Главная
Коллекция "Otherreferats"
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Применение композитной логики для проектирования реконфигурируемых цифровых устройств управления
Применение композитной логики для проектирования реконфигурируемых цифровых устройств управления
Описание архитектуры композитного модуля – адаптивной аппаратной системы, использующей динамическую реконфигурацию. Применение архитектуры композитного модуля для проектирования цифровых систем управления, для которых актуальна формализация алгоритма.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.07.2018 |
| Размер файла | 244,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Применение композитной логики для проектирования реконфигурируемых цифровых устройств управления
Баркалов А.А., Зеленёва И.Я., Гриценко А.А.
Аннотация
Баркалов А.А., Зеленёва И.Я., Гриценко А.А. Применение композитной логики для проектирования реконфигурируемых цифровых устройств управления. В статье описана архитектура композитного модуля - адаптивной аппаратной системы, использующей динамическую реконфигурацию. Показано применение архитектуры композитного модуля для проектирования цифровых систем управления, для которых формализация алгоритма управления перенесена на этапы внедрения и эксплуатации.
Ключевые слова: композитная логика, паттерн проектирования, динамическая реконфигурация
Abstract
Barkalov A.A., Zelenyova I.J., Grytsenko A.A. Composite logic approach for reconfigurable digital control units design. In the paper described composite module architecture - adaptive hardware system using dynamically reconfiguration. Showed composite module architecture approach for digital control units design for which control algorithm formalization deferred to deploying and maintenance phases.
Key words: composite logic, design pattern, run-time reconfiguration.
Введение
Реконфигурируемые системы являются современной аппаратной платформой, предоставляющей возможность динамического изменения структуры без остановки работы устройства [1]. Реконфигурируемые системы могут использоваться в различных направлениях, в частности, для разработки адаптивных вычислительных систем [2].
На данный момент актуальным является проектирование адаптивных систем, в том числе аппаратных, которые могут после развертывания, в процессе эксплуатации, реализовывать широкий круг алгоритмов для взаимодействия с окружением. Такие системы должны предоставлять возможности гибкой обработки запросов и расширения базы поддерживаемых алгоритмов, что достигается с помощью использования паттернов проектирования.
Понятие паттернов проектирования включает описание взаимодействия некоторых объектов для решения общей задачи проектирования [4]. Паттерны могут применяться в различных областях, в частности, при проектировании цифровых систем управления. Для перехода от объектно-ориентированных систем к цифровым системам можно использовать унифицированный язык моделирования [2], с помощью которого описаны паттерны проектирования, и управляемую моделями архитектуру, позволяющую описывать программно-аппаратные системы на высоком уровне, независимом от реализации [3]. Таким образом, можно применять некоторые паттерны проектирования для описания аппаратных систем с сохранением их семантики.
В данной работе предлагается архитектура композитного модуля - адаптивной аппаратной системы, прозрачно изменяющей свою внутреннюю структуру для обработки запросов внешних систем [5]. В качестве примера применения предлагаемой архитектуры рассматривается построение цифрового устройства управления [6, 7] с композитной логикой. Эта система предоставляет возможность развертывания любого алгоритма управления с учетом налагаемых физических ограничений на производительность и время отклика.
Архитектура композитного модуля
Композитный модуль - это аппаратная система, которая объединяет жесткую [6,7] (статическую составляющую) и реконфигурируемую логику [1] (динамическую составляющую), обеспечивая возможность адаптивного взаимодействия с внешней средой. Объединение жесткой и реконфигурируемой логик формирует композитную логику. Композитный модуль описывается с использованием ряда паттернов [4] (рис. 1):
· фасад (facade) - обеспечивает взаимодействие с внешними подсистемами, поддержку соответствующих интерфейсов и получение запросов; инкапсулирует компоненты, реализующие внутреннюю логику модуля;
· прокси (proxy) - интерфейсный модуль приложения обработки запросов, обеспечивающий правильность выбора необходимого состояния, предварительную обработку и ретрансляцию запросов;
· состояние (state) - часть приложения обработки запросов, обеспечивающая обработку запросов и формирование результатов;
· строитель (builder) - инфраструктурный модуль, обеспечивающий конфигурацию различных частей приложения обработки запросов по требованию прокси.
Композитный модуль обладает рядом свойств:
· гибкость - обеспечивается возможностью реализации множества алгоритмов проблемной области ограниченной поддерживаемыми контрактами с внешней средой (определяемого физическими интерфейсами);
· прозрачность - обеспечивается инкапсуляцией использования реконфигурируемой логики и соответствующих этому процессов;
· адаптивность - обеспечивается возможностью изменения контрактов с внешней средой, следовательно, изменения проблемной области.
композитный модуль динамический реконфигурация
Композитный модуль имеет многослойную архитектуру (рис. 2), которая реализует общую модель, используемую для разделения сложных систем [8].
Физическое представление алгоритма, реализуемого композитным модулем, определяется текущим «состоянием» реконфигурируемой логики, являющимся элементом множества возможных состояний. «Прокси» реализует уровень предметной области алгоритма, обеспечивая правильность смены состояний (для физической смены состояний используется «строитель»), реализацию общих алгоритмов, поддержку механизмов оптимизации и т.д. Представление, реализуемое «фасадом», обеспечивает интерфейс взаимодействия с внешней средой. «Фасад» не обладает собственной логикой, но обеспечивает сопряжение и буферирование.
Для каждой конкретной архитектуры, базирующейся на архитектуре композитного модуля, реализуются собственные компоненты, отвечающие шаблонной схеме (рис. 1) и выполняющие роли, определенные расслоением архитектуры (рис. 2).
Архитектура цифрового устройства управления, базирующаяся на архитектуре композитного модуля
Логика цифрового устройства управления (УУ) определяется конечным автоматом [6,7]. В каждый момент времени конечный автомат находится в одном из состояний, следовательно, на некотором промежутке времени активной является только некоторая часть автомата. Применение архитектуры композитного модуля (рис. 1) для проектирования цифрового управляющего устройства (рис. 3) базируется на том, что конечный автомат управления может быть подвержен декомпозиции с целью разделенного конфигурирования его секций, каждая из которых определяет состояние композитного модуля в некоторый момент времени.
Применение композитных модулей в данном аспекте обеспечивает следующие возможности:
· с физической стороны - уменьшение количества ресурсов, необходимых для развертывания управляющего автомата, при этом метрики экономии определяются свойствами исходного алгоритма и выбранного алгоритма декомпозиции;
· с логической стороны - обеспечение возможности изменения управляющего автомата, когда такое изменение ограничено физическими характеристиками устройства, предоставляющего ресурсы реконфигурируемой логики, и предметной областью, определяемой внешней средой.
Ограничение физическими характеристиками устройства выполняется, если максимальное количество ресурсов, необходимое для развертывания каждой секции измененного управляющего автомата, не превышает максимальное количество ресурсов, необходимое для развертывания каждой секции исходного УА. Ограничение предметной областью выполняется, если измененный управляющий автомат поддерживает те же контракты, что и исходный УА.
Драйвер обеспечивает взаимодействие с внешними системами по асинхронному протоколу (также может применяться асинхронно-синхронный протокол [6, с. 245-248]), буферирование кода операции (команды) и флагов (состояния). Ядро реализует логику конечного автомата управления, сегментированного в результате декомпозиции алгоритма. Конфигуратор обеспечивает физическую реконфигурацию сегментов управляющего автомата в соответствии с логическими запросами, поступающими из ядра.
Тривиальный алгоритм работы цифрового устройства управления с композитной логикой
Ядро, базирующееся на реконфигурируемой логике, может находиться в одном из трех состояний [9]:
· операбельно - сегмент управляющего автомата сконфигурирован и актуален. Актуальность сегмента управляющего автомата определяется возможностью обработки следующего запроса выборки без реконфигурации сегмента;
· анализируется - сегмент управляющего автомата сконфигурирован, но неактуален. Ядро анализирует состояние системы, для определения следующего сегмента и его конфигурирования;
· реконфигурируется - в результате анализа выявлен следующий сегмент и происходит его конфигурация.
Если ядро использует один сегмент управляющего автомата, то на время анализа и реконфигурирования оно будет простаивать, вызывая снижение производительности (ядро простаивает и между получениями запросов на выборку команды, но при этом не происходит потери производительности) [9] (рис. 4).
Основным недостатком тривиального алгоритма (рис. 5) является изменчивость времени обработки запроса на выборку команды, что ведет к сложности сопряжения с другими системами, в частности, к сложности синхронизации. При этом также нарушается свойство прозрачности композитного модуля, т.к. процессы, которые обеспечивают реконфигурирование, оказывают явное влияние на внешние характеристики системы. Преимуществом тривиального алгоритма является его простота и надежность. Тривиальный алгоритм не требует наличия дополнительных подсистем (менеджеров секций, анализаторов) в ядре, уменьшая количество необходимых ресурсов. При применении тривиального алгоритма на способ декомпозиции конечного автомата управления не налагаются какие-либо ограничения и требования.
Для оптимизации работы устройства можно применять ряд алгоритмов, в частности, описанных в [9]: использование параллельных сегментов; наложение ограничений на алгоритмы декомпозиции, для обеспечения упрощенного управления сегментами; стековая выборка последовательных команд и т.д. Однако эти алгоритмы приводят к усложнению архитектуры ядра, а также требуют применения специализированных алгоритмов декомпозиции.
Выводы
В статье предложена архитектура композитного модуля - аппаратного устройства, объединяющего жесткую и реконфигурируемую логику. Описание предлагаемой архитектуры дано с использованием паттернов проектирования, что представляет собой попытку применения семантики паттернов, применяемых в программных системах, для аппаратных систем с использованием многослойной модели.
Показано применение архитектуры композитного модуля для проектирования цифрового устройства управления. При этом рассматриваются компоненты такой системы и тривиальный алгоритм ее работы, который является наиболее простым и надежным решением, но обладает рядом недостатков. Направление дальнейших исследований заключается в рассмотрении вопросов, связанных с архитектурой отдельных компонент предлагаемой системы и разработкой оптимизированных алгоритмов работы системы.
Список источников
1. Палагин А.В. Реконфигурируемые вычислительные системы: Основы и приложения. / А.В.Палагин, В.Н.Опанасенко. - Київ: Просвіта, 2006. - 280 с.: ил.
2. Буч Г., Якобсон А., Рамбо Дж. UML. Классика CS. 2-е изд.: Пер. с англ. Под общей редакцией проф. С. Орлова - СПб: Питер, 2006. - 736 с.: ил.
3. Баркалов А.А., Зеленева И.Я., Гриценко А.А. Адаптация MDA для моделирования управляющих автоматов в стандартах UML // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - Запоріжжя; ЗНТУ, 1(15)'2006. - С. 33-37
4. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. - СПб: Питер, 2006. - 366 с.: ил.
5. Neema S., Barty T., Scott J. Adaptive Computing and Runtime Reconfiguration // ISIS, Vanderbilt University; USA, 1999. - 8 pp.
6. Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. - Львів: Машиностроение, 1974. - 432 с.
7. Баркалов О.О., Ковальов С.О., Мальчева Р.В. Проектування операційних пристроїв. - Донецьк: РВА ДонНТУ, 2005. - 312 с.
8. Фаулер М. Архитектура корпоративных программных приложений.: Пер. с англ. - М.: Изд. дом «Вильямс», 2006. - 544 с.
9. Grytsenko A., Malcheva R., Barkalov A. Run-time reconfigurable system for distributed algorithm execution // Proceedings of the International Conference on Computer Science and Information Technologies, CSIT'2006. - Lviv: September 28th-30th, 2006 - P. 164-166.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Исследование внутреннего устройства и архитектуры современных модемов. Распределение функций между составными частями модема. Анализ функций аналоговых и цифровых модемов, связанных с обработкой сигналов. Метод преобразования аналоговых данных в цифровые.
курсовая работа [335,9 K], добавлен 09.11.2014Применение булевой алгебры при анализе и синтезе цифровых электронных устройств. Реализация логических функций в разных базисах. Параметры и характеристики цифровых интегральных микросхем. Структура локальной микропроцессорной системы управления.
книга [3,6 M], добавлен 20.03.2011Основные положения алгебры логики. Составление временной диаграммы комбинационной логической цепи. Разработка цифровых устройств на основе триггеров, электронных счётчиков. Выбор электронной цепи аналого-цифрового преобразования электрических сигналов.
курсовая работа [804,2 K], добавлен 11.05.2015Обзор современных схем построения цифровых радиоприемных устройств (РПУ). Представление сигналов в цифровой форме. Элементы цифровых радиоприемных устройств: цифровые фильтры, детекторы, устройства цифровой индикации и устройства контроля и управления.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 15.12.2009Технические характеристики цифрового компаратора. Описание цифровых и аналоговых компонентов: микросхем, датчиков, индикаторов, активных компонентов, их условные обозначения и принцип работы. Алгоритм работы устройства, структурная и принципиальная схемы.
курсовая работа [1023,2 K], добавлен 29.04.2014Знакомство с особенностями работы в среде системы автоматизированного проектирования "Max+Plus II". Анализ этапов разработки специализированных цифровых устройств. Характеристика схемы после изменения адресов. Рассмотрение способов настройки сумматоров.
контрольная работа [2,2 M], добавлен 03.01.2014Структура электропривода постоянного тока с микропроцессорным управлением. Процессорный и интерфейсный модули в составе микропроцессора. Отработка управляющих программ для реализации алгоритма управления. Особенности проектирования интерфейсного модуля.
курсовая работа [446,8 K], добавлен 08.07.2014Понятие моделей источников цифровых сигналов. Программы схемотехнического моделирования цифровых устройств. Настройка параметров моделирования. Определение максимального быстродействия. Модели цифровых компонентов, основные методы их разработки.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 12.11.2014Исследование модуля преобразователя входных функциональных сигналов для цифровых АТС. Технические требования к модулю, метод проектирования технологического процесса его сборки. Конструктивно-технологичный анализ изделия как объекта производства.
дипломная работа [3,9 M], добавлен 10.06.2010Описание алгоритма работы и разработка структурной схемы микропроцессорной системы управления. Разработка принципиальной схемы. Подключение микроконтроллера, ввод цифровых и аналоговых сигналов. Разработка блок-схемы алгоритма главной программы.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 26.06.2016
