за рахунок застосування структури з перетворювачем "Номер входу - адреса входу".
Для досягнення поставленої мети в процесі досліджень необхідно:
Виконати аналіз існуючих структур і методів синтезу МПК в базисі CPLD, а також огляд актуальних ПЛІС із архітектурою CPLD.
Розробити структуру МПА, що дозволяє оптимізувати апаратурні витрати й швидкодія схеми МПА при її реалізації в базисі CPLD.
Розробити програмне забезпечення (САПР), що дозволяє автоматизувати процес синтезу КМПК на основі заданої відзначеної ГСА й одержати опис його схеми мовою VHDL.
Дослідити характеристики схем МПА з використанням запропонованої структури, а також зрівняти отримані характеристики з характеристиками МПА, у яких застосовуються інші структури.
1.3. Передбачувана наукова новизна й планована наукова цінність
Наукова новизна отриманих результатів дисертаційної роботи полягає в розробці структури КМПК, орієнтованої на мінімізацію вартості й збільшення швидкодії МПА.
Планована наукова цінність полягає в наступному:
Розроблено структуру КМПК з поліпшеними характеристиками в базисі CPLD.
Розроблена САПР, що дозволяє автоматизувати процес синтезу КМПК на основі відзначеної ГСА. Результатом роботи програми є опис схеми КМПК мовою VHDL.
2.1. Локальний огляд
Кафедра ЕОМ Донецького національного технічного університету вже тривалий час веде дослідження пов'язані з гостемою "Розробка теорії, програмного й апаратного забезпечення спеціалізованих комп'ютерних систем". По даній тематиці були захищені як магістерські так і кандидатські дисертації, тому має сенс розглянути кілька робіт магістрів попереднього років.
Цололо Сергей Алексеевич займався дослідженням методів синтезу пристроїв керування на програмувальних користувачем вентильних матрицях із застосуванням методу змішанного кодування мікрооперацій, що дозволив скоротити апаратурні витрати пристрою.
Шишко Сергей Николаевич досліджував питання розробки й дослідження композиційних мікропрограмних пристроїв керування з кеш-пам'яттю. Основним завданням досліджень було збільшення швидкодії композиційних мікропрограмних пристроїв керування за рахунок зменшення середнього часу доступу до керуючої пам'яті.
Войтенко Сергей Аркадьевич и его коллега Бережок Алексей Юрьевич досліджували методи автоматичного проектування керуючих автоматів. У результаті їхньої роботи була розроблена САПР із клиент-серверной архітектурою, що дозволяє з опису автомата у форматі ХML одержувати його VHDL опис.
Скоропад Александр Сергеевич досліджував мову опису граф-схем алгоритму, що описує як зв'язки між вершинами, так і вміст вершин. Для пояснення синтаксичних конструкцій мови опису ГСА використалися так називані форми Бэкуса-Науэра, що служать для опису граматик формальних мов.
Силуанов Антон Федорович займався розробкою системи автоматизованого проектування микропрограмних автоматів Милі з перетворенням об'єктів у базисі FPGA.
Боровлев Артем Сергеевич виконував схожу роботу, але об'єктом його досліджень був автомат Мура. По описі графи-схеми алгоритму виконується синтез VHDL-моделі автомата із застосуванням оптимизуючих алгоритмів.
ТТема керуючих автоматів є актуальною по усім світі. Практика показує, що в багатьох університетах створені так називані, дослідницькі групи. Ось деякі з них: :
Група університета Аугзбурга (Германія) на чолі із професором, доктором Фрицем Колониусом.
Група Факультета комп'ютерних наук Дрезденського технічного університету (Германія) на чолі з професором, доктором Нагелєм.
Попередні дослідження структури з перетворювачем "номер вхід-адреса входу" показали явна перевага в порівнянні з базовою структурою. Це добре видно на прикладі, продемонстрованому в таблиці. При збільшенні кількості операторних вершин, економія числа еквівалентних вентилів при застосуванні описаної структури росте.
Число рядків ПСТ
Кіл-ть умовных вершин
Кіл-ть МО
Кіл-ть розрядів для кодувания операторних вершин
Кіл-ть розрядів для кодувания входів ОЛЦ
Вартість структури КМПК, ЭВ
Змеєвидність, %
Вигода, ЭВ
Базова
Перетворювач 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
Більше докладний результат можна побачити на наступному графіку:
3.2. Виводи
Проведені дослідження показали, що в порівнянні з базової, застосування запропонованої структури дозволяє зменшити апаратурні витрати, тому що для кодування станів використаються коди меншої розрядності, чим для адресації множини операторних вершин ГСА.
Подальші дослідження спрямовані на адаптацію запропонованої структури до сучасного базису ПЛІС, а також на розробку методів оптимізації представленої схеми, зокрема на дослідження можливої мінімізації поля, що відповідає за кодування мікрокоманд.
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.
