Спосіб опрацювання інформації в самоконфігуровній комп’ютерній системі з реконфігуровною логікою

Реферат: UA 80322 U UA 80322 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить обчислювальної техніки і може бути використана в комп'ютерних системах з реконфігуровною логікою. Як відомо, в основу парадигми реконфігуровних обчислень покладено підхід поєднання універсальних програмованих процесорів з реконфігуровною логікою, в якій створюють спеціалізовані процесори з адаптованою до виконуваних алгоритмів архітектурою, та при потребі виконання інших алгоритмів замінюють ці процесори іншими шляхом зміни її конфігурації. Такий підхід дозволяє забезпечити універсальність і необхідну продуктивність комп'ютерних систем. Впровадження парадигми реконфігуровних обчислень стало можливим з появою програмовних логічних інтегральних схем (ПЛІС) високого ступеня інтеграції та засобів їх конфігурування. Процес конфігурування ПЛІС полягає в завантаженні до неї бінарного файлу конфігурації, який налаштовує її внутрішню структуру. Відомий спосіб компіляції програм з мов програмування високого рівня в коди процесора та інтегрованої з ним реконфігуровної логіки [Laurence Η Cooke, Christopher E Phillips, Dale Wong: Method for compiling high level programming languages into an integrated processor with reconfigurable logic. Oct, 12 1999: US 5966534., Laurence Η Cooke, Christopher Ε Phillips, Dale Wong: Method for compiling high level programming languages into embedded microprocessor with multiple reconfigurable logic. Intel Mar, 16 2004: US 6708325], відповідно до якого автоматично компілюють програму, подану мовою програмування високого рівня, у програму, подану внутрішньою мовою процесора, та у програму, на основі якої формують коди конфігурації реконфігуровної логіки, за якими створюють в ній блоки для апаратного виконання цієї програми. Реалізація цього способу забезпечує автоматичну побудову спеціалізованих процесорів. Одночасно, реалізація цього способу передбачає вирішення питання розподілу навантаження між універсальним процесором та реконфігуровною логікою. Цей спосіб може бути використаний при побудові програмних засобів автоматизації конфігурування комп'ютерних систем з реконфігуровною логікою. Недоліком відомого способу є те, що його реалізація не передбачає опрацювання інформації в самоконфігуровній комп'ютерній системі з реконфігуровною логікою при виконанні довільних програм. Відома система автоматичної генерації моделей спеціалізованих процесорів мовою VHDL з опису виконуваного алгоритму мовою програмування високого рівня ANSI С [Мельник А. О. ХАМЕЛЕОН - система високорівневого синтезу спеціалізованих процесорів / А.О. Мельник, А.М. Сало, В. Клименко, Л. Цигилик, А. Юрчук // Науково-тухнічний журнал Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2009.-№5. С. 189-195., Chameleon - the System-Level Design Solution. [Електронний ресурс] / Режим доступу: http://intron-innovations.com/7p-sldchame]. Вхідною інформацією в цій системі є опис виконуваного алгоритму мовою ANSI C, специфікація інтерфейсу та значення характеристик спеціалізованих процесорів, моделі яких підлягають генеруванню. Базовою платформою для синтезу спеціалізованих процесорів є конфігуровна архітектура процесора, на основі якої за допомогою специфікації конфігураційних параметрів на етапі створення процесора здійснюють вибір таких його характеристик: кількість функціональних блоків, склад системи команд кожного з них, ємність та склад пам'яті програм та даних, кількість входів та виходів комунікаційної мережі. Ця система може бути використана при побудові програмних засобів автоматизації конфігурування комп'ютерних систем з реконфігуровною логікою. Недоліком відомої системи є її обмежене використання лише для автоматичної генерації моделей спеціалізованих процесорів. Найближчим до корисної моделі є спосіб опрацювання інформації в комп'ютерних системах з реконфігуровною логікою [Scott Hauck, Andre DeHon. "Reconfigurable Computing: The Theory and Practice of FPGA-Based Computation"/Morgan Kaufmann, 2008. - 944 p., B. Mei, S. Vernalde, D. Verkest, H. De Man, and R. Lauwereins, "ADRES: An architecture with tightly coupled VLIW processor and coarse-grained reconfigurable matrix," in Proceedings of International Conference on Field-programmable Logic and Applications, 2003, pp. 61-70., S. Ciricescu, R. Essick, B. Lucas, P. May, K. Moat, J. Norris, M. Schuette, and A. Saidi, "The reconfigurable streaming vector processor (RSVP)", in Proceedings of IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture, 2003, pp. 141150]. До складу комп'ютерної системи з реконфігуровною логікою входить універсальний комп'ютер, підключене до нього реконфігуровне середовище на основі ПЛІС або інших типів інтегральних схем програмовної логіки, програмні засоби створення комп'ютерних програм мовами високого рівня, програмні засоби для розроблення та відлагодження програмних моделей спеціалізованих процесорів, програмні засоби логічного синтезу програмнихмоделей 1 UA 80322 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 спеціалізованих процесорів і конфігурування реконфігуровного середовища та засоби організації взаємодії універсального комп'ютера з реконфігуровним середовищем. Для розроблення та відлагодження програми мовою високого рівня використовують інтегровані середовища програмування, наприклад, Visual C++ від компанії Microsoft. Розподіл обчислювального навантаження між універсальним комп'ютером та реконфігуровним середовищем виконується користувачем комп'ютерної системи з реконфігуровною логікою. Для цього він використовує засоби моделювання, або профілювальники, які надають статистику виконання програми, зокрема час і частоту виконання її окремих фрагментів, що дає змогу виявити в програмі фрагменти, які вимагають найбільшої кількості обчислень. Для розроблення та відлагодження програмних моделей спеціалізованих процесорів використовують, наприклад, такі засоби: ModelSIM від компанії Mentor Graphics, Active-HDL від компанії Aldec. Для виконання логічного синтезу програмних моделей спеціалізованих процесорів та конфігурування реконфігуровного середовища використовують, наприклад, такі засоби: ISE, Alliance, Foundation від компанії Хіlіnх, Quartus II, Мах+ІІ від компанії Altera. Для організації взаємодії універсального комп'ютера з спеціалізованими процесорами, синтезованими в реконфігуровному середовищі, використовують драйвери реконфігуровного середовища та апаратні частини контролерів інтерфейсів, через які здійснюється ця взаємодія. Спосіб опрацювання інформації в комп'ютерній системі з реконфігуровною логікою передбачає послідовне виконання чотирьох етапів, причому на першому етапі користувач створює програму на мові програмування високого рівня, розподіляє цю програму на підпрограму універсального комп'ютера та підпрограму реконфігуровного середовища, виконує компіляцію підпрограми універсального комп'ютера і формує її виконавчий файл; на другому етапі користувач для виконання підпрограми реконфігуровного середовища створює (або використовує готове рішення) на мові опису апаратних засобів програмну модель спеціалізованого процесора, виконує її логічний синтез та завантажує отримані в результаті логічного синтезу файли конфігурації до реконфігуровного середовища; на третьому етапі за командою користувача операційна система універсального комп'ютера завантажує виконавчий файл підпрограми універсального комп'ютера до основної пам'яті; на четвертому етапі комп'ютерна система з реконфігуровною логікою виконує програму, причому в універсальному комп'ютері та в реконфігуровному середовищі виконуються відповідні підпрограми, організацію взаємодії між якими здійснюють засоби організації взаємодії універсального комп'ютера з реконфігуровним середовищем; при повторному виконанні цієї ж програми послідовно виконують третій і четвертий етапи; в разі наявності виконавчого файлу та файлів конфігурації для виконання програми користувач завантажує файли конфігурації до реконфігуровного середовища, і послідовно виконують третій і четвертий етапи. Недоліками відомого способу опрацювання інформації є те, що виконання кожної нової програми в комп'ютерній системі з реконфігуровною логікою вимагає послідовного виконання всіх чотирьох етапів, в перших двох з яких всі дії здійснюються користувачем, а в разі наявності виконавчого файлу та файлів конфігурації для виконання програми користувач повинен завантажити файли конфігурації до реконфігуровного середовища перед третім і четвертим етапами, що вимагає значних часових затрат. Крім того, клас завдань, на яких комп'ютерна система з реконфігуровною логікою є ефективною, є вузьким, і залежить від функціональних характеристик реалізованих в реконфігуровному середовищі спеціалізованих процесорів, а зміна функціональних характеристик вимагає повторного виконання конфігурування комп'ютерної системи. Ще одним недоліком є те, що до кваліфікації користувача ставляться високі додаткові вимоги, оскільки він, крім моделювання і програмування, повинен виконувати системний аналіз, розробляти архітектуру спеціалізованих процесорів, здійснювати їх синтез та реалізацію в ПЛІС. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу опрацювання інформації в комп'ютерній системі з реконфігуровною логікою, що забезпечить прискорення опрацювання інформації, високу ефективність системи на довільних класах задач та спрощення її використання. Поставлена задача вирішується тим, що в способі опрацювання інформації в самоконфігуровній комп'ютерній системі з реконфігуровною логікою (СККС), до складу якої входять універсальний комп'ютер, підключене до нього реконфігуровне середовище на основі ПЛІС або інших типів інтегральних схем програмовної логіки, програмні засоби створення комп'ютерних програм мовами високого рівня, програмні засоби логічного синтезу програмних моделей спеціалізованих процесорів і конфігурування реконфігуровного середовища та засоби 2 UA 80322 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 організації взаємодії універсального комп'ютера з реконфігуровним середовищем, який передбачає виконання трьох етапів, причому на першому етапі користувач створює програму на мові програмування високого рівня, на другому етапі за командою користувача операційна система універсального комп'ютера завантажує виконавчий файл підпрограми універсального комп'ютера до основної пам'яті, на третьому етапі СККС виконує програму, причому в універсальному комп'ютері та в реконфігуровному середовищі виконуються відповідні підпрограми, організацію взаємодії між якими здійснюють засоби організації взаємодії універсального комп'ютера з реконфігуровним середовищем, відповідно до винаходу до складу СККС введено систему автоматичного розподілу обчислювального навантаження і систему автоматичного генерування програмних моделей спеціалізованих процесорів, причому на першому етапі користувач вводить до СККС програму на мові програмування високого рівня, система автоматичного розподілу обчислювального навантаження розподіляє цю програму на підпрограму універсального комп'ютера та підпрограму реконфігуровного середовища за допомогою виділення з програми доцільних для апаратної реалізації в реконфігуровному середовищі фрагментів та заміни цих фрагментів в підпрограмі універсального комп'ютера командами взаємодії з реконфігуровним середовищем, компілятор універсального комп'ютера виконує компіляцію підпрограми універсального комп'ютера і формує виконавчий файл, система автоматичного генерування програмних моделей спеціалізованих процесорів створює з підпрограми реконфігуровного середовища програмну модель спеціалізованого процесора, подану мовою опису апаратних засобів, програмні засоби логічного синтезу програмних моделей спеціалізованих процесорів і конфігурування реконфігуровного середовища виконують логічний синтез програмної моделі спеціалізованого процесора і формують файли конфігурації реконфігуровного середовища, операційна система універсального комп'ютера зберігає файли конфігурації реконфігуровного середовища і виконавчий файл у пам'яті універсального комп'ютера, на другому етапі операційна система універсального комп'ютера завантажує виконавчий файл підпрограми універсального комп'ютера до виконання, засоби логічного синтезу програмних моделей спеціалізованих процесорів і конфігурування реконфігуровного середовища виконують синтез спеціалізованого процесора в реконфігуровному середовищі шляхом завантаження файлів конфігурації з пам'яті універсального комп'ютера до реконфігуровного середовища. Таким чином, самоконфігуровна комп'ютерна система з реконфігуровною логікою конфігурується самостійно відповідно до особливостей заданого комп'ютерною програмою обчислювального алгоритму на відміну від комп'ютерної системи з реконфігуровною логікою, де конфігурування виконує користувач. Тому вона названа самоконфігуровною. Перелік програмних засобів, що використовуються для виконання дій кожного етапу способу опрацювання інформації в самоконфігуровній комп'ютерній системі з реконфігуровною логікою, наведено нижче: 1. Для створення програми на мові програмування високого рівня використовують довільне середовище програмування мовою високого рівня, наприклад, Visual C++ [Айвор Хортон Microsoft Visual C++ 2005: базовий курс = Beginning Visual C++ 2005. — Μ.: «Диалектика», 2007. - С. 1152. - ISBN 0-7645-7197-4] від компанії Microsoft. 2. Для побудови системи розподілу обчислювального навантаження між універсальним комп'ютером та реконфігуровним середовищем може бути використана, наприклад, система, принципи функціонування та підхід до реалізації якої висвітлено в роботі [В. Мельник, В. Степанов, 3. Сарайрех. Система розподілу обчислювального навантаження між хосткомп'ютером та самоконфігуровним прискорювачем // Науковий вісник Чернівецького університету. Комп'ютерні системи та компоненти. - Чернівці: Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича. 2012. Т. 3. Вип. 1. С.6-16]. Дана система формує підпрограму реконфігуровного середовища мовою асемблера х86, тому для застосування в самоконфігуровній комп'ютерній системі з реконфігуровною логікою її необхідно доповнити засобами трансляції коду з мови асемблера в мову високого рівня. Засоби цього типу наявні на ринку, наприклад Relogix Assembler-to-C Translator [[Електронний ресурс] / - Режим доступу: http://www.microapl.co.uk/asm2c/] від компанії MicroAPL. 3. Для компіляції підпрограми універсального комп'ютера і формування її виконавчого файлу можна використати довільний компілятор з мови, на якій представляється підпрограма універсального комп'ютера, в об'єктний код, що безпосередньо може виконуватись універсальним комп'ютером, який входить до складу самоконфігуровної комп'ютерної системи з реконфігуровною логікою. 4. Для створення з підпрограми реконфігуровного середовища програмної моделі спеціалізованого процесора, що здійснюється паралельно з компіляцією підпрограми 3 UA 80322 U 5 10 15 20 25 30 універсального комп'ютера, використовують системи автоматизованого високорівневого проектування програмних моделей процесорів з мови високого рівня, наприклад Agility Compiler та DK4 Design Suite від компанії Celoxica, CoDeveloper від компанії Impulse, Хамелеон [Мельник А. О. ХАМЕЛЕОН - система високорівневого синтезу спеціалізованих процесорів / А.О. Мельник, А.М. Сало, В. Клименко, Л. Цигилик, А. Юрчук // Науково-тухнічний журнал Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2009. - № 5. - С. 189-195, Chameleon - the System-Level Design Solution. [Електронний ресурс] / - Режим доступу: http://intron-innovations.com/?p=sld_chame], від компанії Інтрон. Отримана в результаті програмна модель подається мовою опису апаратних засобів на рівні міжрегістрових передач, оскільки подання саме на цьому рівні забезпечує ефективний синтез спеціалізованих процесорів в ПЛІС різних технологій. 5. Для виконання логічного синтезу програмних моделей спеціалізованих процесорів та конфігурування реконфігуровного середовища використовують, наприклад, такі засоби: ISE, Alliance, Foundation від компанії Xilinx, Quartus II, Max+ІІ від компанії Altera. 6. Завантаження виконавчих файлів програм виконують стандартним завантажувачем операційної системи. 7. Для організації взаємодії універсального комп'ютера з реконфігуровним середовищем використовують програмні засоби, що постачаються разом з реконфігуровними середовищами їх виробниками, наприклад, компанією DRC для їхніх реконфігуровних процесорних блоків RPU [DRC Reconfigurable Processor Units (RPU) [Електронний ресурс] / - Режим доступу: http://www.drccomputer.com/drc/modules.html], компанією Nallatech для їхніх реконфігуровних прискорювачів серії НІ00 [НІ00 Series FPGA Application Accelerators. Version 1.9. September 2008 // Електронний ресурс. Режим доступу: http://www.skyblue.de/nallatech/5595.pdfl. Таким чином, задача вдосконалення способу опрацювання інформації в комп'ютерній системі з реконфігуровною логікою вирішена, оскільки прискорено опрацювання інформації в ній завдяки суміщенню процесів компіляції вхідної програми і формування файлів конфігурації реконфігуровного середовища, а також процесів завантаження виконавчого файлу і конфігурування реконфігуровного середовища, забезпечено високу ефективність системи на довільних класах задач, а також спрощено її використання завдяки автоматизації виконання всіх етапів способу опрацювання інформації. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 55 60 Спосіб опрацювання інформації в самоконфігуровній комп'ютерній системі з реконфігуровною логікою (СККС), до складу якої входять універсальний комп'ютер, підключене до нього реконфігуровне середовище на основі ПЛІС або інших типів інтегральних схем програмовної логіки, програмні засоби створення комп'ютерних програм мовами високого рівня, програмні засоби логічного синтезу програмних моделей спеціалізованих процесорів і конфігурування реконфігуровного середовища та засоби організації взаємодії універсального комп'ютера з реконфігуровним середовищем, що включає виконання трьох етапів, причому на першому етапі користувач створює програму на мові програмування високого рівня, на другому етапі за командою користувача операційна система універсального комп'ютера завантажує виконавчий файл підпрограми універсального комп'ютера до основної пам'яті, на третьому етапі СККС виконує програму, причому в універсальному комп'ютері та в реконфігуровному середовищі виконуються відповідні підпрограми, організацію взаємодії між якими здійснюють засоби організації взаємодії універсального комп'ютера з реконфігуровним середовищем, який відрізняється тим, що до складу СККС введено систему автоматичного розподілу обчислювального навантаження і систему автоматичного генерування програмних моделей спеціалізованих процесорів, причому на першому етапі користувач вводить до СККС програму на мові програмування високого рівня, система автоматичного розподілу обчислювального навантаження розподіляє цю програму на підпрограму універсального комп'ютера та підпрограму реконфігуровного середовища за допомогою виділення з програми доцільних для апаратної реалізації в реконфігуровному середовищі фрагментів та заміни цих фрагментів в підпрограмі універсального комп'ютера командами взаємодії з реконфігуровним середовищем, компілятор універсального комп'ютера виконує компіляцію підпрограми універсального комп'ютера і формує виконавчий файл, система автоматичного генерування програмних моделей спеціалізованих процесорів створює з підпрограми реконфігуровного середовища програмну модель спеціалізованого процесора, подану мовою опису апаратних засобів, програмні засоби логічного синтезу програмних моделей спеціалізованих процесорів і конфігурування реконфігуровного середовища виконують логічний синтез програмної моделі 4 UA 80322 U 5 спеціалізованого процесора і формують файли конфігурації реконфігуровного середовища, операційна система універсального комп'ютера зберігає файли конфігурації реконфігуровного середовища і виконавчий файл у пам'яті універсального комп'ютера, на другому етапі операційна система універсального комп'ютера завантажує виконавчий файл підпрограми універсального комп'ютера до виконання, засоби логічного синтезу програмних моделей спеціалізованих процесорів і конфігурування реконфігуровного середовища виконують синтез спеціалізованого процесора в реконфігуровному середовищі шляхом завантаження файлів конфігурації з пам'яті універсального комп'ютера до реконфігуровного середовища. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП ―Український інститут промислової власності‖, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5