Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Методика актуализации вычислительного процесса информационно-управляющих систем

Диссертация: Методика актуализации вычислительного процесса информационно-управляющих систем
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Информационно-управляющие системы (ИУС) являются важнейшим элементом любой современной системы автоматики. Область их применения распространяется на медицинскую и бытовую технику, телекоммуникации, транспортные и аэрокосмические системы и др. На текущий момент наиболее распространенный и интенсивно"развивающийся вид ИУС — это системы с программным управлением. Одним из основополагающих принципов… Читать ещё >

Содержание

  • СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
  • 1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
    • 1. 1. Традиционная методика проектирования
    • 1. 2. Современные методики проектирования
    • 1. 3. Разделения реализации ИУС
      • 1. 3. 1. Инструментальный компонент ИУС
        • 1. 3. 1. 1. ИУС на базе микроконтроллеров и ПЛИС
        • 1. 3. 1. 2. ИУС на базе программируемых логических контроллеров
        • 1. 3. 1. 3. ИУС на базе промышленных ПК
        • 1. 3. 1. 4. Анализ реализаций инструментальных компонентов ИУС
    • 1. 4. Сценарии проектирования
    • 1. 5. Выводы
    • 1. 6. Цели и задачи работы
  • 2. МОДЕЛЬ АВП ИУС
    • 2. 1. Введение
    • 2. 2. Основы модели АВП ИУС
      • 2. 2. 1. Процесс АВП ИУС
      • 2. 2. 2. Трансляторы и формы представления целевой программы
        • 2. 2. 2. 1. Взаимодействие трансляторов
      • 2. 2. 3. Уровни представления ВП РТУ С
      • 2. 2. 4. Применение графа АВП ИУС
      • 2. 2. 5. Фазы АВП ИУС
      • 2. 2. 6. Базовые трансляторы
        • 2. 2. 6. 1. Классификации базовых трансляторов
    • 2. 3. Выводы
  • 3. ШАБЛОНЫ МОДЕЛИ АВП ИУС
    • 3. 1. Введение
    • 3. 2. Актуализация целевой программы на исполнительской фазе
      • 3. 2. 1. Актуализация через добавление драйверов
      • 3. 2. 2. Актуализация через добавление базовых трансляторов
      • 3. 2. 3. Взаимодействие программно реализованных трансляторов
        • 3. 2. 3. 1. Элементарное взаимодействие
        • 3. 2. 3. 2. Прерывания
        • 3. 2. 3. 3. Двустороннее взаимодействие
    • 3. 3. Актуализация целевой программы на подготовительной фазе
      • 3. 3. 1. Языки программирования
      • 3. 3. 2. Компиляторы
    • 3. 4. Распределение ВП по фазам актуализации
    • 3. 5. Выводы
  • 4. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ АВП ИУС
    • 4. 1. Введение
    • 4. 2. NL1 +NL2HEX
    • 4. 3. NL2 + NL2ASM
    • 4. 4. Семейство ВМ SVM + STL
    • 4. 5. Программно-аппаратный комплекс СЗМ MiniLab
      • 4. 5. 1. Спецвычислитель NL
        • 4. 5. 1. 1. Архитектура процессора NL
      • 4. 5. 2. Компилятор NL
        • 4. 5. 2. 1. Язык составления схем цифровой обработки сигналов
        • 4. 5. 2. 2. Математическая модель
        • 4. 5. 2. 3. Анализ метода компиляции схем для процессора NL
        • 4. 5. 2. 4. Инструментальная цепочка схем обработки цифровых сигналов
        • 4. 5. 2. 5. Время компиляции схем
    • 4. 6. Критерии эффективности реализации ВП ИУС
    • 4. 7. САПР на базе модели АВП ИУС
      • 4. 7. 1. Создание графа АВП
      • 4. 7. 2. Обработка графа АВП
    • 4. 8. Выводы

Методика актуализации вычислительного процесса информационно-управляющих систем (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Информационно-управляющие системы (ИУС) являются важнейшим элементом любой современной системы автоматики. Область их применения распространяется на медицинскую и бытовую технику, телекоммуникации, транспортные и аэрокосмические системы и др. На текущий момент наиболее распространенный и интенсивно"развивающийся вид ИУС — это системы с программным управлением. Одним из основополагающих принципов внутренней организации и способа применения современных ИУС является принцип* программируемое&tradeна многих уровнях и в различных стилях.

За последнее десятилетие вычислительная мощность элементной базы многократно увеличилась, что позволило современным ИУС реализовать сложную функциональность, иметь, сложную организацию, использовать операционные системы реального времени, объединяться в контроллерные сети, применять современные высокоскоростные проводные и беспроводные технологии связи. На рынке вычислительных систем стали востребованы ИУС со сложной функциональностью.

В традиционной методике проектирования на ранних этапах выполняется выбор способа реализации функций системы. между программной и аппаратной реализацией (Software/Hardware, SW/HW). Зачастую этот выбор считается известным a priori. Также весьма распространенным является выбор между прикладной и системной реализацией функций ИУС (Application/System, A/S). Процесс разработки ИУС неразрывно связан с выполнением инструментальных задач, решением которых занимается инструментальный компонент (ИК), выделяемый, в составе ИУС. Вопрос его организации заключается в разделении ¦реализации—между—подготовительной—и—исполнительской—фазой—(Design-Time/Run-Time, DT/RT). Современные ИУС являются вычислительными системами с доминирующей программной реализацией функций (Software Dominated Embedded Systems). Значительное увеличение объема функций ИУС с программной реализацией снизило эффективность применения традиционной методики проектирования: качество разрабатываемых систем упало, процесс проектирования стал менее предсказуемым. Многими учеными по всему миру (Е. A. Lee, A. Sangiovanni-Vincentelli, L. Lavagno, A. A. Jerraya), в том числе и в России (А. Н. Терехов, Ю. П. Голубев, В. В. Топорков, А. Е. Платунов, Н. П. Постников, А. Н. Лукичев), а также техническими специалистами фирм-лидеров в области разработки САПР (Synopsys, Cadence, Mentor Graphics) ведутся исследования по выходу из сложившегося кризиса проектирования: предлагаются новые методики проектирования, способы формализации процесса проектирования, выполняется апробация новых идей в исследовательских и коммерческих САПР.

Опыт показывает, что присутствует взаимное влияние между ИУС и инструментальным компонентом. В зависимости от разделения между подготовительной и исполнительской фазой получаются разные области доступных реализаций ИУС. Так была сформулирована цель работы. Целью работы является развитие методов и средств проектирования ИУС на основе унифицированного представления вычислительного процесса ИУС на подготовительной и исполнительской фазе жизненного цикла системы.

Для достижения указанной цели в работе будут решены следующие задачи:

1) исследовано влияние инструментального компонента на проект ИУС;

2) создана модель актуализации вычислительного процесса на базе унифицированного представления инструментального компонента ИУС;

3) создана1 система автоматизированного проектирования (САПР) на основе унифицированного в части инструментального компонента представления вычислительного процесса ИУС;

4) проведена апробация модели в ряде проектов ИУС, выполнен анализ ее эффективности.

Методическую базу исследования составляют положения линейной алгебры, теории множеств, формальной логики, теории графов и теории конечных автоматов.

В работе получены следующие научные результаты:

1. Установлено влияние инструментального компонента на организацию вычислительного процесса ИУС в зависимости от разделения функций между подготовительной и исполнительской фазой жизненного цикла ИУС.

2. Предложена модель актуализации вычислительного процесса ИУС, унифицирующая представление инструментального компонента ИУС.

3. Предложено применение понятия * транслятора в качестве способа унификации рассмотрения ИУС на. различных уровнях ее представления, и, на различных этапах ее жизненного цикла.

4. Классифицированы способы актуализации целевой задачи на фазах актуализации и получены, оценки требуемых ресурсов ИУС для реализации каждого из способов.

5. Разработан метод гибкого распределения элементов вычислительного процесса между фазами актуализации! как проектирование связки- «компилятор — виртуальная машина».

6. Получены критерии эффективности реализации ВПИУС. В работе получены следующие практические результаты:

1. Разработаны элементы САПР для построения, и анализа графов актуализации, вычислительного процесса существующих проектов ИУС.

2. На основе модели актуализации вычислительного процесса ИУС предложены методы синтеза проектируемых ИУС и анализа существующих ИУС.

3. Даны экспертные оценки критических значений критериев для формирования рекомендаций по модернизации / исправлению реализации ИУС. Модель актуализации и разработанные элементы САПР были использованы для анализа разработок ООО «ЛМТ», в числе которых самыми крупными являются системы на, базе семейства виртуальных машин БУМ и программно-аппаратный комплекс сканирующего зондового микроскопа МЫЬаЬ. Основы предлагаемой методики проектирования и концепция модели актуализации использованы в учебных курсах кафедры вычислительной техники СПбГУ ИТМО. Внедренияподтверждены соответствующими актами.

По материалам работы было сделано 12 докладов на 10 конференциях. Основное содержание диссертационной работы полностью отражено в 16 научных и научно-технических работах автора, из которых 6 статей опубликовано в изданиях, рекомендуемых ВАК, и 9 работ опубликовано без соавторов.

8. Выводы.

1. Предложенная модель АВП ИУС может быть успешно применена для анализа и проектирования как всей системы в целом, так и отдельных ее частей.

2. Описание базовых проектов, на которых проходила апробация модели АВП, позволяет судить о применимости предлагаемой модели в широких пределах. Модель АВП позволяет детально описывать современные ИУС, поскольку они являются системами с доминирующим программным компонентом.

3. Модель АВП позволяет исследовать фрагменты ВП с разной степенью детализации.

4. Реализованные элементы САПР позволяют производить анализ реализации ВП ИУС. Требуется их дальнейшее развитие для закрытия других этапов анализа и проектирования ИУС, выполняемого на базе модели АВП ИУС.

5. Сформулированы рекомендации по организации ВП ИУС с целью улучшения его характеристик по переносимости, расширяемости, производительности и эффективности реализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Показано значительное влияние инструментального аспекта проектирования ИУС на ее архитектуру, определяемое множеством вариантов распределения вычислительного процесса (ВП) ИУС в рамках подготовительной и исполнительской фаз ее жизненного цикла.

2. Создана модель актуализации вычислительного процесса (АВП) на базе унифицированного^ представления инструментального компонента (ИК) ИУС. Предложено понятие транслятора в качестве основного элемента такого унифицированного представления. Разработаны шаблоны организации ВП ИУС и исследована эффективность их применения.

3. На основе модели АВП предложена методика синтеза проектируемых и анализа разработанных ИУС. Получены критерии эффективности реализации ВП ИУС.

4. Разработаны элементы САПР для построения, визуализации, статистической обработки графов АВП и расчета значений критериев эффективности реализации функциональности ИУС.

5. На основе исследования ряда ИУС получены критические значения критериев для формирования рекомендаций по модернизации / исправлению реализации ИУС. Для ИУС, на которых производились исследования, сформулированы рекомендации по совершенствованию архитектуры.

6. С использованием модели АВП разработан ряд инструментальных компонентов и инструментальных цепочек ИУС различной архитектуры и сложности, что обеспечило для этих ИУС высокие показатели и успешное сер ий, но е~пр о изв одств’о.

Эффективность применения методики актуализации была показана в процессе разработки ряда заказных систем, выполненной ООО «ЛМТ». Основы предлагаемой методики проектирования и концепция модели актуализации использованы в учебных курсах «Интерфейсы периферийных устройств», «Программно-аппаратный базис ВВС» и «Методы и технологии проектирования систем на кристалле» кафедры вычислительной техники СПбГУ ИТМО по нескольким направления бакалаврской и магистерской подготовки. Внедрения подтверждены соответствующими актами.

По материалам работы было сделано 12 докладов на 10 конференциях, в том числе профессорско-преподавательских конференциях СПбГУ ИТМО, конференциях молодых ученых СПбГУ ИТМО, политехнических симпозиумах «Молодые ученые— промышленности Северо-Западного региона» СПбГПУ. Основное содержание диссертационной работы полностью отражено в 16 научных и научно-технических работах автора (61 п. л.), из которых 6 статей опубликовано в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ (36 п. л.), и 9 работ опубликовано без соавторов.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Микропроцессорные системы: Учеб. пособие для вузов / Е. К. Александров, Р. И. Грушевицкий, М. С. Куприянов и др.- под общей ред. Д. В. Пузанкова. СПб.: Политехника, 2002. — 935 с.
  2. Lee, Е. A. Embedded software / Е. A. Lee // Advances in Computers. 2002. — Vol. 56.-pp. 56−97.
  3. Hatley, D. J. Strategies for Real-time System Specification / D. J. Hatley, I. A. Pirbhai. Dorset House Publishing Company, 1988. — 386 p.
  4. , Э. П. Путь камикадзе. Как разработчику программного обеспечения выжить в безнадежном проекте / Э. П. Йордон. М.: ЛОРИ, 2001.-272 с.
  5. Lee, Е. A. Absolutely Positively on Time: What Would It Take? / E. A. Lee // Computer. 2005. — Vol. 38, № 7. — pp. 85−87.
  6. Lee, E. A. What’s Ahead for Embedded Software? / E. Lee // Computer. -2000. Vol. 33, № 9. — pp. 18−26.
  7. Lee, E. A. A Component-Based Approach to Modeling and Simulating Mixed-Signal and Hybrid Systems / E. A. Lee, J. Lui // ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation. 2002, Oct — Vol. 12, № 4. — pp. 343−368.
  8. Graaf, B. Embedded Software Engineering: The State of the Practice / B. Graaf, V. Lormans, H. Toetenel // IEEE Software. 2003. — Vol. 20, № 6. -pp. 61−69.
  9. Sangiovanni-Vincentelli, A. System Design: Traditional Concepts and New Paradigms / A. Ferrari, A. Sangiovanni-Vincentelli // Proc. of the 1999 Int. Conf. On Сотр. Des. Oct. 1999. — pp. 2−12.
  10. Ш.^опорков^В.-В.-Модели-и-методы-системногохинтеза^'ВгВг^опорковГ^
  11. M.: Моск. энерг. ин-т, 1997.1. Sangiovanni-Vincentelli, A. A Top-down Constraint-driven Design Methodology for Analog Integrated Circuits / H. Chang, E. Charbon, U. Choudhuiy, A.
  12. Demir, E. Felt, E. Liu, E. Malavasi, A. Sangiovanni-Vincentelli, I. Vassiliou. -Springer, 1996.-384 p.
  13. Jerraya, A. A. Long Term Trends for Embedded System Design / A. A. Jerraya // Proc. of the Digital System Design. 2004. — pp. 20−26.
  14. Hardware-Software Codesign. // IEEE Design & Test of Computers. 2000, January-March 2000. pp. 92−99.
  15. Sangiovanni-Vincentelli, A. Hardware-Software Codesign of Embedded Systems / M. Chiodo, P. Giusto, A. Jurecska, H. C. Hsieh, A. Sangiovanni-Vincentelli- L. Lavagno// IEEE Micro Chips, Systems- Software, and Applications. 1994, August, — pp. 26−36.
  16. Agha, G.A. Actors: A Model of Concurrent Computation in Distributed Systems // The MIT Press Series in Artificial Intelligence. MIT Press. 1986.
  17. Lee, E. A. Actor-Oriented Design^of Embedded Hardware and Software Systems / E. A. Lee, S. Neuendorffer, M. Wirthlin // Journal of Circuits, Systems and Computers. 2002, Nov. — pp. 231−260.
  18. Lee, E. A. System-Level Types for Component-Based Design / E. A. Lee, Yu-hong Xiong // Proc. of the First International Workshop on Embedded Software. -2001. -pp. 237−253.
  19. Lee, Е. A. Synchronous data flow / Е. A. Lee, D. Messerschmitt // IEEE Proc. 1987, Sept. — pp. 1235−1245.
  20. Lee, E. A. Dataflow Process Networks / E. A. Lee, T. Parks // IEEE Proc.1995, May.-pp. 773−799.
  21. Lee, E. A. Comparing models of computation / E. A. Lee, A. Sangiovanni-Vincentelli // International Conference on Computer-Aided Design Proc.1996.-pp. 234−241.
  22. Lee, E. A. Timed Multitasking for Real-Time Embedded Software / Lee E. A., Jie Liu // IEEE Control Systems Magazine. Vol. 23,2002. — pp. 65−75.
  23. De Marco, T. Structured Analysis and System Specification / T. De Marco. -Prentice-Hall, 1978. 352 p.
  24. , Ю. П. Автоматизация проектирования преобразователей дискретной информации / Ю. П. Голубев. Калуга: Гриф, 2003. — 652 с.
  25. , Г. И. Сквозное автоматизированное проектирование микропроцессорных систем /Т. И. Новиков, АТЕГПлатунов //'Изв^тия'вузбвтПри-боростроение. 2000. — Том 43, № 1−2. — С. 35−39.
  26. , Н. П. Поведенческий и инструментальный аспекты проектирования встроенных вычислительных систем: дис. канд. тех. наук / Н. П. Постников. 2004. — 152 с.
  27. , А. Н. Денотативно-объектная модель вычислений для встроенных систем : дис. канд. тех. наук / А. Н. Лукичев. 2008. — 170 с.
  28. , А. Е. Теоретические и методологические основы высокоуров-• невого проектирования встраиваемых вычислительных систем : дис. док.тех. наук / А. Е. Шатунов. 2011.
  29. , А. Е. Единое проектное пространство плюс аспектная технология- перспективная парадигма проектирования встраиваемых систем / А. Е. Шатунов, Н. П. Постников // Науч.-тех. вестн. СПбГУ ИТМО. -СПб.: СПбГУ ИТМО, 2003.-Вып. 11.-С. 121−128.
  30. , Н. П. Динамические инструментальные компоненты / Н. П. Постников // Науч.-техн. вестн. СПб ГИТМО (ТУ). СПб.: СПб ГИТМО (ТУ), 2002,-№ 6.-С. 122.
  31. Ахо, А. Компиляторы: принципы, технологии, инструменты / А. Ахо, Р. Сети, Д. Ульман. М.: Мир, 1985. — 868 с.
  32. , В.Е. Программирование ПЛК: МЭК 61 131−3 и возможные альтернативы / В. Е. Зюбин // Промышленные АСУ и контроллеры. 2005. — № 11.-С. 31−35.
  33. , Р. Р. Выбор технологии программирования встроенных систем / Р. Р. Ковязин // Компоненты и технологии. 2005. — № 1. — С. 144−147.
  34. , P. V. РАСЕ: A Dynamic Programming Algorithm for Hardware/Software Partitionning / P. V. Knudsen // Proc. of the 4th Int. Workshop on Hardware/Software Co-Design. 1996. — pp. 85−92.
  35. Knudsen, P. V. Integrating communication protocol selection with hardware/software codesign / P. V. Knudsen, J. Madsen // IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits. № 18 (8), Aug., 1999.-ppTT 077=1095:
  36. Wirth, N. Hardware Compilation: Translating Programs into Circuits / N. Wirth // IEEE Computer. № 31 (6), 1998. — pp. 25−31.
  37. Буч, Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++: изд. 2-е / Г. Буч. М.: Бином, СПб.: Невский диалект, 1998.-560 с.
  38. , Р. Р. Разработка информационно-управляющих систем как актуализация целевой задачи / Р. Р. Ковязин // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. — № 45. Информационные технологии. — С. 79−85.
  39. , Р. Р. Введение в модель актуализации : тез. докл. / Р. Р. Ковязин // Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности- Северо-Западного региона». — СПб.: СПбГПУ, 2009. — С. 21−23.
  40. Lee, Е. A. Software Synthesis from Dataflow Graphs / E. A. Lee, S. S. Bhat-tacharyya, P. K. Murthy. Kluwer Academic Publishers, 1996. — 192 p.
  41. , Ф. Мифический человеко-месяц или как создаются программные системы / Ф. Брукс. СПб.: Символ-Плюс, 2000. — 304 с.
  42. , Н. Н'. Основания программирования / Н. Н. Непейвода, И. Н. Скопин. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003.-868 с.
  43. , Э. Проектирование микропроцессорных систем / Э. Клинг-ман. М.: Мир, 1985. — 363 с.
  44. Flynn, М. Some Computer Organizations and Their Effectiveness / M. Flynn // IEEE Translations on Computers. 1972. — Vol. C-21. — pp. 948.51тВоеводин~ВгВ~Вычислительная математика и структуры алгоритмов / В. В. Воеводин. М.: Изд-во МГУ, 2006. — 112 с.
  45. , В. В. Параллельные вычисления : учеб. пособие для вузов / В. В. Воеводин, Вл. В. Воеводин. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. — 600 с.
  46. Lavagno, L. Models of Computation for Embedded System Design / L. Lavagno, A. Sangiovanni-Vincentelli, E. Sentovich // Proc. on System Synthesis. -1999. pp. 45−102.
  47. Шалыто, A. A. Switch-технология. Алгоритмизация и программирование задач логического управления / А. А. Шалыто, СПб.: Наука, 1998. — 628 с.
  48. , Р. Р. Программирование- микроконтроллерных систем / Р. Р. Ковязин, А. Е. Платунов // Электронные компоненты. 2003. — № 4. -С. 65−70.
  49. Ertl, М. A. Implementation of Stack-Based Languages on Register Machines: Diss. Dr. Tech. Sci. / M. A. Ertl. Wien, 1996. — 85 p.
  50. Smith, J. Virtual Machines: Versatile Platforms for Systems and Processes / J. Smith, R. Nair. Morgan Kaufinann, 2005. — 656 p.
  51. , P. P. Оптимизация исполняемого кода для виртуальной машины : тез. докл. / Р. Р. Ковязин // Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона». — СПб.: СПбГПУ, 2001.-С. 24.
  52. Jerraya, A. A. Multi-language System Design // A. A. Jerraya, R. Ernst // Proc. of the Conference on Design, Automation and Test. 1999. — pp. 696.
  53. , H. H. Стили и методы программирования / Н. Н. Непейвода,-ИгНгСкопин—МГГИНТУИТГ200"5≅"320"с:
  54. , Р. Р. Проектирование проблеммно-ориентированных языков для встроенных вычислительных систем : тез. докл. / Р. Р. Ковязин // Политехнический симпозиум «Молодые ученые- промышленности СевероЗападного региона». СПб.: СПбГПУ, 2002. — С. 66.
  55. , Р. Р. Разработка проблемно-ориентированных процессоров : тез. докл. / Р. Р. Ковязин, Н. П. Постников // Межвузовская конференция молодых ученых СПбГУ ИТМО. Выпуск 5. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010.-С. 16−17.
  56. , Р. Р. Разработка проблемно-ориентированных процессоров : тез. докл. / Р. Р. Ковязин, Н. П. Постников // Сборн. тез. докл. конф. молодых ученых. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. — Вып. 5. — С. 81−85.
  57. Fisher, J. Very Long Instruction Word Architectures and the ELI-512 / J. Fisher // Proc. of the 10й1 annual International Symposium on Computer Architecture. N.Y.: ACM. — p. 140−150.
  58. Fisher, J. Embedded Computing: A VLIW Approach to Architecture, Compilers and Tools / J. Fisher, P. Faraboschi, C. Young. Morgan Kaufmann, 2004. — 712 p.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?