Владимир Егоров
г. Москва
Школа №1537, 11 класс
МОДУЛЬНАЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ АДАПТИВНОЙ РАЗРАБОТКИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
31

Научный руководитель: Минченко Михаил Михайлович, г. Москва, Школа №1537, учитель информатики, к.э.н.
Владимир Егоров
г. Москва
Школа №1537, 11 класс
МОДУЛЬНАЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ АДАПТИВНОЙ РАЗРАБОТКИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
31

Научный руководитель: Минченко Михаил Михайлович, г. Москва, Школа №1537, учитель информатики, к.э.н.
Цель проекта
Реализация инструментального комплекса, включающего аппаратное (модули микроконтроллерной архитектуры и отладочные устройства) и программное (среда разработки, отладочные программы) обеспечение с возможностями глубинной модификации под конкретную задачу в ходе разработки специализированных вычислительных систем (СВС).
В основу реализации проекта положена гипотеза о том, что появление на рынке инструментального комплекса, отвечающего требованиям простоты, удобства работы, доступности рядовым разработчикам, позволит значительно удешевить и ускорить производство вычислительных систем специального назначения и увеличить количество специалистов в данной области. Потребность в специализированных вычислительных системах – машинах, способных выполнять высокосложные специализированные алгоритмы (обработка видео и звука в реальном времени, шифрование, контроль производственных процессов, системы искусственного интеллекта) – растет с развитием автоматизации различных сфер жизни человека. Современные микроконтроллеры зачастую недостаточно эффективны в выполнении высокосложных алгоритмов. В этой сфере на замену микроконтроллерам приходят специализированные вычислители на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) или интегральных схем специального назначения (ИССН).
Основные этапы работы над проектом
В ходе работы над проектом выполнены следующие этапы:

- изучение строения различных архитектур ЭВМ и их ассемблеров и инструментальных решений, с выявлением их недостатоков;
- разработка модулей микроконтроллерной архитектуры с помощью языка описания аппаратуры;
- отладка модулей;
- сборка модулей в единую систему;
- отладка системы;
- создание среды разработки: ассемблера, эмулятора, отладчика;
- отладка системы разработки;
- разработка проверочного программного обеспечения.

Созданные архитектурные модули были соединены в иерархическую систему, которая составила ядро процессора, интерфейсы ввода-вывода и другие части архитектуры.
Архитектура вычислительной системы (ВС) описана в виде иерархической системы модулей с использованием языка описания аппаратуры SystemVerilog. Разработка и отладка кода проводилась в среде Quartus Prime Lite Edition. Симуляция схемы выполнена с помощью ModelSim-Altera. Среда разработки написана на языке С++. Архитектура разработана так, чтобы в короткие сроки иметь возможность существенно изменить ее функциональные блоки и свойства, что позволяет повышать эффективность продукта в поставленных пользователем конкретных задачах. К программному обеспечению ВС были установлены требования простоты и быстрой настройки, а также удобства использования.

Процессорное ядро реализовано в составе блоков: 1) CSC (контроллер листа команд); 2) DC (контроллер данных); 3) IOU (контроллер ввода-вывода); 4) OU (операционный блок); 5) TU (блок таймеров); 6) PLL (блок фазовой автоподстройки частоты).

Среда разработки так же создавалась по модулям, каждый из которых выполняет небольшую функциональную часть: парсинг, ассемблирование, проверку наличия системных файлов и т.д. Для взаимодействия был разработан ряд решений, реализующих единый интерфейс, с помощью которого создаются более гибкие возможности их исполнения и отладки при пользовательской разработке на базе предлагаемой инструментальной платформы.
Результаты работы над проектом и перспективы использования
В результате выполнения проекта были созданы:
- техническое описание микроконтроллерной архитектуры;
- библиотека аппаратных компонентов;
- языковые средства ассемблера и среда разработки.

Работоспособность разработанной инструментальной среды и процессорных модулей проверялась созданными программными тестами. При практических испытаниях на ПЛИС EP4CE6E22C8N была достигнута частота 160 МГЦ, минимальный набор аппаратного обеспечения занимает порядка 2500 4-входовых LUT, что говорит о пригодности платформы к реализации на дешевых ПЛИС и ИССН.

Предложенное решение значительно упрощает разработку вычислительных систем, заточенных под конкретные сложные задачи: низкоуровневые программисты и разработчики аппаратного обеспечения получают мощный инструментарий для эффективной работы. Проект охватывает множество различных аспектов разработки СВС, поэтому предложенную программно-аппаратную платформу можно применять как на всем жизненном цикле разработки вычислительной системы, так и на отдельных его этапах. Предложенное решение значительно упрощает и ускоряет разработку вычислительных систем, заточенных под конкретные сложные задачи: низкоуровневые программисты и разработчики аппаратного обеспечения получают мощный инструментарий для эффективной работы.
Расписание работы автора проекта
05 ноября, чт
Диалог с экспертами
Ответы на вопросы
10:20
10:40
11:00

12:00
Петров А.Б.
Хлебникова В.Л.
Волков А.И.
05 ноября, чт
11:20
11:40

Титов Д.Д.
Мирзоян Д.И.
Задайте вопрос автору проекта
Обязанность отвечать на заданные вопросы остается полностью на участнике. Организаторы форума не несут ответственности за сроки получения ответа.
Заполняя данную форму Вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности сайта.
Пообщайтесь с автором в режиме реального времени
Вы можете посмотреть диалог с экспертом и задать вопросы автору в форме вебинара.
Расписание сессий приведено выше
Made on
Tilda