CC BY
54
2013. №15 (158). Выпуск 27/1
УДК 680.3
МЕТОД ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СЧС-СИНТЕЗА ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПАРАЛЛЕЛЬНО-КОНВЕЙЕРНЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
В статье рассматривается СЧС - метод формального функционального синтеза параллельно - конвейерных цифровых устройств с жесткой логикой функционирования. Используемые методы параллелизма -метод совмещения независимых операций и конвейерный метод. Основой формализма процессов синтеза является применение нового математического аппарата - Алгебры Структур Семантико - Числовой Спецификации, СЧС (вместо языков HDL, Verylog, VHDL, System C.
Ключевые слова: глобализация, вызовы развитию, риски и ограничения социально-экономического развития, региональная политика. Структуры Семантико - Числовой Спецификации (СЧС), времяпарамет-ризованная (временная) параллельная модель Си - программы, временная параллельная граф - схема (ВПГС), спецпроцессор с неперестраива-емой архитектурой, формальный функциональный синтез параллельных аппаратных средств.
Центральной проблемой современной вычислительной техники является повышение эффективности параллельных вычислительных систем (ВС). Перспективным путем решения проблемы является проектирование проблемно - ориентированных муль-типараллельных цифровых устройств и их аппаратная реализация на основе заказных СБИС (ASIC) и/или СБИС программируемой логики (FPGA).
Анализ известных систем EDA показывает, что концепцией их построения является выполнение человеком наиболее сложных, неформализованных, творческих этапов проектирования. Это определяет качество аппаратных средств, сложность, сроки и стоимость проектирования. Однако, возникли проблемы EDA, не имеющие до настоящего времени удовлетворительного решения: разрыва (GAP) между сложностью СБИС, которые может производить электронная индустрия, и предельной сложностью проектов, поддерживаемых известными EDA (проблема System-on-Chip, SOC); неспособность EDA существенно сократить сроки проектирования аппаратных средств (проблема Time-to-Market,T2M) [3, 4, 5, 6].
В отличие от традиционных систем EDA СЧС - метод обеспечивает поддержку следующих новых свойств:
1) интеллектуальность - формальное решение сложных задач проектирования, которые считаются в настоящее время прерогативой специалистов - разработчиков из-за их творческого характера;
2) формальный и автоматический характер проектирования - автоматическое выполнение всех этапов функционального проектирования;
3) адаптивность - автоматическое поддержание высокой эффективности функционального синтеза и результатов проектирования при изменении в широких пределах решаемых задач, областей применения и требований заказчиков к проектируемым объектам;
4) универсальность - возможность функционального проектирования проблемноориентированных параллельно-конвейерных цифровых устройств различных классов для различных прикладных областей при различных требованиях и ограничениях.
Целью статьи является описание обобщенного алгоритма формального СЧС синтеза проблемно-ориентированных параллельно-конвейерных цифровых устройств на функциональном уровне проектирования. В отличие от традиционных САПР метод формального функционального синтеза использует для спецификации всех этапов функцио-
Г.А. ПОЛЯКОВ В.В. ЛЫСЫХ
Белгородский
государственный
национальный
исследовательский
университет
e-mail:
lysykh@bsu.edu.ru
нального проектирования новый математический аппарат - Алгебру Структур СемантикоЧисловой Спецификации (СЧС).
Исходными данными метода функционального синтеза являются:
• задачи/алгоритмы, представленные исходными текстами Си/Си++ - программ;
• состав используемых методов параллельной обработки данных - совмещение независимых операций, конвейерная обработка данных;
• состав и характеристики элементной базы/библиотеки цифровых функциональных модулей;
• система требований и ограничений (время решения задачи, величина такта/тактовая частота обработки данных, производительность, сложность/стоимость) [1, 2].
Выходные данные метода функционального синтеза:
• структуры семантико-числовой спецификации функциональной схемы устройства;
• графическая спецификация функциональной схемы устройства;
• времяпараметризованная параллельно-конвейерная модель решения задачи устройством;
• значения показателей эффективности параллельно-конвейерного устройства (время решения задачи, величина тактового интервала/тактовая частота, количество функциональных модулей различных типов/суммарная вентильная сложность/стоимость)
Обобщенный алгоритм формального функционального СЧС-синтеза (SSN, Structure Semantic Numericall Synthesis) представлен на рис. 1.
Входные данные:
• Си - программы задач;
• единицы измерения величин;
• БД ФМ и временные параметры:
• методы параллельной обработки:
• требования-ограничения.
Синтез структур семантико-чи еловых спецификаций (СЧС) и графических спецификаций (См - графов)
Си - программы
Верификация структур семантикочисловых и графических спецификаций Си - программы
Да
Нет
Изменение параметров ресурса функциональных модулей (ФМ): количество ФМ, временная задержка.
Синтез структур СЧСМ и графических спецификаций (ВПГС) временных параллельно-конвейерных моделей
Верификация структур СЧСМ и ВПГС параллельно-конвейерных моделей См - программы
Оценка показателей эффективности параллельно-конвейерных моделей Си-программы (время, тактовая частота)
Синтез структурСЧЕФ и графической спецификации функциональной сх емы параллельно — конвейерного цифрового устройства
Входные данные:
• СЧС спецификация ф - схемы:
• функциональная схема
устройства:
• временная модель работы схемы;
• результаты верификации;
• показатели эффективности.
Рис. і. Обобщенный алгоритм формального функционального синтеза.
Основные этапы метода функционального синтеза
1. Синтез структур семантико-числовой спецификации (СЧС) и графической спецификации (Си-графа) Си-программы.
2. Синтез времяпараметризованной модели Си-программы, использующей совмещение независимых операций .
3. Синтез структур СЧСМ и графической спецификации (ВПГС) временной параллельно-конвейерной модели Си - программы.
4. Оценка показателей эффективности параллельно-конвейерной модели Си-программы (время, тактовая частота.
5. Проверка выполнения требований: «нет» - выполнение п.6 , «да» выполнение
п.7.
6. Изменение параметров ресурса функциональных модулей (ФМ): количества ФМ, параметров ФМ (временной задержки, тактовой частоты), выполнение п.С.
7. Синтез структур СЧСФ и графической спецификации функциональной схемы параллельно - конвейерного цифрового устройства.
8. Вывод результатов формального функционального СЧС - синтеза: СЧС спецификации устройства, функциональной схемы устройства, временной модели работы устройства, показателей эффективности устройства.
Рассмотрим задачу, Си - программу которой представляет рис. 2. Примем, что длительности выполнения операций заданы табл. 1. Требование к длительности такта конвейера ТТ — TT d = 44 нс, ограничения на сложность устройства отсутствуют.
#include <stdio.h> void main(void)
{
inta,b, k,z,p.s;
scanf("%d %d %d %d",&a:&b); if(a = b)
{
k = a % 2;
z = a * b; printf(" % 4 d\n" ,k); printf(" % 4 d\n", z):
}
else
{
p = a b;
s = b / a ;
piintf(M % 4 d\n" ,p); printf(" % 4 d\n", s):
}
}
Рис. 2. Си-программа задачи
Таблица 1
Длительности t°(typj) времени запаздывания в функциональных модулях
базы данных (нс)
typ vx var = = = upl dmx / clk l.o vix stop
Р(нс) 1.0 1.0 1.05 1.5 0.88 0.68 11.0 41.29 1.0 1.00 1.0 1.0
Таблица 2
Структура СЕ семантико-числовой спецификации состава операторов
Си-программы
N MET TYP NSJ SJD BJ NWJ WJD MP1 MP2 VШ REZ
0 0 58 0 0 0 1 є 0 0 1 a_in
1 0 58 0 0 1 1 0 0 0 1 Ь_іп
2 0 47 0 0 2 1 0 0 0 2 a
3 0 47 0 0 3 1 0 0 0 2 Ь
4 0 47 0 0 4 1 0 0 0 2 k
5 0 47 0 0 5 1 0 0 0 2 z
6 0 47 0 0 6 1 0 0 0 2 P
7 0 47 0 0 7 1 0 0 0 2 s
8 0 12 0 2 0 8 5 0 0 2 1 =
9 0 12 2 2 0 3 4 0 0 2 1 =
10 0 23 4 2 0 17 1 0 0 2 1 = =
11 0 51 6 1 0 18 4 1 2 1 2 upl
12 0 57 -1 0 1 22 1 0 0 0 1 C2
13 1 5 7 3 1 23 1 0 0 3 1 %
14 0 12 10 2 1 24 2 0 0 2 2 =
15 0 3 12 3 1 26 1 0 0 3 1
16 0 12 15 2 1 27 2 0 0 2 2 =
17 0 50 17 2 1 29 1 3 0 2 1 bp
18 2 34 19 3 2 30 1 0 0 3 1 1
19 0 12 22 2 2 31 2 0 0 2 2 =
2 0 0 4 24 3 2 33 1 0 0 3 1 /
21 0 12 27 2 2 34 2 0 0 2 2 =
22 0 50 29 2 2 36 1 3 0 2 1 bp
23 3 54 31 2 3 37 1 0 0 2 1 1.0
24 0 49 33 1 3 0 0 0 1 0 stop
25 0 48 34 1 3 0 0 0 1 0 k_out
26 0 48 35 1 3 0 0 0 1 0 z_out
27 0 48 36 1 3 0 0 0 1 0 p_out
28 0 48 37 1 3 -1 0 0 0 1 0 s out
Таблица 3
Структура BE семантико-числовой спецификации состава операторов Си-программы
NN JSD SPJD SNWIH SNWHO TSS JWD WPJD WNWHO WNWIH TVS
0 1 0 0 0 0 -1 8 0 0 0
1 -1 2 1 1 2 -1 9 0 0 0
2 3 1 0 0 0 -1 8 1 1 2
3 -1 3 1 1 2 -1 9 1 1 2
4 5 8 0 0 0 -1 14 1 1 2
5 -1 9 0 1 0 -1 16 1 1 2
1ЩР 2013 № 15 (158). Выпуск 27/1
Продолжение табл. 3
6 -1 10 0 0 0 -1 19 1 1 2
7 8 8 0 0 0 -1 21 1 1 2
8 9 12 0 1 0 9 10 0 0 0
9 -1 11 0 2 1 10 13 0 0 0
10 11 4 1 1 2 11 15 0 0 0
11 -1 13 0 0 0 12 18 0 0 0
12 13 8 0 0 0 -1 20 1 0 0
13 14 9 0 1 0 14 10 1 0 0
14 -1 11 0 2 1 15 15 1 0 0
15 16 5 1 1 2 16 18 1 0 0
16 -1 15 0 0 0 20 0 0 0
17 18 16 1 0 1 11 0 0 0
18 -1 14 1 1 1 19 13 2 0 1
19 20 8 0 0 0 20 15 2 0 1
20 21 9 0 1 0 21 18 2 1 1
21 -1 11 1 2 1 20 2 1 1
22 23 6 1 1 2 13 1 0 0
23 -1 18 0 0 0 14 0 0 0
24 25 9 0 0 0 25 17 1 1 1
25 26 8 0 1 0 25 0 0 0
26 -1 11 1 2 1 16 0 0 0
27 28 7 1 1 2 28 17 0 1 1
28 -1 20 0 0 0 26 0 0 0
29 30 21 1 0 1 23 0 0 1
30 -1 19 1 1 1 19 0 0 0
31 32 22 0 1 1 32 22 1 1 1
32 -1 17 0 0 1 27 0 0 0
33 -1 23 0 0 1 21 0 0 0
34 -1 14 0 0 0 35 22 0 1 1
35 -1 16 0 0 0 28 0 0 0
36 -1 19 0 0 0 23 1 0 1
37 -1 21 0 0 0 24 0 0 1
Рис. 3. Графическая спецификация Си-программы
Визуализация временной параллельно-конвейерной модели исходной Си-программы (в виде Временной Параллельной Граф-Схемы, ВПГС) представлена рис. 4. Она содержит перенумерованные (п =0,1,2,...,11) временные ярусы, множество значений ярусного времени ^п|)= 0.00, 1.00, 2.05,...,88.41(нс), моменты одновременного начала выполнения которых определяются значением ярусного времени ^щ), а также связи операторов по данным и по управлению.
Серия История. Политология. Экономика. Информатика.
2013 № 15 (158). Выпуск 27/1
О О X ? 3 4 Б 6 С 7 ^ ? 10 XX
Рис. 4. Графическая спецификация временной параллельно-конвейерной модели
исходной Си-программы
Графическая спецификация формально синтезированной функциональной схемы параллельно-конвейерного устройства представлена на рис.5. Устройство обеспечивает значение тактового интервала ТТ = 42.34 нс < 44 нс и содержит две функциональные части:
• исполнительное устройство (функциональные модули с номерами 8 ...16, 18...21, 29,30, входной интерфейс схемы представляют вход «vx0» (а_т) и вход «ух1» (Ь_т ), выходной интерфейс представляется выходами «vix25» (k_out), «vix26» ^_ои ), «vix27» (р_ои ) и «vix28» ^_ои^, выход «stop»24 обеспечивает выдачу признака завершения решения задачи);
• устройство управления, в состав которого входит оператор P41 ввода тактового сигнала «с1к», задающего моменты передачи значений данных между конвейерными фрагментами путем синхронизации срабатывания памяти (фиксаторов), и необходимые синхронизирующие связи.
Модули устройства имеют следующую функциональность:
• блоки памяти - регистры (тип выполняемой операции « = ») исходных данных RG8, RG9, СОШ2 нулевой ступени конвейера, регистры - фиксаторы RG14, RG19, RG21, RG32, RG34 первой ступени конвейера FR1, регистры - фиксаторы RG16, RG36, RG38, RG40 второй ступени конвейера FR2[7,8];
• компаратор 10 (блок проверки равенства «==»), обеспечивающий совместно с блоком иРК11 управление разветвлением вычислительного процесса;
• функциональные блоки коммутации (демультиплексоры) БМХ29, БМХ30, управляемые модулем иРК11 и обеспечивающие активизацию вычислений по одному из двух возможных дальнейших маршрутов: или выполнение операций «%» и «*», либо операций «|» и «/»[9];
• модули ВР22, ВР17 типа «Ьр» обеспечивают передачу управления на выходную часть после завершения реализации фрагментов задачи.
I d 11
Рис. 5. Результат формального синтеза функциональной схемы параллельно-конвейерного устройства, совмещенный с временной диаграммой функционирования
Разработанный метод позволяет получить функциональную схему параллельноконвейерного спецпроцессора из Си-программы, исключив при этом субъективные факторы проектирования, связанные со специалистом-проектировщиком. Это обеспечивает возможность существенного уменьшения времени выхода на рынок и многократного увеличения сложности объектов проектирования по сравнению с известными ЕБЛ.
Список литературы
1. Поляков, Г.А. Функциональный синтез параллельных неперестраиваемых спецпроцессоров с использованием аппарата структур семантико-числовой спецификации / Г.А. Поляков, В.В. Лысых, В.В. Толстолужская // Научные ведомости БелГУ. Сер. История. Политология. Экономика. Информатика. - 2012. - № 13 (132). - Вып. 23/1. - С. 142-150.
2. Поляков, Г.А. «Разработка фрагментированной временной параллельной модели алгоритма гаусса на основе формальных полиномов и структур семантико-числовой спецификации» / Поляков ГА, Лысых К.В. // Научные ведомости БелГУ: история, политология, экономика, информатика, №19(138) 2012, выпуск 24/1. - Белгород: ИД «Белгород», 2012. - с. 133-136.
3. Поляков, Г.А., Толстолужский, Д.А.,Толстолужская, Е.Г. Метод синтеза Си-программ смеси алгоритмов. // Сборник научных трудов СОИ. - Х.: ХУ ВС им. И. Кожедуба. - 2008. -Вып. 1(68) - С. 96-100.
4. Поляков Г.А., Е.Г. Толстолужская. Формальный синтез параллельных программ для высокопроизводительных VLIW - процессоров. // Сборник научных трудов СОИ.- Х.: ХУ ВС им. И. Кожедуба. - 2007. - Вип. 8(66) - С. 72-80.
5. Поляков Г. А. Адаптивные самоорганизующиеся системы с мультипараллельной обработкой данных - стратегия развития цифровой вычислительной техники в ККЬм веке / Г. А. Поляков // Прикладная радиоэлектроника. - Х.: АН ПРЭ, 2002. - № 1. - С. 57-69.
6. Гаврилов М. А. Логическое проектирование дискретных автоматов (языки, методы, алгоритмы) / М. А. Гаврилов, В. В. Девятков, Е. И. Пурпырев. - М. Наука, 1977. - 352 с.
7. Горбатов В. А. Автоматизация проектирования сложных логических структур / [В. А. Горбатов, В. Ф. Демьянов, Г. Б. Кулиев и др.]; под ред. проф. В. А. Горбатова. - М.: Энергия, 1978. - 352 с.
8. Корячко В. П. Теоретические основы САПР : учеб. для вузов / В. П. Корячко, В. М. Ку-рейчик, И. П. Норенков. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 400 с.
9. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб.:БХВ-Петербург, 2001. -528 с.: ил.
METHOD OF FUNCTIONAL SNS- SYNTHESIS OF PROBLEM-ORIENTED PARALLEL-PIPELINED DIGITAL DEVICES
G.A. POLYAKOV V.V. LYSYKH
Belgorod National Research University
e-mail:
lysykh@bsu.edu.ru
This paper describes a SNS - method of formal functional synthesis of parallel - pipelined digital devices. Used methods of concurrency - a method of combining independent operations and pipelining method. The basis of the formalism of the synthesis is the application of a new mathematical apparatus - Algebra of Structures Semantic - Numeric Specifications, SNS (instead of traditional language HDL, Verylog, VHDL, System C of Hardware Design
Keywords: Semantic Structures - Number Specifications
(SNS),parameterized by the time (time) parallel model of C - programs, temporary parallel graph - the scheme (TPGS), special processor with nonrearranged architecture, a formal functional synthesis of parallel hardware.
