Введение к работе
Актуальность темы исследования
Разработка микропроцессора, как и любой другой сложной системы, включает в себя огромное множество проектных решений, при принятии которых архитекторы существенно опираются на результаты имитационного моделирования, с помощью которого анализу подвергаются такие динамические параметры, как производительность, потребляемая мощность и др.
В качестве имитационной модели традиционно используется программный потактовый симулятор микропроцессора, который при достаточной точности обладает очень низкой скоростью, исполняя порядка одной тысячи команд в секунду. Это означает, что моделирование одной секунды работы разрабатываемого микропроцессора потребует нескольких дней работы симулятора для каждого из возможных проектных решений.
Традиционно программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) в маршруте проектирования микропроцессоров используются лишь на конечных этапах при разработке прототипов для схемотехнической отладки. Однако в последнее время внимание исследователей из академических и промышленных кругов направлено на изучение возможности применения ПЛИС для симуляции работы микропроцессоров, т. е. на гораздо более раннем этапе маршрута проектирования.
Конфигурация вентильной матрицы ПЛИС при этом не повторяет в точности конечную электрическую схему микропроцессора, а только моделирует её поведение и временные характеристики. Например, симуляция одного такта моделируемого микропроцессора теперь может выполняться за несколько тактов ПЛИС.
Результаты исследовательских проектов UT-FAST, ProtoFlex, RAMP Gold и HAsim показывают, что применение ПЛИС позволяет создать аппаратный потактовый симулятор микропроцессора, обладающий на 2-3 порядка большей скоростью моделирования, чем традиционные программные симуляторы.
Однако применение ПЛИС существенно затруднено низким уровнем абстракции традиционных языков описания аппаратуры, гораздо более длительным циклом разработки по сравнению с разработкой программного обеспечения и ограниченной логической ёмкостью применяемых ПЛИС. Если затраты на разработку аппаратной модели слишком велики, то общее время, потраченное на разработку и проведение экспериментов, превысит таковое для программной модели.
Многие исследования последних лет в этой области были направлены на сокращение трудоёмкости разработки аппаратных симуляторов микропроцессоров. Тем не менее, в настоящее время не существует универсальной эффективной методологии разработки потактовых симуляторов микропроцессоров на ПЛИС, что свидетельствует об актуальности настоящего исследования.
Объект и предмет исследования
Объект настоящего исследования — потактовые имитационные модели микропроцессора.
Предмет настоящего исследования — методы разработки аппаратных потактовых моделей микропроцессора на программируемых логических интегральных схемах.
Цель, задачи и ограничения исследования
Цель настоящего исследования — построение методологии разработки аппаратных потактовых моделей микропроцессора на программируемых логических интегральных схемах.
Для достижения поставленной цели исследования решаются следующие задачи:
анализ существующих технологий разработки аппаратных симулято- ров микропроцессора на ПЛИС;
создание эффективного метода разработки аппаратных симуляторов микропроцессора;
разработка автоматизированной системы тестирования аппаратных симуляторов микропроцессора;
апробация и оценка предложенного метода и системы тестирования при разработке аппаратного симулятора современного микропроцессора с внеочередным исполнением команд.
Поставленные задачи решаются в рамках следующих ограничений:
симулятор состоит из модулей, соответствующих тем или иным узлам микропроцессора;
время вводится при помощи портов с фиксированной задержкой передачи сообщений между модулями;
используются только однокристалльные ПЛИС.
Методы исследования
Для решения поставленных задач в настоящем исследовании использовались методы теории системного анализа и синтеза, теории графов, теории алгоритмов, методы математического и имитационного моделирования, технологии программирования, методы сравнительного и логического анализа. Количественные и качественные задачи решались с помощью статистических и графических методов.
Научная новизна работы
Решение поставленных в диссертационной работе задач определяет научную новизну настоящего исследования, которая заключается в следующем:
разработана методология помодульного перехода от существующего программного потактового симулятора микропроцессора к аппаратному симулятору на ПЛИС, позволяющая эффективно использовать усилия, уже затраченные на разработку программной модели, а сохранение иерархической структуры и графа потока данных исходной модели позволяет обеспечить быструю и надёжную валидацию получаемого аппаратного симулятора;
впервые рассматривается и применяется восходящий способ проектирования аппаратного симулятора микропроцессора на ПЛИС, при котором модули симулятора могут разрабатываться и тестироваться независимо друг от друга;
разработана автоматизированная система тестирования, в которой впервые используется программный потактовый симулятор микропроцессора в качестве эталона для тестирования модулей аппаратного симулятора.
Основные результаты, выносимые на защиту
К основным результатам настоящего исследования, которые выносятся на защиту, относятся:
восходящий метод помодульной разработки аппаратного потактового
симулятора микропроцессора на ПЛИС с использованием существующего программного потактового симулятора в качестве эталона, позволяющий сократить трудоёмкость разработки в 3 раза по сравнению с традиционными способами;
автоматизированная система тестирования аппаратного потактового симулятора микропроцессора на ПЛИС, включающая в себя средства автоматической генерации кода, позволяющие полностью исключить ручное написание рутинного и служебного кода, объём которого достигает 40-50% общего объёма кода симулятора;
результаты применения предложенного метода к разработке аппаратного потактового симулятора промышленной точности современного микропроцессора с внеочередным исполнением команд.
Практическая значимость и внедрение результатов работы
Практическая значимость работы подтверждается результатами применения предложенных методов для разработки аппаратного потактового симулятора современного микропроцессора с внеочередным исполнением команд. Трудоёмкость разработки с использованием предложенной методологии примерно в 3 раза ниже, чем в проектах аналогичной сложности, разрабатываемых традиционными способами.
Разработанная методология проектирования аппаратных потактовых си- муляторов микропроцессора была введена в эксплуатацию в экспериментальный комплекс предварительного проектирования микропроцессоров на сверхбольших интегральных схемах ЗАО «Интел А/О».
Теоретические исследования и методы, связанные с разработкой программных и аппаратных потактовых симуляторов современных микропроцессоров, легли в основу разделов лекций курса «Основы программного моделирования ЭВМ» для студентов 4-го курса кафедры микропроцессорных технологий Московского физико-технического института, обучающихся по программе бакалавриата направления «Прикладные математика и физика».
Апробация и публикация результатов работы
Результаты работы докладывались на международных научно-технических конференциях:
53-й научной конференции Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», г. Долгопрудный, 2010;
Международной молодёжной научной конференции «XXXVII Гагарин- ские чтения», г. Москва, 2011;
XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2011;
Международной молодёжной научной конференции «XXXVIII Гага- ринские чтения», г. Москва, 2012;
XIII Международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук», г. Москва, 2012.
Основные результаты работы опубликованы в шести печатных работах, в том числе в научном журнале «Труды Московского физико-технического института (государственного университета)», входящем в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора и кандидата наук.
Структура и объём работы
Диссертация изложена на 119 страницах, содержит 46 рисунков, 13 таблиц и состоит из введения, основной части, заключения и библиографического списка. Основная часть состоит из четырёх глав. Список литературы и источников насчитывает 134 наименования.
