Современная Электроника

Современная Электроника
выпуск 5 от 2001-02-17

ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ САПР ВСТРОЕННЫХ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

Доброй работы, Подписчик! Продолжая тему средств разработки, я сегодня публикую очень интересную статью, любезно предоставленную Михаилом Долинским из Гомельского государственного университета. Данная статья представляет собой анализ тенденций развития аппаратного и программного обеспечения встроенных цифровых систем и соответствующих средств автоматизации проектирования. В статье приводится также краткое описание средств автоматизации совместного проектирования программного и аппаратного обеспечения встроенных цифровых систем, созданных в Гомельском государственном университете им.Ф.Скорины на протяжении 1987-2000 гг. 1. Введение Глобальной тенденцией в 90-х годах стало взрывное расширение сферы применения встроенных цифровых систем (ВЦС). Потребительская электроника, телекоммуникации, Интернет - устройства, обработка мультимедиа - вот далеко не полный перечень областей активного внедрения ВЦС[23,45]. Другой общей тенденцией стало возрастание числа ВЦС, выполненных на одном кристалле (SOC - system-on-a-chip). При этом взрывной характер носит и нарастание сложности таких систем. Дополнительные проблемы вносит то обстоятельство, что современные ВЦС требуют интегрированной разработки аппаратного и программного обеспечения. К сожалению, соответствующие средства проектирования на сегодня далеко не адекватны потребностям разработчиков. В частности в [55] отмечаются следующие характерные факты: - 40-70% человеко-недель SOC-проектов занимает их верификация - в большинстве SOC проектов на 1 инженера-проектировщика приходится 2 инженера - верификатора. Очевидно, что такое положение не может устраивать, и потому предпринимаются активные попытки создания новых средств автоматизации совместного проектирования, симуляции, отладки и верификации аппаратного и программного обеспечения встроенных цифровых систем. 2. Тенденции развития САПР аппаратного обеспечения Стремительная микроминиатюризация в электронике привела к тому, что современный чип может содержать миллионы вентилей и мегабиты памяти не только на заказных кристаллах (СБИС), но и на программируемых пользователем микросхемах (ПЛИС) [53]. Одновременно повышается и предельная тактовая частота, на которой могут функционировать такие микросхемы. Все это, с одной стороны, расширяет сферу применения данных микросхем, а с другой - ставит в полный рост проблему производительности разработчиков аппаратного обеспечения. Как отвечает сообщество разработчиков аппаратного обеспечения встроенных цифровых систем на этот вызов? Чем можно обеспечить сокращение сроков и повышение качества разработки сложных систем? Прежде всего, создается рынок IP (Intellectual Property) компонент [21]. То есть инженеры-электроники пытаются навести в проектах компонент электронных устройств стандартизацию, аналогичную той, которую навели у себя инженеры-механики, с тем, что бы при создании нового электронного устройства, можно было использовать как можно больше готовых, ранее разработанных компонент (так называемое повторное использование разработок). Дальнейшим развитием рынка IP-компонент (изначально включавшего в себя функциональные устройства средней сложности, как-то: регистры, ОЗУ, сумматоры, мультиплексоры и т.д.) стало введение IP-компонент, содержащих в своем составе процессор (CPU - Central Processor Unit). Более того, появились [26] реконфигурируемые CPU - ARC, Tensilica и др. В них пользователь может модифицировать и/или расширить имеющуюся систему команд, для решения собственной прикладной задачи. Появились также IP-компоненты, включающие так называемые интегрированные RISC+DSP процессоры [25] (2 процессора на одном кристалле - DSP-процессор для встроенной цифровой обработки сигналов и RISC-процессор для управления всеми остальными процессами на чипе). Мощным ответом на кризис средств проектирования аппаратного обеспечения явилось также платформенно - ориентированное проектирование [46,49,50]. При таком подходе фактически до 80 процентов аппаратного и программного обеспечения разработчики получают изначально спроектированными и верифицированными, причем в эти 80% входит один или несколько процессоров, одна или несколько внутренних и внешних шин для передачи информации, широкий набор внутрикристальных периферийных устройств, комплект программного обеспечения под некоторый круг задач и многое другое. 3. Тенденции развития средств разработки программного обеспечения встроенных цифровых систем В современных встроенных цифровых системах, базирующихся на одном или более процессорах, решающим фактором соблюдения заданных сроков разработки является своевременная и качественная разработка программного обеспечения ВЦС. Здесь намечаются 2 тенденции: Первая - активное внедрение в практику разработки языков программирования более высокого (по сравнению с традиционным ассемблером) уровня, прежде всего таких как C и C++. Это означает, что для каждой целевой архитектуры активно развиваются такие средства разработки программного обеспечения как С-компиляторы, отладчики по исходным текстам, симуляторы и эмуляторы. Ведутся также работы по созданию аналогичных средств, настраиваемых на целевые архитектуры. Вторая тенденция - создания неких метаязыков, таких, например, как UML (Unified Modeling Language), использование которых позволит описывать спецификацию поставленной задачи и затем генерировать необходимое программное обеспечение (непосредственно на С или на асемблере для заданного целевого процессора)[27]. 4. Тенденции развития средств автоматизации проектирования встроенных цифровых систем Поскольку, как уже отмечалось ранее, верификация проектов может занимать до 70% трудозатрат, то основное направление развития средств разработки - возможность сквозного совместного проектирования аппаратного и программного обеспечения на всех этапах разработки начиная с эскизного проектирования [22,48,49,52]. Другая тенденция - универсализация средств отладки как аппаратного [24,47] так и программного [21] обеспечения. При этом разработчики ВЦС обеспечиваются едиными средствами отладки для большого количества целевых архитектур. Это, с одной стороны, снижает стоимость приобретения отладочных средств (по сравнению с затратами на приобретение нескольких отладочных систем для различных целевых архитектур). С другой стороны, значительно сокращается время на обучение разработчиков при переходе в проектировании с одной целевой архитектуры на другую. В условиях универсализации средств отладки и расширения числа поставщиков таких систем особое значение принимает верификация самих средств разработки, в том числе создание и систематическое развитие тестовых наборов (стандартных компонент аппаратного и программного обеспечения с заданными заранее входными воздействиями и эталонными реакциями)[29,30,51]. Широкое распространение Internet-технологий привело также к такому явлению, как глобализация разработки встроенных систем. В чем это выражается? Прежде всего в том, что произошла кристаллизация рынка разработок ВЦС [28,54]. Появились отдельные службы (разбросанные по всему миру, но вполне эффективно взаимодействующие при помощи Internet) для проектирования, верификации, изготовления, консультирования и даже купли-продажи IP. Созданы и продолжают интенсивно развиваться WWW-сайты - порталы разработчиков ВЦС, включающие в себя демонстрационные и бесплатно распространяемые версии самых разнообразных средств разработки, каталоги IP-продуктов, новости и концептуальные статьи, ссылки на ресурсы различных служб, биржи заказов/разработчиков и т.д. Очевидно, что такие глобальные изменения в науке и производстве не могли не сказаться на методах и средствах подготовки самих инженеров. Можно отметить следующие тенденции в изменении вузовского обучения: - переориентация на конечный результат (Engineering Criteria 2000)[31] - международное сотрудничество [34,36] - внедрение исследовательских компонент [34,38-40] - WWW-системы автоматизированного тестирования [35,37] - WWW-организация учебно-методического материала [33] - студенческие соревнования по разработке [41-44] При этом мировым сообществом хорошо оcознается тот факт, что даже при самом лучшем вузовском образовании, его не может хватить на всю производственную жизнь специалиста, особенно в условиях столь динамичного развития отрасли. Поэтому важное значение придается созданию и развитию средств непрерывного образования, и тут снова на помощь приходит Internet [32]. 5. Средства разработки встроенных цифровых систем созданные в ГГУ им.Ф.Скорины В 1987 году ГГУ им.Ф.Скорины получил первый заказ на разработку "Системы полуавтоматической генерации тестов для цифро-аналоговой аппаратуры" от специализированного конструкторского бюро Гомельского завода радиотехнологического оснащения. С того момента и было создано научно - производственное подразделение, которое теперь носит название NIT Research Labs (http://nit.gsu.unibel.by). Мы внимательно отслеживаем тенденции развития средств автоматизации проектирования встроенных цифровых систем и на сегодня имеем широкий спектр соответствующих разработок, которые прошли апробацию как в академических кругах (конференции, журналы), так и в реальном проектировании и производстве [1-20]. 1) WInter - среда разработки программного обеспечения, настраиваемая на целевую архитектуру. Разработана технология такой настройки[6,14,15]. В настоящее время выполнена настройка на следующие микроконтроллеры: Intel 8051, Motorola 68HC05/08, Atmel AVR, Texas Instruments TMS370. Среда поддерживает разработку на языке ассемблера, и на любых языках высокого уровня, при наличии соответствующих компиляторов и конверторов отладочной информации. Среда включает в себя полный набор отладочных возможностей, практически перекрывающий любые из возможностей имеющихся сегодня на рынке аналогичных средств отладки. Важным достоинством среды WInter является возможность полной высокоуровневой имитации аппаратного обеспечения и внешней среды функционирования встроенной цифровой системы. Другим важным достоинством среды WInter является поддержка отладки многопроцессорных систем. 2) HLLCAD - среда разработки аппаратного обеспечения, обеспечивающая совместную симуляцию аппаратного и программного обеспечения[17]. Аппаратное обеспечение ВЦС визуально проектируется как иерархическая система. Компонентами этой системы могут быть: - стандартные синтезируемые компоненты (логические элементы, комбинационные схемы, элементы памяти), выбираемые из поставляемых параметризированных библиотек - композиции из стандартных синтезируемых компонент - модели на языках программирования высокого уровня. Конечные результаты процесса проектирования в HLCCAD: а) отлаженное аппаратное обеспечение, включая все его компоненты, непосредственно взаимодействующие с программным обеспечением ВЦС и внешней средой б) синтезируемое VHDL-описание отлаженного аппаратного обеспечения ВЦС, автоматически сгенерированное из визуального проекта HLCCAD в) полный набор тестов спроектированного аппаратного обеспечения, автоматически конвертированный в VHDL-(или MaxPlus) представление для последующего использования при верификации в системах низкоуровневого синтеза. Основные достоинства по сравнению с одним из лидеров рынка разработки аппаратного обеспечения ВЦС комплексом редактирования, моделирования и отладки (Renoir+ModelSim) от Mentor Graphics: - возможность совместной симуляции аппаратного и программного обеспечения (наличие модели процессора в схеме, без наличия полного VHDL описания этого процессора) - возможность симуляции многопроцессорных систем - развитые средства создания тестовых воздействий на симулирумую ВЦС: использование внешнего программного обеспечения на инструментальной IBM PC, направляющего свой вывод в последовательный и/или параллельный порт IBM PC и специальных HLCCAD-компонент, транслирующих эту информацию в HLCCAD-проект и обратно; возможность использования языка программирования высокого уровня для создания HLCCAD-компонент, имитирующих внешнюю среду ВЦС; использование клавиатуры и мыши инструментальной IBM PC для интерактивного воздействия на HLCCAD-проект; специальный язык тестов; - поддержка проектирования "сверху-вниз" и "снизу-вверх", обеспечивающая включение моделей компонент проекта, созданных на языках программирования высокого уровня; - синтез микропрограммных автоматов[4,10], включающий в себя разработку и отладку микропрограмм с последующей автоматической генерацией синтезируемых VHDL-описаний соответствующих операционного и управляющего автоматов; - развитые средства анализа результатов моделирования: фильтры сигналов, таблицы истории значений, навигатор по времени, специальная параметризированная библиотека разнообразных индикаторов для визуализации результатов моделирования, библиотека визуализации цифровых сигналов и озвучивания речи, пользовательская визуализация. 3) IEESD-2000 [1,2,5,7,9,11,12,13,18] - среда совместной отладки аппаратного и программного обеспечения ВЦС, бесшовно интегрирующая возможности описанных выше WInter и HLCCAD. Известны несколько аналогов, обеспечивающих совместную отладку аппаратного и программного обеспечения. Одним из лучших таких продуктов считается Seamless от Mentor Graphics. Поскольку Seamless обеспечивает интеграцию отладчика программного обеспечения фирмы X-Ray (относительно недавно приобретенной фирмой Mentor Graphics) с уже упоминавшейся системой Renoir+ModelSim, то очевидно, что IEESD-2000 наследует от HLCCAD все преимущества над Seamless. 4) UniICE и UniICS - соответственно универсальный внутрисхемный эмулятор и универсальный внутрисхемный симулятор[3,8,16]. Это проекты, которые на сегодняшний день представлены своими моделями в IEESD-2000, где отлажено их соответствующие аппаратное и программное обеспечение. Для аппаратного обеспечения имеется сгенерированное синтезируемое VHDL-описание. Таким образом, оно может быть использовано как IP-компонента SOC-системы. Начаты работы по созданию макетного образца на базе ПЛИС семейства Altera. 5) Значительную роль в создании WInter, HLCCAD и IEESD-2000 сыграли разработанные нами средства настройки [5,9,15] программного обеспечения на целевую архитектуру UNISAN и RtASM. Первое (UNISAN) позволяет описывать текстовый язык с помощью формул Бекуса-Наура, задавая также функции, которые необходимо вызвать в той или иной фазе разбора, являясь, тем самым, хорошей базой для разработки синтаксических анализаторов, компиляторов, конверторов и т.д. Второе (RtASM), это использующий возможности UNISAN, ассемблер, настраиваемый на целевую архитектуру процессора. Практика использования продукта показала, что ассемблер для нового процессора можно получить в сроки от недели до двух. Описанный выше комплекс программных и аппаратных средств отлично поддерживает [11] все перечисленные выше тенденции автоматизации развития средств аппаратного и программного обеспечения встроенных цифровых систем. В том числе включение в SOC-проекты новых CPU ядер, двухпроцессорные (DSP+RISC) интегрированные комплексы, равно как и платформенно-ориентированное проектирование в аппаратном обеспечении, использование C или каких-то других языков в программном обеспечении. Все продукты поддерживают эффективную работу в локальной сети предприятия. В настоящее время разрабатываются подходы к переносу разработанного программного обеспечения в глобальную сеть Internet. 6. Использование разработанных в ГГУ средств в образовании Созданные программные продукты внедрены в учебный процесс в ГГУ им.Ф.Скорины на математическом факультете и используются студентами при разработке учебных ВЦС. Кроме того, в рамках Гомельской Недели Компьютерных Наук (http://www.gsu.unibel.by/gcsw) [19] проводятся следующие конкурсы для студентов, аспирантов и инженеров-практиков : - проектирование цифровых систем - разработка программ для микроконтроллеров - проектирование встроенных цифровых систем. Подробности о конкурсах можно узнать на сайте проекта "Дистанционное обучение в Беларуси" (http://dl.gsu.unibel.by) [20]. Более того, любой желающий может принять участие в конкурсах. С помощью Internet-online или E-mail можно получить задание и прислать решение, которое в течение нескольких минут будет автоматически проверено и ответ выслан участнику, одновременно с пополнением общих результатов) в любом конкурсе - как тех, которые предстоят, так и в тех, которые произошли в прошлые годы. 7. Заключение Совместная разработка средств программного и аппаратного обеспечения встроенных цифровых систем - чрезвычайно актуальная проблема. Интенсивная динамика происходящих процессов требует достаточной гибкости соответствующих инструментальных систем. И потому многолетние разработки, имея безусловный плюс в виде накопленного опыта, могут иметь и очевидный минус в виде "миллинов строк" разработанного кода и груза принятых ранее решений. Потому молодые, недавно созданные коллективы разработчиков, достаточно глубоко изучившие тенденции развития инструментальных систем отладки могут найти свои ниши в международном разделении труда. Таким нишами, по мнению автора, прежде всего являются Интернет -средства создания, отладки и распространения IP- компонент аппаратного и программного обеспечения, а также сами IP-компоненты для новых целевых архитектур. Литература Сайт Если у вас есть интересный материал по теме рассылки и вы хотели его опубликовать - пишите, я с радостью помогу. Пишите также, если у вас возникли любые вопросы или предложения. НОВОСТИ National Semiconductor выложила как образец учебный проект разработки гигабитной (10/100/1000 Mbps) ethernet-карты для меди на своем трансивере (DP83861) и контроллерах (DP83820 и DP83821). Все это работает с PCI-контроллером формата 32/33 или 64/66. STMicroelectronics выпустила первый полностью интегрированный чип для DVD-ROM. Он называется STA1000 и содержит 16-разрядное процессорное ядро ST10, DSP, память и все требуемый интерфейсы. Ожидается, что это привидет к значительному удешевлению DVD-приводов. Infineon Technologies объявила о выходе новой серии DRAM-памяти "Mobile-RAM", ориентированной в первую очередь на "батареечные" приложения. Поэтому основные характеристики серии: крайне низкое энергопотребление, малые размеры и невысокая стоимость. Упакованные в BGA-корпуса модули памяти по 128-Mбит организованны в блоки 8Мx16 и хорошо подходят для 16- и 32-разрядных архитектур. Clare разработала и выпустила на рынок интегрированный DAA (data access arrangement) - LITELINK II DAA (CPC5610A). DAA - это все то, что ставиться на модем для согласования с телефонной линией. То теперь можно забыть про развязывающие трансформаторы, оптопары и и прочие дискретные компоненты, получив готовый модуль, выполненный в кремнии (корпус - SOIC 32-pin) всего за 2.79$. Для модемщиков настали золотые времена. Acer, Taiwan получила от Intel лицензию на изготовление чипсетов для Pentium 4. Подобные лицензии ждут VIA и SiS. А значит машины с Pentium 4 уже скоро станут у нас массовым явлением. Автор Сайт рассылки Архив Рассылки Были использованны материалы: National Semiconductor, STMicroelectronics, Infineon Technologies, EETimes, SemiseekNews Количество подписчиков: 3583