СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ.

Е. И. Мамаев
(Марийский государственный технический университет, Россия)

Современное состояние микроэлектроники обусловило три основных направления разработки и создания микропроцессорных и специализированных систем: универсальные микропроцессоры и программируемая логика.

В последнее время в качестве универсальной элементной базы для синтеза проблемно-ориентированных и специализированных вычислительных устройств (ВУ) широкое распространение получили программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) высокой степени интеграции. В этих микросхемах была реализована идея программируемой архитектуры, позволяющая использовать гибкость программного подхода и скорость жесткой логики одновременно. Теоретические основы синтеза ВУ на основе подобного рода структур были заложены в работах по однородным вычисли тельным системам и средам и по теории автоматов с программируемой (перестраиваемой) структурой [3,4,5].

При синтезе ВУ на основе вычислительных сред могут быть использованы два основных подхода, которые могут применяться по отдельности или совместно. Первый подход известен как структурное моделирование алгоритма и заключается в том, что алгоритм в виде ярусно параллельной формы укладывается в вычислительную среду. Наиболее эффективно таким способом реализуется операционный автомат. При втором подходе алгоритм преобразуется в описание конечного автомата, который строится или непосредственно но классической схеме Хаффмана или па основе ее вариантов с применением кодирования входной, выходной и промежуточной информации |3,5|. В основе реализации таких, автоматов лежит использование универсальных логических модулей (УЛМ) или многофункциональных логических модулей (МЛМ) |L2,5j. Непосредственная реализация УЛМ с большим числом информационных входов затруднена быстрым ростом аппаратурных затрат и числа настроечных входов, поэтому для реальных задач целесообразно осуществлять синтез комбинационной части автомата с использованием МЛМ или на основе многоуровневых схем из УЛМ малой размерности.

Современные НЛИС с архитектурой EPGA, выпускаемые фирмами А1tera, Xilinx и др.|6.71. позволяют применять оба упомянутых подхода. Основу этой архитектуры составляет матрица логики, состоящая и'; множества комбинационных перестраиваемых автоматов (КНА). объединенных сложной программируемой коммутационной сетью, и элементы памяти, необходимые для синтеза ВУ с памятью. Моделью НЛИС с архитектурой EPGA может служить система, автоматов с программируемой коммутацией |4|. В семействе ELEX ПЛИС фирмы Alt-era в качестве КПА используется УЛМ с 4 информационными входами [б]. Как показывает практика, такая архитектура ПЛИС позволяет эффективно осуществлять как синтез управляющих блоков в виде сложных конечных автоматов, гак и синтез операционных узлов.

Основная задача проектирования ВУ на ПЛИС состоит в построении системы булевых функций (СБФ), задающих однозначное соответствие между наборами входных и выходных переменных и синтезе такой схемы из УЛМ, которая бы реализовывала эту СБФ с минимальными аппаратурными затратами и формированию настроечной информации.

Каждая из фирм производителей ПЛИС предлагает разработчикам для автоматизации решения поставленной задачи систему автоматизированного проектирования (САПР). В качестве удобной обучающей системы по проектированию ВУ на основе микросхем программируемой логики можно использовать САПР ПЛИС Мах I PLUS II фирмы Altera.

Эффективность реализации алгоритмов определяется соответствием архитектуры ВУ и параметров этих алгоритмов. Поэтому для получения оптимальных решений целесообразно на различныхэтапах проектирования оценить эту эффективность для того, чтобы можно было использовать известные методы преобразования алгоритмов для улучшения их параметров и, соответственно, выбрать адекватные средства их реализации. С этой целью была разработана методика синтеза и моделирования функциональных схем на основе УЛМ и МЛМ, которая в сочетании с фирменными средствами делает прозрачным и структурированным процесс разработки ВУ на ПЛИС, что очень важно в учебном процессе. В докладе рассматриваются содержание основных этапов данной методики и математический аппарат.

1. Артюхов В.Л., Копейкин Г.А., Шалыто Л.Л. Настраиваемые модули для управляющих логических устройств Л: Энергоиздат. Лепит р. отд-ние, 1981. 168с.

2. Власов А.А„ Мамаев Е.И. Синтез функциональных схем автоматов с перестраиваемой структурой. Марийск. гос. техн. ун-т,Йошкар-Ола. 199Я, Ден. в ВИНИТИ, N210-B99.

3. Евреинов Э.В., Пранпппвили И.В. Цис{)ровые автоматы с настраиваемой структурой. М. Энергия, 1974 240 с.

4. Каляев Л.В. Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой, М.: Наука, 1984.-192 с.

5. Пунырев Е.И. Перестраиваемые автоматы и микропроцессорные системы. М.: Паука, 19К4. -192 с.

6. Altera Corp. FLEX 10 К Programmable Logic Famili. 1998 7. Xilinx Corp. The Programmable I x>gic Data Book, 1994