ДонНТУ | Портал магистрів | ФКНТ

 Вступ

    Розробка пристроїв управління – одне з найбільш важливих теоретичних напрямів в цифровій техніці. Цей розділ науки знаходиться в постійному розвитку і зазнає зміни, все завдяки тому, що продукти вироблені з використанням передових технологій мають найширше застосування в промисловому виробництві, а особливо в системах управління самими різноманітними об'єктами і процесами. Практично в усі сфери виробництва впроваджуються цифрові системи. Багато сучасні процеси дуже вимогливі до обслуговуючих їх систем управління. Одні вимагають високої швидкодії, інші - низької вартості. Це диктує необхідність розробки нових методів синтезу керуючих пристроїв з метою оптимізації їх характеристик. Весь принцип мікропрограмного управління цифрової системи можна представити, як сукупність двох автоматів - операційного автомата (ОА) і керуючого автомата (УА). ОА призначений для зберігання інформації, обчислення логічних умов, виконання набору мікрооперацій, та ін УА, у свою чергу, генерує послідовність керуючих сигналів, яка визначається прошивки і відповідає значенням логічних умов, отриманих від операційного автомата. Сукупність цих автоматів є так званим мікропрограмного пристроєм керування (МУУ), що використовується для координації роботи всіх блоків будь-якої системи. Двома основними класами МУУ є автомати (МПА) із «жорсткою» логікою, прошивки, алгоритми для яких зручно представляти у вигляді граф схеми алгоритму (ДСА) і автомати з «програмованою» логікою, засновані на операційно-адресному поданні інформації, що зберігається в спеціальній керуючої пам'яті. Обидва ці класу мають свої недоліки, але при використанні одночасно автоматів з «жорсткою» та «програмованою» логікою можна домогтися значного прогресу. Такий «симбіоз» отримав назву композиційних мікропрограмних пристроїв керування (КМУУ).

 

Актуальність

     Апаратні, а як наслідок, і фінансові витрати є основною проблемою в справі реалізації будь-якого пристрою. Щоб знизити витрати на стадії виробництва пристрою потрібно більш якісно оптимізувати структуру автомата. Для цього використовуються схеми автоматів, що дозволяють зменшити наступні параметри: кількість входів-шляхом заміни логічних; кількість виходів-через кодування наборів мікрооперацій; кількість входов/виходов- завдяки кодуванню рядків прямої структурної таблиці. Магістерська робота присвячена дослідженню композиційних мікропрограмних пристроїв керування з метою зменшення апаратних витрат, і отже, вартості реалізації логічної схеми пристрою, при збереженні швидкодії. Оптимізація схеми керуючого автомата виконується при врахуванні особливостей реалізованого алгоритму керування, заданої ДСА, і елементного базису.

 

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

    Магістерська робота виконується протягом 2009-2010 р.р. згідно з науковим напрямком кафедри електронних обчислювальних машин.

 

Цілі і завдання досліджень

    Метою роботи є зменшення вартості та збільшення швидкодії синтезованих МПА, шляхом мінімізації логічної схеми. Для досягнення поставленої мети в процесі досліджень необхідно:

1.Рассмотреть і вивчити існуючі методи синтезу КМУУ;

2.Виконати аналіз алгоритмів оптимізації пристроїв;

3.Виконати аналіз існуючого елементного базису ПЛІС;

4.Розробити засоби оптимізації КМУУ по входів і виходів;

5.Оінити складність реалізації розроблених структур, і визначити області їх ефективного застосування.

Предмет дослідження: композиційні структури мікропрограмних пристроїв керування.

Об'єкт дослідження: керуючі автомати, які реалізуються в базисі SPLD і CPLD.

Методи досліджень: У процесі досліджень використовувалися: формальний апарат кінцевих автоматів; теорія множин і булевої алгебри; теорія ймовірностей, теорія графів.

 

Наукова новизна

    Наукова новизна отриманих результатів магістерської роботи полягає у розробці структури КМУУ, орієнтованої на мінімізацію вартості і збільшення швидкодії МПА.

Практичне значення отриманих результатів:

Практичне значення полягає в розробці нових структур мікропрограмних пристроїв керування, або модифікації традиційних структур в базисі програмованих логічних пристроїв, з метою зменшення апаратурних витрат у порівнянні з тривіальними схемами керуючих автоматів.

 

Апробація роботи

    Основні результати доповідалися і обгрунтовувалися на міжнародних науково-технічних конференціях студентів, аспірантів і молодих вчених "Інформатика та комп'ютерні технології - 2009" (секція "Проектування ЕОМ та цифрових пристроїв, FPGA-технології") і "Інформаційні управляючі системи та комп'ютерний моніторинг - 2010" (секція "Комп'ютерна інженерія").

 

Огляд досліджень і розробок по темі

    Локальний огляд. На кафедрі «Електронних обчислювальних машин» (ЕОМ) Донецького національного технічного університету вже багато років ведуться роботи, пов'язані із синтезом і оптимізацією керуючих пристроїв. По даній темі були захищені як магістерські, так і кандидатські дисертації, деякі з них будуть розглянуті далі.

• У Цололо Сергія Олексійовича темою магістерської роботи було «Дослідження методів синтезу пристроїв керування на програмувальних користувачем вентильних матрицях», тобто на FPGA.
• Магістр Шишко Сергій Миколайович займався розробкою і дослідженням композиційних мікропрограмних пристроїв керування з кеш-пам'яттю.
• Магістр Бережок Олексій Юрійович виконував дослідження структур керуючих автоматів з елементарізаціей лінійних послідовностей станів. В результаті чого, отримав програмне забезпечення, побудоване на платформі Eclipse з відкритим кодом і реалізує генерацію коду на мові HDL з опису автомата у форматі XML.
• У Данилова Максима Васильовича виконана робота в ході якої він розробив САПР композиційних мікропрограмних пристроїв керування.
• Магістр Мирошкін Олександр Миколайович займався синтезом і дослідженням композиційних мікропрограмних пристроїв керування з базовою структурою.
• Магістр Лаврик Олександр Сергійович досліджував синтез композиційних мікропрограмних пристроїв керування з модифікованою системою мікрокоманд на ПЛІС.
• Магістр Казачанский Андрій Володимирович виконував синтез і дослідження композиційних мікропрограмних пристроїв керування з використанням методу кодування полів сумісних мікрооперацій.
• Магістр Первак Сергій Володимирович займався розробкою і дослідженням дворівневих структур мікропрограмних пристроїв керування на базі мікросхем сімейства CoolRunner-II.
• Толкачов Дмитро Олегович розробляв і досліджував керуючий автомат Милі з формувачів адреси в базисі CPLD.

Національний огляд. Синтезом і оптимізацією керуючих автоматів займаються і в інших ВУЗах України.

1.Харківський національний університет радіоелектроніки (ХНУРЕ). -> Кафедра автоматизації проектування обчислювальної техніки;
2.Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» -> Факультет інформатики та обчислювальної техніки;
3.Національний авіаційний університет -> Інститут електроніки та систем управління;
4.Запорізька державна інженерна академія -> Кафедра автоматизованого управління технологічними процесами;
5.Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля -> Кафедра комп'ютеризованих систем та Кафедра автоматики і систем управління.

Світовий огляд. Напрямок керуючих автоматів актуально не тільки на території України, а й за її межами. Розглянемо деякі організації, які досліджують даний напрямок.

1.Зельоногурський університет (Зелена Гора, Польща) -> Інститут інформатики і електроніки;
2.Група університету Аугзбурга (Німеччина);
3.Дрезденський технічний університет (Німеччина) -> Факультет комп'ютерних наук;
4.Центр дослідження комплексних автоматизованих систем (Болонський університет, Італія);
5.Массачусетський технологічний інститут (США).

Основний зміст роботи

     У даній роботі обгрунтована актуальність теми, визначено мету і завдання дослідження і розробки, наукова новизна магістерської роботи та її практична значущість. У магістерській роботі наведено: аналіз основних моделей дворівневих мікропрограмних пристроїв керування, тобто приведені огляди методів синтезу і оптимізації керуючих автоматів; аналіз сучасного елементного базису; методи оптимізації логічних схем керуючих автоматів в базисі програмованих логічних пристроїв. Існує два основні методи реалізації керуючих пристроїв:

1. Автомат з "жорсткою" логікою, що складається з комбінаційної схеми КС і регістра пам'яті RG.

2. Автомат з "програмованої" логікою, що складається зі схеми адресації мікрокоманд (СФА), регістра адреси мікрокоманд (рамки), що управляє пам'яті (УП) і схеми формування мікрооперацій (СФМО) синтезу автомата з "програмованої" логікою (АПЧ) вихідна ДСА повинна бути представлена у вигляді прошивки (МП), що складається з мікрокоманд (МК) заданого формату. Мікрокоманд містить операційну частину (ОЧ) і адресну частину (АЧ). АПЛ функціонує наступним чином. Чергова МК зчитується з УП за адресою, що знаходиться в рамці. Операційна частина МК надходить на СФМО і перетворюється в мікрооперацій Y, керуючі операційним автоматом. Адресна частина МК використовується схемою СФА поряд з логічними умовами X для формування в рамках адреси наступної мікрокоманд. Функціонування завершується після формування ознаки закінчення мікропрограми. Всім АПЛ притаманний один суттєвий недолік - якщо перехід є L-спрямованим, тобто залежить від L логічних умов, то він виконується за L тактів. Це призводить до збільшення числа мікрокоманд вбудованого ПЗ, за рахунок введення L-1 додаткових МК безумовного переходу і, як наслідок, до збільшення часу виконання мікропрограми і необхідної ємності УП. Якщо багатонаправленого переходи виконуються менше ніж за L тактів, то це різко ускладнює процес синтезу схеми АПЛ. Другий недолік АПЛ - необхідність завдання у форматі МК як мінімум однієї адреси переходу. Це збільшує розрядність мікрокоманд і, отже, ємність керуючої пам'яті. Автомати з "жорсткою" логікою реалізують будь-які переходи за один такт, але відрізняються нерегулярністю структури, що ускладнює їх реалізацію на БІС. У роботі поєднаються в одному УУ позитивні якості автоматів з "жорсткою" і "програмованої" логікою, що призводить до композиційних мікропрограмних пристроїв керування.

    Пристрій управління може бути реалізовано у вигляді композиції автоматів з "жорсткою" логікою, що реалізують схему адресації мікрокоманд, і "програмованої" логікою. Такі УУ називаються композиційних мікропрограмних пристроїв керування (КМУУ) і відрізняються наступними якостями:

1. Формат мікрокоманд містить тільки операційну частину, що в рамках прийнятої стратегії кодування наборів мікрооперацій мінімізує розрядність керуючої пам'яті.

2. Для реалізації функції переходів використовується природна адресація МК, однак, в УП відсутні керуючі мікрокоманд, що мінімізує ємність УП.

3. Переходи, залежні від будь-якого числа логічних умов, проводяться за один такт, що мінімізує час виконання мікропрограми.

Рис.1. Структурна схема композиційного мікропрограмного пристрою керування.
(Анімація. 7 кадрів. 10 циклів).

     У композиційних мікропрограмних пристроях керування комбінаційна частина звичайно реалізується на ПЛМ, а керуюча пам'ять - на ПЗУ. Ці мікросхеми є найбільш дорогими вузлами схеми. За цим метою магістерської роботи є дослідження можливостей зменшення апаратних витрат при реалізації комбінаційної схеми та керуючої пам'яті; і розробка на цій основі нових структур композиційних мікропрограмних пристроїв керування.

Висновки по роботі:

    У магістерській роботі буде дано актуальне рішення наукової задачі, важливої для виробництва обчислювальної техніки, яке полягає в розробці і дослідженні нових структур логічних схем мікропрограмних пристроїв керування, а також модифікації вже існуючих з урахуванням У процесі досліджень планується вирішити наступні завдання:

Аналіз методів синтезу композиційних мікропрограмних пристроїв керування на програмованих логічних пристроях;

дослідження та розробка структур композиційних мікропрограмних пристроїв керування з метою оптимізації апаратних витрат при реалізації логічної схеми;

аналіз елементного базису - SPLD, CPLS, FPGA;

оцінка складності реалізації розроблених структур, і визначення області їх ефективного застосування. 

Список літератури

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/html.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/html.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.

 Важливе зауваження

При написанні автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2010 Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.