Верификация высокоуровневых ресурсов в распределенной вычислительной среде для решения проектных задач обеспечения целостности сигналов

Чудинов Станислав Михайлович; Колесников Михаил Анатольевич

УДК 004.938:006.8

С. М. Чудинов, М. А. Колесников

Верификация высокоуровневых ресурсов в распределенной вычислительной среде для решения проектных задач обеспечения целостности сигналов

Аннотация. В рамках интеграции высокоуровневых ресурсов в распределённой вычислительной среде для решения научных и инженерных задач предлагаются научные решения по проектированию вычислительных систем с использованием верификации аппаратно-программного комплекса с целью обеспечения целостности сигналов при проектировании.

Ключевые слова и фразы: целостность сигналов, аппаратно-программный комплекс, верификация, вычислительные системы.

Введение

В настоящее время технические и эксплуатационные характеристики высокопроизводительных вычислительных систем во многом определяются конструкцией межсхемных соединений и технологией их получения. Необходимость максимального использования скоростных свойств логических элементов субнаносекундного диапазона, вынуждает разработчиков постоянно совершенствовать методы автоматизированного проектирования и оптимизации построения вычислительных средств для обеспечения целостности и высоких характеристик передаваемых сигналов. Резервы в этом направлении заложены в развитии технологии виртуального математического моделирования переходных процессов при прохождении сигналов в межсхемных соединениях; учете паразитных характеристик реальных соединений на всех уровнях проектируемого устройства; адаптации системы автоматизированного проектирования с целью повышения точности характеристик проектируемых устройств; практическом подтверждении верности принимаемых решений и умения предсказания реальных характеристик соединений [1].

Одним из направлений в этой области исследований является верификация аппаратно-программного комплекса с использованием микромоделей как распределенная вычислительная среда для исследования целостности сигналов при проектировании вычислительных средств. Базовая технология обеспечения целостности сигналов вычислительных комплексов с верификацией аппаратно-программных средств может быть создана с использованием средств моделирования и анализа переходных процессов в линии передачи информации на уровне многослойных печатных плат (МПП). Задача электронного конструирования межсхемных соединений с прогнозированием надежности информационного обмена между логическими элементами является традиционно сложной для любого разработчика вычислительных систем и может быть решена с использованием математических моделей. При расчете переходных процессов в линиях связи особенно остро встает проблема точности математических моделей, т.к. любая модель основана на ряде физических допущений, а, следовательно «работает» в ограниченном диапазоне геометрических и электрических характеристик линий передачи. Результаты моделирования достигают десятки процентов. В связи с выше изложенным в работе, предлагается базовая технология моделирования межсхемных соединений в основе, которой лежат три направления использования:

(1) Для решения проблемы предлагается использовать ряд простейших микромоделей межсхемных соединений на всех конструктивных уровнях проектируемой электронной системы при дальнейшем синтезе максимальной помехи монтажа на входах логических элементов. В микромоделях наглядно отражается влияние элементов монтажа на общую целостность логических сигналов.

(2) Основная идея верификации программно-аппаратного комплекса моделирования (АПКМ) заключается в объединении программного ядра, содержащего алгоритмы моделирования переходных процессов в межсхемных соединениях с измерительным трактом, позволяющим исследовать реальные осциллограммы переходных процессов в линиях передачи с известными геометрическими и электрическими характеристиками, расположенными на Тест-плате. Такая технология моделирования позволяет оценить точность расчета переходных процессов в межсхемных соединениях, настроить параметры моделей, а, следовательно, повысить надежность прогнозирования информационного обмена.

(3) Комплекс моделирования должен обладать высокой производительностью для оперативного принятия решений о корректности моделей. Связка: иЯВ-генератор - Тест-плата - иЯБ-осцилло-граф - Ноутбук, а также система мультиплицирования сигналов позволяют исследовать переходные процессы в тест-линиях, как в автоматическом, так и в автоматизированном режимах с выбором сканируемой линии из графического интерфейса.

Таким образом, базовая технология моделирования межсхемных соединений обеспечения ЦС позволяет обеспечить решение вышеуказанных задач исследований, что становится особенно актуальным при проектировании современных вычислительных систем, имеющих оптимальные коммуникационные соединения с высокими техническими характеристиками [2,3].

Базовая технологии моделирования межсхемных соединений может быть использована в системе автоматизированного проектирования электронных систем и комплексов. Совместно с аппаратно-программным комплексом моделирования (АПКМ) проверяется и контролируется качество и соответствие требуемым параметрам изготовленные образцы многослойных печатных плат. АПКМ может быть полезен также при контроле некоторых типов ячеек, модулей и других электронных устройств. Разработанные на основе указанной технологии моделирования межсхемных соединений программные средства, а также аппаратно-программный комплекс, предназначены, прежде всего, для проектирования средств вычислительной техники, где особенно актуальны решение таких задач, как максимальное использование скоростных свойств логических элементов субнаносекундного диапазона. Также эти средства могут быть использованы в других радиоэлектронных устройствах, где немаловажным является проблема помехозащищенности от влияния коммутирующих цепей, от взаимного влияния проводников металлизации и других элементов монтажа. Предлагаемая технология моделирования межсхемных соединений основана на определенных параметрах модели на основе реальных измерений по максимальному совпадению пролонгированных измеренных переходных процессов. Программная часть комплекса отвечает за моделирование, а аппаратная — за измерение переходных процессов. Достоинством технологии является подход к определению параметров модели и реализация параметров модели по заданному критерию. Основные требования к параметрам технологии моделирования межсхемных соединений в системе автоматизированного проектирования

Таблица 1. Требования к параметрам технологии моделирования межсхемных соединений

Наименование параметра Значение

Точность измерения (расчета) первичных, электриче- 1-3

ских характеристик элементов конструкции включая

выводы ИС, разъемы, пассивные компоненты и др., %,

не хуже

Точность прогнозирования параметров помех отражения 3

и перекрестных помех, %, не хуже

Точность прогнозирования параметров помех по пита- 3

нию, %, не хуже

Точность прогнозирования амплитудных и временных 5

потерь в интерфейсных линиях связи, %,не хуже

Рис. 1. Структурная схема АПКМ

вычислительных систем и комплексов приведены в таблице 1, погрешность моделирования определяется самой моделью — насколько она в полном объеме отражает основные физические процессы.

Применение базовой технологии моделирования межсхемных соединений в системе автоматизированного проектирования вычислительных систем и комплексов обеспечит более качественное решение

Тест - плата

Рис. 2. АПКМ в развернутом положении

ряда технических задач, как повышение скоростных свойств логических элементов субнаносекундного диапазона, другими словами, производительности, помехозащищенности, оптимизации конструкции ячеек, модулей и комплексов. Аппаратно-программный комплекс моделирования представляет собой устройство, состоящее из несущей конструкции, в состав которой могут входить процессорные модули, в том числе одноплатный компьютер, измерительные приборы и съемный набор тестовых плат эталонных линий передачи. Структурная схема моделирования (АПКМ) межсхемных соединений приведена на рис. 1, а на рис. 2 представлен АПКМ в развернутом виде.

Неотъемлемой частью АПКМ является микромодули. В микромодулях наглядно отражается влияние элементом монтажа на общую целостность логических сигналов.

Показано, что технология автоматизированного анализа ЦС в многослойных печатных платах конкурентоспособна, обеспечивает частичное импортозамещение программы НурегЬупх компании Меп-1огОгарЫс8. Указанные АПКМ может быть успешно использован

С. М. Чудинов, М. А. Колесников --------1

Регулируемый блок питания

Rl

Rn

Поле SMD резисторов с переменным шагом

Й н Й ч

13

н

о ф

н

я Й м о ч

с

ф

н

Рис. 3. Блок-схема аппаратно-программного комплекса теплового поля ячейки (блока)

Рис. 4. Функциональная схема тепловизора со сканированием по строкам и кадру: 1 — объектив; 2 и 3 — сканирующие зеркала; 4 — приемник излучения; 5 — электронный тракт; 6 — видеоконтрольное устройство

О

для контроля тепловых процессов в радиоэлектронных средствах произвольной конструкции.

Основная идея использования (верификации) программно-аппаратного комплекса моделирования (АПКМ) заключается в объеди-

нении программного ядра, содержащего алгоритмы моделирования тепловых процессов в объеме крейта с измерительным трактом, позволяющим исследовать реальные рельефы температуры с известными геометрическими и электрическими характеристиками, расположенными на Тест-крейте. В стандартную процедуру моделирования переходных процессов добавляются две операции: операция контроля точности модели и операция коррекции постоянных коэффициентов математических моделей для конкретной конструкции ячейки (модуля). Такая технология моделирования позволяет оценить точность расчета тепловых характеристик исследуемого объема путем совмещения расчетных и экспериментальных тепловых полей, настроить параметры моделей, а следовательно повысить надежность прогнозирования тепловой обстановки активной элементной базы. Для реализации предлагаемой концепции необходимо спроектировать и изготовить тестовый объем (крейт) с имитаторами активных ячеек, где в качестве нагревательных элементов могут быть использованы БМВ-резисторы, а в качестве приемника теплового поля может быть использован сканирующий тепловизор (рис. 3,4). Информация о полях распределения температуры может концентрироваться в микроконтроллере и передаваться в Ноутбук для дальнейшей обработки и представления в 3В пространстве.

Заключение

Предложенная верификация АКПМ как инструментальная база моделирования позволяет повысить точность и надежность прогнозирования переходных процессов за счет внедрения двух операций: операция контроля точности модели и операция коррекции постоянных коэффициентов модели для контрольных линий передачи МПП. Предложенная технология моделирования позволяет оценить точность расчета переходных процессов путем совмещения с экспериментальными осциллограммами и контроль параметров модели в пределах 3-х процентов.

Список литературы

[1] М. А. Колесников, С. М. Чудинов, А. А. Черепнев. «Формализация задач электронного проектирования межсхемных соединений при разработке САПР высокопроизводительных ЭВМ», Научные Ведомости БелГУ. История. Политология. Экономика. Информатика, 1(72):13/1 (2010), с. 101-107 t 19.

[2] М. А. Колесников, М. О. Полежаев, С. М. Чудинов. «Аппаратно-программный комплекс моделирования межсхемных соединений высокопроизводительных систем», Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ, 2014, №1, с. 53-60 t 21.

[3] М. А. Колесников, А. А. Черепнев, С. М. Чудинов. «Методика проектирования шин электропитания высокопроизводительных ЭВМ», Научные Ведомости БелГУ. История. Политология. Экономика. Информатика, 7(78):14/1 (2010), с. 142-153 t 21.

Рекомендовал к публикации Программный комитет

Третьего национального суперкомпьютерного форума НСКФ-2014

Об авторах:

Станислав Михайлович Чудинов

Доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора по научной работе ОАО «НИИ супер ЭВМ». Специалист по созданию автоматизированных систем управления. Дважды лауреат Государственной премии СССР. Имеет государственные награды и почетные звания: «Заслуженный деятель науки РФ», «Заслуженный Изобретатель СССР» и др.

e-mail: chud35@yandex.ru

Михаил Анатольевич Колесников

Кандидат технических наук, с.н.с. ученый секретарь НТСЭ. Специалист в области моделирования межсхемных соединений высокопроизводительных систем и силовой электроники. e-mail: mikekolesnikov@mail.ru

Пример ссылки на эту публикацию:

С. М. Чудинов, М. А. Колесников. «Верификация высокоуровневых ресурсов в распределенной вычислительной среде для решения проектных задач обеспечения целостности сигналов», Программные системы: теория и приложения, 2015, 6:2(25), с. 19-27.

URL http://psta.psiras.ru/read/psta2015_2_19-27.pdf

Stanislav Chudinov, Mikhail Kolesnikov. Verification of high-level resources in a distributed computing environment to re-address the project objectives ensure signal integrity.

Abstract. In the framework of the integration of high-level resources in a distributed computing environment for solving scientific and engineering problems hos-proposed scientific decisions on the design of computing systems using verification of hardware and software to ensure the integrity of the signals in the design. (In Russian).

Key Words and Phrases: signal integrity, hardware and software, verification, computer systems.

References

[1] M. A. Kolesnikov, S.M. Chudinov, A. A. Cherepnev. "Formalization of tasks of electronic designing of intercircuit connections by development CAD system for high-efficiency computers", Belgorod State University Scientific Bulletin. History. Political science. Economics. Information technologies, 1(72):13/1 (2010), pp. 101-107.

[2] M. A. Kolesnikov, M. O. Polezhayev, S. M. Chudinov. "Hardware-software complex modeling intercircuit connections high-performance systems", Voprosy radioelektroniki. Ser. EVT, 2014, no.1, pp. 53-60.

[3] M. A. Kolesnikov, A. A. Cherepnev, S.M. Chudinov. "The method of designing high-performance tires powertional computer", Belgorod State University ¡Scientific Bulletin. History. Political science. Economics. Information technologies, 7(78):14/1 (2010), pp. 142-153.

Sample citation of this publication:

Stanislav Chudinov, Mikhail Kolesnikov. "Verification of high-level resources in a distributed computing environment to re-address the project objectives ensure signal integrity", Program systems: theory and applications, 2015, 6:2(25), pp. 19-27. (In Russian.) URL http://psta.psiras.ru/read/psta2015_2_19-27.pdf