Перспективы применения софт-процессоров в системах на кристалле на базе программируемых логических интегральных схем

Цели. Развитие элементной базы программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) качественно меняет требования к маршруту проектирования электронных средств вследствие роста логической емкости этих микросхем и тенденции к повышению степени интеграции подсистем. Преимущественным направлением применения данной платформы является концепция системы на кристалле (СнК), направленная на совмещение в одном кристалле подсистем приема, обработки и обмена данными, а также на реализацию управляющих, диагностических и других вспомогательных подсистем. Цель работы – разработка методики применения софт-процессоров, т.е. процессоров, создаваемых на базе конфигурируемых логических ресурсов, для реализации функций управления в составе СнК на базе ПЛИС.

Методы. Использованы методы проектирования цифровых систем.

Результаты. Для софт-процессоров рассмотрен унифицированный маршрут проектирования, основанный на выборе архитектурных параметров, качественно соответствующих задачам управления. В частности, такие параметры, как адресность системы команд, количество тактов конвейера, конфигурация арифметико-логического устройства, являются регулируемыми на этапе проектирования, что позволяет проводить оптимизацию софт-процессора в дискретном пространстве параметров. Рассмотрен также подход к быстрому прототипированию ассемблера на основе стекового языка программирования с регулярной грамматикой. Перспективным направлением применения софт-процессоров является управление аппаратными компонентами цифровой обработки сигналов в составе СнК. В статье рассмотрен пример реализации СнК на базе ПЛИС Xilinx Virtex-7, в составе которого применены несколько процессорных ядер, разработанных по предложенной методике.

Выводы. Рассмотренные подходы к проектированию софт-процессоров позволяют проводить быстрое прототипирование управляющего процессорного ядра для работы в составе СнК на базе ПЛИС.

1. Hennessy J.L., Patterson D.A. A new golden age for computer architecture: Domain-specific hardware/software co-design, enhanced security, open instruction sets, and agile chip development. In: Proceedings of the 2018 ACM/IEEE 45th Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA). Los Angeles, CA, USA, June 1–6, 2018. https://doi.org/10.1109/ISCA.2018.00011

2. Тарасов И.Е. ПЛИС Xilinx. Языки описания аппаратуры VHDL и Verilog, САПР, приемы проектирования. М.: Горячая линия – Телеком; 2022. 538 с. ISBN 978-59912-0802-4

3. Сесин И.Ю., Болбаков Р.Г. Сравнительный анализ методов оптимизации программного обеспечения для борьбы с предикацией ветвлений на графических процессорах. Russ. Technol. J. 2021;9(6):7–15. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-6-7-15

4. Слепцов В.В., Афонин В.Л., Аблаева А.Е., Динь Б. Разработка информационно-измерительной и управляющей системы квадрокоптера. Russ. Technol. J. 2021;9(6):26–36. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-6-26-36

5. Смирнов А.В. Оптимизация характеристик цифровых фильтров одновременно в частотной и временной областях. Russ. Technol. J. 2020;8(6):63–77. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-6-63-77

6. Умняшкин С.В. Основы теории цифровой обработки сигналов. М.: Техносфера; 2017. 528 c. ISBN 978-594836-424-7

7. Abadi M., et al. TensorFlow: A system for largescale machine learning. In: Proceedings of the 12th USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI ́16). 2016. P. 265–283. URL: https://www.usenix.org/system/files/conference/osdi16/osdi16-abadi.pdf

8. Nurvitadhi E., et al. Accelerating Binarized Neural Networks: Comparison of FPGA, CPU, GPU, and ASIC. In: 2016 International Conference on FieldProgrammable Technology. 2016. P. 77–84. https://doi.org/10.1109/fpt.2016.7929192

9. Корнеев В., Киселев А. Современные микропроцессоры. СПб.: БХВ-Петербург; 2003. 448 с.

10. Sima D., Fountain T., Kacsuk P. Advanced Computer Architectures: A Design Space Approach. Addison-Wesley; 1997. 790 р.

11. Ахо А.В., Лам М.С., Сети Р., Ульман Д.Д. Компиляторы: принципы, технологии и инструментарий: пер. с англ. М.: «И.Д. Вильямс»; 2017. 1184 с. ISBN 978-58459-1932-8.

12. Пратт Т., Зелковиц М. Языки программирования: разработка и реализация: под ред. А. Матросова. СПб.: Питер; 2002. 688 с. ISBN 5-318-00189-0

13. Баранов С.Н., Ноздрунов Н.Р. Язык Форт и его реализации. Л.: Машиностроение; 1988. 157 с. ISBN 5-21700324-3

14. Советов П.Н. Синтез линейных программ для стековой машины. Высокопроизводительные вычислительные системы и технологии. 2019;3(1):17–22.

15. Тарасов И.Е., Потехин Д.С., Хренов М.А., Советов П.Н. Автоматизация проектирования многопроцессорной системы на базе ПЛИС для управления во встраиваемых приложениях. Экономика и менеджмент систем управления. 2017;25(3–1):179–185.