Инструментальная платформа для разработки специализированных вычислительных систем

Актуальность

Потребность в специализированных вычислительных системах – машинах, способных выполнять высокосложные специализированные алгоритмы (обработка видео и звука в реальном времени, шифрование, контроль производственных процессов, системы искусственного интеллекта) – растёт с развитием автоматизации различных сфер жизни человека. Современные микроконтроллеры зачастую недостаточно эффективны в выполнении высокосложных алгоритмов. В этой сфере на замену микроконтроллерам приходят специализированные вычислители на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) или интегральных схем специального назначения (ИССН).

Цель

Реализация инструментального комплекса, включающего аппаратное (модули микроконтроллерной архитектуры и отладочные устройства) и программное (среда разработки, отладочные программы) обеспечение с возможностями глубинной модификации под конкретную задачу в ходе разработки специализированных вычислительных систем (СВС).

Задачи

1. Разработка модулей микроконтроллерной архитектуры с помощью языка описания аппаратуры.

2. Отладка модулей.

3. Сборка модулей в единую систему.

4. Отладка системы.

5. Создание среды разработки: ассемблера, эмулятора, отладчика.

6. Отладка системы разработки.

7. Разработка проверочного программного обеспечения.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Отладочные платы на базе ПЛИС Altera семейства Cyclone 4 – для отладки программного обеспечения

• Программатор для ПЛИС – для загрузки ПО в отладочную плату

• Компьютер со средой Quartus Prime Lite Edition – для разработки ПО

• Cверлильный станок, ёмкость для травления, лазерный принтер, термопресс, паяльная станция – для изготовления тестового прототипа

• Язык описания аппаратуры SystemVerilog – для описания архитектуры в виде иерархической системы модулей. ModelSim-Altera – для симуляции схемы. Среда разработки написана на языке С++.

Описание

В ходе работы над проектом выполнены следующие этапы:

• изучение строения различных архитектур ЭВМ, их ассемблеров и инструментальных решений с выявлением их недостатков;

• разработка модулей микроконтроллерной архитектуры с помощью языка описания аппаратуры;

• отладка модулей;

• сборка модулей в единую систему;

• отладка системы;

• создание среды разработки: ассемблера, эмулятора, отладчика;

• отладка системы разработки;

• разработка проверочного программного обеспечения.

Созданные архитектурные модули были соединены в иерархическую систему, которая составила ядро процессора, интерфейсы ввода-вывода и другие части архитектуры.

Среда разработки также создавалась по модулям, каждый из которых выполняет небольшую функциональную часть: парсинг, ассемблирование, проверку наличия системных файлов и т. д. Для взаимодействия был разработан ряд решений, реализующих единый интерфейс, с помощью которого создаются более гибкие возможности их исполнения и отладки при пользовательской разработке на базе предлагаемой инструментальной платформы.

Результаты работы/выводы

В результате были созданы: техническое описание микроконтроллерной архитектуры, библиотека аппаратных компонентов, языковые средства ассемблера и среда разработки. Работоспособность разработанной инструментальной среды и процессорных модулей проверялась созданными программными тестами. При практических испытаниях на ПЛИС EP4CE6E22C8N была достигнута частота 160 МГЦ, минимальный набор аппаратного обеспечения занимает порядка 2500 4-входовых LUT, что говорит о пригодности платформы к реализации на дешевых ПЛИС и ИССН.

Перспективы использования результатов работы

Проект охватывает множество различных аспектов разработки СВС, поэтому предложенную программно-аппаратную платформу можно применять как на всём жизненном цикле разработки вычислительной системы, так и на отдельных его этапах. Предложенное решение значительно упрощает и ускоряет разработку вычислительных систем, заточенных под конкретные сложные задачи: низкоуровневые программисты и разработчики аппаратного обеспечения получают мощный инструментарий для эффективной работы.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Компания образовательной электроники «ЛАРТ»

Награды/достижения

• Всероссийский конкурс научных работ «Юниор» – призёр.

• Открытая московская инженерная конференция «Потенциал» – призёр.

• Городской конкурс «Инженерный старт» – победитель.

Мнение автора

«Работа над проектом позволяет мне применить приобретаемые знания и умения в решении практической задачи, имеющей перспективное значение. Участие в конференциях развивает навыки делового общения, даёт возможность проявить себя, познакомиться с увлечёнными и разносторонними людьми, получить новые идеи для дальнейшего развития»