Введение к работе
Актуальность темы
Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке методов проектирования СФ-блоков для построения Систем на Кристалле (СнК) в интегральном исполнении с применением аппарата модулярной арифметики
Постоянное повышение быстродействия - одно из основных требований, предъявляемых к современным системам обработки данных Применение аппарата модулярной арифметики при разработке таких систем позволяет распараллелить процесс вычислений и существенно повысить их быстродействие без перехода на новые технологические нормы
Для построения сложных интегральных схем самым эффективным подходом на сегодняшний день является методология проектирования СнК Один из основных методов повышения производительности проектирования СнК - это повторное использование заранее разработанных и прошедших тестирование функционально-законченных блоков Для обозначения таких элементов широко используются термин СФ-блок (сложный функциональный блок) или зарубежная аббревиатура - IP-блок (Intellectual Proprietary) В дальнейшем будет использоваться термин СФ-блок
Однако применение модулярной арифметики в методологии СнК в значительной степени ограничено Это вызвано отсутствием методов повторного использования и эффективной аппаратной реализации модулярных СФ-блоков
В настоящее время многие производители САПР предлагают и поддерживают библиотеки позиционных СФ-блоков различного назначения и уровня сложности Однако ни зарубежные, ни отечественные поставщики не предлагают специализированных СФ-блоков, реализующих основные модулярные операции и более сложные блоки на их основе,
Современные САПР не предоставляют возможностей по работе с вычислительными узлами, разработанными на основе аппарата модулярной арифметики Также отсутствует возможность автоматической генерации классов СФ-блоков
Важно отметить, что для более эффективного использования модулярной арифметики каждому значению модуля требуется специфическая реализация СФ-блока Наличие модулярных СФ-блоков позволит расширить область применения аппарата модулярной арифметики в методологии СнК
Таким образом, поиск новых методов аппаратной реализации, проектирования и повторного использования специализированных модулярных СФ-блоков является актуальной научно-технической задачей
Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования сложных цифровых устройств на основе модулярной арифметики по методологии СнК и методов аппаратной реализации модулярных СФ-блоков основных вычислительных узлов для интегральной реализации модулярных систем
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи
-
Анализ и систематизация существующих методов и подходов проектирования СнК Обзор современных систем автоматизированного проектирования цифровых устройств,
-
Анализ и разработка эффективных методов аппаратной реализации модулярных умножителей для модулей различного типа с целью повышения их быстродействия в интегральном исполнении,
-
Определение архитектуры и разработка методов проектирования функциональных блоков, реализующих сложные математические выражения в линейных вычислителях (в частности, операцию |А*В+С|П1), а также вычислительных каналов, являющихся основными элементами устройств, реализованных с применением аппарата модулярной арифметики,
-
Анализ особенностей структурной реализации модулярных СФ-блоков различного назначения в зависимости от модуля,
-
Разработка метода проектирования модулярных вычислительных систем на основе повторного использования интеллектуальной собственности,
-
Разработка маршрута проектирования модулярных СФ-блоков, который обеспечит применение разработанного метода, и расширение общего маршрута проектирования СнК за счет введения разработанного метода
Научная новизна работы состоит в разработке методов проектирования модулярных СФ-блоков основных вычислительных узлов для интегральной реализации модулярных систем
Лично автором получены следующие результаты
-
Разработаны методы проектирования быстродействующих модулярных умножителей для модулей вида (2П±1) на основе алгоритма Бута, обеспечивающие выигрыш по быстродействию и площади в сравнении с индексными модулярными умножителями,
-
Предложена методика выбора наиболее эффективных, с точки зрения быстродействия и занимаемой площади, структур модулярных умножителей для модулей различного вида, обеспечивающая выбор необходимой структуры умножителя наиболее полно удовлетворяющей требованиям разработчика,
-
Разработаны методы аппаратной реализации быстродействующих процессорных элементов, реализующих операцию |А*В+С|т для различных типов модулей т, а также модулярных вычислительных каналов, позволяющие улучшить быстродействие специализированных модулярных вычислителей'
-
Разработан метод проектирования модулярных СФ-блоков и сложных систем на их основе, базирующийся на применении генераторов функциональных представлений и позволяющий существенно повысить эффективность проектирования модулярных вычислительных систем,
-
Разработан маршрут проектирования модулярных СФ-блоков, основанный на предложенном методе, который интегрирован в существующий маршрут проектирования СФ-блоков,
6 Предложен новый метод выбора наборов модулей для проектирования модулярных вычислительных систем, основанный на применении генераторов функциональных представлений совместно со средствами синтеза Метод позволяет выбрать базовый набор модулей таким образом, чтобы характеристики конечного устройства наиболее полно удовлетворяли требованиям разработчика (по быстродействию, площади и т д)
Методика проведения исследования разработанных методов включает использование теории чисел, аппарата дискретной математики и булевой алгебры, теории проектирования вычислительных средств, средств логического синтеза и компьютерного моделирования
На защиту выносятся следующие результаты
-
Методы аппаратной реализации модулярных умножителей на основе алгоритма Бута для модулей вида (2П±1),
-
Методика выбора эффективных, с точки зрения быстродействия и занимаемой площади, структур модулярных умножителей в зависимости от типа модуля,
-
Методы аппаратной реализации быстродействующих процессорных элементов, реализующих операцию |А*В+С|П„ а также модулярных вычислительных каналов,
-
Метод проектирования модулярных систем и СФ-блоков на основе генераторов функциональных представлений,
-
Маршрут проектирования модулярных СФ-блоков на основе предложенного метода,
-
Разработанная библиотека генераторов функциональных представлений,
-
Метод выбора наборов модулей для реализации модулярных вычислительных систем, основанный на применении библиотеки генераторов функциональных представлений
Реализация результатов
По результатам диссертации разработаны методы проектирования модулярных СФ-блоков, таких как умножители, процессорные элементы, вычислительные каналы На базе предложенного метода проектирования СФ-блоков основанного на автоматизированной генерации технологически независимых описаний, а также разработанных методов аппаратной реализации модулярных СФ-блоков, создана библиотека генераторов функциональных представлений (содержит более пятидесяти генераторов), позволяющая в совокупности со стандартными средствами синтеза (например Synopsys) автоматизировать проектирование систем на основе модулярной арифметики
Результаты диссертации внедрены и использовались в учебном процессе МИЭТ(ТУ), научно-исследовательских работах ИППМ РАН, а также в опытно-конструкторских работах ФГУП НИИМА "Прогресс"
Практическая значимость результатов работы
Результаты работы могут найти применение при проектировании сложных устройств, таких как систем цифровой обработки сигналов, криптографии,
отказоустойчивых систем, специализированных вычислителей, созданных на основе модулярной арифметики Предлагаемые методы аппаратного построения модулярных СФ-блоков обеспечивают улучшение основных характеристик данных устройств Применение разработанного метода проектирования СФ-блоков в совокупности с созданной библиотекой генераторов позволяет значительно сократить временные затраты на разработку таких систем и повысить эффективность их проектирования
Апробация основных положений, а также теоретических и практических результатов работы проводилась на конференциях
Всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов (г Москва, МГИЭТ, 2003-2006, четыре доклада) Три доклада (2004,2005,2006 гг) были отмечены дипломами I и II степени,
Электроника и информатика - 2005 V Международная НТК (г Москва, МГИЭТ, один доклад),
Всероссийская НТК "Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем" (г Истра, 2005, один доклад)
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, а также 4 НИР, проведенных в рамках ИППМ РАН
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения Основной текст занимает 179 страниц
