автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка системы ускоренного моделирования на базе специализированного аппаратного ускорителя



ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УСКОРЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НА БАЗЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО АППАРАТНОГО УСКОРИТЕЛЯ

специальность

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Кононыхина Наталья Алексеевна

Научный руководитель лауреат Государственной премии СССР доктор технических наук, профессор Межов В.Е.

Воронеж - 1999

ВВЕДЕНИЕ -5

1. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СХЕМ ПОВЫШЕННОЙ РАЗМЕРНОСТИ 14

1.1. Анализ методов ускорения моделирования _15

1.1.1. Формализация понятий _;_16

1.1.2. Сравнительный анализ алгоритмов моделирования дискретных цифровых устройств----i9

1.1.3. Метод параллельного моделирования_21

1.1.4. Краткий обзор суперкомпьютеров_21

1.1.5. Устройства моделирования_24

1.2. Принципы построения высокопроизводительных специализированных средств моделирования -27

1.2.1. Устройство моделирования YSE фирмы ШМ _30

1.2.2. Устройство моделирования LSM фирмы Bell Laboratories _31

1.2.3. Аппаратный ускоритель TEGAS (Comsat Corporation) _32

1.2.4. Устройства моделирования фирмы Zycad___33

1.2.5. Комплекс блочного моделирования HALL фирмы NEC _35

1.2.6. Аппаратные модели____36

1.2.7. Комплекс моделирования СМ0513 (ИНЭУМ г. Москва) _37

1.3. Производительность многопроцессорных систем _39

1.4. Выводы __________42

2 РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ _43

2.1. Формализация требований к архитектуре специализированного устройства моделирования_____44

2.2. Модификация алгоритма событийного моделирования_47

2.3. Логическое проектирование архитектуры процессоров моделирования_48

2.3.1. Модели элементов УЛМ _54

2.3.2. Примитив памяти УЛМ___56

2.3.3. Задержки примитивов УЛМ__5б

2.3.4. Конвейер моделирования_;_57

2.4. Логическое проектирование архитектуры процессора обмена_58

2.4.1. Команды ПРО____60

2.4.2. Запоминающие устройства ПРО__61

2.5. Характеристики УЛМ серии "Электроника МС1800"_63

2.6. Выводы ___________66

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ СРЕДЫ УСТРОЙСТВА _67

3.1. Анализ комплекса проектирования ИЭТ как основы программной среды СУМ 67

3.1.1. Особенности построения подсистемы моделирования_70

3.2. Разработка требований к программной среде устройства моделирования _74

3.3. Разработка информационного и алгоритмического обеспечения СУМ_78

3.4. Разработка структуры базы данных СУМ и методов доступа к информации 79

3.5. Анализ процедуры раскрытия иерархии проекта в БД ПРАЦИС -81

3.5.1. Разработка способов ускорения доступа в БД СУМ_82

3.5.2. Разработка структуры данных индексных файлов иерархии_84

3.6. Разработка алгоритмов преобразования структуры проекта_87

3.6.1. Алгоритм перевода структуры схемы в базис моделей УЛМ_88

3.6.2. Алгоритм декомпозиции многовходовых элементов_90

3.6.3. Алгоритм декомпозиции задержек логических элементов_94

3.6.4. Алгоритм декомпозиции элемента памяти_94

3.6.5. Алгоритм раскрытия иерархии описания проекта_96

3.7. Разработка алгоритма разбиения проекта на подсхемы в многопроцессорной среде -99

3.8. Оценка проблемы превышения размерностей УЛМ_101

3 .8.1. Алгоритм модификации исходных тестов проекта_102

3.8.2. Алгоритм выделения подсхем допустимой размерности_103

3.9. Выводы_ 105

4. КОМПЛЕКС ПРОГРАММ СИСТЕМЫ УСКОРЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ___106

4.1 Структура пакета программ ПУМА_106

4.2 Программное обеспечение препроцессорной подготовки проекта_109

4.3 Программное обеспечение управления моделированием_ИЗ

4.4 Программное обеспечение постпроцессорной обработки результатов моделирования ___ 115

4.5 Оценка результатов опытной эксплуатации пакета ПУМА_118

4.6 Методика применения пакета ПУМА___119

4.6.1 Особенности применения пакета ПУМА в архитектуре клиент-сервер_120

4.7. Выводы __123

124

Заключение -——■—--

Список литературы

126

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ИЭТ - изделие электронной техники

СУМ - система ускоренного моделирования

УЛМ - устройство логического моделирования

ПЭ - процессорный элемент

ПМ - процессор моделирования

КВ - колесо времени

ПЛМ - процессор логического моделирования

ПМП - процессор моделирования памяти

ПРО - процессор обмена

КУМ - канал устройства моделирования

ЗУ - запоминающее устройство

ВВЕДЕНИЕ

В современном понимании автоматизированное проектирование рассматривается как дисциплина, которая дает необходимые знания в областях программного и технического обеспечения ЭВМ, методологии описания, анализа, разработки, реализации, внедрения и использования систем на базе ЭВМ.

Главными компонентами системы автоматизированного проектирования (САПР) являются: человек, оборудование ЭВМ, программное обеспечение, определенный тип задачи. Любая система автоматизированного проектирования сама является изделием, для разработки которой справедлива модель процесса проектирования: синтез - анализ - оценка. Автоматизированное проектирование требует строгой формализации модели объекта проектирования. Для большинства современных САПР этап синтеза рассматривается преимущественно во взаимосвязи с проектировщиком, а компьютер превосходно справляется с задачами анализа на фиксированной модели, что предопределило бурное развитие систем логического, схемотехнического и топологического проектирования изделий электронной техники. Термин "изделие электронной техники" (ИЭТ) в данной работе используется применительно к классу цифровой аппаратуры. Время жизни подобных систем ограничено и определяется в основном двумя факторами: система должна отвечать уровню научно-технического развития и улучшать экономические показатели проектирования. Опыт применения САПР БИС в производстве схем повышенной размерности дал новые знания о подобных системах. Оказалось, что САПР на базе универсальных ЭВМ не способны обеспечивать приемлемое время разработки.

Актуальность темы. Разработчики современных ИС, стремящиеся размещать на одном кристалле до сотен тысяч элементов, встали перед проблемой преодоления барьера сложности, который начал оказывать влияние на методы проектирования. Постоянно повышающаяся степень интеграции позволяет размещать на одном кристалле все более крупные компоненты проектируемых устройств, делая их недоступными для внесения изменений. Любая выявленная ошибка проектирования требует повторного изготовления кристалла. В итоге, растет время проектирования и материальные убытки производителей, вследствие чего, все большее значение приобретают вопросы доказательства правильности проектных решений на возможно более'ранних этапах разработки.

В настоящее время основным методом верификации логики функционирования разрабатываемых систем, является моделирование, стоимость которого

быстро растет с увеличением сложности объектов. Большие по масштабам системы требуют больших затрат времени на модельный прогон каждого теста. С увеличением сложности системы резко возрастает число тестов, необходимых для полной проверки системы. Время моделирования исправной схемы пропорционально N , временные затраты на моделирование неисправностей про-

о

порциональны N , где N есть число элементов схемы. В результате совместного действия различных факторов, определяющих увеличение стоимости модельных экспериментов, сложилась ситуация, в которой затраты на адекватную верификацию проектных решений на современных универсальных ЭВМ оцениваются тысячами часов процессорного времени.

Таким образом, ядро САПР СБИС - моделирование - превратилось в наиболее узкое место всей системы проектирования, и со всей очевидностью встала задача совершенствования существующих методов и средств моделирования.

Допустимы различные способы преодоления возникающих затруднений. Традиционным можно считать переход на более производительную ЭВМ или поиск более быстродействующих алгоритмов моделирования. Современный подход к решению проблемы характеризуется тенденцией к слиянию программных и аппаратных средств моделирования.

Первые сообщения о промышленном производстве и использовании специализированных систем моделирования за рубежом появились в начале 80-х годов. Инициатором создания специализированной аппаратуры, ориентированной на задачи логического моделирования выступила фирма Boeing Aircraft (США). По мере совершенствования и удешевления производства заказных и полузаказных СБИС идея разработки специализированной аппаратуры моделирования стала все более притягательной и доступной. В настоящее время целый ряд фирм США и Японии заняты коммерческим выпуском специализированных ускорителей моделирования для различных уровней представления схем. В число первых наиболее известных ускорителей входят YSE(IBM), HAL(NEC), LE(ZYCAD), LSM(Bell.Lab.), AAP-1 (NTT) и SP(Fujistu). Характерной особенностью специализированных аппаратных средств моделирования является их привязка к определенным программным системам моделирования.

До настоящего времени отечественная промышленность не развернула серийный выпуск подобной специализированной аппаратуры. Вместе с тем расширение потребностей в средствах вычислительной техники диктует необходимость в сокращении сроков и повышении качества разработок изделий

электронной техники (ИЭТ). Первые попытки решения проблемы создания специализированных средств были сделаны Институтом Электронных Управляющих Машин (ИНЭУМ г. Москва), где в 1989 году был создан опытный образец устройства моделирования СМ0513. Устройство было рассчитано на использование его на правах периферийного процессора в составе САПР, разрабатываемых на базе вычислительного комплекса СМ1700.

Актуальность диссертационной темы определяется очевидной потребностью в расширении класса отечественных-машин и систем проектирования, снабженных специализированными средствами моделирования ИЭТ. Диссертационные исследования проводились в соответствии с межвузовской научно -технической программой И.Т.601 «Перспективные направления технологии в высшей школе» в рамках основного научного направления ВГТУ «САПР и системы автоматизации производства».

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является решение актуальной проблемы - повышению эффективности подсистемы моделирования на основе разработки и интеграции в САПР ИЭТ Системы Ускоренного Моделирования (СУМ) на базе специализированного устройства моделирования. СУМ должна повысить на несколько порядков скорость логической верификации схем повышенной размерности. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• осуществить выбор архитектуры специализированного устройства моделирования на основе анализа возможных вариантов аппаратных решений;

• модифицировать алгоритм моделирования с учетом особенностей аппаратной реализации;

• формализовать задачи программных средств СУМ и разработать структуру программной среды, обеспечивающей совместимость использования как программного, так и аппаратного логических вычислителей;

• разработать модель информационных потоков и способы хранения и обработки данных, сокращающие время доступа к информации в СУМ;

• разработать алгоритмы препроцессорной обработки модели цифрового устройства и постпроцессорного анализа результатов моделирования с учетом особенностей аппаратной реализации специализированного вычислителя;

• осуществить программную реализацию средств СУМ, разработать методику применения и оценить эффективность применения СУМ в САПР ИЭТ.

Объектом исследования диссертационной работы является подсистема ускоренного логического моделирования в САПР ИЭТ.

Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения теории систем автоматизированного проектирования, аппарат теории множеств, теории графов, алгебры логики, методы структурного программирования и принципы организации вычислительных процессов в мультипрограммной среде.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

• Архитектура специализированного многопроцессорного устройства, аппа-ратно реализующего событийное моделирование в среде «головная универсальная ЭВМ - подчиненное устройство моделирования».

• Алгоритм двухпроходового многозначного событийного моделирования, удовлетворяющего требованиям адекватности результатов реальному функционированию цифровых устройств и обеспечивающего независимость результатов расчета элементов от порядка их поступления в конвейер моделирования.

• Алгоритмы преобразования модели структуры схемы в базис элементов специализированного устройства моделирования, не накладывающие ограничений на глубину иерархии описания и характер взаимных соединений элементов схемы.

• Алгоритм разбиения модели схемы на подсхемы в многопроцессорной среде устройства моделирования, минимизирующий количество межфрагментных связей и обеспечивающий относительное равенство списков активных элементов в каждом из тактов моделирования.

• Алгоритм приведения результатов, полученных каждым из процессоров моделирования к виду, соответствующему исходному описанию верифицируемого цифрового устройства, что облегчает их восприятие пользователями.

• Методика применения СУМ совместно с пакетом поведенческого моделирования ПРИАМ и алгоритм оптимального деления для схем, превышающих размерностные характеристики устройства моделирования

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы использованы при создании программно - аппаратного комплекса ускоренного моделирования на базе головной ЭВМ семейства Электроника и специализированного

устройства моделирования "Электроника MCI801(1802)". Применение СУМ в САПР ИЭТ позволило на несколько порядков сократить время проектирования СБИС. Разработанный на основе предложенных методик и алгоритмов пакет Программ Ускоренного Моделирования цифровой Аппаратуры (ПУМА) согласован с традиционными программными средствами моделирования и последующими этапами проектирования ИЭТ. Анализируемый средствами СУМ проект может содержать до 500000 вентилей типа 4 входа/1 выход, до 16 Мбит памяти и до 1024 внешних контактов. Средняя производительность системы варьируется от 1 до 16 млн. событий/сек в зависимости от конфигурации аппаратуры устройства моделирования. По своим количественным и качественным характеристикам система не уступает аналогичным зарубежным системам.

Первая версия пакета программ ПУМА реализована на ЭВМ типа "Элек-троника-82" в рамках операционной системы МВС. Программная среда СУМ абсолютно переносима микро-ЭВМ "Электроника МС0107" с ОС МОС-32М и на компьютеры семейства VAX (фирма DEC.) с ОС VAX/VMS. Возможна постановка пакета программ в ОС UNIX. С целью расширения возможностей применения СУМ был выполнен перевод комплекса на ПЭВМ типа IBM PC (серия Pentium, 32-разрядная ОС Windows NT). Переход на ОС Windows NT предоставляет возможность сетевого использования комплекса ускоренного моделирования. На жестком диске пакет программ ПУМА занимает объем памяти порядка 2 Мб. Для работы СУМ требуется наличие в ОС средств виртуальной адресации, не менее 4 Мб оперативной памяти и свободного пространства на жестком диске от 10 до 60 Мб.

Результаты внедрения работы. Научные результаты, изложенные в диссертации, получены автором в ходе выполнения.в ОКБ при заводе «Процессор» ряда госбюджетных НИР (шифр «ТРОПИК») и ОКР (шифр «ТРОПИК-1», «КРЕН-2»), Данная система внедрена на ряде предприятий электронной промышленности, в частности, в ОКБ завода «Процессор» (г. Воронеж) и НИИРП (г. Москва), где используется при проектировании СБИС и блоков ЭВМ. Программно - аппаратная система нашла практическое применение при разработке процессора цифровой обработки сигналов и ряда матричных БИС в ОКБ. Годовой экономический эффект от внедрения системы ускоренного моделирования составил 243.7 млн. рублей (в ценах 1995 г.).

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всесоюзное совещание-семинар молодых ученых и специа-

листов "Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини и микро ЭВМ" (Воронеж, 1989 г.); Всесоюзная школа-семинар молодых ученых "Методы искусственного интеллекта в САПР" (Гурзуф, 1990 г.); IX симпозиум "Эффективность, качество, надежность систем человек-машина" (Воронеж, 1990 г.); Международная конференция и школа молодых ученых и специалистов "САПР- 92 Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе" (Гурзуф, 1992 г.); Научно-техническая конференция "Автоматизация проектирования РЭА и ЭВА" (Пенза, 1992г.); Межгосударственная научная конференция "Экстремальные задачи и их приложения" (Н. Новгород, 1992 г.); Всероссийское совещание-семинар "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании, медицине" (Воронеж, 1994 г.); Международная научно-техническая конференция