автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование методов и разработка устройств обработки информации в системах на кристалле

На правах рукописи

ЗИНКЕВИЧ Алексей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ НА КРИСТАЛЛЕ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 г ПАЙ 2014

Санкт-Петербург - 2014 00554873В

005548738

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Тихоокеанский государственный университет» на кафедре вычислительной

техники.

Научный руководитель:

доктор технических наук, Березин Виктор Владимирович, доцент, ведущий научный сотрудник ФГУП «Государственный НИИ прикладных проблем»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Мурсаев Александр Хафизович, профессор кафедры «Вычислительная техника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина)»

кандидат технических наук, Можейко Владимир Иванович, доцент, начальник сектора ОАО «Корпорация «Комета» - «НПЦ ОЭКН»

кандидат технических наук, Можейко Владимир Иванович, доцент, начальник сектора ОАО «Корпорация «Комета» - «НПЦ ОЭКН»

Ведущая организация:

Государственный научный центр Российской Федерации Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики"

Защита состоится 25 июня 2014 года в 15-00 на заседании диссертационного совета Д212.238.02 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 1973 76, г. Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5, ауд. 1154. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ.

Автореферат разослан 24 апреля 2014 года.

Учёный секретарь диссертационного совета Д212.238.02

к. т. н., доцент

Сафьянников Н. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие современных электронных систем управления, сбора и обработки данных, их постоянно растущие сложность и ресурсоемкость, а также необходимость сокращения сроков разработки требуют создания новых классов функционально сложных изделий микроэлектроники и внедрения совершенно новых технологических принципов разработки микроэлектронных устройств. При этом сокращение временных затрат на изготовление, верификацию и вывод изделия на рынок не должно влиять на качество разрабатываемых интегральных схем и их надежность.

Принципиально новой стала методология проектирования СБИС класса «система на кристалле» (СнК), допускающая многократное использование готовых, предварительно протестированных сложнофункциональных блоков (СФ). В отличии от интегральных схем (ИС), СнК это комплекс, в состав которого входят как аппаратная часть - чип, так и программная часть -встраиваемое программное обеспечение. Наличие аппаратных и программных (на базе софт-процессоров) реализаций, которые могут взаимодействовать между собой, позволяет создавать достаточно гибкие системы. В качестве технологической платформы для реализации цифровых СнК могут использоваться программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), позволяющие оперативно модифицировать систему. В 2011 г. одна из крупнейших компаний производителей ПЛИС фирма ALTERA в сотрудничестве с известными ARM и Intel назвала переход от специализированных заказных ИС к СнК на базе ПЛИС новым этапом развития микроэлектронной техники. При этом одним из ключевых вопросов стала задача повышения эффективности использования ресурсов и обеспечения требуемого быстродействия.

Научно-исследовательские работы в области БИС/СБИС, программируемой логики и СнК принадлежат как отечественным (Немудров В.Г., Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Бухтеев A.B., Угрюмов Е.П., Адамов Ю.Ф., Палташев Т.Т., Шалыто A.A., Шейнин Ю.Е. и др.), так и зарубежным (S.S. Bhattacharyya, S. Saha, Е. Lee, W. Wolf, S. J. Wei и др.) ученым.

На одном из этапов системного проектирования СнК должна решаться главнейшая проблема - декомпозиция на аппаратную и программную части существующих алгоритмов цифровой обработки. Отсутствие к настоящему времени единых подходов для решения этой проблемы, делает задачу разделения весьма актуальной.

Представленная диссертационная работа является самостоятельно выполненной, законченной научно-исследовательской работой, посвященной устройствам обработки информации в СнК. Предложенные в работе методики и алгоритмы способствуют созданию быстродействующих систем, отличающихся минимальными габаритами.

Объектом исследования диссертационной работы являются программные и аппаратные блоки двумерного вейвлет-преобразования, реализованные в виде СБИС класса «система на кристалле».

Предметом исследования являются методы, алгоритмы и методики сопряженного проектирования аппаратных и программных средств как задачи линейного программирования в гетерогенных телевизионно-компьютерных системах на кристалле.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертации является повышение качества при проектировании СБИС класса «система на кристалле», в том числе разработка методов, алгоритмов и СФ блоков с учетом решения задачи декомпозиции для условий массогабаритных и коммутационных ограничений.

Достижение поставленной цели обеспечивается постановкой и решением в диссертационной работе следующих задач:

1. Исследование и разработка методики сопряженного синтеза аппаратного и программного обеспечения сложно-функциональных блоков вейвлет-кодирования изображений для устройств класса «система на кристалле».

2. Исследование и разработка эффективных методов использования и расширения функциональных возможностей подсистемы памяти при реализации устройств вейвлет-кодирования изображений.

3. Совершенствование механизмов и алгоритмов многоуровневой обработки прерываний в системах на кристалле.

4. Разработка методики распределения программного кода в многоуровневой подсистеме памяти.

5. Экспериментальная проверка разработанных методов, алгоритмов и методик в практике проектирования устройств обработки изображений для устройств класса «система на кристалле».

Методы исследования

На пути решения поставленных задач имеются определенные трудности, которые разделяются на три группы в соответствии с методами их преодоления:

1. Теоретические методы, в первую очередь аппарат теории графов, теория вычислительных устройств, задача линейного программирования и NP-полная задача, а также генерация специальных способов обработки информации, основанных на выборе процедур, параметров сигналов и структуры системы.

2. Методы разработки, основанные на широком применении языков (Verilog HDL, VHDL, С) и систем автоматизированного проектирования (САПР), призванные сократить время создания системы на кристалле.

3. Экспериментальные методы, призванные подтвердить полезность и реализуемость решений, полученных методами, относящимися к первым двум группам.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель распределения аппаратно-программных частей системы на кристалле, основанная на выделении вариантов реализации на следующих ступенях представления: алгоритм, преобразование, ресурсы.

2. Разработанная методика решения задачи декомпозиции системы на аппаратную и программную составляющие, базирующаяся на применении модифицированной задачи о ранце с мультивыбором (Multiple-choice Knapsack Problem).

3. Разработанная методика использования последовательной флеш памяти в качестве памяти программ для встроенного микропроцессора.

4. Модифицированный алгоритм программного поиска возникшего прерывания, позволяющий уменьшить время реакции на прерывание для встроенного микропроцессора.

5. Рациональное распределение программного кода между различными типами памяти в составе системы на кристалле.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. Применение разработанной методики сопряженного синтеза аппаратного и программного обеспечения для двумерного вейвлет кодера изображения позволило получить новый научный результат — зависимость необходимых ресурсов СнК от времени преобразования для различных сочетаний программной и аппаратной составляющих.

2. Показано, что сложность при декомпозиции системы на аппаратную и программную составляющие определяется количеством возможных вариантов реализаций отдельных задач.

3. Предложен и разработан сложно-функциональный блок управления последовательной памятью, позволяющий расширить ее функции в системе на кристалле.

4. Предложен модифицированный алгоритм, позволяющий на основе программного поиска источника прерывания сократить время реакции системы на кристалле на обслуживание запросов прерывания.

Практическая значимость диссертации состоит в том, что:

1. Методика совместного аппаратно-программного разделения при проектировании в системах на кристалле позволяет оптимизировать используемые ресурсы и распределить их в соответствии с требуемыми ограничениями.

2. Использование последовательной флеш памяти в качестве памяти программ позволяет сократить коммуникационные и энергетические издержки за счет отсутствия дополнительной внешней памяти.

3. В условиях ограниченности ресурсов СнК выбор контроллера обработки прерываний, а также процедур повышения его быстродействия позволяет определить доступные ресурсы.

4. Рациональное распределение программного кода в подсистеме памяти ПЛИС позволяет минимизировать массогабаритные показатели

системы обработки изображения на базе специализированного кодера изображения.

Реализация и внедрение результатов исследования

Полученные результаты используются в деятельности ООО "Дальневосточный специализированный центр безопасности информации "МАСКОМ" (г. Хабаровск) при разработке и проектировании аудиовизуальных систем обеспечения безопасности.

Результаты работы используются в ХИИК ФГОБУ ВПО СибГУТИ (г. Хабаровск) при изучении дисциплин «Цифровые устройства и спецпроцессоры» и «Цифровая обработка сигналов», в курсовом и дипломном проектировании студентов факультета «Инфокоммуникации и системы связи».

Результаты работы использовались в ОКР «Оптрон-1», выполненной в 2011-2013 гг. ОАО «Научно-исследовательский институт телевидения» по заказу Минпромторга России.

Апробация работы

Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на:

Межрегиональной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании и научной деятельности» (Хабаровск, 2008 г.);

- Конференции-конкурсе научных работ молодых ученых ТОГУ (Хабаровск, 2009 г.);

- Одиннадцатом краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (Хабаровск, 2009 г.);

- Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации» (Ульяновск, 2009 г.);

- 8-й Международной конференции "Телевидение: передача и обработка изображений" (Санкт-Петербург, 2011 г.);

а также на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» ТОГУ.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах, в том числе 3 работы - в изданиях, рекомендованных ВАК к опубликованию основных научных результатов диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кандидата наук, 5 работ в трудах конференций иных научных изданиях. Получены 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертации

Диссертация общим объемом 150 с. состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 137 с. основного текста, перечень используемой литературы из 77 наименований на 9 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ проблем совместного (сопряженного) проектирования аппаратного и программного обеспечения в системах на кристалле и пути их решения. Приведены подходы к аппаратно-программному разделению задач, формализация модели потока совместного проектирования аппаратного и программного обеспечения. Указанная на рисунке 1 концептуальная кривая линия показывает обмен между различными крайностями, такими как, например, стоимость (площадь кристалла) и время выполнения, что диктует выбор сочетаний между аппаратным и/или программным решением. Такой выбор должен быть не

эвристическим решением разработчика, как часто бывает на практике, а основан на точной оценке аппаратно-программного разделения. Указанные ограничительные линии в этом случае определяют пространство доступных ресурсов (площади

кристалла и времени выполнения) для

проектирования.

Акцент на совместном синтезе распределенной архитектуры и аппаратно-программном разделении существует уже около десятка лет. Однако, из-за большого количества возможных вариантов решения, единого алгоритма не существует до сих пор. При этом, для решения подобных задач распределения сформировались два различных подхода (Рисунок 2): оптимальный и эвристический.

Аппаратная рлалюдцин Про|рдмми.1Я реализаций

^ Ораничгний

Время выполнения

Рисунок 1 - Кривая возможных вариантов аппаратно-программного разделения

Подходы к возможному аппаратно-программному разделению задач

Рисунок 2 - Подходы к аппаратно-программному разделению задач

Во второй главе рассмотрена разработка методики декомпозиции системы на аппаратные и программные составляющие на примере дискретного вейвлет-преобразования (ДВП). Исходя из целей диссертационной работы, использование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) со встроенным процессором (или сетью процессоров) представляется наиболее гибким решением для проекта вейвлет-кодирования изображения, поскольку такое решение в наименьшей степени подвержено устареванию, содержит максимальное количество СФ блоков и требует минимум внешних компонентов. Тем не менее, сам факт использования встроенных процессоров в ПЛИС не снимает важный вопрос - разделения функций системы по принципу реализации на аппаратные и программные, т.е. проведение сопряженной аппаратно-программной оптимизации.

Одним из важных аспектов проектирования на системном уровне является разнообразие вариантов реализации, доступных для каждого узла. Каждый узел может содержать аппаратные и/или программные варианты реализаций. Проблема разделения состоит в том, чтобы выбрать соответствующую комбинацию этих вариантов для каждого узла. Узлы состоят из множества отдельных задач, которые могут быть решены только аппаратно, занимая при этом площадь на кристалле или программно, в виде кода для микропроцессора. Количество таких решений зависит от различных вариантов реализации задачи на следующих ступенях представления: на уровне алгоритма, на уровне преобразования и на уровне используемых ресурсов. Каждый «процессорный элемент», т.е. возможное решение задачи, соответствующее аппаратной или программной реализации на различных ступенях представления, количественно определяется величиной потребляемого ресурса. Например, на уровне алгоритма, ДВП может быть вычислено традиционно, используя свертку или с применением схемы лифтинга. На уровне преобразования могут использоваться умножители, либо логические сдвигатели. На уровне ресурсов - последовательное или параллельное выполнение. Таким образом, каждый узел в описании уровня задачи может быть осуществлен несколькими способами и будет порождать множественные реализации. Однако независимая оптимизация каждой отдельной задачи не всегда будет давать оптимальное решение в рамках узла (или всей системы).

Разработанная методика распределения проектирования на аппаратную и программную составляющие концептуально базируется на применении известной задачи линейного программирования - задача о ранце с мультивыбором (Multiple-choice Knapsack Problem). Техническим языком эту задачу применительно к рассматриваемому случаю декомпозиции аппаратного и программного обеспечения можно сформулировать следующим образом. Имеется множество устройств, соответствующих определенным подмножествам (группам) по классам обработки. Классы обработки рассматриваются в первом приближение как программные или аппаратные. Устройства в свою очередь соответствуют узловым точкам

(вершинам) графа решения задачи. Имеется общее ресурсное ограничение, в качестве которого в первом приближении может выступать площадь кристалла. Требуется выбрать такой набор устройств, чтобы в нем присутствовал представитель каждой группы, выдвинутые требования по производительности обработки удовлетворялись бы наилучшим возможным образом, а их сумма не превышала бы доступной площади кристалла. Такая задача представляет собой вариант блочной задачи о рюкзаке:

т Я1 т 4i

max ^ ^ Су Xij, так что ^ ^ ai; Ху < Р ¡=1j=1 ¡=ij=i

it

Zaij S l,i = 1 ,-,m х^ 6 {0,1}, i = 1 ,...,m,i = 1,...,qt

i=i

Методика предложенного подхода совместного аппаратно-программного синтеза основана на библиотеке процессорных элементов (РЕ - processing elements) с имеющимися данными о параметрах выполняемой на нем задачи (т.е. занимаемыми ресурсами), в частности это время выполнения и занимаемая площадь на кристалле. В свою очередь, производительность РЕ и занимаемая им область будет зависеть от параметров СнК, таких как количество логических элементов, объем внутрикристальной памяти, количество выводов и т.д. Тогда данные о времени выполнения задачи t-, на PEj можно представить массивом {an, a^,.., aij}, где ay указывает время выполнения задачи, а данные о занимаемой площади на кристалле массивом {sn, s^,.., Sjj}, где sy указывает занимаемую площадь отдельной задачи.

Для примера реализации, в качестве аппаратно-программной платформы, выбрана ПЛИС/FPGA фирмы Altera - Cyclonelll EP3C16F484C6N. Оценка занимаемой памяти, производительности и необходимых величин проводится при помощи САПР Quartus И. После определения времени выполнения и занимаемой площади каждой задачи необходимо выполнить поиск возможных распределений задач на PEi с дальнейшим выбором тех вариантов, которые будут удовлетворять требуемым ограничениям. Количество возможных вариантов распределений зависит от количества задач и количества возможных вариантов их реализации, т.е. от количества различных РЕ. Стоимость результирующей функции в пределах всех N задач, выполняемых на одном РЕ можно определить как:

N ;=1

где ай- значение рассматриваемого параметра задачи на текущем РЕ, xo,i - наличие или отсутствие выполняемой задачи на текущем РЕ.

Стоимость результирующей функции в пределах всех N задач, выполняемых на всех У различных РЕ можно определить как:

J N

С РЕ = ' *0,1 ■

J=1 i=l

Для случая, когда имеется 2 различных РЕ выполняющих одинаковое количество задач, равное 6, процесс сводится к нахождению всех возможных вариантов распределения, например:

1) AI выполняем на РЕ1, А2, Bl, В2, Cl, С2 выполняем на РЕ2;

2) А2 выполняем на РЕ1, AI, Bl, В2, Cl, С2 выполняем на РЕ2;

3) AI, А2 выполняем на РЕ1, В1, В2, Cl, С2 выполняем на РЕ2;

и т.д.

Представив задачи, выполняемые на одном РЕ в виде двоичного числа и принимая, что «1» соответствует выполнение задачи на текущем РЕ, а «0» соответствует выполнение на другом РЕ, можно определить количество возможных комбинаций в пределах одного РЕ как 2", где п - количество задач, выполняемых на одном РЕ.

Определим единицы измерения сложности реализации в базисе ПЛИС для схем различных архитектур. ПЛИС/FPGA изготовлены по КМОП-технологии статических оперативных запоминающих устройств. Она может быть многократно перепрограммирована путем динамической перезагрузки информации о конфигурации. Также она является однородной вычислительной структурой, элементы которой - конфигурируемые логические блоки (КЛБ) - реализуют булевы функции. Занимаемая площадь на кристалле каждого КЛБ определена по числу элементарных логических элементов (LE), реализующих произвольную булеву функцию. ПЛИС включает в себя три главных программируемых элемента, конфигурация которых определяется разработчиком при проектировании устройств: блоки ввода/вывода, КЛБ и межсоединения. КЛБ предназначены для выполнения логических функций от нескольких переменных, при этом они определяется как логические ресурсы ПЛИС, которые служат единицами для измерения емкостной сложности реализации проектируемых устройств.

После определения времени выполнения (xl) и занимаемой площади (х2) каждой задачи необходимо выполнить поиск возможных распределений задач на РЕ с дальнейшим выбором тех вариантов, которые будут удовлетворять требуемым ограничениям. Такой поиск производится перебором всех возможных комбинаций для времени выполнения и занимаемой площади. На рисунке 3 приведена графическая зависимость занимаемой площади от времени выполнения комбинации из 6 задач для двух РЕ, где полностью аппаратной реализации соответствует крайняя левая точка, а полностью программной - крайняя правая. Т.е. крайняя левая точка на рисунке 3 соответствует выполнению всех 6 задач в виде полностью аппаратной реализации (выполняется только на аппаратном РЕ) и выполняется за минимальное время, а крайняя правая точка графика -полностью программной (выполняется только на программном РЕ) и занимает минимальную площадь на кристалле.

По значению номера полученной комбинации можно определить соответствующее аппаратно-программное разделение как (значение номера комбинации - 1) по основанию «2», с учетом того, что разряды соответствуют задачам С2С1В2В1А2А1 соответственно.

Время выполнения, С

Рисунок 3 - Результаты распределения задач на PEI и РЕ2

Область допустимых значений (Рисунок 3), которая ограничена двумя линиями, приведена для примера требований, в которых одновременно выполняются условия:

1) времени выполнения - 0,1с.<х1<0,3с.;

2) занимаемой площади - 3400<х2<7400 LE.

В данном случае, таким ограничениям соответствуют одна точка на рисунке 3 и возможные 9 комбинаций (номера комбинаций 4, 7, 11, 18, 21, 25, 34, 37, 41), которым соответствует распределение на PEI и РЕ2. Например, комбинации номер 4 соответствует представление Al, А2 на PEI и Bl, В2, Cl, С2 на РЕ2, что соответствует занимаемой площади в 6776 LE и времени выполнения 0,244с.

Полученный в результате проведения экспериментов с различными аппаратно-программными реализациями алгоритма ДВП график флуктуирует, потому, что изменение значения занимаемой площади производится блоками КЛБ, а изменение программной части производится фрагментами, и в том, и в другом случае они имеют изначально разные количества логических элементов LE и операций.

При увеличении количества задач, а также различных вариантах их аппаратной и программной реализации будет увеличиваться и количество возможных распределений. Таким образом, задача нахождения всех возможных распределений относится к классу NP-полных задач, которые могут быть решены с помощью недетерминированного алгоритма за

полиномиальное время и является сложной в вычислительном отношении. Как правило, из-за большого объема вычислений, такие задачи решаются эвристическими методами.

В случае наличия множества точек в области допустимых решений, для поиска компромисса при распределении аппаратных и программных ресурсов, учета взаимообмена времени выполнения алгоритма и требуемого количества логических элементов, используется функционал:

Р = сохо + c\X\-^min, где со и с 1 есть весовые коэффициенты времени выполнения и количества логических элементов соответственно.

Таким образом, для определения значения компромисса из множества допустимых решений, необходимо задать вектор весовых коэффициентов {с,}, который и обеспечит выбор оптимального варианта решения из области допустимых.

В третьей главе рассматривается использование памяти при проектировании систем на кристалле. Внутрикристальная сверхоперативная память (on-chip memory) является ограниченным, разделяемым ресурсом для реализации аппаратной и программной частей на одном кристалле, поэтому ее использование должно быть тщательно спланировано на начальных этапах сопряженного проектирования. В диссертации рассматриваются системы на кристалле, работа которых основана на шинной архитектуре Altera Avalon. Она является синхронной шинной архитектурой связи, предназначенной для разработки систем на ПЛИС фирмы Altera.

ПЛИС может быть многократно перепрограммирована путем динамической перезагрузки информации о конфигурации из внешней энергонезависимой флеш памяти. При этом стремление разработчиков минимизировать габариты и энергопотребление проектируемых устройств все чаще приводит к тому, что приходится ограничиваться минимальным количество выводов, необходимых для ее подключения. При таком рассмотрении использование флеш памяти последовательного типа является предпочтительнее, чем параллельного. Фирмой Altera поддерживается и рекомендована загрузка с последовательного перепрограммируемого устройства (EPCS), которое содержит код для программирования внутренней структуры ПЛИС и, при необходимости, управляющий код программы для софт-процессора NIOSII. К сожалению, стандартные средства Altera не позволяют использовать свободную многоцелевую память кроме как для хранения пользовательских данных, что ограничивает ее применение.

Разработанный контроллер доступа к последовательной флеш памяти представляет собой СФ блок для применения в системах на кристалле фирмы Altera. Составляющие файлы разработанного контроллера интегрируется в среду SOPC Builder из состава САПР Quartus II как СФ блок и занимают примерно 1300 строк кода VHDL. Единственное ограничение, не позволяющее применять полученный СФ блок на большинство других проектов, заключается в невысокой скорости чтения данных (около 259,7 кбайт/с). Поэтому с практической точки зрения, использование

памяти программ на базе ЕРС8 более предпочтительно для программ, выполняющих начальную конфигурацию устройств. При этом части кода, требующие оперативного выполнения, определяются разработчиком заранее для выполнения во внутрикристальной памяти. Для сокращения временных затрат на чтение повторяющихся команд из флеш памяти предложено использовать кэш память, основанную на внутрикристальной памяти ПЛИС. С практической точки зрения, объем свободной многоцелевой памяти может быть определен исходя из используемой ПЛИС и типа памяти. Пример для ПЛИС/ТРОА Сус1опеШ ЕРЗС16 приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Объем свободной многоцелевой флеш памяти

Используемая ПЛИС Cyclonelll ЕРЗС16 Используемая флеш память

EPCS4 EPCS16 EPCS64 EPCS128

Свободная многоцелевая память, кБайт 13,432 1586 7877 16266

В таблице 2 приведены сравнительные характеристики разработанного контроллера и стандартного, предоставляемого фирмой Altera.

Таблица 2 - Сравнительные характеристики стандартного и разработанного EPCS контроллера__

Сравнительные характеристики Стандартный ЕРСБ контроллер Разработанный EPCS контроллер

1. Занимаемое место на кристалле Порядка 500 логических элементов (ЬЕ) Порядка 880 логических элементов (LE)

2. Возможность работы в качестве памяти данных Есть Есть.

3. Возможность работы в качестве памяти программ Нет Есть. Свободное место определяется по таблице 1

4. Наличие кэш памяти Нет Есть. Повышение производительности при частом обращении.

5. Поддержка различных семейств Cyclone И, III Есть Есть

Корректность разработанного аппаратно-программного обеспечения проверена тестированием на следующих платформах:

1) отладочная плата ОЕ2-70 на базе ПЛИС Сус1опе11;

2) отладочная плата СогеСошшапёег на базе ПЛИС Сус1опеШ. Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям и

реализации аппаратно-программных устройств на базе СБИС класса система на кристалле.

Проведено исследование времени реакции на прерывание системы на кристалле с софт-процессором N10811. Определены возможности софт-процессора N10811 в процессе обработки прерываний в зависимости от его

конфигурации, проведена оценка занимаемых ресурсов ПЛИС, а также разработаны алгоритмы повышения производительности.

Софт-процессор NIOSII поддерживает два возможных способа поиска возникшего прерывания, используя внутренний программный или внешний аппаратный контроллер (vectored interrupt controller - VIC). Немаловажным условием выбора является соотношение между типом (производительностью) процессора и занимаемой памятью (ресурсами ПЛИС). При этом каждый тип процессора занимает определенное число логических элементов и ячеек памяти, которые сведены в таблицу 3 (для сравнения приведены занимаемые ресурсы с VIC).

Таблица 3 - Взаимосвязь используемых ресурсов ПЛИС и быстродействия

Сравнительные параметры для ПЛИС ALTERA Тип процессора

Nios II/e Nios II/s Nios Il/f Nios Il/f + VIC

Занимаемое количество логических элементов 600-700 1200-1400 1400-1800 -2760

Среднее время реакции на прерывание, тактов 400 108 78 35

Для сокращения используемого количества логических элементов ЬЕ и увеличения быстродействия при организации количества обрабатываемых прерываний до 5 предложено использовать внутренний контроллер прерываний, с применением модифицированного алгоритма программного поиска прерывания. Реализованный алгоритм программного поиска возникшего прерывания позволяет при неизменных аппаратных ресурсах увеличить производительность в среднем на 14%.

Разработана система управления и передачи данных между софт-процессором и специализированным кодеком видеоизображения на основе рационального распределения памяти. Исходя из того, что начальная инициализация кодека сводится к записи достаточно большого количества данных в кодек, нет необходимости использовать дорогую быстродействующую внутрикристальную память, ее можно заменить более дешевой, но медленной последовательной флеш памятью ЕРСБ. Разработанный СФ блок контроллера, позволяющий использовать ЕРС8 в качестве памяти программ наилучшим образом подходит для такой цели, так как содержит необходимое количество свободной памяти. Таким образом, начальная инициализация не требует внутрикристальной памяти, что очень важно, так как ее объем является ограниченным.

Для работы с видеосигналами высокого разрешения предложено и реализовано объединение нескольких специализированных видеокодеров изображений для одновременной обработки различных компонентов сигнала и последующим их преобразованием на стороне декодирования в высокоскоростной последовательный интерфейс НП)М1.

В случае кодирования данных кодеком, задачей софт-процессора в рабочем режиме является считывание этих данных и дальнейшая передача по соответствующему интерфейсу. В итоге требуется максимально быстро считать данные из памяти кодека по сигналу готовности данных, который является прерыванием для процессора. В этом случае, результаты раздела 4.1 диссертационной работы дают возможность выбрать необходимую конфигурацию ПЛИС, обеспечивающую требуемое время реакции на прерывание. При этом для увеличения быстродействия в качестве памяти программ более предпочтительным является использование on-chip memory.

Основные результаты работы.

В рамках диссертационной работы проведены теоретические и практические исследования и получены результаты, позволяющие оптимизировать обработку информации в СнК, а именно:

1. Разработана методика разбиения задач на аппаратные и программные части для устройств класса "система на кристалле" на примере дискретного вейвлет преобразования. Показано, что основная сложность при разделении системы на аппаратную и программную части зависит от количества возможных вариантов реализаций отдельных задач.

2. Разработана методика управления и оптимального использования последовательной флеш памяти в качестве памяти программ. Разработанный контроллер позволяет сократить габариты, количество выводов и энергопотребление всей системы в целом за счет исключения дополнительной внешней памяти.

3. Предложена методика повышения быстродействия софт-процессора при обработке прерываний в СнК. Данное исследование позволяет сделать вывод о возможном быстродействии и занимаемых ресурсах СнК при использовании внутреннего и внешнего контроллера, а предложенные алгоритмы позволяют получить выигрыш в 14% на поиск возникшего прерывания.

4. Разработана система управления и передачи данных между софт-процессором и специализированным кодеком изображения на основе рационального распределения памяти. Произведено распределение программного кода между различными типами памяти, позволяющее снизить количество обращений к внешней памяти и повысить скорость обмена данными между софт-процессором и кодеком видеоизображения.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Зинкевич, A.B. Исследование времени реакции на прерывание системы на кристалле с soft-процессором NIOSII [Текст] / В.В. Березин, A.B. Зинкевич // Вестник Тихоокеанского государственного университета. - 2010. № 2 - С. 67-74.

2. Зинкевич, A.B. Метод распределения задач на аппаратные и программные ресурсы [Текст] / В.В. Березин, Ш.С. Фахми, A.B. Зинкевич // Во-

просы радиоэлектроники. Сер., Техника телевидения. - 2011. - № 2. - С. 4350.

3. Зинкевич, A.B. Эффективные способы использования последовательной памяти в системах на кристалле [Текст] / В.В. Березин, A.B. Зинкевич, Ш.С. Фахми // Вопросы радиоэлектроники. Сер., Техника телевидения. -2013.-№1.-С. 94-104.

Другие статьи и материалы конференций:

4. Зинкевич, A.B. Исследование мультимедийного интерфейса высокой четкости [Текст] / В.В. Березин, A.B. Зинкевич // Информационные и коммуникационные технологии в образовании и научной деятельности: Материалы межрегиональной научно-практической конференции (Хабаровск, 21-23 мая 2008 г.) / под научн. ред. А.И. Мазура. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. университета, 2008. - С. 256-264.

5. Зинкевич, A.B. Мультимедийный интерфейс высокой четкости [Текст] / В.В. Березин, A.B. Зинкевич // Телевидение: передача и обработка изображений. Тез. докл. Международной конференции. Санкт-Петербург, 2008.

6. Зинкевич, A.B. Проектирование системы обработки видеосигнала с использованием видеокодека ADV202 [Текст] / A.B. Зинкевич // Материалы 11 краевого конкурса - конференции молодых ученых и аспирантов. Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. университета, 2009.

7. Зинкевич, A.B. Метод распределения задач на аппаратные и программные ресурсы на примере дискретного вейвлет преобразования [Текст] / В.В. Березин, A.B. Зинкевич // Телевидение: передача и обработка изображений. Тез. докл. Международной конференции. Санкт-Петербург, 2011.

8. Зинкевич, A.B. Оптимальное распределение аппаратно-программных ресурсов при проектировании систем на кристалле [Текст] / В.В. Березин, A.B. Зинкевич // Электронное научное издание «Ученые заметки ТОГУ». - 2011. - № 2. - С. 21 - 25.

Патенты РФ и свидетельства.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009612327. Аппаратно - программное обеспечение вейвлет -кодирования ТВ - изображения // В.В. Березин, A.B. Зинкевич, Ш.С. Фахми; заявл. 18.03.2009; опубл. 07.05.2009.

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615985. Аппаратно - программное обеспечение системы на кристалле для быстродействующей передачи изображений // В.В. Березин, В.В. Бородулин, A.B. Зинкевич, Ш.С. Фахми, А.Г. Шоберг; заявл. 19.07.2010; опубл. 13.09.2010.

Подписано в печать 23.04.14. Формат 60><84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 39. Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Подписано в печать 23.04.14. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 39.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТИХООКЕАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201459156

На правах рукописи

Зинкевич Алексей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ НА КРИСТАЛЛЕ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент В.В. Березин

Хабаровск -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ПРОБЛЕМА СОВМЕСТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АППАРАТНОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В СИСТЕМАХ НА КРИСТАЛЛЕ И ПУТИ ЕЕ РЕШЕНИЯ

12

1 1 Этапы системного уровня проектирования СБИС класса "система на кристалле" 12

1 2 Системная сложность решения декомпозиции задачи на аппаратную и программную составляющие 19

1 3 Анализ подходов к совместному аппаратно-программному проектированию систем на кристалле 23

1 4 Формализация модели потока совместного проектирования аппаратного и программного обеспечения 32

Выводы 43

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ДЕКОМПОЗИЦИИ СИСТЕМЫ НА АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ НА ПРИМЕРЕ ДИСКРЕТНОГО ВЕЙВЛЕТ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 44

2 1 Дискретное вейвлет преобразование в стандарте сжатия 1РЕ02000 46

2 2 Оценка ресурсов вариантов аппаратных и программных реализаций дискретного вейвлет преобразования 52

2 3 Анализ задачи целочисленного линейного программирования как прототипа разрабатываемого метода 57

2 4 Метод аппаратно-программного разделения на основе оценки ресурсов 60

Выводы 78

3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАМЯТИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ 79

3 1 Анализ многоуровневой организации памяти в составе систем на кристалле 79

3 2 Анализ характеристик аппаратного и программного доступа к памяти 86

3 3 Исследование возможностей использование внешней энергонезависимой памяти конфигурации ПЛИС для хранения пользовательских данных 90

3 4 Разработка и исследование сложно-функционального блока доступа к внешней конфигурационной памяти 94

Выводы 101

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ СБИС КЛАССА СИСТЕМА НА КРИСТАЛЛЕ 102

4 1 Исследование и совершенствование системы прерываний процессора на базе ПЛИС 102

4 2 Проектирование системы обработки видеосигнала с использованием

специализированного кодера изображений 114

4 3 Рациональное распределение ресурсов ПЛИС при использовании высокоскоростных

интерфейсов 118

Выводы 124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНЙ И СОКРАЩЕНИЙ 126

ПУБЛИКАЦИИ 127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 129

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Описание контроллера доступа к флеш памяти ЕРС8 138

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Акты внедрения 148

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие современных электронных систем управления, сбора и обработки данных, их постоянно растущие сложность и ресурсоемкость, а также необходимость сокращения сроков разработки требуют создания новых классов функционально сложных изделий микроэлектроники и внедрения принципиально новых технологических принципов разработки микроэлектронных устройств. При этом сокращение временных затрат на изготовление, верификацию и вывод изделия на рынок не должно влиять на качество разрабатываемых интегральных схем и их надежность.

Принципиально новой стала методология проектирования СБИС класса «система на кристалле» (СнК), допускающая многократное использование готовых, предварительно протестированных сложнофункциональных блоков. Методология позволяет на одном кристалле размещать аппаратные и программные (на базе софт-процессоров) реализации, которые могут взаимодействовать между собой и в итоге позволяют создавать достаточно гибкие системы. В качестве технологической платформы для реализации цифровых СнК могут использоваться программируемые логические интегральные схемы, позволяющие оперативно модифицировать систему. В 2011 г. одна из крупнейших компаний производителей ПЛИС фирма ALTERA в сотрудничестве с известными ARM и Intel назвала переход от специализированных заказных ИС к СнК на базе ПЛИС новым этапом развития микроэлектронной техники. При этом одним из ключевых вопросов стала задача повышения эффективности использования ресурсов и обеспечения требуемого быстродействия.

Научно-исследовательские работы в области БИС/СБИС, программируемой логики и систем на кристалле принадлежат как отечественным (Немудров В.Г., Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Бухтеев A.B., Угрюмов Е.П., Адамов Ю.Ф., Палташев Т.Т., Шалыто А. А., Шейнин Ю.Е. и др.), так и зарубежным (S.S. Bhattachaiyya, S. Saha, Е. Lee, W. Wolf, S. J. Wei и др.) ученым.

Одна из главнейших проблем проектирования - задача разложения на аппаратную и программную части существующих алгоритмов цифровой обработки. Специфичность, многогранность и отсутствие единых подходов к решению проблемы декомпозиции делают эту задачу весьма актуальной.

Представленная диссертационная работа является самостоятельно выполненной, законченной научно-исследовательской работой, посвященной разработке и исследованию алгоритмов оптимизации обработки информации в системах на кристалле, позволяющих реализовывать быстродействующие системы, отличающиеся минимальными габаритами.

Объектом исследования диссертационной работы являются программные и аппаратные блоки двумерного вейвлет-преобразования, реализованные в виде СБИС класса «система на кристалле».

Предметом исследования являются методы, алгоритмы и методики сопряженного проектирования аппаратных и программных средств как задачи линейного программирования в гетерогенных телевизионно-компьютерных системах на кристалле.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертации является повышение качества проектирования средств вычислительной техники в части разработки методов, алгоритмов и сложно-функциональных блоков двумерного вейвлет преобразования с учетом их декомпозиции на аппаратную и программную составляющие в условиях массогабаритных и коммутационных ограничений.

Достижение поставленной цели обеспечивается постановкой и решением в диссертационной работе следующих задач:

1. Исследование и разработка методики сопряженного синтеза аппаратного и программного обеспечения сложно-функциональных блоков вейвлет-кодирования изображений для устройств класса «система на кристалле».

2. Исследование и разработка эффективных методов использования и расширения функциональных возможностей подсистемы памяти при реализации устройств вейвлет кодирования изображений.

3. Совершенствование механизмов и алгоритмов многоуровневой обработки прерываний в системе на кристалле.

4. Разработка методики распределения программного кода в многоуровневой подсистеме памяти.

5. Экспериментальная проверка разработанных методов, алгоритмов и методик в практике проектирования устройств обработки изображений для устройств класса «система на кристалле».

Методы исследования

На пути решения поставленных задач имеются определенные трудности, которые разделяются на три группы в соответствии с методами их преодоления:

1. Теоретические методы, в первую очередь аппарата теории графов, теории вычислительных устройств, NP-полных задач и задач линейного программирования, а также генерация специальных способов обработки информации, опирающихся на свободу проектировщика в выборе не только процедур и параметров обработки сигналов, но и в выборе структуры системы;

2. Методы разработки, основанные на широком применении программ (Verilog HDL, VHDL, С) и систем автоматизированного проектирования (С^ПР), призванные сократить время создания системы на кристалле;

3. Экспериментальные методы, призванные подтвердить полезность и реализуемость решений, полученных методами, относящимися к первым двум группам.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель распределения аппаратно-программных частей системы на кристалле, основанная на выделении вариантов реализации на следующих ступенях представления: алгоритм, преобразование, ресурсы.

2. Разработанная методика распределения проектирования на аппаратную и программную составляющие, базирующаяся на применении модифицированной задачи о ранце с мультивыбором (Multiple-choice Knapsack Problem).

3. Разработанная методика использования последовательной флеш памяти в качестве памяти программ для встроенного микропроцессора.

4. Разработанный алгоритм, позволяющий уменьшить время реакции на прерывание для встроенного микропроцессора при программном поиске возникшего прерывания.

5. Рациональное распределение программного кода между различными типами памяти в составе системы на кристалле.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. Применение разработанной методики сопряженного синтеза аппаратного и программного обеспечения для двумерного вейвлет кодера изображения позволило получить новый научный результат - зависимости занимаемых ресурсов ПЛИС для различных сочетаний программной и аппаратной обработки от времени преобразования.

2. Показано, что сложность при декомпозиции системы на аппаратную и программную составляющие определяется количеством возможных вариантов реализаций отдельных задач.

3. Предложен и разработан сложно-функциональный блок управления последовательной памятью, позволяющий расширить ее функции в системе на кристалле.

4. Предложен модифицированный алгоритм, позволяющий на основе программного поиска источника прерывания, сократить время реакции системы на кристалле на обслуживание запросов прерывания.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что:

1. Методика совместного аппаратно-программного разделения при проектировании в системах на кристалле позволяет оптимизировать используемые ресурсы и распределить их в соответствии с требуемыми ограничениями.

2. Использование последовательной флеш памяти в качестве памяти программ позволяет сократить коммуникационные и энергетические издержки, вызванные использованием дополнительной внешней памяти.

3. Выбор внутреннего или внешнего контроллера обработки прерываний, а также процедуры повышения его быстродействия позволяет в условиях ограниченности ресурсов систем на кристалле делать выбор между аппаратной и программной реализацией.

4. Отсутствие дополнительной внешней памяти позволяет минимизировать массогабаритные показатели системы обработки изображения на базе специализированного кодера изображения.

Практическая значимость диссертации:

1. Методика совместного аппаратно-программного разделения при проектировании в системах на кристалле позволяет оптимизировать используемые ресурсы и распределить их в соответствии с требуемыми ограничениями.

2. Использование последовательной флеш памяти в качестве памяти программ позволяет сократить возможные энергозатраты и габариты на дополнительную внешнюю память.

3. Выбор внутреннего или внешнего контроллера обработки прерываний, а также процедуры повышения его быстродействия позволяет в условиях ограниченности ресурсов систем на кристалле делать выбор между аппаратной и программной реализацией.

4. Отсутствие дополнительной внешней памяти позволяет минимизировать массогабаритные показатели системы обработки изображения на базе кодека ADV 202.

Реализация и внедрение результатов исследования.

Полученные результаты используются в деятельности ООО "Дальневосточный специализированный центр безопасности информации "МАСКОМ" (г. Хабаровск) при разработке и проектировании аудиовизуальных систем обеспечения безопасности.

Результаты работы используются в ХИИК ФГОБУ ВПО СибГУТИ (г. Хабаровск) при изучении дисциплин «Цифровые устройства и спецпроцессоры» и

«Цифровая обработка сигналов», в курсовом и дипломном проектировании студентов факультета «Инфокоммуникации и системы связи».

Результаты работы использовались в ОКР «Оптрон-1», выполненной в 2011-2013 гг. ОАО «Научно-исследовательский институт телевидения» по заказу Минпромторга России.

Апробация работы.

Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Межрегиональной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании и научной деятельности», Хабаровск, 2008 г.;

- Конференции-конкурсе научных работ молодых ученых ТОГУ, Хабаровск, 2009 г.;

- Одиннадцатом краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов, Хабаровск, 2009 г.;

- Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации», Ульяновск, 2009 г.;

- 8-я Международной конференции "Телевидение: передача и обработка изображений", Санкт-Петербург, 2011 г.;

а также на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» ТОГУ.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных работах, в том числе в 3 статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК. Получены 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ

Структура диссертации.

Диссертация общим объемом 150 с. состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 137 с. основного текста, перечень используемой литературы из 77 наименования на 9 с.

Содержание работы.

В первой главе проведен анализ проблемы сопряженного проектирования аппаратного и программного обеспечения в системах на кристалле. Приведены подходы к аппаратно-программному разделению задач, формализация модели потока совместного проектирования аппаратного и программного обеспечения.

Во второй главе проведена разработка методики разбиения системы на аппаратные и программные части на примере дискретного вейвлет преобразования. Показано, что одним из важных аспектов проектирования на системном уровне является разнообразие вариантов реализации, доступных для каждого узла в спецификации уровня задачи. При этом каждый узел может быть реализован несколькими способами в аппаратных и в программных отображениях.

В третьей главе проведен анализ многоуровневой организации памяти в системах на кристалле, приведены результаты сравнительного анализа различных видов памяти и доступа к ней для рационального выбора вариантов хранения данных и кода программы. Описана разработка сложно-функционального блока контроллера доступа к последовательной флеш памяти для систем на кристалле, работа которых основана на шинной архитектуре Altera Avalon. С практической точки зрения, использование разработанного контроллера предпочтительно в случаях работы кода, некритичного ко времени выполнения.

Четвертая глава посвящена практической реализации проектов на базе СБИС класса система на кристалле. Проведено исследование времени реакции на прерывание в СнК с soft-процессором NIOSII. Определены возможности soft-процессора NIOSII в процессе обработки прерываний в зависимости от его конфигурации, проведена оценка занимаемых ресурсов ПЛИС, а также

разработаны алгоритмы повышения производительности. Приведена структура системы видеообработки на базе ПЛИС фирмы Altera Cyclonelll EP3C16F484C6N и кодека фирмы Analog Devices ADV202 и использование интерфейса HDMI на базе HDMI/DVI Transmitters AD9889B фирмы Analog Devices

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы.

1 ПРОБЛЕМА СОВМЕСТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АППАРАТНОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В СИСТЕМАХ НА КРИСТАЛЛЕ И ПУТИ

ЕЕ РЕШЕНИЯ

1.1 Этапы системного уровня проектирования СБИС класса "система на кристалле".

Эволюция вычислительных структур существенно зависит от развития производственных технологий. Можно выделить следующие основные направления развития технологий: увеличение степени интеграции, увеличение размеров кристаллов и количества слоев металлизации, увеличение количества выводов микросхем, увеличение быстродействия элементов и скорости распространения сигнала в линиях связи, снижение потребляемой и рассеиваемой мощности [1]. В соответствии с этим происходит увеличение количества функциональной логики и объема памяти на кристалле. Улучшение характеристик схем по этим направлениям происходит с различной скоростью, которая определяется особенностями совершенствования процесса литографии.

Современные технологии изготовления полупроводников позволяют интегрировать более чем миллиард транзисторов на одном кристалле. При этом сложность системы резко возрастает. По более точным аналитическим прогнозам (Рисунок 1.1), при переходе на технологии 0,18 мкм и менее применение существующей методологии проектирования СБИС влечет увеличение трудоемкости проектов до 250 человеко-лет, что совершенно неприемлемо. Кроме того, растет доля затрат на разработку пр