Задачі і основні принцип проектування комп’ютерних систем цифрової обробки сигналів

 

На сучасному етапі розвитку інтегральної технології основною метою проектування комп’ютерних систем ЦОС є отримання модульної та регулярної структури орієнтованої на НВІС-технологію. Вихідною інформацією для проектування високопродуктивних комп’ютерних систем ЦОС є:

· алгоритми розв’язання задачі;

· кількість вхідних даних N;

· інтенсивність вхідного потоку даних Р_d;

· вимоги до інтерфейсу САЗ, включаючи частоту приймання та видачі інформації;

· розрядність вхідних даних і точність обчислень;

· техніко-економічні вимоги і обмеження.

При проектуванні комп’ютерних систем ЦОС необхідно забезпечити реалізацію заданих алгоритмів розв’язання задачі в реальному часі при мінімальних апаратних затратах. Перехід від алгоритму розв’язання задачі в реальному часі до структури комп’ютерних систем ЦОС формально зводиться до мінімізації апаратних затрат

 

 

де W_CАЗ, W_ПУ, W_ІП, W_П,W_ПЕ - апаратні затрати відповідно на комп’ютерну систему ЦОС, пристрої управління, інтерфейсні пристрої, пам’ять, і-тий процесорний елемент, m_i – кількість процесорних елементів і-го типу, при забезпеченні у залежності від виду надходження даних однієї з наступних умов

або

 

де F_d – частота надходження вхідних даних, К_d – кількість каналів надходження вхідних даних, L – кількість каналів обробки, N_d – кількість вхідних даних; Т_к – тривалість такту роботи конвеєра, Т_р – час розв’язання задачі.

В загальному задачі проектування комп’ютерних систем ЦОС можна сформулювати так:

· вибрати алгоритм розв’язання задачі та представити його у вигляді конкретизованого потокового графу;

· розробити структуру комп’ютерної системи ЦОС з максимальною ефективністю використання обладнання, яка враховує всі обмеження та забезпечує обробку даних в реальному масштабі часу;

· визначити основні характеристики компонентів комп’ютерної системи ЦОС та здійснити їх синтез;

· вибрати способи обміну, визначити необхідні зв’язки та розробити систему обміну між компонентами комп’ютерної системи ЦОС;

· визначити порядок реалізації у часі алгоритму розв’язання задачі та синтезувати пристрої управління.

Процес проектування комп’ютерних систем ЦОС зводиться до виконання наступних етапів:

· вибору та відображення алгоритму у вигляді конкретизованого потокового графу;

· вибору базової структури комп’ютерних систем ЦОС, розробки топології зв’язків і функцій синхронізації обміну між процесорними елементами;

· розробки інтерфейсу зв’язку з оточуючим середовищем, алгоритмів генерації адрес для запису вхідних даних у пам’яті, визначення переліку операцій (макрооперацій), які повинні виконувати процесорні елементи (процесори);

· синтезу структури процесорних елементів (процесорів), які реалізують визначений перелік операцій (макрооперацій), з врахуванням особливостей елементної бази, технології виготовлення та обмежень за продуктивністю.

Завершальними результатами перших трьох етапів проектування є набір адекватних алгоритму структур, що складаються з обмеженої множини процесорних елементів (процесорів), об’єднаних системою комутації та забезпечують технічні вимоги, які висуваються до комп’ютерної системи ЦОС.

Процес проектування спеціалізованих комп’ютерних систем ЦОС постійно ускладнюється за рахунок підвищення складності виконуваних задач і обмежень, які накладаються в частині габаритів, ваги і споживаної потужності. Крім цього, постійно вимагається зменшення термінів, вартості проектування та підвищення його якості. Забезпечити такі вимоги можливо при інтегрованому підході до проектування комп’ютерних систем ЦОС, який охоплює:

· дослідження та розробку теоретичних основ і методів проектування комп’ютерних систем ЦОС як окремого класу засобів комп’ютерної техніки;

· пошук нових алгоритмічних, структурних, схемотехнічних і конструктивно-технологічних рішень, орієнтованих на НВІС-технології, які забезпечать задані параметри комп’ютерних систем ЦОС на існуючій та перспективній елементній базі;

· вибір, а при необхідності проектування, швидкодіючих малоспоживаючих НВІС-архітектур, що враховують особливості виконуваних задач і вимог застосування;

· впровадження та створення засобів автоматизованого проектування комп’ютерних систем ЦОС, які забезпечать зменшення термінів і підвищать якість проектування.

Архітектури комп’ютерних систем ЦОС повинні в повній мірі використовувати можливості НВІС-технології та забезпечувати обробку інтенсивних потоків інформації в реальному часі [92]. Вартість НВІС в основному залежить від площі кристала і кількості виводів. Число зовнішніх виводів НВІС обмежене рівнем технології та розміром кристалу. При розробці спеціалізованих НВІС-структур необхідно узгодити пропускну здатність та швидкодію обробки інформації в НВІС з інтенсивністю P_d вхідних потоків даних. Пропускна здатністю НВІС визначається як кількістю, так і якістю зовнішніх виводів. Якість зовнішніх виводів визначає затримку переключення зовнішніх зв’язків, які навантажені на ці виводи. За характеристиками вводу-виводу визначаються вимоги до ємності внутрішньої пам'яті НВІС. Особливо жорсткі вимоги до вводу-виводу висуваються тоді, коли за допомогою НВІС-процесора вирішується задача великої розмірності, а ємність пам'яті НВІС не дозволяє розмістити необхідний об'єм даних. В цих випадках необхідно або наростити НВІС-процесор, або розбити задачу на частини і вирішувати її послідовно. Другий варіант вимагає перестроювання НВІС-процесора в процесі вирішення задачі, що можливо у випадку коли НВІС є оперативно програмованою мікросхемою.

Для забезпечення нарощування обчислювальних потужностей, розширення виконуваних функцій, адаптації до специфіки задач, що розв'язується, необхідно комп’ютерні системи ЦОС будувати за модульним принципом, при якому основні елементи (процесори, пам’ять) реалізуються у вигляді функціонально завершених пристроїв (модулів). Модульний підхід при проектуванні САЗ сприяє стандартизації елементів, скороченню витрат на проектування та відсуває час морального старіння технічних засобів. Структури модулів повинні бути орієнтованими на застосування НВІС, а також на реалізацію окремих модулів чи їх вузлів у вигляді НВІС. Впровадження НВІС перш за все повинно сприяти зменшенню габаритів, маси, споживання, а також збільшенню надійності та швидкодії САЗ шляхом перекладання на апаратну частину функцій програмних засобів, які найширше використовуються та є найважливішими. Апаратна реалізація таких функцій спрощується при реалізації їх на модулях з процесорною реалізацією, яка передбачає наявність пристроїв обробки, зберігання, управління та обміну.

Для найповнішого використання переваг НВІС технології при розробці архітектури комп’ютерних систем ЦОС використовується наступні принципи:

· адаптації апаратно-програмних засобів до алгоритмів розв’язання задач;

· структурно-алгоритмічної орієнтації при розробці методів, алгоритмів і апаратних засобів;

· перекладання на апаратну частину якомога більшого числа функцій програмного забезпечення;

· використання оперативно програмованих НВІС та реконфігурованих архітектур;

· забезпечення регулярності і модульності архітектури комп’ютерних систем ЦОС та широке використання стандартних елементів;

· локалізації та спрощення зв’язків між елементами комп’ютерних систем ЦОС;

· забезпечення балансу між вводом/виводом та обчисленнями;

· широкого використання конвеєризації і просторового паралелізму обробки даних;

· одноциклової реалізації більшості команд;

· використання універсальної та спеціалізованої паралельної пам’яті для обміну та зберігання інформації;

· мінімізації пересилок та скорочення операцій над адресами.