Проекты

Модульная платформа для разработки высокопроизводительных встраиваемых систем на базе программируемых логических интегральных

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Информационные технологии, программирование, прикладная математика, социальный инжиниринг» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Программирование, Микроэлектроника, Архитектура ЭВМ
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1537
Предметы: Информатика
Классы: 9 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 18−20 апреля 2019 года

Цель

Разработка аппаратного и программного обеспечения модульной платформы в форме микроконтроллерного комплекса (МК) на базе ПЛИС, предназначенной для использования в высокопроизводительных встраиваемых системах.

Описание

На рынке встраиваемых высокопроизводительных ПЛИС-систем отсутствует решение, удовлетворяющее низкому ценовому диапазону и требованиям к возможности гибкой аппаратной модификации архитектуры и комплектации. Существующие soft-ядра обладают рядом недостатков, которые призван решить представляемый проект. Для обеспечения высокой модульности код разрабатывался так, чтобы как можно больше необходимых элементов для работы модулей были описаны «внутри», без переноса их на более высокий уровень. Это позволяет проще заменять и дополнять модули. Архитектура была разработана так, чтобы в короткие сроки иметь возможность существенно изменить её функциональные блоки и свойства – от разрядности до внедрения нового набора специфических для задачи команд, что даёт возможность увеличения эффективности продукта в решении конкретной проблемы.

Поскольку сложные вычислительные задачи требуют высокой параллелизации, много внимания уделено реализации большого количества одинаковых вычислительных блоков, максимальное количество которых зависит от семейства, различным степеням конвейеризации самих блоков, снижению тактов генератора на машинный цикл и повышению рабочей частоты.

Результат

1) разработаны реализации архитектур МК семейства «I4S» (для ПЛИС с высокими требованиями к минимизации размера ядра) и семейства «I4M» (при более высоких требованиях к скорости вычислений и интеграции дополнительных сложных модулей);

2) разработан код базовых модулей, дающий широкие возможности модификации и разработки на базе готового программного обеспечения;

3) разработаны и отлажены ассемблер для перевода программы с языка ассемблера в двоичный код и эмулятор, дающий возможность выполнения ассемблер-программ на любой архитектуре процессоров;

4) проведены практические испытания на отладочных платах с чипами Altera семейства «Cyclone 4», в результате которых выявлена полная работоспособность предлагаемого МК.

Оснащение и оборудование

1) Отладочные платы на базе ПЛИС Altera семейства Cyclone 4 для отладки программного обеспечения.

2) Программатор для ПЛИС – в целях загрузки ПО в отладочную плату.

3) Компьютер со средой Quartus Prime Lite Edition – для разработки ПО.

4) Cверлильный станок, ёмкость для травления, лазерный принтер, термопресс, паяльная станция – для изготовления тестового прототипа.

5) Язык описания аппаратуры SystemVerilog – для описания архитектуры в виде иерархической системы модулей. ModelSim-Altera – для симуляции схемы.

Перспективы использования результатов работы

Разработанное в результате выполнения проекта семейство микроконтроллерных архитектур может быть применено в создании высокопроизводительных встраиваемых ПЛИС-систем. Возможность глубинной модификации под конкретную задачу позволяет реализовать техническое обеспечение для интеллектуальных систем управления разнообразного целевого назначения, таких, как: автономные системы анализа и фильтрации звуковых и иных данных, исполнения высокопараллельных задач, распределённого управления производством, автоматизированной регуляции среды жилого помещения.

Награды/достижения

Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ − призёр заключительного этапа.

Всероссийский конкурс научных работ «Юниор» − призёр. Всероссийский форум научной молодёжи «Шаг в будущее» − победитель.

Всероссийский открытый конкурс юношеских исследовательских работ им. В.И. Вернадского − призёр.

Особое мнение

«Работа над проектом позволяет мне применить приобретаемые знания и умения к решению 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»