CC BY
8
УДК - 004.415.2
Игошина М. С. студент
Научный руководитель: Сапрыкин А.Н., к.т.н.
Рязанский государственный радиотехнический университет имени В. Ф. Уткина
Рязань, Россия
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОФТ - ПРОЦЕССОРА:
РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ
Аннотация. В данной статье автор поднимает вопрос о возможности самостоятельной разработки софт-процессора. Научная и практическая значимость результатов исследования заключается в определении оптимальных решений задач, возникающих в процессе моделирования устройства.
Ключевые слова: Проектирование, ПЛИС, САПР, HDL, софт-процессоры.
Igoshina M.S. student
Scientific supervisor: Saprykin A.N., candidate of technical sciences Ryazan State Radio Engineering University named after V.F. Utkin
Ryazan, Russia
FEATURES OF THE DESIGN OF A SOFT PROCESSOR: TASKS TO
BE SOLVED
Annotation. In this article, the author raises the question of the possibility of independent development of a soft processor. The scientific and practical significance of the research results lies in determining the optimal solutions to the problems arising in the process of modeling the device.
Keywords: Design, FPGA, CAD, HDL, soft processors.
Для решения широкого спектра задач электроники, как правило, выбирают метод, основанный на сочетании нескольких блоков:
•Блок, реализуемый логикой ПЛИС для критических процессов;
•Блок элементов программного управления, выполненного в виде софт-процессора, предназначенного для осуществления коммутации с внешними узлами, что сокращает временные затраты на отладку и верификацию алгоритмов.
В подобных случаях от софт-процессоров не требуется высокая производительность, сложная система прерывания или поддержка
различных систем команд, они могут быть примитивными и работать с определенными интерфейсами [2]. Целевыми показателями для процессорных ядер будут являться: возможность оптимизирования под задачу, большая плотность программного кода, позволяющая экономить память ПЛИС, компактность.
Однако так как от качества микропроцессорных ядер зависят технические и потребительские свойства систем на кристалле, они являются одним из важнейших классов вычислительных заготовок, которые в зависимости от уровня гибкости настройки можно разделить на 3 группы:
• Программные заготовки (описаны на языке HDL),
• Жёсткие заготовки (логические схемы),
• Аппаратные заготовки (маски под определенную технологию).
Программные заготовки будут являться самыми универсальными,
так как:
• легко подстраиваются к ограничениям новой модели за счёт несложной перенастройки, приводящей к ряду модификаций с различным сочетанием объёма памяти, периферийных устройств и т.д.;
• обладают высоким быстродействием;
• независимы от технологий;
• могут быть реализованы и синтезированы в ПЛИС различных компаний-производителей.
Рассмотрим применение софт-процессоров в двух конкретных случаях: в системах цифровой обработки сигналов и во встраиваемых приложениях.
Исходя из того, что технические характеристики схем на основе ПЛИС хуже, чем у аналогичных специализированных микросхем, при проектировании процессора следует учитывать следующие отличительные черты ПЛИС:
• Возможность реализации параллельно работающих вычислительных структур и аппаратных ускорителей цифровых интерфейсов;
• Большое количество аппаратных блоков, позволяющих обеспечить суммарную производительность от GMAC/с до TMAC/с.
При использовании процессора в системе цифровой обработки сигналов основная производительность обеспечивается узлами, собранными на основе компонентов DSP [1]. В свою очередь, процессорное ядро решает вспомогательные задачи, такие как:
• Настройка;
• Калибровка;
• Мониторинг работы;
• Организация интерфейса с оператором и внешними микросхемами.
Следовательно, на первый план выходит задача тесной интеграции с модулями цифровой обработки сигналов.
Следующей немаловажной проблемой процесса проектирования является способность поддержания постоянства интервала дискретизации по времени At. Сохранения потактовой точности крайне трудно добиться, так как без своевременного принятия в процессоре специализированных мер возможно выполнение операций обработки интерфейсов, прерывания, а при наличии кэш-памяти не исключены промахи при доступе к данным.
Решение подобной задачи заключается в использовании аппаратных обработчиков на базе программируемых ячеек и блоков DSP ПЛИС, способных потактно предсказывать поведение, а включение процессора позволить разрешить ряд вопросов, связанных с изменением параметров фильтрации на программном уровне.
Использование софт-процессоров во встраиваемых системах целесообразно для организации работы микроконтроллера вокруг обработчиков прерывания в случае приложения с большим количеством протекающих процессов разнородного характера.
Так как линейное исполнение основного алгоритма сочетается с обработкой запросов на прерывание от различных внешних источников и периферийных устройств самого микроконтроллера, то одновременный приход нескольких запросов на прерывание способен привести к аварийной ситуации.
Решением подобной проблемы будет являться применение софт-процессора, позволяющее взять на себя вспомогательные задачи, которые требуют интенсивных вычислений.
Центральный процессор, как и в случае систем цифровой обработки, направлен на реализацию функций управления, мониторинга и организации внешних интерфейсов.
Использованные источники:
1. Новожилов О. П. Основы микропроцессорной техники. Учебное пособие в двух томах. М.: РадиоСофт, 2014.
2. Тарасов И. Е. Проектирование конфигурируемых процессоров на базе ПЛИС // Компоненты и технологии. 2006. № 2-4.
