CC BY
50
Вычислительные технологии
Том 10, Специальный выпуск, 2005
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ НЕОДНОРОДНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Б. И. Борде
Красноярский государственный технический университет, Россия
e-mail: borde@kgtu.runnet.ru
Models of heterogeneous computing system (HCS) components are examined at different levels of abstraction. Multifunction models for a number of applications are proposed accounting for both abstract and specific types of components. The multifunction models allow once only descriptions of the use of HCS in a number of applications.
Введение
На верхнем уровне абстракции (рис. 1) рассматриваем функциональные модели компонентов в целом, которые называются макромоделями компонентов и описываются функциями выходов и переходов. В различных системах моделирования и проектирования функциональные модели компонентов представляются в различных формах и на различных языках [1, 2].
На следующем уровне абстракции находятся структурные модели, в которых отражается внутренняя структура компонентов. Такие модели будем называть микромоделями. На этом уровне можно грубо оценить ресурсы.
Одна и та же структура может быть реализована с помощью различных принципов действия. Физические принципы действия компонентов неоднородных вычислительных
ЦЕЛЬ
ФУНКЦИЯ
СТРУКТУРА
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
ПАРАМЕТРЫ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
КОНСТРУКЦИЯ
Рис. 1. Иерархия технических решений на различных уровнях абстракции.
© Институт вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук, 2005.
систем подробно описаны в [1-4] и будут рассмотрены только при оценке ресурсов или оптимизации.
Зная принцип действия, с учетом уровня техники и технологии можно перейти к уровню технического решения. Техническое решение должно быть выполнимым. После получения технического решения возможно изменение параметров решения с целью повышения качества изделия.
Определив параметры технического решения, можно перейти к конструкции компонента. Например, в зависимости от рассеиваемой кристаллом мощности ему будет соответствовать корпус. На конструкцию существенное влияние оказывает внешняя среда (условия эксплуатации). Таким образом, на верхнем уровне абстракции находятся функциональные модели компонентов, а на нижнем уровне — конструкции компонентов и их геометрия. Геометрические модели компонентов используются при конструировании [1-3]. Абстрактным типам компонентов соответствуют только функциональные модели, а конкретным типам компонентов наряду с функциональными моделями — геометрические и ресурсные модели компонентов. Предлагаются многофункциональные модели для множества приложений с учетом абстрактных и конкретных типов компонентов и однократного описания неоднородных вычислительных систем.
Описание проектного решения, достаточное для автоматизированного ввода и интерпретации формальной системой, называется формализованным заданием, широко используемым в САПР. Формализованные задания (FZ) состоят из множества разделов, а разделы (Pi) — из предложений соответствующего языка:
FZ =< P1,P2...PN > .
Каждый раздел синтаксически и семантически однороден и соответствует отношению. В качестве примера рассмотрим исследовательскую САПР COD, в которой формализованное задание состоит из разделов (табл. 1).
В разделе INPUT описываются отношения между номерами цепей, типом сигнала, тактами начала и конца изменения сигнала.
В разделе UNIT описываются отношения между типами и номерами компонентов, номерами цепей, подключенных к выходам и входам, причем описание производится покомпонентно в виде многофункциональных моделей компонентов.
Модели компонентов могут использоваться на различных уровнях абстракции. Например, функциональные модели могут применяться для автоматического анализа поведения объекта; модели параметров компонентов — для оценки вариантов реализации устройства. Ряд моделей компонентов используется для интерфейса с системами конструкторского проектирования, находящимися на другом уровне абстракции.
Рассмотрим многофункциональные модели компонентов.
Таблица 1. Разделы формализованного задания
Имя раздела Описание раздела
INIT Начальная установка
INPUT Описание внешних воздействий
UNIT Описание устройства
CTRL Управление
MOD Модели новых компонентов
1. Модели компонентов
Модели компонентов могут быть функциональными, геометрическими. Модель геометрии компонента может соответствовать символу на принципиальной схеме или геометрии конструктива.
Функциональные модели компонентов MFComp (табл. 2) состоят из разделов ВЫЕ:
MFComp =< РМЕ1,РМЕ2,..., РМЕ5 > .
Таблица 2. Разделы функциональной модели компонента
Имя Имя
раздела раздела (метка) Описание раздела
1 FINIT Проверка допустимости параметров, размещение структур данных и их заполнение
2 FTYP Контроль типов компонентов и выбор возможных реализаций
3 FS Восстановление состояний компонентов
4 FOUT Формирование и контроль выходных сигналов
5 FEND Освобождение ресурсов
Таблица 3. Модели компонентов
№ Наименование Имя Имя таблицы
процедуры параметров
1 Генерация цифровых сигналов SIGNAL няЮХ
2 Управление многовариантным анализом IPRINT ШРИШТ
3 Управление процессом анализа APRINT НАРИШТ
4 Обобщенный логический элемент LO иьо
5 Триггер MTJK НМТЛК
6 Мультиплексор MX НМХ
7 Узел мультиплексора многоразрядного MMX НММХ
8 Последовательный сумматор-счетчик MCT НМСТ
9 Последовательный сумматор реверсивный MCTR НМСТИ
10 Параллельный интерфейсный узел MIR НМ1И
11 Последовательный интерфейсный узел MIS НМВ
12 Модель микроЭВМ MKM НМКМ
13 Модель процессора MPU НМРи
14 Процессор аналоговый MPA НМРА
15 Пороговый элемент PE НРЕ
16 Компаратор аналоговый CA НСА
17 Цифроаналоговый преобразователь DAC НБАС
18 Аналого-цифровой преобразователь ADC НАБС
19 Мультиплексор универсальный MXU НМХи
20 Мажоритарный элемент MAJ НМАЛ
21 Регистр последовательного приближения RPP НИРР
22 Узел оперативной памяти RAM НИАМ
23 Кодер и декодер DC НБС
24 Сумматор цифровой SUMD НЯИМБ
25 Таймер TIM НТ1М
Для каждого класса компонентов разрабатываются модели с общей структурой данных. В табл. 3 сведены основные классы компонентов, имена процедур и имя таблицы синтаксиса и семантики параметров. В табл. 4-6 приведены синтаксис и семантика основных классов компонентов.
Обязательными в общей структуре данных являются тип компонента, его номер и данные, соответствующие именам выходных и входных цепей. Сначала описываются номера выходных, а затем входных цепей. Состояние сигналов, номера которых соответствуют номерам цепей, хранится в глобальной структуре данных. Для входных цепей процедура только считывает информацию о состоянии сигнала, а для выходных цепей процедура производит запись новых состояний.
С целью сокращения объема описания для каждого класса компонентов используются не одна, а две основные структуры данных. В первой используются массивы номеров входных или выходных цепей. В этом случае на порядок следования номеров цепей отсутствуют ограничения. Для второй структуры указываются только номер цепи старшего разряда (минимальное значение номера) и количество цепей. Но в этом случае номера цепей должны быть расположены в порядке возрастания и процедура заполняет массив номеров цепей, освобождая от этого студента или инженера. Имена для первой точки входа в виде массива номеров цепей образуются из имени класса компонента и окончания NIN, а для второй точки входа — окончания MIN (минимальный).
Структуры данных для этих точек входа должны синтаксически отличаться, а для их использования в формализованное задание должны быть включены файлы описания точек входа. Например, для среды PL/1 файлы имеют имя, составленное из символа W и общего имени процедуры, а для C+—+ включается файл типа *.H. Примеры описаний для выбора точки входа процедуры моделирования универсального логического элемента приведены на языках PL/1:
DCL (LONIN ENTRY (CHAR (*), DEC FIXED (3), DEC FIXED (3), DEC FIXED (3), (*)DEC FIXED (3)), LOMIN ENTRY (CHAR(*), DEC FIXED (3), DEC FIXED (3), DEC FIXED (3), DEC FIXED (3), DEC FIXED (3)));
DCL LO GENERIC (LONIN WHEN (....), LOMIN WHEN (....)); на C++:
void LO (char*typ, int nel, int noutp, int noutn, IntVector& jin); void LO (char*typ, int nel, int noutp, int noutn, int ninmin, int nsign); на JAVA:
public static void LO (String typ, int nel, int noutp, int noutn, int ninmin, int nsign); public static void LO (String typ, int nel, int noutp, int noutn, int[] mnin); Семантика параметров приведена в табл. 4.
Модель компонента состоит из ряда разделов и наряду с выполнением основных функций выдает диагностические сообщения.
В первом разделе объявляются в соответствии с классом компонентов структуры данных и независимо от используемой точки входа заполняются массивы номеров входных и выходных цепей. Желательно объявление массивов произвольной размерности с последующим определением размеров фактически переданных массивов по каждому измерению.
Во втором разделе процедуры с именем FTYP проверяется допустимость типа компонента и определяются тип и параметр выполняемой функции. Для недопустимого типа компонента выдается сообщение об ошибке. После проверки типа компонента оператор с меткой FPAR запоминает тип и номер компонента путем вызова функции FPAR. Тип и
Таблица 4. Синтаксис и семантика параметров обобщенной модели логического элемента ЬО
№ Идентификатор Тип данных PL / 1 Тип данных C, C++, JAVA Тип данных ADA Семантика Примечания
1 TYP CHAR (*) char (C++) String (Java) character Тип элемента: min и max аналогового сигнала "MIMAA", для цифровых сигналов ключи приведены в примечании Ключи '&', т, 'ЛА', 'ЛЕ', 'ЛИ', 'ЛП', 'М2',
2 NEL DEC FIXED(3) int integer Номер элемента
3 NOUTP DEC FIXED(3) int integer Выход неинвертирующий
4 NOUTN DEC FIXED(3) int integer Выход инвертирующий
Отличие для точки входа LON IN
5 NIN (*) DEC FIXED(3) IntVector (C++) int[] (Java) integer Массив номеров входов
Отличие для точки входа LOM IN
6 NMIN DEC FIXED(3) int integer Номер входа минимальный
7 NSIGN DEC FIXED(3) int integer Количество входов
Таблица 5. Синтаксис и семантика процедуры генерации входных сигналов
№ Идентификатор Тип данных PL / 1 Тип данных C, C++, JAVA Тип данных ADA Семантика Примечания
1 NSIGNAL DEC FIXED(3) int integer Номер сигнала
2 STRBIT BIT (*) BitString Символьная строка Битовая строка
3 NTMIN DEC FIXED(6) int integer Номер такта начала изменения сигнала
4 NTMAX DEC FIXED(6) int integer Номер такта окончания изменения сигнала
номер компонента в дальнейшем используются для автоматической оценки параметров устройства с помощью процедуры РРАИЯиМ. Информация о параметрах компонентов хранится в таблице UIFCAD.DBT-UIPCAD.DBM, где также имеются параметры конкрет-
Таблица 6. Синтаксис и семантика моделей мультиплексоров цифровых и аналоговых сигналов (МХ и МХИ)
№ Идентифи- Тип Тип Тип Семантика Примечания
катор данных PL / 1 данных C, C++, JAVA данных ADA
1 TYP CHAR (*) Char (C++) String (Java) character Тип мультиплексора 'КП' предназначен для коммутации цифровых сигналов, а 'КН' - для аналоговых МХ, мхи 564КП1 564КП2 К561КП1 К561КП2 К1561КП1 К1561КП2 К590КН1 К590КН6 К591КН3
2 NEL DEC FIXED(3) int integer Номер элемента
3 NOUTP DEC FIXED(3) int integer Номер прямой
4 NOUTN DEC FIXED(3) int integer Номер выхода инвертирующий
5 NC DEC FIXED(3) int integer Номер входа разрешения
6 NA (*) DEC FIXED(3) int integer Массив номеров цепей передачи адреса Размерность массива должна соответствовать типу мультиплексора
7 JIN (*) DEC FIXED(3) IntVector (C++) int[](Java) integer Массив номеров входных цепей
Отличительные особенности параметров точки входа MXM
8 NMIN DEC FIXED(3) int integer Номер входа минимальный
9 NSIGN DEC FIXED(3) int integer Число входных цепей
ных типов компонентов, для которых известны: потребляемая мощность, стоимость, площадь, масса. Абстрактные типы компонентов имеют произвольную разрядность и произвольное число входов-выходов, но не имеют конкретных параметров. Абстрактные типы компонентов заменяются конкретными при определении элементной базы.
Третий раздел с именем FS служит для оценки состояния компонента, а четвертый раздел с именем FOUT — для вычисления новых значений выходных сигналов. Оценивается допустимость полученных выходных сигналов, и в случае необходимости запрещенные
значения заменяются на допустимые. Например, для троичной модели уровни сигналов обозначены: C0 — уровень нуля, C1 — уровень единичного состояния, CF — фронт, CZ — обозначение запрещенного состояния. Использование таких обозначений облегчает переход из одной языковой среды в другую. Именем завершающего раздела является FEND.
2. Представление многофункциональных моделей
Пример процедуры обобщенного логического элемента для цифровых и аналоговых сигналов на языке C+—+ c общим именем LO и массивом номеров цепей или объединенных упорядоченных в порядке возрастания номеров цепей с параметрами номера цепи старшего разряда и количества входных цепей приведен ниже:
# include <vextcpp.h>
void LO(char *typ,int nel,int noutp,int noutn,int nmin,int nsign) { IntVector jin (nsign);
for (int i=0; i<nsign; i++) jin[i] = i + nmin; LO(typ,nel,noutp,noutn,jin); }
void LO(char *typ,int nel,int noutp,int noutn,IntVector& jin) { int nsign,nmin,i,j; unsigned int newi;
int mnin=jin.Dim(); IntVector nin(mnin);
static char *typs[] = {"& ","ЛА","ЛИ","1","ЛЕ","ЛЛ","М2","ИП"}; const int NTYP = sizeof(typs)/sizeof(*typs); static struct logic
{ unsigned ex1 : 2; unsigned ex2 : 2; unsigned ex3 : 2; unsigned ex4 : 2; } ft[NTYP] =
{ {C0,C0,C0,C1}, {C0,C0,C0,C1}, {C0,C0,C0,C1}, {C0,C1,C1,C1}, {C0,C1,C1,C1}, {C0,C1,C1,C1}, {C0,C1,C1,C0}, {C1,C0,C0,C1} }; unsigned int newo[NTYP] =
{ C1,C1,C1,C0,C0,C0,C0,C0 }; nin = jin;
FTYP: // Begin MINMAX
if ( strstr(typ,"MIMAA")!=NULL ) { int ia; float amin,amax; amin = as[nin[0]].ANex; amax = as[nin[0]].ANex; for (ia=0; ia<mnin; ia++)
{ if (as[nin[ia]].ANex > amax) amax = as[nin[ia]].ANex;
if (as[nin[ia]].ANex < amin) amin = as[nin[ia]].ANex; } as[noutp].ANew = as[noutp].ANex = amax; as[noutn].ANew = as[noutn].ANex = amin; } // end MINMAX else { for ( j=0; j<NTYP ; j++)
if (strstr( typ,typs[j] ) != NULL ) newi = newo[j]; break; } if ( j>>=NTYP )
{ fprintf(stderr,"B процедуре LO отсутствует тип % s, № элемента: % d\n", typ,nel); return; }
FPAR: if (nt == 0 & & ppt) { Fpar (typ,nel); }
FOUT: for ( i=0 ; i<mnin ; i++ )
{ if ( out[nin[i]].Nex == CZ ) out[nin[i]].Nex = CF; newi = (
(ft[j].ex1 & ~newi & ~out[nin[i]].Nex) | (ft[j].ex2 & ~newi & out[nin[i]].Nex) | (ft[j].ex3 & newi & ~out[nin[i]].Nex) | (ft[j].ex4 & newi & out[nin[i]].Nex) ); } newi = newi==CZ ? CF:newi; out[noutp].New = newi;
out[noutn].New = (newi == CF) ? CF : ~newi; } } // end of LO
Примеры формализованных заданий с использованием синтаксиса различных языков программирования приведены в работе [2] и на оптическом диске. Результаты анализа отображаются в виде временных диаграмм цифровых и аналоговых сигналов, а оценка ресурсов и критериев эффективности для всех вариантов заносится в файл сообщений типа msg. Геометрические модели компонентов позволяют получать трехмерное отображение модуля ЭВМ или вычислительной системы в среде виртуальной реальности [2, 4], отображать принципиальную схему с помощью программы просмотра для Интернет. Специализированные модели компонентов позволяют получать командные файлы построения схем в САПР PCAD, ORCAD, CADDy, CATIA [1, 2]. Модели компонентов для различных приложений объединяются в библиотеки и подключаются в зависимости от требуемого результата работы.
Заключение
Рассмотрены модели компонентов на различных уровнях абстракции неоднородных вычислительных систем. Многофункциональные модели компонентов позволили использовать однократное описание НВС в виде формализованного задания для множества приложений. Логические операции и коммутация выполняются как над двух- и трехзначными
моделями сигналов, так и над бесконечнозначными (аналоговыми). Для конкретных типов компонентов автоматически оцениваются ресурсы. Предложенные многофункциональные модели компонентов позволяют расширить множество приложений при единственном описании системы.
Список литературы
[1] НОРЕНКОВ И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 360 с.
[2] Борде Б.И. Основы САПР неоднородных вычислительных устройств и систем: Учеб. пособие. Красноярск: Изд-во КГТУ, 2001. 351 с.
[3] Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР. М.: Энер-гоиздат, 1987. 400 с.
[4] ТиттЕл Э., Сандерс К., Чарли С., Вольф П. Создание УИЫЬ-миров: Пер. с англ. М.: Издательская группа БИУ, 1997. 320 с.
Поступила в редакцию 2 ноября 2005 г.
