Разработка методов проектирования цифровых устройств на программируемых логических интегральных схемах

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

.

Развитие технологии производства средств вычислительной техники влияют на развитие и совершенствование средств проектирования.

В 80-е годы технологии дискретной схемотехники допускали активное участие коллектива разработчиков и разделение труда в процессе проектирования схем, в отладке и изготовлении на любой стадии процесса создания систем. Современные условия создания систем в принципе изменились и характеризуются высокой степенью интеграции процесса проектирования и изготовления, представляющего собой, по существу, интегрированный технологический процесс создания систем.

Если сопоставить сроки разработки и создания реального проекта с уровнем: сложности 105 логических ячеек и/или Кбайт в 90-е годы и в начале 2000;х годов, то различие составляет два порядка: несколько лет в начале 90-х годов и два-три месяца в 2000 году.

В связи с ожидаемым ростом этих показателейактивизировались работы в. области создания методологий проектирования систем? на кристалле. В рамках: этих систем необходимо решать как системные задачи из области «архитектуры», так и конкретные задачи проектирования, опирающиеся на существующую элементную базу.

За последнее десятилетие опробованы различные технологии. Весь накопленный опыт суммируется в современных интегрированных технологиях фирм ALTERA, XILINX, ACTEL, ATMEL, CYPRESS и еще десятка фирм, создающих системы на кристалле.

Еще одна заметная тенденция — это соединение на кристалле аналоговой и цифровой технологий. Здесь находится неограниченный резерв расширения функциональных возможностей и интеграции специальной периферии.

Все эти ожидания и значительный прогресс в создании информационных систем относится к интегральным технологиям создания встроенной и распределенной аппаратуры на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Практическое применение САПР MAX+PLUS II, FOUNDATION и LIBERO выявило проблемы в следующих областях.

1. Методы синтеза регулярных схем.

Исследования показали, что результат применения стандартных методов и существующей библиотеки параметризированных модулей может быть улучшен — сокращением числа логических ячеек, задержек и улучшением других параметров схем в ПЛИС.

2. Реализация схем конечных автоматов в ПЛИС.

Канонические методы синтеза схем конечных автоматов (Лазарев В.Г.,.

Баранов С.И., Варшавский В. И., Соловьев В. В. и др.) разработаны преимущественно для дискретной элементной базы и заказных матричных БИС. Применение канонических методов в ПЛИС не дает оптимальных решений, так как эти методы не учитывают структуру ячеек и матрицы соединений.

3. Алгоритм размещения и трассировки.

Исследования показали, что на этапе размещения и трассировки с высокой вероятностью возникают отказы вследствие ограничений используемых в САПР алгоритмов. ф Таким образом, работа, посвященная разработке методов проектирования цифровых устройств на ПЛИС, АКТУАЛЬНА и представляет научный и практический интерес.

ПРЕДМЕТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ диссертационной работы являются математические методы, алгоритмы и их применение при проектировании распределенных информационных систем на ПЛИС фирмы ALTERA с использованием САПР MAX+PLUS II.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования цифровых устройств на ПЛИС.

Для достижения этой цели решались следующие задачи. 1. Разработка методов для этапа логического проектирования на ПЛИС:

— разработка методов синтеза регулярных схем;

— разработка методов синтеза и преобразований конечных автоматов.

2. Разработка методов для этапа конструкторского проектирования на ПЛИС:

— разработка методов размещения функций по логическим ячейкам ПЛИС;

— разработка методов распределения контактов;

— разработка методов трассировки соединений.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Методами исследования являются теория регулярных языков, теория алгоритмов, теория графов, комбинаторика и теория множеств, теория конечных автоматов, теория сетей Петри и теория программирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработаны методы для этапа логического проектирования на ПЛИС:

— методы синтеза регулярных схем в ПЛИС, которые позволяют улучшить параметры схемы;

— метод алгоритмического описания ячейки ПЛИС на основе регулярных языков, который может использоваться на этапе логического синтеза;

— метод преобразования конечных автоматов в систему эквивалентных параллельно работающих конечных автоматов;

— метод синтеза конечных автоматов, направленный на минимизацию количества функций и применение параметризируемых модулей.

2. Разработаны методы для этапа конструкторского проектирования на ПЛИС:

— математическая модель матрицы межсоединений на основе графов связности;

— алгоритм выбора соединений на основе системы различных представителей;

— алгоритм распределения контактов, основанный на решении задачи о назначении.

ПРАКТИЧЕСКУЮ ЦЕННОСТЬ представляют:

1. Прикладная библиотека параметризируемых модулей, созданная на основе разработанных методов синтеза регулярных схем.

2. Программа, предназначенная для расчета параметров заданной регулярной схемы и выбора метода синтеза в зависимости от заданного вектора параметров.

3. Программа, выполняющая трассировку соединений на основе разработанного точного метода выбора соединений.

4. Разработанные методы и алгоритмы применялась при проектировании авиационных интерфейсных модулей в рамках работ ЗАО ОКБ «Русская Авионика» для гражданских (ИЛ-76, БЕ-200, ТУ-154) и военных (СУ, МИГ) самолетов, что подтверждается актом внедрения.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано восемь печатных работ.

• АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Обсуждение материалов работы производилось на.

XXXI научной и учебно-методической конференции Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПб ГУ ИТМО), XXXII научной и учебно-методической конференции СПб ГУ ИТМО и Шестой межведомственной научно-технической конференции в филиале Военно-космической Краснознаменной Академии (г. Пушкин).

ЭФФЕКТ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ результатов данной работы заключается в сокращении числа ячеек и максимальной задержки в ПЛИС при разработке распределенных информационных систем на 20−30% по сравнению с методами, ^ использующимися в САПР стандартной поставки.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Методы синтеза регулярных схем в ПЛИС.

2. Метод алгоритмического описания ячейки ПЛИС.

3. Метод преобразования конечных автоматов в ПЛИС.

4. Алгоритм выбора соединений.

5. Алгоритм распределения контактов.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

.

Диссертация состоит из введения,, пяти глав, заключения и списка литературы (53 наименования). Материал изложен на 139 страницах машинописного текста и содержит 112 рисунков и 23 таблицы.

Выводы.

1. Рассмотрены архитектуры авиационных РИС, показано, что существенная часть оборудования относится к интерфейсным блокам.

2. Приведена обобщенная структура интерфейсного модуля.

3. Приведены примеры применения разработанных методов проектирования в технологии ПЛИС для реализации авиационных интерфейсов. Показано, что применение методов дает существенное улучшение параметров (20−30%) ПЛИС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе получены следующие результаты.

1. Разработаны методы и алгоритмы для этапов проектирования цифровых устройств на ПЛИС:

— методы синтеза регулярных схем;

— методы синтеза и преобразований конечных автоматов;

— алгоритм выбора соединений;

— алгоритм распределения контактов.

2. Предложен метод алгоритмического описания структуры ПЛИС на основе регулярных языков, который используется на этапе логического синтеза.

3. Разработана математическая модель матрицы межсоединений на основе графов связности.

4. На основе разработанных методов синтеза регулярных схем создана прикладная библиотека параметризируемых модулей, которая применялась при проектировании авиационных интерфейсных модулей.

5. Разработана программа, рассчитывающая параметры заданной регулярной схемы и выбирающая метод синтеза в зависимости от заданного вектора параметров.

6. На основе разработанного точного метода выбора соединений написана программа, выполняющая трассировку соединений.

7. Методы и алгоритмы применялись при разработке авиационных интерфейсных модулей в рамках работ ЗАО ОКБ «Русская Авионика» для гражданских (ИЛ-76, БЕ-200, ТУ-154) и военных (СУ, МИГ) самолетов, что подтверждается актом внедрения.