Автоматизация методов оптимизации систем цос на базе плис

УДК 004(06) Компьютерные системы и технологии
И.Н. КУЧЕРНЮК
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ЦОС НА БАЗЕ ПЛИС
Предлагается способ автоматизации методов оптимизации систем ЦОС, реализуемых на базе ПЛИС, путём использования алгоритмов, функционирующих на уровне структурной схемы оптимизируемой системы. Рассматривается общий алгоритм работы предлагаемого средства автоматизации.
Цифровая обработка сигналов (ЦОС) всё активнее используется в различных областях человеческой деятельности. Многие реализации систем ЦОС строятся на базе программируемых логических интегральных
схем (ПЛИС), используя характерные для них высокую степень распараллеливания и возможность многократного программирования. Процесс проектирования таких реализаций можно условно разбить на несколько уровней (в порядке снижения степени абстракции): постановки задачи, математического описания,
структурной схемы, HDL-описания, регистровых передач и логических элементов. При этом проектирование осуществляется путём перевода описания системы с более высокого уровня на более низкий с соответствующей оптимизацией этого описания, учитывающей особенности затрагиваемых уровней. Как было показано ранее [1], целесообразным является использование оптимизации на высоких уровнях абстракции (на
уровне структурной схемы и выше). К некоторым методам оптимизации систем ЦОС, пригодным к применению на высоких уровнях абстракции, можно отнести: преобразование математических выражений, повторное использование решений, перераспределение регистров, модификацию областей тактирования (ОТ),
конвейеризацию вычислительных элементов [2], а также мультиплексирование одинаковых подсхем (МОП)
[3]. При этом методы МОП и модификации ОТ не имеют эффективных средств автоматизации, что усложняет их применение.
В связи с этим, целесообразной представляется разработка алгоритмов, автоматизирующих эти методы, с
их использованием в программном средстве, осуществляющем оптимизацию систем ЦОС на уровне структурной схемы с последующей автоматической генерацией HDL-описания.
Можно предложить следующий общий алгоритм работы такого программного средства:
1) Ввод исходного описания на уровне структурной схемы;
2) Применение метода модификации ОТ. Метод модификации ОТ перемещает границы областей тактирования по структурной схеме, увеличивая допустимую длину такта;
3) Поиск необходимости конвейеризации элементов. Конвейеризация необходима, если время завершения переходных процессов в элементе превышает длину такта. Элементы, для которых необходима конвейеризация, помечаются;
4) Поиск возможностей мультиплексирования. Две или более одинаковые подсхемы могут быть заменены одной, с мультиплексированием её входов и выходов, если время завершения переходных процессов
подсхемы в два или более раза меньше требуемой длины такта. При этом, так как выбор одной подсхемы
влияет на другие, возникает задача оптимального выбора мультиплексируемых подсхем. В результате решения этой задачи формулируются списки мультиплексируемых подсхем, а также требования к размещению
регистров на границах подсхем (в целях синхронизации);
5) Применение метода перераспределения регистров. Он решает задачу поиска распределения регистров
на структурной схеме, удовлетворяющего требованиям, выдвинутым при конвейеризации и мультиплексировании. При этом, глубина конвейера системы может быть изменена;
6) Формирование выходного HDL-описания с учётом модификации ОТ, перераспределения регистров и
мультиплексированных подсхем.
Таким образом, реализуя вышеприведённый общий алгоритм, в также частные алгоритмы оптимизации,
можно создать программное средство, осуществляющее автоматическое применение методов оптимизации
систем ЦОС. Применение такого средства во многих случаях упростит процесс проектирования систем ЦОС
на базе ПЛИС и снизит их стоимость.
Список литературы
1. Кучернюк И.Н. Предпосылки высокоуровневой оптимизации при разработке устройств ЦОС на базе ПЛИС // Научная сессия
МИФИ-2007. Сб. науч. тр. В 17 т. М.: МИФИ, 2007. Т.12. - С.182-184.
2. Куликов К.В. Методики проектирования сложных цифровых блоков в базисе ПЛИС. Дисс. ... канд. тех. наук. Владимир, 2005.
3. Златников В.М., Кучернюк И.Н., Мухтарулин В.С. Методы практической реализации БИХ-фильтров на ПЛИС // Вопросы радиоэлектроники, серия «Электронная вычислительная техника» (ЭВТ), выпуск 1, 2005. - С.37-44.
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 12
1