Методика актуализации вычислительного процесса информационно-управляющих систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Ковязин, Рустам Раисович

• Ковязин, Рустам Раисович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ковязин, Рустам Раисович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

1.1. Традиционная методика проектирования.

1.2. Современные методики проектирования.

1.3. Разделения реализации ИУС.

1.3.1. Инструментальный компонент ИУС.

1.3.1.1. ИУС на базе микроконтроллеров и ПЛИС.

1.3.1.2. ИУС на базе программируемых логических контроллеров.

1.3.1.3. ИУС на базе промышленных ПК.

1.3.1.4. Анализ реализаций инструментальных компонентов ИУС.

1.4. Сценарии проектирования.

1.5. Выводы.

1.6. Цели и задачи работы.

2. МОДЕЛЬ АВП ИУС.

2.1. Введение.

2.2. Основы модели АВП ИУС.

2.2.1. Процесс АВП ИУС.

2.2.2. Трансляторы и формы представления целевой программы.

2.2.2.1. Взаимодействие трансляторов.

2.2.3. Уровни представления ВП РТУ С.

2.2.4. Применение графа АВП ИУС.

2.2.5. Фазы АВП ИУС.

2.2.6. Базовые трансляторы.

2.2.6.1. Классификации базовых трансляторов.

2.3. Выводы.

3. ШАБЛОНЫ МОДЕЛИ АВП ИУС.

3.1. Введение.

3.2. Актуализация целевой программы на исполнительской фазе.

3.2.1. Актуализация через добавление драйверов.

3.2.2. Актуализация через добавление базовых трансляторов.

3.2.3. Взаимодействие программно реализованных трансляторов.

3.2.3.1. Элементарное взаимодействие.

3.2.3.2. Прерывания.

3.2.3.3. Двустороннее взаимодействие.

3.3. Актуализация целевой программы на подготовительной фазе.

3.3.1. Языки программирования.

3.3.2. Компиляторы.

3.4. Распределение ВП по фазам актуализации.

3.5. Выводы.

4. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ АВП ИУС.

4.1. Введение.

4.2. NL1 +NL2HEX.

4.3. NL2 + NL2ASM.

4.4. Семейство ВМ SVM + STL.

4.5. Программно-аппаратный комплекс СЗМ MiniLab.

4.5.1. Спецвычислитель NL3.

4.5.1.1. Архитектура процессора NL3.

4.5.2. Компилятор NL3.

4.5.2.1. Язык составления схем цифровой обработки сигналов.

4.5.2.2. Математическая модель.

4.5.2.3. Анализ метода компиляции схем для процессора NL3.

4.5.2.4. Инструментальная цепочка схем обработки цифровых сигналов

4.5.2.5. Время компиляции схем.

4.6. Критерии эффективности реализации ВП ИУС.

4.7. САПР на базе модели АВП ИУС.

4.7.1. Создание графа АВП.

4.7.2. Обработка графа АВП.

4.8. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика актуализации вычислительного процесса информационно-управляющих систем»

Информационно-управляющие системы (ИУС) являются важнейшим элементом любой современной системы автоматики. Область их применения распространяется на медицинскую и бытовую технику, телекоммуникации, транспортные и аэрокосмические системы и др. На текущий момент наиболее распространенный и интенсивно»развивающийся вид ИУС — это системы с программным управлением. Одним из основополагающих принципов внутренней организации и способа применения современных ИУС является принцип* программируемое™ на многих уровнях и в различных стилях.

За последнее десятилетие вычислительная мощность элементной базы многократно увеличилась, что позволило современным ИУС реализовать сложную функциональность, иметь, сложную организацию, использовать операционные системы реального времени, объединяться в контроллерные сети, применять современные высокоскоростные проводные и беспроводные технологии связи. На рынке вычислительных систем стали востребованы ИУС со сложной функциональностью.

В традиционной методике проектирования на ранних этапах выполняется выбор способа реализации функций системы.между программной и аппаратной реализацией (Software/Hardware, SW/HW). Зачастую этот выбор считается известным a priori. Также весьма распространенным является выбор между прикладной и системной реализацией функций ИУС (Application/System, A/S). Процесс разработки ИУС неразрывно связан с выполнением инструментальных задач, решением которых занимается инструментальный компонент (ИК), выделяемый, в составе ИУС. Вопрос его организации заключается в разделении ■реализации—между—подготовительной—и—исполнительской—фазой—(Design-Time/Run-Time, DT/RT). Современные ИУС являются вычислительными системами с доминирующей программной реализацией функций (Software Dominated Embedded Systems). Значительное увеличение объема функций ИУС с программной реализацией снизило эффективность применения традиционной методики проектирования: качество разрабатываемых систем упало, процесс проектирования стал менее предсказуемым. Многими учеными по всему миру (Е. A. Lee, A. Sangiovanni-Vincentelli, L. Lavagno, A. A. Jerraya), в том числе и в России (А. Н. Терехов, Ю. П. Голубев, В. В. Топорков, А. Е. Платунов, Н. П. Постников, А. Н. Лукичев), а также техническими специалистами фирм-лидеров в области разработки САПР (Synopsys, Cadence, Mentor Graphics) ведутся исследования по выходу из сложившегося кризиса проектирования: предлагаются новые методики проектирования, способы формализации процесса проектирования, выполняется апробация новых идей в исследовательских и коммерческих САПР.

Опыт показывает, что присутствует взаимное влияние между ИУС и инструментальным компонентом. В зависимости от разделения между подготовительной и исполнительской фазой получаются разные области доступных реализаций ИУС. Так была сформулирована цель работы. Целью работы является развитие методов и средств проектирования ИУС на основе унифицированного представления вычислительного процесса ИУС на подготовительной и исполнительской фазе жизненного цикла системы.

Для достижения указанной цели в работе будут решены следующие задачи:

1) исследовано влияние инструментального компонента на проект ИУС;

2) создана модель актуализации вычислительного процесса на базе унифицированного представления инструментального компонента ИУС;

3) создана1 система автоматизированного проектирования (САПР) на основе унифицированного в части инструментального компонента представления вычислительного процесса ИУС;

4) проведена апробация модели в ряде проектов ИУС, выполнен анализ ее эффективности.

Методическую базу исследования составляют положения линейной алгебры, теории множеств, формальной логики, теории графов и теории конечных автоматов.

В работе получены следующие научные результаты:

1. Установлено влияние инструментального компонента на организацию вычислительного процесса ИУС в зависимости от разделения функций между подготовительной и исполнительской фазой жизненного цикла ИУС.

2. Предложена модель актуализации вычислительного процесса ИУС, унифицирующая представление инструментального компонента ИУС.

3. Предложено применение понятия * транслятора в качестве способа унификации рассмотрения ИУС на. различных уровнях ее представления, и, на различных этапах ее жизненного цикла.

4. Классифицированы способы актуализации целевой задачи на фазах актуализации и получены, оценки требуемых ресурсов ИУС для реализации каждого из способов.

5. Разработан метод гибкого распределения элементов вычислительного процесса между фазами актуализации! как проектирование связки- «компилятор - виртуальная машина».

6. Получены критерии эффективности реализации ВПИУС. В работе получены следующие практические результаты:

1. Разработаны элементы САПР для построения, и анализа графов актуализации, вычислительного процесса существующих проектов ИУС.

2. На основе модели актуализации вычислительного процесса ИУС предложены методы синтеза проектируемых ИУС и анализа существующих ИУС.

3. Даны экспертные оценки критических значений критериев для формирования рекомендаций по модернизации / исправлению реализации ИУС. Модель актуализации и разработанные элементы САПР были использованы для анализа разработок ООО «ЛМТ», в числе которых самыми крупными являются системы на, базе семейства виртуальных машин БУМ и программно-аппаратный комплекс сканирующего зондового микроскопа МЫЬаЬ. Основы предлагаемой методики проектирования и концепция модели актуализации использованы в учебных курсах кафедры вычислительной техники СПбГУ ИТМО. Внедренияподтверждены соответствующими актами.

По материалам работы было сделано 12 докладов на 10 конференциях. Основное содержание диссертационной работы полностью отражено в 16 научных и научно-технических работах автора, из которых 6 статей опубликовано в изданиях, рекомендуемых ВАК, и 9 работ опубликовано без соавторов.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Ковязин, Рустам Раисович

8. Выводы

1. Предложенная модель АВП ИУС может быть успешно применена для анализа и проектирования как всей системы в целом, так и отдельных ее частей.

2. Описание базовых проектов, на которых проходила апробация модели АВП, позволяет судить о применимости предлагаемой модели в широких пределах. Модель АВП позволяет детально описывать современные ИУС, поскольку они являются системами с доминирующим программным компонентом.

3. Модель АВП позволяет исследовать фрагменты ВП с разной степенью детализации.

4. Реализованные элементы САПР позволяют производить анализ реализации ВП ИУС. Требуется их дальнейшее развитие для закрытия других этапов анализа и проектирования ИУС, выполняемого на базе модели АВП ИУС.

5. Сформулированы рекомендации по организации ВП ИУС с целью улучшения его характеристик по переносимости, расширяемости, производительности и эффективности реализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Показано значительное влияние инструментального аспекта проектирования ИУС на ее архитектуру, определяемое множеством вариантов распределения вычислительного процесса (ВП) ИУС в рамках подготовительной и исполнительской фаз ее жизненного цикла.

2. Создана модель актуализации вычислительного процесса (АВП) на базе унифицированного^ представления инструментального компонента (ИК) ИУС. Предложено понятие транслятора в качестве основного элемента такого унифицированного представления. Разработаны шаблоны организации ВП ИУС и исследована эффективность их применения.

3. На основе модели АВП предложена методика синтеза проектируемых и анализа разработанных ИУС. Получены критерии эффективности реализации ВП ИУС.

4. Разработаны элементы САПР для построения, визуализации, статистической обработки графов АВП и расчета значений критериев эффективности реализации функциональности ИУС.

5. На основе исследования ряда ИУС получены критические значения критериев для формирования рекомендаций по модернизации / исправлению реализации ИУС. Для ИУС, на которых производились исследования, сформулированы рекомендации по совершенствованию архитектуры.

6. С использованием модели АВП разработан ряд инструментальных компонентов и инструментальных цепочек ИУС различной архитектуры и сложности, что обеспечило для этих ИУС высокие показатели и успешное сер ий но е~пр о изв одств'о.

Эффективность применения методики актуализации была показана в процессе разработки ряда заказных систем, выполненной ООО «ЛМТ». Основы предлагаемой методики проектирования и концепция модели актуализации использованы в учебных курсах «Интерфейсы периферийных устройств», «Программно-аппаратный базис ВВС» и «Методы и технологии проектирования систем на кристалле» кафедры вычислительной техники СПбГУ ИТМО по нескольким направления бакалаврской и магистерской подготовки. Внедрения подтверждены соответствующими актами.

По материалам работы было сделано 12 докладов на 10 конференциях, в том числе профессорско-преподавательских конференциях СПбГУ ИТМО, конференциях молодых ученых СПбГУ ИТМО, политехнических симпозиумах «Молодые ученые— промышленности Северо-Западного региона» СПбГПУ. Основное содержание диссертационной работы полностью отражено в 16 научных и научно-технических работах автора (61 п. л.), из которых 6 статей опубликовано в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ (36 п. л.), и 9 работ опубликовано без соавторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ковязин, Рустам Раисович, 2011 год

1. Микропроцессорные системы : Учеб. пособие для вузов / Е. К. Александров, Р. И. Грушевицкий, М. С. Куприянов и др.; под общей ред. Д. В. Пузанкова. СПб. : Политехника, 2002. - 935 с.

2. Lee, Е. A. Embedded software / Е. A. Lee // Advances in Computers. 2002. — Vol. 56.-pp. 56-97.

3. Hatley, D. J. Strategies for Real-time System Specification / D. J. Hatley, I. A. Pirbhai. Dorset House Publishing Company, 1988. - 386 p.

4. Иордон, Э. П. Путь камикадзе. Как разработчику программного обеспечения выжить в безнадежном проекте / Э. П. Йордон. М. : ЛОРИ, 2001.-272 с.

5. Lee, Е. A. Absolutely Positively on Time: What Would It Take? / E. A. Lee // Computer. 2005. - Vol. 38, №7. - pp. 85-87.

6. Lee, E. A. What's Ahead for Embedded Software? / E. Lee // Computer. -2000. Vol. 33, №9. - pp. 18-26.

7. Lee, E. A. A Component-Based Approach to Modeling and Simulating Mixed-Signal and Hybrid Systems / E. A. Lee, J. Lui // ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation. 2002, Oct - Vol. 12, №4. - pp. 343-368.

8. Graaf, B. Embedded Software Engineering: The State of the Practice / B. Graaf, V. Lormans, H. Toetenel // IEEE Software. 2003. - Vol. 20, №6. -pp. 61-69.

9. Sangiovanni-Vincentelli, A. System Design: Traditional Concepts and New Paradigms / A. Ferrari, A. Sangiovanni-Vincentelli // Proc. of the 1999 Int. Conf. On Сотр. Des. Oct. 1999. - pp. 2-12.

10. Ш.^опорков^В.-В.-Модели-и-методы-системногохинтеза^'ВгВг^опорковГ^

11. M.: Моск. энерг. ин-т, 1997.1.. Sangiovanni-Vincentelli, A. A Top-down Constraint-driven Design Methodology for Analog Integrated Circuits / H. Chang, E. Charbon, U. Choudhuiy, A.

12. Demir, E. Felt, E. Liu, E. Malavasi, A. Sangiovanni-Vincentelli, I. Vassiliou. -Springer, 1996.-384 p.

13. Jerraya, A. A. Long Term Trends for Embedded System Design / A. A. Jerraya // Proc. of the Digital System Design. 2004. - pp. 20-26.

14. Hardware-Software Codesign. // IEEE Design & Test of Computers. 2000, January-March 2000. pp. 92-99.

15. Sangiovanni-Vincentelli, A. Hardware-Software Codesign of Embedded Systems / M. Chiodo, P. Giusto, A. Jurecska, H. C. Hsieh, A. Sangiovanni-Vincentelli; L. Lavagno// IEEE Micro Chips, Systems; Software, and Applications. 1994, August, - pp. 26-36.

16. Agha, G.A. Actors: A Model of Concurrent Computation in Distributed Systems // The MIT Press Series in Artificial Intelligence. MIT Press. 1986.

17. Lee, E. A. Actor-Oriented Design^of Embedded Hardware and Software Systems / E. A. Lee, S. Neuendorffer, M. Wirthlin // Journal of Circuits, Systems and Computers. 2002, Nov. - pp. 231-260.

18. Lee, E. A. System-Level Types for Component-Based Design / E. A. Lee, Yu-hong Xiong // Proc. of the First International Workshop on Embedded Software. -2001. -pp. 237-253.

19. Lee, Е. A. Synchronous data flow / Е. A. Lee, D. Messerschmitt // IEEE Proc. 1987, Sept. - pp. 1235-1245.

20. Lee, E. A. Dataflow Process Networks / E. A. Lee, T. Parks // IEEE Proc.1995, May.-pp. 773-799.

21. Lee, E. A. Comparing models of computation / E. A. Lee, A. Sangiovanni-Vincentelli // International Conference on Computer-Aided Design Proc.1996.-pp. 234-241.

22. Lee, E. A. Timed Multitasking for Real-Time Embedded Software / Lee E. A., Jie Liu // IEEE Control Systems Magazine. Vol. 23,2002. - pp. 65-75.

23. De Marco, T. Structured Analysis and System Specification / T. De Marco. -Prentice-Hall, 1978. 352 p.

24. Голубев, Ю. П. Автоматизация проектирования преобразователей дискретной информации / Ю. П. Голубев. Калуга : Гриф, 2003. — 652 с.

25. Новиков, Г. И. Сквозное автоматизированное проектирование микропроцессорных систем /Т. И. Новиков, АТЕГПлатунов //'Изв^тия'вузбвтПри-боростроение. 2000. - Том 43, № 1-2. - С. 35-39.

26. Постников, Н. П. Поведенческий и инструментальный аспекты проектирования встроенных вычислительных систем: дис. канд. тех. наук / Н. П. Постников. 2004. - 152 с.

27. Лукичев, А. Н. Денотативно-объектная модель вычислений для встроенных систем : дис. канд. тех. наук / А. Н. Лукичев. 2008. - 170 с.

28. Платунов, А. Е. Теоретические и методологические основы высокоуров-• невого проектирования встраиваемых вычислительных систем : дис. док.тех. наук / А. Е. Шатунов. 2011.

29. Шатунов, А. Е. Единое проектное пространство плюс аспектная технология- перспективная парадигма проектирования встраиваемых систем / А. Е. Шатунов, Н. П. Постников // Науч.-тех. вестн. СПбГУ ИТМО. -СПб. : СПбГУ ИТМО, 2003.-Вып. 11.-С. 121-128.

30. Постников, Н. П. Динамические инструментальные компоненты / Н. П. Постников // Науч.-техн. вестн. СПб ГИТМО(ТУ). СПб. : СПб ГИТМО (ТУ), 2002,-№6.-С. 122.

31. Ахо, А. Компиляторы: принципы, технологии, инструменты / А. Ахо, Р. Сети, Д. Ульман. М. : Мир, 1985. - 868 с.

32. Зюбин, В.Е. Программирование ПЛК: МЭК 61131-3 и возможные альтернативы / В. Е. Зюбин // Промышленные АСУ и контроллеры. 2005. — №11.-С. 31-35.

33. Ковязин, Р. Р. Выбор технологии программирования встроенных систем / Р. Р. Ковязин // Компоненты и технологии. 2005. - № 1. - С. 144-147.

34. Knudsen, P. V. РАСЕ: A Dynamic Programming Algorithm for Hardware/Software Partitionning / P. V. Knudsen // Proc. of the 4th Int. Workshop on Hardware/Software Co-Design. 1996. - pp. 85-92.

35. Knudsen, P. V. Integrating communication protocol selection with hardware/software codesign / P. V. Knudsen, J. Madsen // IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits. №18 (8), Aug., 1999.-ppTT 077=1095:

36. Wirth, N. Hardware Compilation: Translating Programs into Circuits / N. Wirth // IEEE Computer. №31 (6), 1998. - pp. 25-31.

37. Буч, Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++ : изд. 2-е / Г. Буч. М. : Бином, СПб. : Невский диалект, 1998.-560 с.

38. Ковязин, Р. Р. Разработка информационно-управляющих систем как актуализация целевой задачи / Р. Р. Ковязин // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. - № 45. Информационные технологии. - С. 79-85.

39. Ковязин, Р. Р. Введение в модель актуализации : тез. докл. / Р. Р. Ковязин // Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности- Северо-Западного региона». - СПб.: СПбГПУ, 2009. - С. 21-23.

40. Lee, Е. A. Software Synthesis from Dataflow Graphs / E. A. Lee, S. S. Bhat-tacharyya, P. K. Murthy. Kluwer Academic Publishers, 1996. - 192 p.

41. Брукс, Ф. Мифический человеко-месяц или как создаются программные системы / Ф. Брукс. СПб.: Символ-Плюс, 2000. - 304 с.

42. Непейвода, Н. Н'. Основания программирования / Н. Н. Непейвода, И. Н. Скопин. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003.-868 с.

43. Клингман, Э. Проектирование микропроцессорных систем / Э. Клинг-ман. М.: Мир, 1985. - 363 с.

44. Flynn, М. Some Computer Organizations and Their Effectiveness / M. Flynn // IEEE Translations on Computers. 1972. - Vol. C-21. - pp. 948.51тВоеводин~ВгВ~Вычислительная математика и структуры алгоритмов / В. В. Воеводин. М. : Изд-во МГУ, 2006. - 112 с.

45. Воеводин, В. В. Параллельные вычисления : учеб. пособие для вузов / В. В. Воеводин, Вл. В. Воеводин. СПб. : БХВ-Петербург, 2002. - 600 с.

46. Lavagno, L. Models of Computation for Embedded System Design / L. Lavagno, A. Sangiovanni-Vincentelli, E. Sentovich // Proc. on System Synthesis. -1999. pp. 45-102.

47. Шалыто, A. A. Switch-технология. Алгоритмизация и программирование задач логического управления / А. А. Шалыто, СПб.: Наука, 1998. — 628 с.

48. Ковязин, Р. Р. Программирование- микроконтроллерных систем / Р. Р. Ковязин, А. Е. Платунов // Электронные компоненты. 2003. - №4. -С. 65-70.

49. Ertl, М. A. Implementation of Stack-Based Languages on Register Machines : Diss. Dr. Tech. Sci. / M. A. Ertl. Wien, 1996. - 85 p.

50. Smith, J. Virtual Machines: Versatile Platforms for Systems and Processes / J. Smith, R. Nair. Morgan Kaufinann, 2005. - 656 p.

51. Ковязин, P. P. Оптимизация исполняемого кода для виртуальной машины : тез. докл. / Р. Р. Ковязин // Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона». - СПб. : СПбГПУ, 2001.-С. 24.

52. Jerraya, A. A. Multi-language System Design // A. A. Jerraya, R. Ernst // Proc. of the Conference on Design, Automation and Test. 1999. - pp. 696.

53. Непейвода, H. H. Стили и методы программирования / Н. Н. Непейвода,-ИгНгСкопин—МГГИНТУИТГ200"5~="320"с:

54. Ковязин, Р. Р. Проектирование проблеммно-ориентированных языков для встроенных вычислительных систем : тез. докл. / Р. Р. Ковязин // Политехнический симпозиум «Молодые ученые- промышленности СевероЗападного региона». СПб.: СПбГПУ, 2002. - С. 66.

55. Ковязин, Р. Р. Разработка проблемно-ориентированных процессоров : тез. докл. / Р. Р. Ковязин, Н. П. Постников // Межвузовская конференция молодых ученых СПбГУ ИТМО. Выпуск 5. СПб. : СПбГУ ИТМО, 2010.-С. 16-17.

56. Ковязин, Р. Р. Разработка проблемно-ориентированных процессоров : тез. докл. / Р. Р. Ковязин, Н. П. Постников // Сборн. тез. докл. конф. молодых ученых. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. - Вып. 5. - С. 81-85.

57. Fisher, J. Very Long Instruction Word Architectures and the ELI-512 / J. Fisher // Proc. of the 10й1 annual International Symposium on Computer Architecture. N.Y. : ACM. - p. 140-150.

58. Fisher, J. Embedded Computing: A VLIW Approach to Architecture, Compilers and Tools / J. Fisher, P. Faraboschi, C. Young. Morgan Kaufmann, 2004. - 712 p.