автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка автоматизированных средств оптимизации временных характеристик цифровых схем для снижения энергопотребления

зизиизиъь чиъртьБПНэзиь ^ггапнззиъ ы ^ьэпказиъ ъиюипирпнэзли. зизиизиъь 'пьэициъ еипзири^эициь яшдишгиъл „

П ь ОД

ъиэьъзиъ иьрцьз иирэпши >)(у --

га^изьъ июьииъьрь (шиишмизьъ 1ЛиР1ЮПЬРЬ спзмшшвииъ ьмвшизиз^ио кьапзъьрь исимт-и ьъьрадтипииъ ыиаьзииъ зииир

Ь.13.02 - «ЩтпйшшшдйшО ИилЗш^шрчЬр» йшийикфщщ^шйр тЬ^й^шЦииО фтги^гиООЬр!! рЫ|0ш6ги[1 с^тш^шО шиифбшй|1 Ьицдйшй шшЬОш[ипипф]тО

иь^иизьр

ЬПМиЪ- 2000

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКА АРМЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АРМЕНИИ

НАЗИНЯН СЕРГЕЙ МАРТУНОВИЧ

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ ОПТИМИЗАЦИИ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВЫХ СХЕМ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.С®>-"Автоматизированные системы"

Е Р Е В А Н - 2000

UinbGiu|ununipjujG pbüuiü huiuinuiinilbL1

RiujuJumtuG|i ujbiniuliuiG öiupinuipiuqJiiniuljiuG huiüiuiuuipiuGniä

QfunuiliuiG ribljiuiliup in. q. р., qngbüui

<4. с. иыьезиъ

Ч1ш2шпйш1|шй QüqntiümtiinuGbp ф.-ti. q. q„ щрпфЬипр

с. ь. рлапзиъ

in. q. р., lyigbGin

и. ииг^пизиъ

Uniuguiiniup IjuuqüuiLjbpu^nLpjnLG RR QUU ЬйфпрйшифЦш^ U

unlinnüiuiniugüiuG a)pnp[bi50bpfi fiGumfiinniw

f)ui2inuiuiGrupjnLGQ IjiujuiGiuinL t «29» qbijmbdpbph 2000p. d. 14:00 032 duiuGuiq|iiniijljujG (iinphprtfi Gfiuinniü RiujuiumuiGfi щЬтш^шй 6uipiniupiuq|iiniul)iuG huitiuiLuuipuiGniü: RiuugbG' 375009, bpliiuD, SbpjuiD ф. 105,17-prj йшийшгЬйд:

UinbGiufununipjtuGD 1|шрЬ|.Ь t &uiGnpuiGuj|. R'HSR qpmqiupiuüruü:

Ubrn3iuq[ipQ итшрфиб t «¿3 » Gnjböpbpti 2000p.

032 üiuuGiuqJiuiiuliuiG [unphpqh qhmiul^iuG i EUipuinLqujp, in. q. р., qngbGin \ AXjSäiffiöVojиЛ~ 111 • U€bU3UL

Тема диссертации утверждена в Государственном инженерном университете Армении

Научный руководитель: к. т. н., доцент

МЕЛИКЯН В. Ш. Официальные оппоненты: д. т. н., профессор

БОЗОЯН Ш. Е. к. т. н., доцент

МАРКОСЯН М. В.

Ведущая организация: Институт информатики и проблем

автоматизации HAH РА

Защита состоится "29" декабря 2000 г. в 14:00 час. на заседании специализированного совета 032 Государственного инженерного университета Армении по адресу: Ереван, ул. Теряна 105, 17 корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГИУА.

Автореферат разослан "ЛЗ " ноября 2000 г.

Ученый секретарь специализированного совета032 к. т. н„ доцент А Р| А , АДЖЕМЯН Э. >

' №. 46С. - ил i - А а. -Г- CS. о

Общая характеристика работы

Актуальность работы

На современном этапе развития микроэлектроники производство интегральных :хем (ИС), обладающих одновременно высоким быстродействием и низким энергопотреблением, приобрело исключительную важность. Это связано с возрастающим спросом на портативные электронные устройства, питающиеся от эатарей и аккумуляторов.

Наряду с этим избыточное энергопотребление ограничивает количество гранзисторов, которое можно интегрировать на одном кристалле, поскольку тепло выделяющееся в процессе работы цифровой ИС, увеличивает вероятность сбоя в ее работе, снижает быстродействие, приводит к необходимости использования дорогостоящих корпусов, снижает долговечность изделия.

Именно по этой причине разработка методов, алгоритмов и САПР ориентированных на снижение энергопотребления, в настоящее время чрезвычайно актуальна и находится в центре внимания разработчиков цифровых ИС.

Поскольку цифровые ИС, управляемые тактовыми импульсами, имеют широкое распространение, до сих пор проблема оптимизации энергопотребления рассматривалась именно для этого типа цифровых ИС. Однако в последнее время растет интерес к асинхронным цифровым ИС. Это обусловлено целым рядом преимуществ асинхронных ИС по отношению к их синхронным аналогам, а именно: низкое энергопотребление;

- реализация среднего уровня быстродействия;

- легкость повторного использования готовых разработок;

- отсутствие асимметрии тактовых сигналов.

Поэтому в диссертационной работе проблема оптимизации энергопотребления сформулирована и решена для асинхронных комбинационных цифровых ИС.

Анализ многочисленных научных источников позволяет утверждать, что проблема оптимизации временных характеристик асинхронных цифровых ИС для снижения энергопотребления до сих пор не рассматривалась.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационного исследования является создание математических моделей, методов, алгоритмов и программных средств параметрической оптимизации временных параметров ЛЭ для снижения уровня энергопотребления асинхронных комбинационных цифровых ИС. Чтобы достичь поставленной цели были, решены следующие задачи:

■ анализ иерархического процесса проектирования цифровых ИС и выбор соответствующего этапа проектирования для оптимизации уровня энергопотребления проектного варианта ИС на этом этапе;

■ анализ известных методов оптимизации энергопотребления цифровых ИС и выбор метода, наиболее подходящего для снижения уровня энергопотребления проектного варианта асинхронной комбинационной ИС на выбранном этапе проектирования;

■ анализ известных моделей ЛЭ с учетом специфики проводимого исследования ориентированного на асинхронные ИС, с целью выбора наиболее адекватной из них, позволяющей максимально точно воспроизвести временные соотношения переходных процессов в реачьных ИС;

■ разработка методики сравнительного анализа эффективности предложенных алгоритмов оптимизации;

з

■ формулировка основных требований к программной системе оптимизащн временных характеристик ИС для снижения энергопотребления, учитывающю современные требования, предъявляемые к аналогичным средствам САПР;

■ разработка структуры программной системы и лингвистического обеспечения позволяющих реализовать все предъявляемые к программной системе требования.

Научная новизна работы

■ Разработана методика и эвристические алгоритмы оптимизации временны? характеристик цифровых асинхронных ИС на посттопологическом уровне проектирования, направленные на снижение их энергопотребления.

■ Выработана стратегия совместного применения разработанных алгоритме! оптимизации, позволяющая существенно сократить требуемое для оптимизацш машинное время.

Практическая ценность работы

Разработана программная система оптимизации временных параметров ЛЗ цифровых ИС, направленная на снижение энергопотребления, отвечающая все», современным требованиям, которая в отличие от существующих систел ориентирована на асинхронные комбинационные цифровые ИС. Систем; апробирована на ряде цифровых ИС (в том числе ISCAS'85). Результаты апробацш свидетельствуют об эффективности разработанной системы оптимизации.

Основные положения, выносимые на защиту:

■ метод калибровки ЛЭ как эффективный способ оптимизации временны: параметров ЛЭ для снижения энергопотребления на посттопологическом этап< проектирования;

■ модель ЛЭ, позволяющая максимально точно воспроизвести временны! соотношения переходных процессов в реальных ИС и в наибольшей степет отвечающая специфике поставленной задачи;

■ эвристические алгоритмы оптимизации временных параметров ЛЭ на ochobi метода калибровки ЛЭ для снижения уровня энергопотребления проектноп варианта асинхронной комбинационной ИС на посттопологическом этап( проектирования;

■ экспериментальные результаты оптимизации при помощи предложенны: алгоритмов;

■ стратегия совместного применения разработанных алгоритмов оптимизации которая позволяет существенно сократить машинное время, требуемое дл: оптимизации;

■ требования к программной системе оптимизации временных параметров ЛЭ;

" структура и лингвистическое обеспечение программной системы, позволяют» реализовать все предъявляемые к ней требования.

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертации обсуждались на ежегодны: научных конференциях Государственного Инженерного Университета Арменш (ГИУА) (1997, 1998 и 1999 гг.), на конференции Computer Science and Informatio Technologies 1997г. (CSIT'97), на конференции "Новые информационные технологии системы", 1998г., г. Пенза

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 4-х печатных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографи-

lecKoro списка из 68 наименований и включает 116 страниц машинописного текста, 37 шсунков и 3 таблицы.

Содержание работы

Во введении сформулирована цель диссертационной работы.

Процесс проектирования ИС является поэтапным. После этапа структурного синтеза, когда описание схемы преобразуется в соответствующую структуру ЛЭ инструментами логического синтеза, следует этап параметрического синтеза и производится проецирование первичных ЛЭ на реальные ЛЭ, содержащиеся в библиотеке компонентов схемы, соответствующей выбранной технологии. В связи с тем, что на этом этапе отсутствует информация о характеристиках межсоединений, на величины задержек ЛЭ устанавливаются жесткие ограничения для уменьшения задержки критических путей в схеме и обеспечения необходимых условий для эффективной работы инструментов трассировки. В результате часто оказывается, что окончательный вариант схемы приобретает некоторый запас быстродействия. Поэтому возникает ситуация, при которой требуемое преобразование входных сиг-налов в выходные можно было бы обеспечить с более инерционными ЛЭ в рамках той же структуры схемы и за тот же отрезок времени. Появляется возможность использования данного запаса быстродействия для снижения стоимостных характеристик ИС, таких как уровень энергопотребления или площадь кристалла

В диссертационной работе проблема оптимизации энергопотребления за счет использования имеющегося у проектного варианта ИС запаса быстродействия сформулирована и решена для асинхронных комбинационных цифровых ИС.

В первой главе:

Рассмотрены основные причины, по которым проблема снижения уровня энергопотребления ИС приобрела особую актуальность на современном этапе развития микроэлектроники.

Среди вссх источников энергопотребления ИС, изготовленных по КМОП технологии, выделен основной источник, на долю которого приходится 90% потребляемой ИС энергии. Этот источник, называемый энергией переключения представляет собой энергию, потребляемую в процессе зарядки/разрядки узловых емкостей при переключениях ЛЭ ИС. В диссертации рассматривается задача оптимизации именно энергии переключения.

Рассмотрены известные направления и методы оптимизации энергопотребления на каждом из уровней проектирования ИС (схемотехнический, логический поведенческий, алгоритмический и системный).

Проанализированы основные преимущества асинхронных ИС по отношению к их синхронным аналогам.

Рассмотрен принцип оптимизации энергопотребления ИС методом калибровки

ЛЭ.

Среди известных методов оптимизации временных параметров ЛЭ для снижения уровня энергопотребления ИС большой интерес представляет метод подбора размеров (калибровка) ЛЭ ИС из библиотеки компонентов ИС. Данный метод привлекателен тем, что он не изменяет топологию оптимизируемой ИС и в то же время позволяет получить ИС меньшего энергопотребления - и размера, чем до оптимизации. Кроме того с его помощью возможно снизить уровень бесполезных переключений ЛЭ в ИС путем тонкой балансировки задержек путей в ИС и, таким образом, еще больше уменьшить величину энергопотребления ИС. Поэтому в

диссертации именно метод калибровки ЛЭ выбран для оптимизации асинхронных схем на посттопологическом этапе проектирования. Выбор постгопологического этапа проектирования определяется возможностью получения на этом этапе точной информации о геометрических размерах и физической емкости всех компонентов ИС необходимой для точного расчета величины энергопотребления проектного варианта ИС.

Суть метода оптимизации энергопотребления методом калибровки ЛЭ приведена на рис. 1. В изготовленных по КМОП технологии ИС основная доля энергии потребляется при переключениях ЛЭ. При этом в зависимости от интенсивности переключений и величины емкости нагрузки разные ЛЭ потребляют разное количество энергии. На рис. 1 «очаги» энергопотребления обозначены темными кругами и представляют собой местоположения ЛЭ, потребляющих значительную энергию. При этом чем больше диаметр круга, тем больше энергии потребляет ЛЭ. Структура фрагмента ИС, соответствующего очагу с максимальным уровнем энергопотребления, представлена на рис. 1. Как видно из рисунка, ЛЭ А потребляет наибольшую энергию. Уменьшить уровень энергопотребления ИС можно «приглушив» данный очаг за счет уменьшения величины емкости нагрузки на выходе ЛЭ А. Этого можно добиться путем замены ЛЭ, подключенных к выходу ЛЭ А, на эквивалентные ЛЭ меньшего физического размера из библиотеки компонентов ИС Этот процесс называется калибровкой ЛЭ, и на рис. 1 он обозначен стрелкой.

7

Замфмо Л? о ИС «а эк£иеал«иткь'<й Ш

М*И»Ыгг;> из ПЗ

для уменьшения с*лм"чы натрут»! из ЛЭ А

Рис. 1. Принцип оптимизации энергопотребления методом калибровки ЛЭ

Однако полученный от калибровки выигрыш в энергопотреблении сопровождается снижением быстродействия, поскольку в результате замены ЛЭ В на его эквивалент меньшего размера увеличивается задержка ЛЭ В и, соответственно задержки всех сигнальных путей в схеме, которые проходят через ЛЭ В. Поэтому важно после калибровки ЛЭ произвести моделирование работы ИС для проверки выполнения двух критериев сохранения правильности ее функционирования. Для асинхронных ИС этими критериями являются: 1) сохранение временного баланса сигнальных путей в ИС. Это означает, что эталонная взаимная очередность переключений выходов ИС, наблюдаемая до начала процесса оптимизации, должна

;охраниться неизменной после произведения калибровки ЛЭ; 2) интервал времени, за соторый ИС успевает обработать входные сигналы, не должен увеличиться. Этот штервал равен промежутку времени от момента поступления самого первого сигнала ia входы ИС до момента самого последнего переключения сигнала на ее выходах /помянутые критерии поясняются ниже (рис. 2 и 3). На них изображены диа1раммы (ыходных сигналов для выходов А, В и С ИС до и после калибровки ЛЭ. Как видно и 1тих рисунков, первый критерий правильности функционирования ИС выполняется юскольку взаимная очередность переключения выходов А, В и С сохранилась 1еизмеииой после калибровки ЛЭ. Выполняется также и второй критерий, так как юмент Т1М последнего переключения сигнала на выходах ИС до калибровки равен юменту T'ias, последнего переключения сигнала на выходах ИС после калибровки $ыполнение обоих критериев означает, что калибровка прошла успешно Энергопотребление ИС уменьшается путем последовательного «приглушения» очагов нергопотребления в соответствии с описанными в главе 2 алгоритмами. Процесс >птимизации заканчивается, если калибровка любого ЛЭ приводит к нарушению хотя ibi одного из указанных критериев правильности функционирования асинхронной ИС

В главе 1 сформулированы требования к системе оптимизации временных арактеристик цифровых схем, приведенные ниже.

1. Высокая точность. При современных технологиях изготовления ИС 80% 5щей задержки ИС определяется межсоединениями и только 20% - ЛЭ. Этим 5ьясняется тот факт, что точность результатов можно обеспечить только в условиях эи которых может быть получена точная информация о величине задержки всех жпонентов ИС, включая межсоединения. Это условие выполняется на эсттопологическом уровне проектирования ИС. Поэтому система оптимизации земенных характеристик цифровых схем должна быть ориентирована на

Диаграммы выходных сигналов (1)

Рис. 2. Очередность переключения выходов А, В, С ИС до калибровки ЛЭ

Диаграммы выходных сигналов (2)

постгопологический уровень проектирования. Кроме того, посттопологическш уровень проектирования является заключительным в иерархии уровне! проектирования ИС, и, поскольку процесс изготовления опытного образца ИС весьм; дорогостоящий, важно суметь выявить и исключить ошибки в проектном варианте И( именно на посгтопологическом уровне. Отсюда потребность в высокой точносп разрабатываемой системы оптимизации.

Важным условием обеспечения точности системы является также правильньн выбор модели ЛЭ, способной адекватно воспроизводить переходные процессы имеющие место в реальной схеме. Например, в ИС часто встречаются сигналы длительность которых недостаточна для полного срабатывания ЛЭ, и точная модел: ЛЭ должна адекватно отражать подобные ситуации.

2. Экономичность, предполагающая, что система в работе должна обходитьс малыми ресурсами машинного времени и оперативной памяти. Указанные требовани вступают в противоречие друг с другом, поскольку высокая точность результато достигается, как правило, за счет большего количества вычислений и использовани большего объема оперативной памяти. Например, повышение адекватности модел: ЛЭ неизменно сопряжено с увеличением времени оптимизации и количеств используемых вычислительных ресурсов. Поэтому для тех ситуаций, когда и требуется высокой точности результата, необходимо иметь возможност использования упрощенных моделей ЛЭ, выбираемых из библиотеки моделей ЛЭ, дл сокращения времени получения результата. Следовательно, при создании систем! необходимо найти компромисс, удовлетворяющий одновременно как требовали! точности, так и требованию экономичности.

3. Универсальность, предполагающая возможность применения системы дл оптимизации широкого спектра ИС, изготавливающихся по различным технологиям отличающихся друг от друга такими параметрами, как, например, степень интеграцш конфигурация и т. п.

4. Способность к расширению в процессе эксплуатации. Результато] интенсивных исследований в области САПР ИС является постоянное создание новы? более совершенных, моделей ЛЭ, методов и атгоритмов синтеза и анализа ИС Поэтому важно, чтобы в системе оптимизации временных параметров ИС был предусмотрена возможность подключения модулей с описаниями новых алгоритме оптимизации. Необходимо также обеспечить возможность пополнения библиотек моделей ЛЭ описаниями новых моделей ЛЭ.

5. Возможность интерактивной работы с ней пользователя в процесс оптимизации. Пользователь системы должен иметь возможность остановить процес оптимизации, если на промежуточной стадии был достигнут результа предусмотренный техническим заданием. Если же в течение процесса оптимизации I! наблюдается существенного улучшения оптимизируемых параметров, он долже иметь возможность продолжить оптимизацию с применением альтернативнот алгоритма или метода оптимизации из библиотеки методов и алгоритмов систем! Пользователь системы в процессе оптимизации должен иметь также возможност указывать системе на необходимость произведения тех или иных изменений проектном варианте ИС, наблюдая затем эффект от этих изменений.

6. Удобный графический интерфейс пользователя с возможность: визуализации таких элементов, как, например, структура ИС, графика изменен! оптимизируемых параметров.

Во второй главе:

Приведена новая математическая постановка задачи оптимизации тергопотребления ИС, в которой, в отличие от известных, снижение тергопотребления осуществляется для асинхронных комбинационных ИС. Получена юответствующая целевая функция.

. Разработаны два эвристических алгоритма оптимизации энергопотребления 1синхронных комбинационных ИС методом калибровки ЛЭ и приведен ;равнителышй анализ эффективности этих алгоритмов.

Экспериментальными данными подтверждена правильность выдвинутой -ипотезы о том, что «очаги» энергопотребления располагаются либо на цепочках ЛЭ шбо в непосредственной близости от них.

На основании полученных экспериментальных данных выработана и )боснована стратегия совместного применения алгоритмов оптимизации тергопотребления, которая позволяет снизить затраты машинного времени без сметного ухудшения качества результата по сравнению с затратами машинного ¡ремени, имеющими место при отдельном применении алгоритмов.

Разработан алгоритм определения предельного быстродействия асинхронных сомбинационных ИС, позволяющий оценить потенциально возможную амплитуду шижения уровня энергопотребления ИС методом калибровки ЛЭ. Приведены жеперименталыше данные, подтверждающие этот факт.

Целью является минимизация величины энергопотребления проектного зарианта комбинационной асинхронной цифровой ИС при заданных эталонных шаграммах входных сигналов на том этапе проектирования, когда имеется точная шформация о величине физической емкости и геометрическом размере всех <омпонентов ИС.

Методом решения данной задачи является такой подбор размеров ЛЭ из БКИС I замена ими первоначальных ЛЭ в проектном варианте ИС, результатом которого шляется уменьшение величины емкости нагрузки на выходах ЛЭ с высокой череключательной активностью и, как следствие, уменьшение величины потребляемой угими ЛЭ энергии. Это приводит к уменьшению величины энергии, потребляемой зеей ИС, поскольку эта энергия есть сумма энергий, потребляемых всеми ЛЭ Выражение 1 задает вид целевой функции:

Р=Х(0.5СиУ(И2&5Ч,п = ,..2] (1),

да сумма берется по всем г ЛЭ ИС. В выражении 1 Сц - суммарная емкость нагрузки ла выходе ЛЭ е;; Ум - величина напряжения питания; - средняя частота тереключений выхода ЛЭ е,- за единицу времени. Целью является минимизация зеличины Р в выражении 1. При оптимизации энергопотребления правильность функционирования ИС обеспечивается соблюдением двух ограничений: а) интервал времени, за который ИС успевает обработать входные сигналы, не должен увеличиться. Это означает, что момент последнего переключения на выходах ИС должен остаться неизменным; б) эталонная очередность переключения выходов ИС цолжна остаться неизменной.

Для решения поставленной оптимизационной задачи предлагаются два эвристических алгоритма.

Алгоритм 1. Ключевой особенностью предлагаемого эвристического алгоритма является метод выбора в каждой конкретной ситуации «наилучшего» ЛЭ с точки зрения достижимого в результате его калибровки снижения уровня энергопотребления ИС. Критерием предпочтения при этом является величина ДС, на которую в результате калибровки того или иного ЛЭ уменьшается общая переключаемая емкость

9

ИС. В каждой конкретной ситуации ЛЭ с максимальной величиной ЛС является «наилучшим» потенциальным кандидатом для калибровки.

Ниже приводится описание двух основных этапов работы алгоритма и целей достигаемых на каждом из этих этапов.

Этап 1. Моделирование работы ИС при заданных входных сигналах Цель 1. Определить эталонную взаимную очередность X переключений выходое ИС. Полученная информация закладывается в основу ограничений, соблюдение которых обязательно при оптимизации ИС (рис. 4.).

Цель 2. Определить величину промежутка времени ДТ, за который ИС успевает обработать входные сигналы. Полученная информация также закладывается в основ} ограничений, соблюдение которых обязательно при оптимизации ИС (рис. 4.) .

о

г I

Рис. 4 Эталонные диаграммы выходных сигналов

Как видно из рис. 4., произошло п переключений выходов А, В и С ИС очередность которых обозначена цифрами 1,...п-1, п. ИС обработала входные сигналы за время ЛТ (предполагается, что самый первый сигнал поступил на входы ИС в момент времени, равный 0). Момент последнего, п-го, переключения на выходах ИС обозначен Тп.

Цель 3. Определить переключательную активность каждого ЛЭ ИС, а также на основе этой информации и информации о величине емкости нагрузки на выходе каждого ЛЭ - переключаемую емкость на выходе каждого ЛЭ ИС.

Цель 4. Расположить все ЛЭ ИС в порядке убывания амплитуды уменьшения суммарной величины переключаемой емкости на их входах, потенциально возможной в результате калибровки этих ЛЭ. Суммарная величина переключаемой емкости на входе ЛЭ складывается из величин переключаемой емкости на выходах всех ЛЭ непосредственно подключенных ко входам рассматриваемого ЛЭ. При этом сравниваются амплитуды, являющиеся результатом замены ЛЭ на функционально эквивалентный ему ЛЭ ближайшего меньшего размера из БКИС.

Цель 5. Построить для каждого переключения выходов ИС соответствующий ему путь прохождения входного сигнала, вызвавшего это переключение, который начинается от основного входа ИС и заканчивается тем основным выходом ИС, «а котором произошло переключение. Этот путь, называемый цепочкой ЛЭ, состоит из ЛЭ и связывающих эти ЛЭ межсоединений. Цепочки ЛЭ используются на втором этапе работы алгоритма для принятия решения о калибровке ЛЭ. Для каждой цепочки фиксируется момент поступления на ее вход соответствующего входного сигнала и момент времени, в который данный входной сигнал достигает ее выхода. Для каждого ЛЭ цепочки фиксируется информация о направлении его переключения (1 -»• 0 или 0 1) (рис. 5.). На этом первый этап работы алгоритма завершается. •

А

С

^ 4 Г

О. п-1—^

с

1 н н н ь

1 н н н ь

"-а-СГНИЬ

Рис. 5. Цепочки ЛЭ

Этап 2. Оптимизация энергопотребления ИС

Шаг 1. Из всех ЛЭ ИС первым для рассмотрения выбирается тот ЛЭ, которому эответствует максимальная амплитуда уменьшения ДСтм суммарной величины ереключаемой емкости на входах (данный ЛЭ на рис. 6. обозначен как О). ЛЭ Б ыбирается как «наилучший» кандидат для калибровки.

Шаг 2. Прежде, чем произвести калибровку, необходимо при помощи олученных на первом этапе работы алгоритма цепочек ЛЭ проверить соблюдение сновных ограничений, контролирующих правильность функционирования ИС, а менно: 1) эталонная взаимная очередность А. переключений выходов ИС должна статься неизменной (рис. 4.); 2) интервал времени ДТ, за который ИС успевает бработать входные сигналы, не должен увеличиться (рис. 4.).

Для проверки упомянутых ограничений вычисляется емкость нагрузки для всех [Э, выходы которых подключены ко входам ЛЭ О. На рис. 6. этими ЛЭ являются А и 1. Изменение размера ЛЭ Б при постоянной величине нагрузки на его выходе риводит к необходимости расчета его новых временных параметров. Уменьшение мкости нагрузки на выходах ЛЭ А и В вследствие уменьшения размера ЛЭ Э также риводит к необходимости расчета их новых временных параметров. После того, как овые значения временных параметров ЛЭ А, В и О вычислены, они одставляются во все цепочки, где присутствуют эти ЛЭ.

Рис. 6. Фрагмент ИС

При помощи операций сложения и последующего сравнения проверяется облюдение вышеупомянутых ограничений. В частности, величина задержки цепочки 1Э, соответствующей последнему переключению, не должна увеличиться, т. к. это [риведет к нарушению ограничения 2. Аналогичным образом взаимная очередность гоментов переключений сигналов на выходах ИС, вычисляемая простым уммированием новых задержек цепочек и моментов поступления на их входы

и

соответствующих входных сигналов, должна соответствовать X. В противном случ будет нарушено органичение 1.

Шаг 3. Если проверка показывает, что ограничения будут нарушен восстанавливается исходная ситуация и в качестве кандидата для калибров: выбирается следующий ЛЭ, у которого величина ЛС амплитуды уменьшен суммарной величины переключаемой емкости на входах меньше, чем у ЛЭ О, но в ■ же время больше, чем у всех остальных ЛЭ ИС.

Если же проверка при помощи цепочек ЛЭ показывает, что ограничен: соблюдены, то производится калибровка ЛЭ И и последующее моделирование работ ИС для окончательного удостоверения в правильности ее функционирования в нове условиях.

Избежать моделирования ИС нельзя, поскольку положительный результ проверки соблюдения ограничений при помощи цепочек ЛЭ является необходимы однако недостаточным условием, так как дополнительная логика, окружают цепочки ЛЭ, влияет на распространение сигнала по цепочке, и это влияние выявляет исключительно путем моделирования работы ИС.

Таким образом, только в случае, если моделирование подтверждает, что V функционирует правильно, калибровка ЛЭ Б считается успешной.

Шаг 4. В случае успешной калибровки информация о новом размере ЛЭ новых значениях временных параметров ЛЭ А, В и О, новых моментах переключен выходов ИС замещает старую информацию, и именно эта новая информац используется далее в процессе оптимизации ИС.

Шаг 5. Вычисляется новое значение амплитуды уменьшения суммарп величины переключаемой емкости на входах ЛЭ Э, потенциально возможное результате калибровки этого ЛЭ следующим ближайшим функциональ эквивалентным ему ЛЭ меньшего размера из БКИС.

Шаг 6. ЛЭ ИС заново располагаются в порядке убывания амплиту; уменьшения суммарной величины переключаемой емкости на входах.

Далее работа алгоритма продолжается с шага 1, т. с. с выбора очередного Л калибровка которого на текущем этапе процесса оптимизации может потенциаль дать максимальный выигрыш в энергопотреблении.

Алгоритм заканчивает свою работу, если калибровка любого ЛЭ ИС приводил нарушению хотя бы одного из существующих ограничений.

Алгоритм 2. Особенностью описанного выше эвристического алгоритма является выбор в каждой конкретной ситуации «наилучшего» ЛЭ с точки зрен потенциально достижимого в результате его калибровки снижения уров энергопотребления ИС. Однако данный подход сопряжен с большим количестве вычислений, связанных с идентификацией «наилучшего» ЛЭ из числа всех ЛЭ ИС соответственно с затратами значительного машинного времени.

Поэтому с целью ускорения процесса оптимизации в диссертации предлагает альтернативный эвристический алгоритм 2, основанный на гипотезе о том, ч «очаги» энергопотребления ИС располагаются либо на цепочках ЛЭ, либо непосредственной близости от них. Под непосредственной близостью понимает такое расположение ЛЭ, при котором его выход подключен ко входу ЛЭ, входящей: состав одной из цепочек, или же расположение, при котором к его входу подключ выход ЛЭ, также входящего в состав одной из цепочек.

В этой связи «наилучший» ЛЭ будет выбираться для калибровки не из чис всех ЛЭ ИС, а из значительно меньшего числа ЛЭ, входящих в состав цепоч( Сравнение результатов оптимизации энергопотребления, полученных в результа

зименения алгоритмов 1 и 2, позволит проверить правильность выдвинутой шотезы. Ниже приводится описание алгоритма 2.

Этап 1. Моделирование работы ИС при заданных входных сигналах

Данный этап и достигаемые на нем цели полностью идентичены этапу 1 ггоритма 1.

Этап 2. Оптимизация энергопотребления ИС

Введем следующее определение: временным резервом цепочки ЛЭ на 1ределенном этапе процесса оптимизации называется величина промежутка времени 1 который может увеличиться общая задержка цепочки ЛЭ на этом этапе без фушения ограничений 1 и 2 (рис. 7. и 5.).

Как следует из рис. 7., временной резерв цепочки, соответствующей )следнему переключению п выхода ИС, равен нулю, поскольку любое увеличение >щей задержки этой цепочки приведет к нарушению ограничения 2. Временные :зервы цепочек 1, 2, ..., п-1 есть соответственно III, ¡12,..., Кп1.

.Щ ь...

п-1

АТ

<

Рис. 7. Временной резерв цепочек ЛЭ

Последовательное рассмотрение цепочек ЛЭ производится в направлении шньшения их порядкового номера. Эта очередность рассмотрения является [ючевой особенностью алгоритма 2. Она позволяет увеличить временной резерв :почки с порядковым номером ¡-1 за счет калибровки ЛЭ цепочки с порядковым >мером 1 () = 2 ... п-1, где п — общее число цепочек ЛЭ). Момент переключения [гнала на выходе ИС, соответствующий цепочке ¡, сдвигается вправо в результате либровки ЛЭ цепочки ¡. Следствием увеличения временного резерва является оможность большей амплитуды калиброзки и соответственно возможность >лыпего снижения уровня энергопотребления ИС.

Исключением является цепочка с номером п. ЛЭ, входящие в ее состав, не щлежат качибровке, т. к., как было упомянуто выше, вследствие этого нарушилось I органичение 2. Поэтому сначала для рассмотрения выбирается цепочка п-1.

Шаг 1, Из числа ЛЭ, входящих в состав рассматриваемой цепочки, выбирается [аилучший» ЛЭ для калибровки так, как это производилось в алгоритме 1.

Шаг 2. Перед тем, как произвести калибровку, производится проверка 1ганичений при помощи цепочек ЛЭ так же, как это описано в алгоритме 1.

Шаг 3. В случае положительного результата проверки производится калибровка последующее моделирование работы ИС для окончательного удостоверения в 1авилыгости ее функционирования в новых условиях.

Шаг 4. Катибровка ЛЭ принимается, если моделирование на шаге 3 показало о оба ограничения соблюдаются. В противном случае восстанавливается исходная туация и в качестве кандидата для калибровки выбирается следующий «наилучший» Э из числа ЛЭ рассматриваемой цепочки.

Если калибровка любого ЛЭ рассматриваемой цепочки приводит к нарушению раничений, то для рассмотрения выбирается следующая цепочка ЛЭ с ближайшим :ньшим порядковым номером и алгоритм продолжает свою работу с шага 1.

Моделирование завершается, если достигнута цепочка ЛЭ с порядковы номером 1 и калибровка любого ЛЭ, входящего в состав этой цепочки, приводит нарушению существующих ограничений.

Алгоритм определения предельного быстродействия ИС В отличие от синхронных ИС, в которых показателем быстродействия являет« частота тактовых импульсов, показателем быстродействия асинхронных схем принят считать величину интервала времени, за который ИС успевает обработать заданну серию входных сигналов.

Как было указано во введении, проектный вариант ИС на постгопологическс этапе проектирования, как правило, имеет определенный запас быстродействия. Д] асинхронных ИС это выражается в способности обеспечить эталонную взаимну очередность переключения выходов при более интенсивных входных сигнала следствием чего является уменьшение величины интервала времени обработки эп сигналов. Входные сигналы считаются более интенсивными, если моменты I поступления на входы ИС равны соответствующим моментам поступления эталоннь входных сигналов, умноженным на коэффициент [!, О < р < 1.

Определение минимального коэффициента Р, характеризующего пределык быстродействие асинхронной ИС, представляется важной задачей, т. к. минимальнь коэффициент р является количественной характеристикой величины запа быстродействия асинхронной ИС и, соответственно, оценкой потенциалы возможной амплитуды снижения уровня энергопотребления ИС методом калибров1 ЛЭ (рис. 8. и 9.).

Рис. 8. Эталонные диаграммы входных сигналов ИС

к

о I

1]

X

m

к

о

ТзТп

Рис. 9. Диаграммы интенсивных входных сигналов ИС

Коэффициент р = T'j / Т, = ТV Т2 = Т'3 / Т3 = ... = Т'„ / Т„ (рис. 8. и 9.). Ниже приводится описание алгоритма определения предельного быстродействия асинхронной ИС, основанного на методе дихотомии.

Алгоритм определения предельного быстродействия ИС Шаг 1. На этом шаге переменным X, Y, Z и р присваиваются начальн! значения 0, 1, 0.5 и 1 соответственно. Переменной а присваивается значение (0 < а

1), которое будет использоваться для принятия решения о завершении или продолжении работы алгоритма Чем меньше величина а, тем выше точность результата работы алгоритма.

Шаг 2. Проверка выполнения условия (У-Х) ^ а. Если условие выполняется работа алгоритма завершается. При этом текущее значение переменной р является количественной оценкой величины запаса быстродействия асинхронной ИС с точностью а. Если же условие не выполняется, работа алгоритма продолжается с шага 3.

Шаг 3. Вычисление новых моментов поступления входных сигналов основанное на текущем значении переменной Z. Как было упомянуто выше, это производится путем умножения эталонных моментов поступления сигналов на входы ИС на текущее значение переменной Ъ.

Шаг 4. Моделирование работы ИС при новых входных сигналах.

Шаг 5. Проверка соблюдения ограничения 1. В случае положительного результата - присвоение переменной 3 текущего значения переменной 7. и переход на шаг 6. В случае отрицательного результата - переход на шаг 7.

Шаг 6. Присвоение переменной У текущего значения переменной Ъ Вычисление нового значения переменной Ъ\ Ъ=Ъ- [(У - X) / 2] и переход на шаг 2.

Шаг 7. Присвоение переменной X текущего значения переменной Ъ Вычисление нового значения переменной Ъ\ Ъ = Ъ + [(У - X) / 2] и переход на шаг 2.

Метод дихотомии проиллюстрирован на рис. 10. Как следует из рис. 10., в его основе лежит известный принцип последовательного деления отрезка пополам. Так, в зависимости от результата проверки ограничения 1 на шаге 5 алгоритма текущее значение коэффициента Р либо уменьшается (в случае положительного результата) либо увеличивается (в случае отрицательного результата) на величину, равную половине разницы между текущими значениями переменных У и X.

Рис. 10. Метод дихотомии

Для оценки эффективности предложенных алгоритмов оптимизации в качестве критериев использованы: а) относительное снижение уровня энергопотребления; б машинное время, затрачиваемое на получение результата оптимизации энергопотребления ИС. Предложенные алгоритмы реализованы в среде программирования MS Visual С++ 6.0 на аппаратной платформе Pentium II 350 МГц 128 МБ ОЗУ. Их эффективность проверена на тестовом наборе комбинационных схем из серии ISCAS'85. Оптимизация каждой из схем производилась при четырех различных наборах входных сигналов. Выраженная в процентах амплитуда снижения уровня энергопотребления ИС, обозначенная ДР; (i е 1...4) для каждого из наборов входных сигналов, приведена ниже в таблицах 1. и 2. для алгоритмов 1 и 2 соответственно.

Таблица 1.

Схема Число ЛЭ ДР1 (%) ДР2 (%) ДРэ (%) ДР4 (%) Сред, время счета (сек) Р! Р2 Рз Р<

с432 160 15.3 11.3 7.8 22.9 0.423 0.8 0.8 0.9 0.7

с499 202 12.0 17.1 14.6 12.5 0.470 0.9 0.7 0.8 0.9

с880 383 16.2 18.9 20.4 24.1 0.669 0.8 0.7 0.6 0.6

с1355 546 15.8 5.6 10.4 9.6 1.954 0.7 1.0 0.8 0.8

с1908 880 20.3 27.0 21.6 19.4 2.821 0.7 0.6 0.7 0.8

с2670 1193 5.3 3.1 8.0 6.0 6.127 0.9 0.9 0.8 0.8

С3540 1669 7.9 7.5 18.1 16.0 7.346 0.9 0.9 0.5 0.6

С5315 2307 24.4 28.3 28.1 25.2 5.881 0.6 0.5 0.5 0.6

с6288 2406 19.1 15.4 3.9 22.6 10.205 0.7 0.8 1.0 0.7

С7552 3512 21.5 6.3 5.1 2.2 11.351 0.7 0.9 0.9 1.0

Таблица 2.

Схема Число ЛЭ ДР, (%) ДР2 (%) ДРз (%) ДР4 (%) Сред, время счета (сек) Р1 Р2 Рз Р4

с432 160 13.1 9.7 6.1 17.4 0.170 0.8 0.8 0.9 0.7

с499 202 10.9 13.2 12.4 10.6 0.205 0.9 0.7 0.8 0.9

с880 383 13.2 14.9 16.4 18.6 0.278 0.8 0.7 0.6 0.6

с1355 546 14.0 4.9 9.0 8.3 0.751 0.7 1.0 0.8 0.8

с1908 880 18.2 22.0 16.1 15.7 1.410 0.7 0.6 0.7 0.8

с2670 1193 4.7 2.7 6.5 5.2 2.356 0.9 0.9 0.8 0.8

С3540 1669 6.2 5.9 14.7 12.5 3.866 0.9 0.9 0.5 0.6

с5315 2307 19.5 23.1 22.5 20.0 2.673 0.6 0.5 0.5 0.6

С6288 2406 15.3 12.3 3.1 19.1 3.744 0.7 0.8 1.0 0.7

с7552 3512 16.6 5.0 4.0 1.7 4.204 0.7 0.9 0.9 1.0

На основании сравнительного анализа экспериментальных данных

приведенных в таблицах, можно сделать следующие выводы:

■ При помощи алгоритма 1 уровень энергопотребления ИС уменьшается в среднем на 10-15 %.

■ При помощи алгоритма 2 уровень энергопотребления ИС уменьшается в среднем на 8-12%.

■ Результатом работы алгоритма 1 является большая по сравнению с алгоритмом 2 амплитуда снижения уровня энергопотребления (в среднем на 2-3 %).

■ Близость значений ДР; , соответствующих одним и тем же схемам в обеих таблицах, подтверждает выдвинутую гипотезу о том, что «очаги» энергопотребления в ИС располагаются либо на цепочках ЛЭ, либо в непосредственной близости от них.

■ Время, требуемое на получение результата с помощью алгоритма 1, в среднем в 2.40 раза превышает время, затрачиваемое на оптимизацию при помощи алгоритма 2.

■ Коэффициент предельного быстродействия (ГЗ; прямо пропорционален амплитуде снижения уровня энергопотребления ИС ДР,- и поэтому может служить оценкой потенциально возможной амплитуды снижения уровня энергопотребления ИС методом калибровки ЛЭ.

Исходя из вышесказанного, предложена следующая стратегия применения ачгоритмов 1 и 2 для оптимизации уровня энергопотребления проектного варианта асинхронной комбинационной ИС:

1. Применить для оптимизации алгоритм 2.

2. Полученный результат оптимизации Рориш сравнить с требуемым уровнем энергопотребления Р|а18й, указанным в техническом задании.

3. Если величина разницы между Р1ада и Рор,;т находится в пределах 1.66% (это следует из таблиц 2. и 3.), применить алгоритм 1 к уже оптимизированному проектному варианту ИС в целях доведения энергопотребления до уровня определенного техническим заданием. При этом ЛЭ, принадлежащие цепочкам исключаются из списка кандидатов для калибровки и не рассматриваются при работе алгоритма.

Для удобства дальнейшего изложения введем следующие обозначения:

Н - проектный вариант асинхронной комбинационной ИС;

Н1, Н2 - проектный вариант асинхронной комбинационной ИС Н,

оптимизированный при помощи алгоритмов 1 и 2 соответственно.

Результаты оптимизации энергопотребления Н путем применения алгоритма 1 к Н2 (табл. 2.) отражены ниже в таблице 3. При этом ДР'; 0 е 1...4) в таблице 3 обозначает выраженную в процентах амплитуду снижения уровня энергопотребления Н в результате применения алгоритма 1 к проектному варианту Н2, а ДР; (¡6 1...4) выраженную в процентах амплитуду снижения уровня энергопотребления проектного варианта Н в результате применения алгоритма 1. Как видно из таблицы, общее время оптимизации Н последовательным применением алгоритмов 2 и 1 меньше времени оптимизации Н при помощи только алгоритма 1. Это связано с тем, что при работе алгоритма 1 из рассмотрения были исключены ЛЭ, входящие в состав цепочек. При этом качество окончательного результата оптимизации снизилось незначительно.

Это свидетельствует об эффективности предложенной стратегии оптимизации.

Таблица 3.

Сред.

Схема ДР', (%) ДР'г (%) ДР'э (%) ДР'4 (%) суммар. время счета (сек) др> (%) др2 (%) ДРз (%) ДР4 (%)

с432 14.9 10.6 7.1 19.8 0.260 15.3 11.3 7.8 22.9

с499 11.7 15.2 13.8 11.5 0.328 12.0 17.1 14.6 12.5

с880 15.1 17.5 19.0 22.2 0.546 16.2 18.9 20.4 24.1

е1355 15.0 5.2 9.9 9.1 1.164 15.8 5.6 10.4 9.6

с1908 19.5 25.6 19.2 18.4 2.058 20.3 27.0 21.6 19.4

с2670 5.1 2.9 7.3 5.6 4.005 5.3 3.1 8.0 6.0

с3540 7.2 6.7 16.4 13.0 6.262 7.9 7.5 18.1 16.0

С5315 23.2 26.1 25.8 24.0 3.990 24.4 28.3 28.1 25.2

с6288 17.8 14.2 3.3 20.9 5.428 19.1 15.4 3.9 22.6

с7552 19.5 5.8 4.7 2.0 6.306 21.5 6.3 5.1 2.2

В главе 3

Приведен детальный обзор современных средств САПР, предназначенных для оценки и/или оптимизации величины энергопотребления цифровых ИС, на основе которого сделан вывод об отсутствии соответствующих средств, ориентированных на оптимизацию величины энергопотребления асинхронных ИС.

Приведено детальное описание структуры, лингвистического обеспечения и графического пользовательского интерфейса программной системы оптимизации энергопотребления комбинационных асинхронных ИС «ECOS» (Energy Consumption Optimization System - Система оптимизации энергопотребления), отвечающей требованиям точности, экономичности, универсальности, расширяемости интерактивности и удобства работы пользователя. В частности, с целью обеспечения универсальности и расширяемости системы оптимизации энергопотребления разработаны специальные языки описания ИС, входных сигналов и БКИС. Транслятор с этих языков реализован в виде подсистемы, именуемой языковым процессором системы оптимизации энергопотребления асинхронных комбинационных ИС ECOS.

Основными требованиями, которым должна удовлетворять система оптимизации временных характеристик ИС, являются: а) точность результатов расчетов, б) экономичность, в) универсальность, г) расширяемость, д интерактивность, е) удобный графический интерфейс пользователя.

Программная система «ECOS», структура которой приведена на рис. 11 спроектирована с учетом вышеперечисленных требований и предназначена для оптимизации асинхронных комбинационных ИС.

Рис. 11. Структура системы оптимизации

энергопотребления асинхронных ИС

Ниже приводится описание каждой из компонент системы ECOS.

Библиотека ИС

С целью обеспечить выполнение требований универсальности, расширяемости и удобства работы пользователя в качестве составной части системы ECOS предусмотрена библиотека ИС. Она представляет собой совокупность текстовых файлов с описаниями ИС на языке, специально разработанном для этой цели Пользователь имеет возможность из среды ECOS выбрать нужную ИС по ее имени добавить описание новой ИС в библиотеку, удалить ИС из библиотеки и т. д. Имеется также возможность автоматического экспортирования текущего содержимого библиотеки ИС на другую рабочую станцию.

Библиотека моделей ЛЭ

С целью обеспечения выполнения требований точности, экономичности и 'ниверсальности системы ECOS в качестве ее составной части предусмотрена >асширямая библиотека моделей ЛЭ. Она представляет собой совокупность щнамически подключаемых библиотек «*.dll», каждая из которых содержит :тандартизированный набор экспортируемых функций, реализующих некоторую модель ЛЭ. При динамическом создании в памяти компьютера объекта базового масса «GateModel», представляющего собой ЛЭ ИС, переменные-указатели на методы этого объекта инициализируются адресами функций из файла dll юответствующего выбранной модели ЛЭ. Благодаря такому у1шфицированному штерфейсу создается возможность моделирования ИС при различных моделях ЛЭ.

При установке системы на пользовательскую рабочую станцию программа шсталляции автоматически устанавливает соответствие между названием модели и :оответствующим ей dll-файлом. Благодаря этому пользователь получает возможность штерактивного выбора по имени требуемой модели непосредственно из среды ECOS 1ри этом предусмотрена возможность добавления в систему ECOS новых моделей 1Э, созданных после начала ее эксплуатации, путем установления соответствия между !менем новой модели и реализующим ее dll-файлом непосредственно из графической :реды ECOS.

Библиотека алгоритмов оптимизации

С целью обеспечения выполнения требований универсальности и ясширяемости системы в качестве составной части ECOS предусмотрена библиотека лгоритмов оптимизации. Она представляет собой совокупность динамически юдключаемых библиотек «*.dll», каждая из которых содержит функцию «Ехес» >еализующую отдельный алгоритм оптимизации. При установке системы на юльзовательскую рабочую станцию программа инсталляции автоматически станавливает соответствие между названием алгоритма и соответствующим этому лгоритму dll-файлом. Благодаря этому пользователь получает возможность штерактивного выбора по имени требуемого алгоритма оптимизации |епосредственно из среды ECOS. При этом предусмотрена возможность добавления в истему ECOS новых алгоритмов оптимизации, созданных после начала ее ксплуатации, путем установления соответствия между именем нового алгоритма и 1еализующим его dll-файлом непосредственно из графической среды ECOS

Библиотека компонентов ИС

В состав системы ECOS входят описания библиотек компонентов ИС (БКИС) [редставленные в виде текстовых файлов. Это обеспечивает выполнение требований 'ниверсальности и расширяемости системы ECOS. Каждая БКИС соответствует шределенной технологии изготовления ИС. Текстовый файл, соответствующий >КИС, содержит описание параметров всех ЛЭ, содержащихся в БКИС, на специально сработанном для этой цели языке. Предусмотрена возможность добавления в истему ECOS описаний новых БКИС, выпущенных после начала ее эксплуатации )писание любой ИС в библиотеке ИС содержит указание на соответствующую БКИС.

Библиотека входных сигналов

С целью обеспечения удобства работы пользователя с системой в качестве оставной части ECOS предусмотрена расширяемая библиотека входных сигналов )на представляет собой совокупность текстовых файлов с описаниями входных игналов на языке, специально разработанном для этой цели. С помощью библиотеки ходных сигналов пользователь имеет возможность из среды ECOS оперативно ыбрать требуемые для моделирования ИС входные сигналы, добавить описание

новых входных сигналов в библиотеку, удалить входные сигналы из библиотек Пользователь имеет также возможность автоматически экспортировать текущ содержимое библиотеки входных сигналов на другую рабочую станцию.

Языковой процессор

Языковой процессор представляет собой подсистему системы ECOS, в функц! которой входит чтение со специализированных языков и перевод во внутрент формат системы ECOS описаний ИС, входных сигналов и БКИС при запуа пользователем процесса оптимизации энергопотребления ИС либо процесса просто! моделирования ИС. При этом производится синтаксический анализ с выдаче сообщений в случае обнаружения ошибок в описаниях.

Подсистема моделирования

С целью обеспечения выполнения требований универсальности, точности экономичности в системе ECOS предусмотрена подсистема событийно! моделирования работы ИС, способная моделировать работу ИС при различны моделях ЛЭ. Это достигается благодаря стандартизированному интерфейсу все библиотек dll, реализующих модели ЛЭ, и базовому объектному классу «GateModel: В подсистеме предусмотрена возможность проверки в процессе моделирования И1 соблюдения ограничений 1 и 2, контролирующих правильность работы ИС. Чаш всего данная подсистема вызывается автоматически из dll-функции «Ехес» в процесс оптимизации энергопотребления. Однако в системе ECOS также предусмотрен возможность непосредственного запуска подсистемы моделирования пользователе: для получения эталонных диаграмм выходных сигналов.

Подсистема извлечения параметров

Подсистема извлечения параметров предназначена для: а) расчета величин! емкости нагрузки на выходе ЛЭ; б) расчета временных параметров ЛЭ ИС дл выбранной пользователем модели ЛЭ. Расчет производится на основании информаци об используемой БКИС, функциональном типе и размере ЛЭ, величине емкосп нагрузки на выходе ЛЭ и аналитических зависимостей, приведенных в описали] модели ЛЭ; в) расчета амплитуды уменьшения суммарной величины переключаемо] емкости на входах ЛЭ, потенциально возможной в результате калибровки ЛЭ.

Данная подсистема впервые вызывается на этапе «предварительного: моделирования работы ИС до начала нроцесса оптимизации для расчета параметро] всех ЛЭ, входящих в состав ИС. В дальнейшем подсистема вызывается регулярно i процессе оптимизации для расчета параметров ЛЭ, рассматриваемых в качеств! кандитатов для калибровки, и параметров ЛЭ, подключенных к их входам.

Графический интерфейс пользователя

С целью обеспечения удобства и интеракгивности работы пользователя i программной системе оптимизации энергопотребления асинхронных комбинационны) ИС ECOS реализован графический многодокументный интерфейс MDI приложена! операционной системы MS Windows NT 4.0. Взаимодействие пользователя с сисгемо! происходит посредством окон диалога, меню, выпадающих списков и другие элементов управления, предусмотренных для Windows-пршюжений.

Ядро системы

Ядром системы является основная функция приложения ECOS. Ef направляются для обработки все события, сгенерированные посредство» графического интерфейса пользователя. Ядро является «диспетчером», в функции которого входит координация всех действий (например, вызов подсистем) необходимых для выполнения задачи, затребованной пользователем.

С целью представления возможностей системы приводится типичный сценарий взаимодействия друг с другом перечисленных выше подсистем в процессе работы системы ECOS. При этом стрелки на рис. 11. направлены от вызывающих подсистем к вызываемым.

После того, как пользователь запускает процесс оптимизации, указав в соответствующем окне диалога ИС, входные сигналы, модель ЛЭ и алгоритм оптимизации, данная информация передается в ядро системы ECOS. В ответ на это ядро системы вызывает языковой процессор, который последовательно читает из соответствующих текстовых файлов описания ИС, входных сигналов и БКИС и формирует в оперативной памяти нужные динамические структуры данных. По завершении операции управление возвращается ядру системы, которое затем вызывает подсистему моделирования для выполнения «подготовительного» моделирования работы ИС, упомянутого в §2.4 диссертации. При этом интенсивно используется подсистема извлечения параметров. По окончании операции управление возвращается ядру системы, которое затем вызывает функцию «Ехес» из dll-файла соответствующего указанному пользователем алгоритму оптимизации. При этом в качестве параметров функции «Ехес» передаются указатели на динамические структуры данных в ОЗУ, созданные языковым процессором и подсистемой моделирования. Получив управление, функция «Ехес» реализует оптимизацию энергопотребления ИС, периодически вызывая подсистему извлечения параметров и подсистему моделирования. По окончании процесса оптимизации управление возвращается ядру системы, которое вызывает подсистему графического интерфейса пользователя для визуализации результатов оптимизации.

Программная система ECOS разработана в среде программирования MS Visual С++ 6.0 с использованием объектно-ориентированной методологии проектирования программного обеспечения на платформе MS Windows ЪГГ 4.0 Workstation.

Внешний вид программы приведен на рис 12.

13 JLSJJBL*!

0 £>» Greút Lbey Mm Ssfindow Helo . -Jfflxl

i

13

Er^gyCc^tympíionО^гша'юпЗ;1!!^ ь Ti я

; for Asynchronous Cotnbtiaiiane! iCí (víí. 1.0J ^ кар

• ОзруядМ(С120Ш.8мр^НаЙ1у» . „' |r-—¡j¡C 3

ReacV ' - . , - ;

Рис. 12. Внешний вид программы «ECOS»

В главе 4

На основе анализа ряда примеров оптимизации энергопотребления несложной комбинационной асинхронной ИС при помощи алгоритма 1 продемонстрирована его высокая эффективность. Также приведены подробные примеры определения предельного быстродействия комбинационной асинхронной ИС при помощи алгоритма определения предельного быстродействия ИС и обнаружена прямо

пропорциональная зависимость между величиной коэффициента предельногс

быстродействия р и амплитудой снижения уровня энергопотребления методоу

калибровки ЛЭ.

Основные выводы

1. Предложена методика решения актуальной проблемы снижения уровш энергопотребления асинхронных комбинационных цифровых ИС за счел использования запаса быстродействия, имеющегося, как правило, у проектногс варианта ИС на постгопологическом уровне проектирования.

2. На основе критического анализа известных из литературы подходов к решеник проблемы снижения энергопотребления цифровых ИС обоснована необходимосп выбора метода калибровки ЛЭ для решения поставленной задачи.

3. На базе данного метода разработаны два альтернативных эвристических алгоритм: оптимизации энергопотребления, которые в отличие от известных алгоритмог ориентированы на асинхронные комбинационные ИС.

4. Алгоритмы 1 и 2 апробированы на ряде тестовых комбинационных ИС ISCAS'8f при четырех различных наборах входных сигналов для каждой из ИС Экспериментальные данные свидетельствуют о высокой эффективности предложенных алгоритмов оптимизации. С их помощью удается достичь в средней 10ч-15% снижения уровня энергопотребления ИС по сравнению с уровней энергопотребления до оптимизации.

5. На основе анализа экспериментальных данных предложена стратегия применен!« алгоритмов оптимизации энергопотребления, при которой затраты машинногс времени, требуемого для оптимизации, сокращаются более, чем в два раза, бе: заметного ухудшения амплитуды снижения уровня энергопотребления ИС.

6. Разработан алгоритм определения предельного быстродействия асинхронны* комбинационных ИС и выявлена прямо пропорциональная зависимость межд) величиной коэффициента предельного быстродействия ИС Р и потенциалы« возможной амплитудой снижения уровня энергопотребления ИС методой калибровки ЛЭ.

7. На основе критического анализа известных из литературы подходов к решению проблемы снижения энергопотребления сформулированы требования ь соответствующим средствам САПР и предложены новые принципы организации системы оптимизации энергопотребления цифровых схем, которые в отличие oí известных позволяют легко расширять используемую САПР новыми алгоритмам» оптимизации энергопотребления и моделями ЛЭ. На основе предложенных принципов разработана программная система оптимизации энергопотребления комбинационных асинхронных ИС «ECOS», отвечающая требованиям точности экономичности, универсальности, расширяемости, интерактивности и удобстве работы пользователя.

Опубликованные работы

. Назинян С. М. «Снижение стоимости цифровых схем путем оптимизации задержек логических элементов» // Сборник депонированных научных работ АрмНИИНТИ №3, 1997г.-с. 17.

Î. Меликян В. Ш., Назинян С. М., «Алгоритм оптимизации задержек элементов цифровых схем» // Сборник материалов научной конференции Computer Science and Information Technologies, 1997г. (CSIT'97). - с. 322-325.

I. Назинян С. M., «Программный инструмент для определения предельного быстродействия цифровых схем» // Сборник материалов годичной научной конференции ГНУ А, 1998г. - с. 207-208.

к В. Меликян, С. Назинян, «Модель логического элемента с разбросом задержек» II Сборник материалов годичной научной конференции ГИУА, 1999г. - с. 220.

UиФПФИЧЬР llbpqbj UiupmiuGnL liuiq|iGjujû[i

«OiluijbG ufubúiuGbph duiúiuüuil)uijhü Gl)iupiuqpbph ощифйицшдйш! шфлпйштшдфиб úhsngúbph йгшЦгий tGhpqujuiqumúujG üiliuqbgúiiiú hwúuip»

Utnl)pnl;LbL|uipnQ[il)wjh quipquigtiuiû дш|ЗшйшЦшЦ[1д фщ[шй úfiiuduiúujüui puipàp uipuiqujqnp6nLpjniü L дшбр tûbpqtuuujmnniù riiGbgnq piluijfiG úfr fiûuibqnuJL ufubúiuúbpfi (JhU) iupiniuiiprupjnLÜ|] Ôbnp t pbpbj. ршдшпф IjuipLnprupjnLG, про 1]Ш1Ц1|Ш0 t úiupinljngúbpfig L ti.bl)wpujl)ujG 1|пилшЦ|1^ЬрЬ ui2tiiujinnq r)jnLpml)|in t|bljuipnQiiij[iG utupjabpfi miuhujûgiiipljti l|inprul| шСф hbir 1рш hbin hiuúuimbn. uiilbi.gni.l|uij[iü tQbpqшuщшnnlú[! ишЬйшСшфшЦпиЗ t úb pjrupbqfi фш tiGmbqpuigilnri mpuiüqtiutnnpGbpfi piuQuiljQ, piuGfi np рфиф u|ubúujj|i iu2tuaimuiûp[i [íGpuigjDniú uinuigiugnq gbpùnipjruûp úbóuigGruú t ufubúiujfi шг^ишшшО^ ^ишфшОйшй biuiluiGujljujGni.pjniGii, O^qbgDniú t ujpuiquiqnpónipjnLÜp, ишшдшдйгий t gbpúiuuin[i6ujG|i úbó uiiuinuiûruùûbp htuûqbiq qtiúwgliruü puiGljuipdbp ujuiuijiuGGbpfi oqmiuqnpóúuj LuGhpuic^inrupjiuG, CiJujqbgünnJ t ULupgiui[npúiuü bpljUjpujljbgnLpjniGQ: Ujq hu u)uiin6iimni| ufi]búuiGhp|i tGbpqiuuiqiunúuiG 0ininfiúiu|uigi3iuú úbpnqübpt

iULqnp|ipúúbpfi L шфппйилпшдфиб Giufiiujqáúiuú hiuúiuljuipqbpti Ú2tul)nii5 Gbpliiujiuúu quiGilriLÚ t рЦифй ufubûiuûbph ûuj|niuqônriGbpfi ni2ujqpnipjiu l|bûinpnGnn3 и[и|пшл шрфш^шй t:

Suil(uiujjfiû h^4nLLuûbpnil г^шЦшрфщ рфиДО utubüiuGbpfi L"Jj uiiupiuóúuiG hbinLiuûjsnil túbpqiuuii|umÚLUÜ oiqui|n5iu|Ujgi5uiG fuGrjtipp г>|пшшр1|Ц.1 t hbüg uijrç infiiMh ptluijhQ ufubCiiuGbpfi huiúuip: UluIjuijú i[bpgbpu шбгий I hbinmppßpnipjnLGn илфйщтй u[iibúiuúbpti йЦшииЗшйр: 'íui Цшщфий t ú

2uipp umuiilb|nLpjni.GGbpti hbin, npnGp UJufiGppnû рфифй и(иЬйшСЬрп niûbG fipbG u|iGppnG GùujGophûujl|Gbp|i Gljiuinúuiúp, npnûp bû ш) дшбр ШЬрдшицшптй, р iuilb[.h i3bö tuptuqiuqnpônipjniû, q) iqiumpuiuui|i Giu[uujqóbp|i L|pL|üuuL| oqmuiqnpáúiuG hGtupiuiinprupjiuG:

«Oilujhü ufubúiuühph dmi5iuGujl)Uijhû Gljiupiuqpbp|i ощифйшцидйш шфппйштшдфиб úfigngúbp|i Ú2iul)ru£¡ túbpquiuiqiunúiuCi ûiluiqbgùtuû huidiup iuinbGui|ijnuuil|UjG hbwuiqnmnLpjuiG úb? tûbpqujuiqumùiuû omm[iúiu|uigúa fuGqfipD àUuilJbpujilbL L imóilbL t iuu|iGppnû piluijhQ utubúiuGbpfi huiúui ишийшЦпршщЬи'

■ ипшзшрЩшЛ t uiufiûppnû ljnùpfiûiug|inû bU-bpfi tQbpqiuuu|umúu úujl|ujprvijli|i üllшqbgúшG fxiöinh LnLÓúujG ЬгцийшЦ' [i ЬшгИ ИшЦЬиш uipiuquiqnpárupjiuú:

• Uniuguipljtiujíi briiuGiuljh hfiúiuG 4рш Ú2iul)ilbL U фпр0шр1)4Ь1. bG hU-bf tübpqujuujumúiuG ои|1п[и!1ш[шдйшй bpl|iu luiqnpfipúGbp, npnGp huiuiniuinbi t bqujüujljh 2шЬш4Ь1ППф1П1йс:

■ ФпрЙйшЦшй uipqjnLÛEÛbpfi 11Ьр1т0п1р]шО 4рш шпшдшр^Ь!. uJLqnphpüübph oquimqnpóüiuü uinpminbq|iujG:

■ и2ш1|ЦЬ1 L фпрйшр^4Ь|. t шиЬйррпО Цпйр^йшдЬпй bU-bpfi ишЬйшйш]( шpшqшqnpónlpJшй L 1:СЬр4шищшп|]шй фп[и1)шщш!^д1|ш0гиип1.й[!:

■ LT2ixilii4bL Ii ijinpämpljilbL t шршйшршОш^аШ/шшррЬрЬ дшйшОшЦш]| и|шрш|ЗЬшрЬр(101ци1|п|3ш1шдйш0 «ECOS» брш^рш/рй hшtiшlJшpqQ: