Владимир Егоров
г. Москва
ГБОУ Школа №1537, 11 класс
МОДУЛЬНАЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ ОСВОЕНИЯ РАЗРАБОТКИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
43
Научный руководитель: Минченко Михаил Михайлович, г. Москва, ГБОУ Школа №1537, к.э.н., куратор инновационно-технологического центра
Актуальность
На данный момент изучение электроники, теоретической информатики и программирования зачастую проводится раздельно, из-за чего у обучающихся серьезно ухудшается понимание устройства ЭВМ как совокупности разработок в соответствующих областях информационных технологий. Также недостаточное количество внимания уделяется изучению и популяризации разработок с применением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), использование которых в передовых сферах электронной техники растет вместе с их развитием. Решения, реализующие программно-аппаратное обеспечение для непрерывного единого изучения всех перечисленных дисциплин, на данный момент отсутствуют.
Эти проблемы может решить появление платформы, на базе которой можно было бы наглядно, интересно и в доступной форме усвоить общие понятия, структуру и методы разработки микроэлектронных решений на базе ПЛИС, аппаратной базы системы, системного и прикладного программного обеспечения. Такой подход обеспечивает целостность понимания и комплексное усвоение знаний в соответствующей области, благодаря чему повышается квалификация, теоретическая и практическая подготовленность будущего разработчика, создается единая картина данной сферы инженерной деятельности.
Цель проекта
Разработка программно-аппаратной платформы на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) для изучения устройства и освоения разработки микропроцессорных систем, на всех этапах – от создания аппаратного обеспечения до разработки пользовательских прикладных программ.
Задачи
  • разработка аппаратного обеспечения;
  • разработка микропроцессорного ядра;
  • разработка периферийных контроллеров;
  • отладка микропроцессорного обеспечения;
  • разработка и отладка компилятора и интерпретатора языка Форт;
  • реализация Форт-ядра;
  • разработка Форт-программ для тестов.
Выполнена разработка программно-аппаратной платформы на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) для изучения устройства и освоения разработки микропроцессорных систем, на всех этапах – от создания аппаратного обеспечения до разработки пользовательских прикладных программ.

Для описания микропроцессорного обеспечения в виде иерархической системы модулей был выбран System Verilog, с учетом требований к микропроцессорному обеспечению платформы: высокая модульность, модифицируемость, параметризуемость, простота применения и изменения, возможность настройки для применения в реальных практических задачах.

Для разработки компилятора и интерпретатора языка программирования Forth (Форт) для компьютера был выбран язык C++. Разработка и отладка кода аппаратуры проводилась в среде Quartus Prime Lite Edition. Симуляция схемы выполнена с помощью ModelSim-Altera. Разработка и отладка компилятора проводилась в среде Code::Blocks. В связи с образовательной направленностью платформы, необходимостью снижения стоимости базового комплекта аппаратного обеспечения и выбором первичного языка программирования автором было решено разработать 16-разрядную архитектуру, заточенную под исполнение Форт-программ.

Предложенная микропроцессорная система в целом реализует ЭВМ:
- на уровне аппаратуры – пакет аппаратных модулей со всем необходимым электронным и архитектурным обеспечением;
- на уровне микроархитектуры и архитектуры набора команд – реализованная в рамках проекта микропроцессорная архитектура, ее описание и языковая реализация для ПЛИС;
- на уровне программного обеспечения – разработанное ядро Форта, реализующее функции операционной системы, интерпретатора, компилятора и базового высокоуровневого языка для разработки пользовательского программного обеспечения.

В результате, за счет полной реализации микропроцессорной системы на всех уровнях разработки, обучающиеся получают наглядное пособие, которое показывает ЭВМ как совокупность результатов работы в областях информатики, электроники и программирования. Гибкость платформы реализует конструктор, на базе которого ученик может собрать машину со своим набором аппаратной периферии, измененной на внутрисхемном уровне процессорной архитектурой и реализованным пакетом программного обеспечения на проблемно-ориентированном языке. Это позволяет расширить круг применения предлагаемой системы за пределы образовательной сферы, поскольку имеется возможность настроить реализуемую на базе платформы систему под решение реальных общих и специальных задач.

Результаты
В результате выполнения проекта были выполнены:

- разработка аппаратного обеспечения;
- разработка микропроцессорного ядра на SystemVerilog;
- разработка периферийных контроллеров на SystemVerilog;
- отладка микропроцессорного обеспечения;
- разработка и отладка компилятора и интерпретатора Форта на C++;
- реализация Форт-ядра;
- разработка Форт-программ для тестов.

Реализованная программно-аппаратная платформа соответствует всем заложенным при разработке требованиям. За счет полной реализации микропроцессорной системы на всех уровнях разработки обучающиеся получают наглядное пособие, которое показывает ЭВМ как совокупность результатов работы в областях информатики, электроники и программирования. Гибкость платформы реализует конструктор, на базе которого ученик может собрать машину со своим набором аппаратной периферии, измененной на внутрисхемном уровне процессорной архитектурой и реализованным пакетом программного обеспечения на проблемно-ориентированном языке. Это позволяет расширить круг применения предлагаемой системы за пределы образовательной сферы, поскольку имеется возможность настроить реализуемую на базе платформы систему под решение реальных общих и специальных задач.
Перспективы развития
В ходе дальнейшего развития проекта планируется выполнить:

- расширение набора аппаратных и программных модулей для системы;
- реализацию обеспечения дискового хранилища с использованием SD-карт;
- сборку демонстрационного стенда;
- разработку подробного руководства по использованию предложенной в проекте программно-аппаратной платформы для освоения разработки микропроцессорных систем.
Расписание работы автора проекта
29 марта, пн
Диалог с экспертами
Ответы на вопросы
14:00
14:20

15:35 - 15:45

Князева С.Ю.
Калинкин Д.А.
29 марта, пн
14:40
15:00
15:20
Берчун Ю.В.
Белоножко П.П.
Кузьмина И.А.

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