WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Платунов Алексей Евгеньевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОУРОВНЕВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВСТРАИВАЕМЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования (приборостроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург – 2010

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гатчин Юрий Арменакович доктор технических наук, с.н.с.

Манойлов Владимир Владимирович доктор физико-математических наук, профессор Терехов Андрей Николаевич

Ведущая организация:

ФГУП ОКБ «Электроавтоматика» (г.Санкт-Петербург)

Защита состоится 19 октября 2010 г. в 15.50 часов на заседании диссертационного совета Д.212.227.05 при СанктПетербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Автореферат разослан____________________________________ дата

Ученый секретарь Поляков В.И.

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Стремительный рост потребности во встраиваемых вычислительных системах (ВсС) различного назначения заставляет разработчиков активно совершенствовать методы и средства проектирования. Встраиваемые (или встроенные) системы и сети (embedded systems & networks) можно определить как специализированные (заказные) микропроцессорные системы, непосредственно взаимодействующие с объектом контроля или управления и объединенные с ним конструктивно.

Активно растет доля ВсС со сложной внутренней организацией, которая проявляется в таких особенностях, как многопроцессорная гетерогенная архитектура, распределенный характер вычислений, широкий диапазон потенциально доступных разработчику вычислительных ресурсов.

Большинство сегодняшних ВсС составляют распределенные информационно-управляющие системы (РИУС), в которых доля технических решений, характерных для иных классов вычислительных систем (ВС), не является доминирующей. Это позволяет сделать вывод об актуальности поиска и развития всего многообразия технических решений в области ВсС (а не только ограниченного их числа в рамках ряда канонических аппаратнопрограммных платформ), а также методов и средств их проектирования.

Процесс создания ВсС характеризуется высокой сложностью. Это определяется сочетанием таких условий проектирования, как нестандартность задачи, требование технической оптимальности решений (модель ограниченных вычислительных ресурсов), минимальные временные и финансовые бюджеты разработки, присутствие большого числа дополнительных требований и ограничений (надежность, ограничения реального времени, тяжелые условия эксплуатации и многое другое).

Ключевой особенностью создания ВсС следует считать необходимость комплексного проектирования, охватывающего практически все уровни организации ВС. Однако сегодня в достаточной степени формализованы и автоматизированы лишь нижние и часть средних этапов маршрутов проектирования.

Таким образом, первоочередное значение приобретает развитие методов и средств высокоуровневого (архитектурного, HLD – High Level Design) проектирования ВсС, где центральное место занимает формирование цельного взгляда на организацию всех фаз вычислительного процесса, как собственно на цель проектирования.

Активные работы в данном направлении проводят отечественные коллективы под руководством А.Н. Терехова, В.В. Топоркова, А.К. Кима, специалисты ИСП РАН, ПОМИ им. В.А.Стеклова, СПбГУ ИТМО. Из зарубежных специалистов в первую очередь следует отметить работы А.

Санджованни-Винсентелли, Е. Ли, А. Феррари, Г. Мартина, Г. Аха, А.

Джеррайи.

Создание четкой системы понятий архитектурного уровня позволит разработчику ВсС эффективно работать не на уровне примеров реализаций, а на уровне принципов организации ВС/вычислительного процесса.

Важнейшей задачей является создание системы архитектурных абстракций, в которых не противопоставляются аппаратная и программная составляющие ВС, но при этом охватываются все уровни технических решений.

Практическая польза от подобной формализованной системы понятий состоит в возможности развития на ее основе общей теории и методологии проектирования ВсС, создания эффективных методик и САПР архитектурного и сквозного проектирования ВсС.

Следует признать, что в подавляющем большинстве коллективов проектировщиков ВсС сегодня недостаточно высоко оценивается роль и трудоемкость этапов высокоуровневого проектирования, отсутствует адекватный технический язык для общения на этом уровне. Они оперируют лишь конкретными реализациями вычислительных механизмов (то есть «ассемблерными кодами», в которых трудно или невозможно проследить концептуальные моменты и решения). Мери Шоу в статье «Мы можем обучать информатике лучше» пишет: «Давайте организуем наши курсы вокруг идей, а не вокруг артефактов. Это сделает наши цели более ясными как для студентов, так и для преподавателей. Машиностроительные институты не преподают проектирование бойлера, они преподают термодинамику. В то же время, как минимум два из основных курсов по информатике «Создание компиляторов» и «Операционные системы» являются артефактными динозаврами программирования». [Mary Shaw. We can teach software better. Computing Research News 4(4):2-12, September 1992].

С момента опубликования статьи ситуация кардинально не поменялась.

Система вычислительных архитектурных абстракций может привнести эффективный язык общения в область проектирования ВсС, повысить «прозрачность» разработок, резко ускорить развитие вычислительных архитектур. Однако для этого необходимы усилия не только со стороны действующих разработчиков вычислительной техники, но и поддержка высшей школы в части модернизации учебного процесса на профильных кафедрах университетов.

Целью работы является создание методологической и теоретической базы высокоуровневого автоматизированного проектирования встраиваемых вычислительных систем, основывающейся на системе архитектурных вычислительных абстракций. Это обеспечит развитие методов и средств архитектурно - структурного проектирования в комплексе с формированием сценариев и инфраструктуры процесса проектирования.

Задачи исследований. Для достижения указанной цели в работе ставились и решались следующие задачи.

1. Постановка проблемы фрагментарности методов и средств высокоуровневых этапов проектирования для ВсС, критичных к качеству архитектурных решений. Поиск возможностей повышения качества проектирования ВсС и обоснование необходимости использования вычислительных архитектурных абстракций как основного инструмента повышения эффективности процесса проектирования.

2. Разработка системы абстракций, которая на этапе архитектурного проектирования адекватно отражает вычислительные и невычислительные аспекты ВсС, учитывает сценарий и инфраструктуру процесса проектирования. Формирование в рамках аспектной модели проектирования ВсС критериев надежности и качества проектирования архитектуры ВсС.

3. Разработка методики высокоуровневого проектирования ВсС, в том числе:

• разработка метода поиска архитектурных решений ВсС, обеспечивающего эффективный анализ и синтез вариантов организации вычислительного процесса ВсС;

• разработка метода создания корректного и детального архитектурного представления ВсС, выступающего в качестве исходных спецификаций для этапа реализации проекта;

• развитие моделей вычислений распределенных ВсС;

4. Разработка методики формирования инструментальной инфраструктуры проекта ВсС на основе декомпозиции вычислительного процесса по фазам проектирование / конфигурирование / исполнение жизненного цикла ВсС.

5. Создание методических основ внедрения технологий и средств высокоуровневого проектирования ВсС на базе вычислительных архитектурных абстракций и аспектной модели в научнопроизводственных коллективах и профильных высших учебных заведениях.

Методы исследования. Теоретические и практические исследования базируются на комплексном использовании положений линейной алгебры, теории вероятностей, теории множеств, формальной и темпоральной логики, теории конечных автоматов, теории графов, теории взаимодействия открытых систем, методов системного и функционального анализа, функционального и объектно-ориентированного программирования и проектирования, имитационного моделирования, структурнофункционального описания аппаратуры.

Научная новизна работы состоит в теоретическом обобщении и решении научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение в области автоматизации проектирования встраиваемых вычислительных систем. В результате исследований автором получены следующие основные научные результаты:

1. Предложены оригинальные базовые определения ВсС и платформ, классификация ВсС, постановка задач проектирования в области ВсС на основе системы архитектурных абстракций.

2. Разработана оригинальная система вычислительных абстракций архитектурного уровня, определяющая стратегию и маршрут процесса проектирования ВсС.

3. Разработана аспектная методика проектирования ВсС, базирующаяся на созданной системе архитектурных абстракций и введенных понятиях инфраструктуры проекта и инфраструктуры создаваемой целевой системы. Разработаны методы поиска архитектурных решений ВсС и методы представления архитектуры ВсС для этапа реализации в рамках аспектной методики.

4. На основе исследования критически важных аспектов проектирования в рамках предложенной модели введено понятие единого проектного пространства архитектуры ВсС, включающее наряду с другими такие важнейшие координаты как реконфигурируемость, совокупность фаз организации вычислительного процесса (включая проектирование, конфигурирование и исполнение), распределение инструментальных компонент. На этой основе созданы методы организации вычислительного процесса ВсС и формирования инструментальной инфраструктуры, в том числе, для распределенных встраиваемых систем.

5. Предложены и исследованы новые модели вычислений, составляющие класс объектно-событийных моделей. Они обеспечивают эффективное представление информационной и управляющей компонент, в первую очередь, распределенных ВсС на этапах архитектурного, структурного, логического проектирования.

6. Разработана типовая инструментальная цепочка проектирования ВсС на базе средств объектно-событийного моделирования разрабатываемой системы. В рамках инструментального аспекта ВсС предложен принцип совместного проектирования инструментальной и целевой системы.

Основные защищаемые положения диссертационной работы включают:

1. Принцип использования архитектурных абстракций в проектировании ВсС и систему абстракций, важнейшие из которых: аспект проектирования, архитектурная платформа, архитектурный агрегат, вычислительный механизм.

2. Перечень критически важных аспектов проектирования ВсС в рамках аспектной модели вычислительной архитектуры.

3. Аспектную методику проектирования ВсС, в рамках которой введено понятие архитектурной модели ВсС с абстрактным, виртуальным, реализуемым уровнями ее конкретизации.

4. Понятие единого проектного пространства архитектуры ВсС и концепцию организации вычислительного процесса ВсС на фазах проектирования, конфигурирования и исполнения как единого процесса проектирования вычислительной системы с явным формированием и выбором общей архитектуры. В рамках данного подхода проектируются (выбираются) в комплексе такие компоненты ВсС, как макроархитектура, множество микроархитектур, инструментарий, системное программное обеспечение и другие, которые традиционно разделяются разработчиками на изолированные (в контексте принятия концептуальных, архитектурных решений) части.

5. Принцип совместного проектирования целевой ВсС и ее инструментальной инфраструктуры, инструментальная модель ВсС.

6. Состав учебных модулей и базовые принципы подачи учебного материала для подготовки специалиста в области высокоуровневого проектирования сложных ВсС.

Практическая ценность. Полученные результаты повышают надежность и качество ключевых принимаемых проектных решений при создании ВсС за счет расширения пространства поиска архитектурных решений, нового механизма их анализа, большей прозрачности процесса проектирования в целом.

Разработчик получает инструмент комплексного представления продуктов этапа высокоуровневого проектирования ВсС, что обеспечивает высокую степень их повторного использования и эффективный контроль фазы реализации проекта.

В значительной степени решается проблема семантического разрыва областей компетенции специалистов по проектированию аппаратной и программной составляющих ВсС на основе понятия вычислительного механизма и определения встроенного программного обеспечения как совокупности компонент конфигурирования/программирования на всех этапах организации вычислительного процесса ВсС.

Конкретные рекомендации и разработанные инструментальные средства обеспечивают внедрение предлагаемой автором парадигмы проектирования ВсС в научно-производственных коллективах и в учебный процесс профильных высших учебных заведений.

Кроме того, в результате исследования разработано и опробовано значительное число новых технических решений (вычислительных механизмов) в части аппаратно-программной реализации ВсС, зафиксированных в виде вычислительных платформ, которые ориентированы на повторное использование.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы в научноисследовательских и опытно-конструкторских работах, проводимых в СПбГУ ИТМО и в научно-производственной фирме «ЛМТ» (СПб, http://lmt.ifmo.ru), научным руководителем или ответственным исполнителем которых является автор. Часть из них перечислена ниже:

• «Разработка способов формального представления проектной информации для технологии сквозного проектирования встроенных вычислительных систем» (СПбГУ ИТМО, 2003-2007 гг.);

• Серия работ по созданию микропроцессорных систем прецизионного управления в составе нанотехнологических комплексов (ЗАО «НТ МДТ», в рамках ОКР «Разработка и освоение производства приборов и оборудования для нанотехнологии», 2003-2006 гг.);

• «Разработка шлюзов контроллерных сетей серии GW-EC» (ОАО «Приборный завод «Тензор», 2004 г.);

• «Разработка программируемых блоков TFK сбора информации и управления в составе лабораторных теплофизических измерительных комплексов» (СПбГУ НиПТ, 2004 г.);

• «Разработка предложений в комплексную программу создания Интеллектуальной транспортной системы в Санкт-Петербурге по направлению «Комплекс информационно-вычислительных средств ИТС Санкт-Петербурга» (ЗАО «НИПИ ТРТИ», 2005 г., в соответствии с «Концепцией создания ИТС в Санкт-Петербурге на 2005-2008 гг.»);

• Серия ОКР по созданию цифровых электронных модулей аналитикотехнологических приборов по направлению «Разработка учебно-научной лаборатории для нанодиагностики и нанотехнологий на базе сканирующей зондовой микроскопии, спектроскопии и литографии» (ООО «НТ-СПб», 2006-2007 гг.);

• «Разработка архитектуры и методики проектирования аппаратных и программных средств систем на кристалле, комбинирующих различные типы ядер и способы обработки информации» (СПбГУ ИТМО, 2009-20гг.).

Результатами НИОКР являются специализированные вычислительные платформы и комплексы технических средств, на основе которых серийно выпускается большое число прикладных систем и приборов. Среди них системы распределенной автоматики для железнодорожного (КТС «Тракт», КТС «Бриз») и судового (КТС AP3000) транспорта, для задач энергетики и ЖКХ (СУНО «Луч2», СУМЭ «Луч3», АСКУЭ «Луч-ТС»); семейство прецизионных теплофизических приборов ИТС с уникальными контроллерами TFK нескольких версий. Производятся и развиваются семейства зондовых сканирующих микроскопов «НаноЭдьюкатор» (платформа LIC5091) и «МиниЛаб» (платформа ML).

Результаты работы использованы в учебных лекционных курсах, которые читались автором в СПбГУ ИТМО, в МИПК СПб ГИТМО (ТУ) и в ряде других организаций на протяжении более чем 30 лет. Автором создано четыре поколения учебно-лабораторного микропроцессорного оборудования, которое обеспечивает курсы по организации, проектированию и применению ВС общего назначения и ВсС. Сегодня семейство учебных контроллеров SDK используется более чем в 45 университетах РФ и Республики Беларусь по направлениям информатики, вычислительной техники и смежным специальностям.

Под руководством автора в рамках «Инновационной образовательной программы СПбГУ ИТМО» (Приоритетный национальный проект «Образование», 2007 – 2008гг.) создано и успешно развивается новое направление магистерской подготовки «Встроенные вычислительные системы», которое включает две специализации: 230100.68.«Проектирование встроенных вычислительных систем» и 230100.68.«Системотехника интегральных вычислителей. Системы на кристалле».

Направление развивается в соответствии с программой развития СПбГУ ИТМО как Национального исследовательского университета, в частности, создана магистерская программа «Сетевые встроенные системы».

Развитием данной работы являются 7 успешно защищенных кандидатских диссертаций, выполненных аспирантами под руководством автора.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в 1979 – 2010 годах на следующих Всесоюзных, Всероссийских, Международных, региональных и отраслевых конференциях, семинарах и совещаниях: II Всесоюзном семинаре «Синтез управляющих устройств на основе микропроцессоров и однородных сред» (Рязань, 1979), Республиканском семинаре «Специализированные микропроцессорные системы» (Челябинск, 1981), межотраслевом семинаре «Применение микропроцессорного комплекта БИС К584 в разработке радиоэлектронной аппаратуры» (Минск, 1983), семинаре Рабочей группы по технологии программирования ГКНТ СМ СССР «Технология программирования микропроцессорной техники» (Брест, 1984), Всероссийской конференции «Микропроцессорные системы» (Челябинск, 1984), Всесоюзной конференции «ДИАЛОГ-84-МИКРО» (Ленинград, 1984), Координационном совещании по межвузовской целевой комплексной программе «Микропроцессоры и микроЭВМ» (Фрунзе, 1985), II Международной конференции «Информационные технологии на железнодорожном транспорте» (СПб., 1997), I Всероссийской конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании, производстве» (Н.Новгород, 1999), VII Международной конференции «Региональная информатика 2000» (СПб., 2000), I Всероссийской конференции «Разработка электроники на заказ» (СПб., 2005), VII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (Красноярск, 2006), Третьей международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб., 2007), I и II Санкт-Петербургском конгрессе «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке» (СПб., 2007, 2009), Международной конференции «Information and communication technologies in the 7 Framework Program of the EU. Russia — EU Cooperation» (Москва, 2008), Международной конференции «ICINCO - Networked embedded and control system technologies: European and Russian R&D cooperation» (Милан, 2009), Международной конференции «CIV EL-2009» (Москва, 2009), научной и учебно-методической конференции СПб ГИТМО (ТУ) - СПбГУ ИТМО (СПб., 1991 – 2010), а также на других конференциях и семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 83 печатные работы, среди которых 18 статей в изданиях, включенных в список ВАК РФ, терминологический словарь, брошюра, 6 учебных пособий, более 30 статей в научно-технических журналах и сборниках, а также тезисы и тексты докладов на различных конференциях и семинарах. Список 49 основных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основной объем диссертации составляет 312 страниц, в том числе список литературы 225 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определены цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы, данные о ее апробации и реализации результатов, приведена структура диссертационной работы.

В первой главе обсуждается понятие и особенности ВсС, анализируется состояние и перспективы в области высокоуровневого проектирования ВсС.

Демонстрируются предпосылки повышения уровня абстракции в методиках проектирования ВсС.

В своем развитии эта категория вычислительных систем прошла путь от информационно-управляющих систем, слабо связанных с объектом управления конструктивно, через локализованные встраиваемые системы, распределенные встраиваемые системы, и на сегодняшний день специалистами обсуждается такое понятие как киберфизические системы (КФС), когда в едином ключе рассматривается и объект управления и его встроенная вычислительная система. Показано, что в своем развитии электронная компонентная база, достигнув уровня цифровых систем и сетей на кристалле (СнК и СенК), по своим основным характеристикам приблизилась к отдельным классам ВсС, что позволяет рассматривать единые методы проектирования как непосредственно для ВсС так и для систем и сетей на кристалле.

Отмечено, что как в плане определения категории ВсС, так и в вопросе их классификации нет четких критериев, формулировок и системы характеристик. Это приводит к ситуации «нишевого» проектирования в области ВсС, что искусственно сужает пространство поиска решений разработчиком до ограниченного набора шаблонных решений.

Показано, что на рынке востребованы все варианты проектирования ВсС по шкале «глубины погружения» в аппаратно-программную организацию системы:

• Прикладное программное обеспечение (ПО);

• Прикладное и системное ПО;

• Устройства сопряжения с объектом (УСО), прикладное, системное ПО;

• Аппаратура «центра», коммуникации, УСО, прикладное и системное ПО.

Проектирование ведется в рамках трех типовых сценариев: целевая ВсС;

платформа ВсС, модификация существующей ВсС.

Проанализирован традиционный процесс проектирования ВсС и выделены недостатки:

• неформальное разбиение на аппаратную и программную части на начальном шаге;

• последовательное проектирование аппаратуры и программы;

• раздельное моделирование аппаратуры и программы;

• ручная интеграция аппаратной и программной частей проекта;

• компенсация выявившихся в процессе отладки ошибок за счет изменения программы.

Выделены основные тенденции в развитии процессов и средств проектирования ВсС, которые непосредственно связаны с увеличением удельного веса и усилением значения этапов архитектурного, функционального, логического проектирования:

• Повышение уровня абстракции проектирования;

• Широкое применение моделирования, методов формального анализа и верификации моделей;

• Выделение уровня абстрактного представления вычислительного процесса;

• Выделение технологий создания встраиваемого ПО (ВПО).

Перечисленные этапы проектирования сегодня составляют до 70% общего объема разработки ВсС и относятся к области высокоуровневого проектирования (НLD), центральным понятием которого следует считать абстрагирование - отвлечение в процессе анализа и синтеза ВсС от несущественных сторон, свойств, связей элемента или процесса с целью выделения их существенных, закономерных признаков.

Требования прикладной задачи Варианты реализации Вручную Абстрактные модели вычислительного процесса Варианты реализации Автоматиз.

«Программные» описания HW / SW Дополнительные уровни (виртуальные машины, ОСРВ, soft-процессоры, …) Конфигурационные образы (FPGA, ASIC, исп. образы ПО) Варианты реализации Автоматиз.

Конечный продукт Рис. 1. Маршрут проектирования ВсС.

Уровень абстракции На рис. 1 представлен упрощенный маршрут проектирования, характерный для ВсС, показано, что от того, насколько проектировщики могут расширять зону работы с абстрактными моделями вычислительного процесса и ВС в рамках всего маршрута проектирования кардинально зависит качество проектирования встраиваемых систем.

На сегодняшний день задачи этапа высокоуровневого проектирования ВсС группируются в шесть крупных блоков, покрывая фазу проектирования, и не затрагивая фазу реализации:

1. Концепция решения целевой задачи, исходные спецификации.

2. Организация вычислительного процесса (модели вычислений – MоC).

3. Генерация архитектуры и микроархитектуры.

4. Оценка и выбор архитектурных решений.

5. Верификация архитектурных решений.

6. Выходные спецификации для этапа реализации.

Методики высокоуровневого проектирования ВсС активно развиваются на протяжении последних 15-ти лет. Их основные направления:

• Объектно-ориентированное проектирование (вытекает из ООП).

• Параллельное аппаратно-программное проектирование (Hardware/Software CoDesign):

• Компонентное и платформно-ориентированное проектирование.

• Акторно-ориентированное проектирование.

• Многоязыковое проектирование.

• Аспектное проектирование.

Основным представлением объектов высокоуровневого проектирования ВсС по-прежнему считаются языковые спецификации (текстовые и графические). Аналитические выражения используются ограниченно.

Важнейшее место в высокоуровневом проектировании ВсС занимают инструментальные средства (САПР), включая методики их использования. В работе рассмотрены две категории инструментальных средств:

• Индустриальные продукты (от ведущих производителей САПР системного уровня, покрывают частично средний и нижний уровни проектирования и программирования; используют «промышленные» языки и ограниченное число MoC).

• Академические продукты (Университеты Беркли, Канзас, Гренобль и др.;

используют различные MoC, специальные языки).

Показано, что сегодня необходимо активное развитие HLD – инструментов.

Предложено определение встраиваемой вычислительной системы – как специализированной (заказной) микропроцессорной системы, непосредственно взаимодействующей с объектом контроля или управления [и объединенной с ним единой конструкцией]. Это позволяет:

• Объединить большое число категорий вычислительных систем по ключевому общему признаку.

• Устранить проблему влияния вторичных относительно «вычислительной сути» факторов (размеры, конструкция, топология, конкретное целевое назначение и др.).

• Обеспечить свободный выбор реализации (ранее «выпадали» многие возможные архитектурные решения).

• Унифицировать «нишевые» методики проектирования.

• Развивать новые «активности», в первую очередь, в высокоуровневом проектировании (например, применять платформно-ориентированное проектирование, аспектное проектирование и др.).

Сформулированы перспективные принципы проектирования ВсС, направленные на обеспечение формального расширения поля поиска решения:

• Формирование системы высокоуровневых (архитектурных) абстракций для представления ВсС.

• Выделение функциональных и нефункциональных требований ТЗ в аспекты процесса проектирования.

• Широкое использование принципа платформно-ориентированного проектирования.

• Совместное проектирование инструментальной и целевой компоненты проекта.

• Динамический баланс «альтернатив» проектирования: фаз «проектирование/реализация», фаз «разработка/исполнение» вычислительного процесса, HW/SW - реализации… На основании представленных принципов сформулирована цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена вопросам архитектурного проектирования ВсС. Предложена система вычислительных архитектурных абстракций для использования в современных методах и технологиях высокоуровневого проектирования ВсС. Анализируются типовые процессы проектирования ВсС и вводятся шаблоны процессов проектирования. Предлагается аспектная модель процесса проектирования ВсС.

В рамках задачи высокоуровневого проектирования ВсС в работе предложены четыре группы архитектурных абстракций:

• Базовые элементы ВС (вычислительный механизм, вычислительная платформа, архитектурный агрегат);

• Абстракции представления ВС на системном уровне (архитектура, архитектурная платформа, архитектурная модель, аспект);

• Абстракции процесса проектирования (проектирование ВсС, инфраструктура проекта, проектное пространство, аспектное пространство);

• Понятия для анализа и оценки существующих архитектурных решений (вычислительный процесс, виртуальная машина, модель вычислений).

Важнейшие абстракции для представления ВсС - вычислительные механизмы и виртуальные машины. Виртуализация рассматривается в качестве базовой абстракции вычислительной техники, которую предложено распространить на процесс высокоуровневого проектирования в целом.

• Виртуализация – абстрактное (модельное) представление вычислительных ресурсов программно-аппаратной платформы.

• Виртуальная машина – вычислитель (computer), полученный в результате виртуализации базовой вычислительной платформы.

• Виртуальная вычислительная машина (ВВМ) – техническое решение, реализующее семантику MoC.

• Вычислительный механизм (ВМх) – техническое решение, реализующее субъект (актор) MoC. Другими словами вычислительный механизм – носитель модели вычислений.

В работе предложено делить вычислительные механизмы по уровню сложности на 4 категории:

• атомарные (стандартные) вычислительные функциональные элементы (SN74, операторы языка…);

• составные (композитные вычислительные функциональные элементы);

• подсистемы организации вычислительного процесса (прерывания, кэшпамять, очереди …);

• комплексный вычислительный процесс – ВВМ (значимая вычислительная функциональность, самодостаточная для решения завершенной вычислительной задачи).

Разделение вычислительной системы на механизмы и вычислительные виртуальные машины – важная и сложная задача, которая плохо поддается формализации. Показано, что такое разделение ВcС возможно относительно выделенных (в качестве самостоятельных) вычислительных процессов.

Степень инвариантности к аппаратному/программному способу реализации для абстрактных ВМх и ВВМ определяется в первую очередь сопряженными с ними MoC.

В работе в качестве инструмента представления ВсС предлагается использовать создание иерархии ВВМ. Известно, что использование виртуальных машин позволяет эффективно бороться с семантическим разрывом в вычислительной технике, существующим между средствами формального, абстрактного представления вычислительного процесса и возможностями аппаратных средств. Развитие вычислительной техники убедительно демонстрирует эффективность покрытия «семантического разрыва» посредством организации иерархии виртуальных машин в архитектуре ВС.

Принцип выделения ВВМ – мощный инструмент, позволяющий:

• структурировать вычислительный процесс и саму ВС;

• масштабировать проектные решения;

• обеспечивать программную совместимость и переносимость;

• абстрагироваться от способа реализации вычислителя;

• повышать надежность вычислительного процесса;

• управлять сложностью и другими характеристиками технологии программирования ВС для различных категорий пользователей;

• совмещать («по вертикали») различные MoC, обеспечивать переходы от одной модели вычислений к другой.

В работе показано, что на эффективность поиска архитектурного решения ВсС определяющим образом влияет взгляд на организацию вычислительного процесса в целом.

Процесс проектирования ВсС как объекта, решающего конечную задачу, предлагается рассматривать как организацию вычислительного процесса в пространстве и времени в оговоренных техническим заданием (ТЗ) ограничениях. Такой взгляд позволяет сформулировать принцип актуализации вычислительного процесса как совокупность преобразований исходного представления целевого алгоритма в конечный (по ТЗ) вид. Это, в свою очередь, позволяет дополнить понятие «решение целевой задачи в фазе Run-Time» совокупностью «вычислительных» подготовительных операций этапа «Design-Time». Предлагается искать архитектурное решение в едином пространстве Design-Time и Run-Time фаз существования ВсС, устраняя априори часто не обоснованно навязанные ключевые для проекта решения.

Данная модель пространства потенциальных решений эффективна для ВсС значительной сложности.

Понятие платформы в вычислительной технике на интуитивном уровне последние 10 лет применяется исключительно широко. В рамках одного из ведущих направлений проектирования ВсС и СнК «Platform-Based Design» (PBD) вычислительная платформа определяется как множество проектов, удовлетворяющее некоторому общему условию (E. Lee, 2003 г.).

В работе показано, что важнейшее свойство вычислительной платформы, как зафиксированного для повторного использования набора спецификаций, – возможность предоставлять заданный уровень абстрагирования от конкретики реализации. В системе абстракций вычислительная платформа (ВПл) рассматривается как единство «внешнего» и «внутреннего» представления функционально-завершенного и функционально-значимого объекта в составе ВсС. Платформа в рамках проекта ВсС - техническое решение, фиксируемое в проекте для повторного использования. ВПл выступает основным инструментом повторного использования на архитектурном уровне.

Отмечено, что сегодняшняя практика состоит в проектировании на базе готовых вычислительных платформ (аппаратных, программных, инструментальных, конструктивных …), которые выбираются, к сожалению, «по вторичным признакам». Предлагаемая методология проектирования позволяет усилить / добавить грамотный выбор или создание совокупности вычислительных платформ проекта.

Предложено строить дерево классификаций ВсС на основе понятия проектной платформы, что позволяет акцентироваться на общих свойствах системы или ее части во всем пространстве свойств, технологий и реализаций ВсС. Пример классификации на базе проектной платформы:

• Вычислительные платформы (процессоры, ОС, MoC…):

• Платформы промышленных ПК и ПЛК;

• Полуфабрикаты от мультимедиа-индустрии;

• Микроконтроллеры и DSP;

• ПЛИС, ПСнК;

• ASIC, ASSP, ASIP, SOC, NOC;

• «Свободная» кремниевая компиляция.

• Платформы системного ПО (ОС), сетевые, интерфейсные, конструктивные, инструментальные … В работе предложено, сформулировано и подробно изложено понятие аспектного подхода к проектированию ВсС (аспектная модель проектирования). В основе этого подхода лежит идея выделение аспекта как сегмента проектного пространства, в рамках которого отражается частная проблема в проекте.

Перечислим основные понятия аспектной модели проектирования.

• Аспект – искусственно выделяемый сегмент проектного пространства, отражающий частную проблему проекта по ходу его выполнения (концептуальный, локальный). Проектировщик сам формирует список аспектов, которым потом пользуется, выделяет концептуальные аспекты, которые существуют по всему ходу проекта, может выделять по необходимости локальные аспекты на отдельных шагах проекта. Примеры аспектов:

• функциональный (если целесообразно, то по подфункциям / подсистемам…);

• надежностный;

• энергетический;

• синхронизации / синхронности / РМВ;

• информационной безопасности;

• конструкторско-технологический;

• повторного использования;

• масштабируемости, реконфигурируемости;

• документно-логистический и другие.

• Архитектурный агрегат (А-агрегат, aa) – элемент проекта. Обладает группами свойств в рамках каждого аспекта. Текущая информация о свойствах aa отражается в его спецификации, а связи между aa в пределах аспекта представляются списком ANL (aspect netlist). Совокупность aa на каждом шаге определяет текущее представление целевой системы и текущее состояние проекта.

• Архитектурная модель (А-модель) – модель проекта/целевой системы, включающая перечень аспектов, совокупность aa, аспектные списки связей (ANL) и спецификации для каждого aa.

• Архитектурная платформа – элемент повторного использования концептуальных решений (А-модель, полезная для повторного использования, зафиксированная в качестве самостоятельного продукта):

• перечень аспектов проектирования;

• модель (модели) вычислений;

• внешняя логика взаимовлияния аспектов (критерии проектирования);

• перечень зафиксированных шаблонов повторного использования;

• элементная база.

• Механизм – верифицированный и отложенный для повторного использования aa, снабженный набором метрик (характеристик).

Суть аспектного процесса проектирования состоит в том, что на начальном шаге проект разделяется на аспекты, дальше выполняется параллельное относительно независимое проектирование в рамках аспектов системы и в конечном итоге аспекты собираются воедино в реализацию системы.

С формальных позиций каждый из аспектов проектирования при рассмотрении характеризуется:

• средствами описания аспекта (O) – элементами некого множества и логикой их взаимодействия, посредством которых выражается суть рассматриваемой частной проблемы;

• аспектным проектором ( ) – некоторой функцией, позволяющей из архитектурного описания выделить частную проблематику;

• характеристическими функциями (f) – позволяющими получать оценки, основываясь на представлении проблемы в терминологии средств описания аспекта.

Математически, аспект процесса проектирования можно определить как упорядоченную тройку элементов As {O, , f } (1) f { :O R, N,Z...}, (2) где f – множество характеристических функций, а R, N и Z множества действительных, натуральных и целых чисел соответственно.

В рамках аспектного подхода архитектурный агрегат определяется как базовый элемент процесса проектирования системы, объединяющий в себе различные точки зрения на целевую систему.

Множество, включающее все аспекты проектирования, называется аспектным пространством процесса проектирования. Наряду с Asi i аспектным пространством процесса проектирования определяется аспектное Asj пространство целевой системы AF , где Oi является средствами Oi iвыражения одного из аспектов процесса проектирования, операция П – прямое произведение множеств. Очевидно, что все архитектурные агрегаты являются элементами AF. Аспектная полнота конкретного процесса проектирования определяется количеством рассматриваемых аспектов F dim( AF ). (3) Asi Архитектурная модель целевой системы определяется как модель системы, выраженная в архитектурных агрегатах Am {aa: aa AF}.

Важной частью определения аспекта проектирования (1) является аспектный проектор i : AF Oi. Аспектный проектор предназначен для выделения из архитектурной модели соответствующего аспекта (аспектной модели) i (Am) Oi. Каждый аспектный проектор по определению обладает следующими свойствами:

,A AF,B AF A B (A) (B) и (A B) (A) (B) (4), (5) Для каждого аспектного проектора определяется обратный проектор .

Для аспекта i и его аспектной модели ai обратный проектор определяется как i (i1(ai )) ai. Для обратных проекторов доказывается важное свойство (6).

A Oi,B Oi верно i1(A) i1(B) A B (6) Независимость аспектов проектирования определяется через независимость соответствующих аспектных проекторов. Аспект i является независимым от аспекта j, если для аспектных проекторов выполнено aj i (1(aj )) 0. Ортогональными называются взаимно независимые j аспекты. Основным преимуществом использования ортогональных аспектов проектирования является независимость соответствующих характеристических функций. Другими словами если аспект i не зависит от аспекта j, то значения характеристических функций аспекта i не изменяются при изменении j-ого аспекта архитектурной модели. Данное утверждение формально доказывается на основании свойств (4), (5), (6) и определения независимости аспектов.

На основе свойства аспектной полноты А-агрегатов в конкретной Амодели в работе определены абстрактный, виртуальный и реализуемый классы этих объектов.

Предложена и показана эффективность классификации ВсС и процессов их проектирования на основе спектрального состава концептуальных аспектов (рис. 2).

Тезис унификации представления аппаратной и программной компоненты в контексте высокоуровневого проектирования ВсС потребовал в работе разделить и определить следующие важнейшие понятия:

• фиксированная (HW) и нефиксированная (SW) составляющие реализации;

• аппаратный и программный принципы реализации.

Аппаратной реализацией предложено считать прямое исполнение алгоритма, когда нет «форматных» управляющих структур – микрокоманд, команд и т.д. Программная реализация - многоуровневая интерпретация на основе «форматных» управляющих структур – примитивов, и их последовательностей – программ. Предложено реконфигурируемость ВПл определять как способность к изменению «воплощаемой» при реализации MoC.

Принцип актуализации вычислительного процесса позволил выделить перспективный класс платформ ВсС с программируемой архитектурой как прямой результат унификации проектирования по осям «Design/Run Time» и «HW/SW реализация». В работе исследованы свойства таких платформ, основными из которых являются:

• возможности широкого конфигурирования/программирования пользователем для ВсС со специализированными архитектурами;

• САПР-ориентированность (необходимость инструментальной поддержки);

• масштабирование реализаций;

• необходимость использования А-платформ в качестве шаблонов.

Вес Вес а) б) аспекта аспекта Классы ВсС Ф И Эп Н РВ Д С Точн … Спектральный Шаг проекта набор аспектов Категория ВсС – спектральный состав Процесс проектирования – состав и концептуальных аспектов. динамика аспектов проектирования.

Рис. 2. Аспектная классификация ВсС (а) и процессов проектирования ВсС (б).

«Рафинированное» ТЗ вычислительное ТЗ ТЗ Набор ФТ Набор Ф аспектов Аспектное пространство ФТ НФТ Дополнительные Набор НФТ Набор НФ аспектов проекта требования исполнителей База ЯОФ База ВПл Проверка требований (по аспектам и в сумме) ЯОФ ВПл [Аспектное] [Аспектная] архитектурная модель целевой Вычислительная архитектура пространство системы уровня i ВсС (этап проектирования) Транслятор ЯОФ под ВПл На этапе проектирования:

технических решений последовательная ВсС функциональная декомпозиция База на базе набора функций i – го трансляторов Генерация прикладной уровня; свободная генерация Реализуемая архитектурная модель Этап (ТЯОФ) ВПл по необходимости надстройки целевой системы проектирования + к ВПл на основе ФТ, этап реализации Фаза проектирования контроль ФТ Библиотека Фаза реализации реализуемых АМ Варианты Набор ФТ+ для повторного РАМ технологий набор НФТ этапа Нет Повторный выбор Контроль использования реализации реализации архитектуры НФТ Да Варианты реализации Целевая ВсС ЦВсС целевой ВсС а) б) Рис. 3. Шаблоны процессов проектирования ВсС: (а) На основе традиционной для ВС схемы проектирования; (б) На базе аспектной модели и композиции ВПл. (ФТ, НФТ – функциональные/нефункциональные требования; ЯОФ/ТЯОФ – языки описания функциональности/трансляторы ЯОФ; ВПл – вычислительная платформа).

В работе проанализированы типовые сценарии высокоуровневого проектирования ВсС и показана необходимость формирования для них ряда шаблонов процесса проектирования. Шаблоны формируются в терминах разработанной системы абстракций и с учетом аспектной модели проектирования по составному априорному критерию сложности проектирования, учитывающему масштаб (сложность) задачи/ВсС и допустимую «глубину погружения», которая определяет доступные для проектирования уровни иерархии ВсС.

На рис. 3 представлены шаблоны проектирования, в табл. 1 приведена их сравнительная характеристика.

Таблица 1. Характеристики шаблонов проектирования Шаблон на основе традиционной для ВС Шаблон на базе аспектной модели и схемы проектирования композиции ВПл Достоинства Инвариантен к уровню Параллельная сбалансированная работа с ФТ и НФТ.

реализации.

Генерация архитектуры с позиций предложенной системы Процесс интуитивно абстракций.

понятен сегодняшнему Объединение фаз проектирования и исполнения вычислительного «массовому» разработчику процесса в единое пространство технических решений.

ВсС.

Отложенная фаза аппаратно-программного разделения.

Недостатки ТЗ уже подготовлено для реализации ВС, т.е. для проектируемой Процесс не знаком системы в целом уже решены вопросы выделения функций, большинству «навешиваемых» на ВС. разработчиков Процесс отражает в явном виде каноническую архитектуру ВС и Процесс предполагает приоритеты как между ФТ и НФТ, так и в рамках процесса реализации наличие компетенций в ФТ. области вычислительных Т.к. присутствует жесткая привязка ВПл – ЯОФ, уровень ВПл будет абстракций.

стремиться вверх, минимизируя свободу выбора для архитектуры целевой ВсС в целом.

Много задач, которые при такой гранулярности ВПл окажутся практически не поддержанными в плане методики проектирования (сложно выполнить адекватный выбор исходной архитектуры, которая должна быть многоуровневой и гетерогенной).

Доминирующая функциональность (ФТ) ведет к обнаружению проблем на поздних этапах проекта.

Рекомендации по использованию Создание простых ВсС с низкой потенциальной Создание сложных ВсС с высокой вариативностью архитектуры. потенциальной вариативностью архитектуры.

Третья глава посвящена моделям вычислений (MoC). Приводится обзор и анализ основных MoC, используемых в ВсС. Предлагаются новые MoC, методы их расчета и реализации.

Важнейшим понятием системы абстракции является модель вычислений или вычислительная модель Мodel of Computation, которая по-разному определяется специалистами:

• Недвусмысленный формализм для представления спецификаций проекта и проектных решений (S.-Vincentelli, 1998);

• Правила взаимодействия компонентов вычислительного процесса (E. Lee, 2003).

Анализ показал, что понятие MoC целесообразно рассматривать в контексте автоматизации проектирования ВсС в двух направлениях:

1. Направление простых (по «принципу действия») моделей высокого уровня абстракции (процессы Хоара; сети процессов Кана (потоковые модели); модель с непрерывным временем (НВ); дискретно-событийная (ДС) модель; синхронно-реактивная (СР) модель; конечные автоматы;

другие).

2. Направление формализованного представления вычислителей как виртуальных машин независимо от их сложности и принадлежности к уровню вычислительной иерархии (x86; MCS-51; ARM7…; Java – машина;

C – машина; другие).

В рамках системы вычислительных абстракций предложено определять модель вычислений как математическую модель, демонстрирующую вычислительные возможности и правила использования субъекта вычислений (актора) и рассматривать в качестве поведенческого аспекта в аспектной модели проектирования ВсС.

На основе анализа особенностей сложных распределенных ВсС показана необходимость учета следующих их свойств в выбираемой композиции MoC:

• заранее четко определенная функциональность;

• распределенность вычислительного процесса;

• функционирование различных частей системы в собственных, значительно различающихся масштабах времени;

• наличие слабо связанных вычислительных доменов, сложная топология;

• частое пребывание узлов системы в ожидании событий;

• разнородность элементной базы.

Для таких ВсС разработан класс объектно-событийных моделей вычислений (ОСМВ), адекватно учитывающих информационную и управляющую природу ВсС и ориентированных на представление и расчет вычислительных процессов и архитектур с различными последующими реализациями по шкале «аппаратура – программа».

Модель позволяет выполнять статический (то есть, без проведения имитационного моделирования) расчет временных характеристик системы, учитывает выбор вычислительной платформы и предоставляет средства для проверки выполнения требований к ее временным характеристикам. Тем не менее, модель является поведенческой, то есть предполагает имитационное моделирование поведения проектируемой системы.

ОСМВ предоставляет следующие элементы моделирования:

• Объект, функциональный блок (ФБ). Структурный элемент, выражающий целевую функциональность. Позволяет реализовать иерархию моделей, являясь композицией более мелких ФБ. Обладает свойствами полиморфизма и инкапсуляции.

• Событие. ФБ модели связаны сигналами. Событие в ОСМВ - изменение сигнала (время + состояние). Событие переносит данные между ФБ, и активизирует последние для выполнения определенных действий.

• Порт. Механизм передачи событий между ФБ. ФБ воспринимает события по входным портам и генерирует события по выходным портам.

• Узел. (Целевой). Физический носитель вычислительных ресурсов целевой системы, реализующий отображенные на него ФБ и порты.

Поясним более подробно использование ОСМВ. Вычислительный процесс в системе описывается с помощью ФБ, взаимодействующих посредством синхронных и асинхронных портов. События (изменения состояния сигнала) на синхронном входе активизируют ФБ, запуская или продолжая некий алгоритм, завершающийся генерацией события на выходе.

ФБ анализирует состояние асинхронного входа (входа данных) только при возникновении события на одном из синхронных входов (входов управления).

Функциональный блок представляет собой, таким образом, абстрактный вычислитель, выполняющий инструкции различного типа (события на синхронных входах), и обрабатывающий данные этих инструкций (состояние асинхронных входов). Конкретными примерами такого вычислителя могут быть: объект ООП, аппаратный вычислитель (микропроцессор), задача ОСРВ, драйвер устройства.

Если рассматривать событие как точку пространства [время]X[состояние] e s T V, то действия ФБ представляются как f (T V ) ft (T ) fv(V ). При этом для моделирования основную роль играет функция ft :T T. Для расчета характеристик ОСМВ ВсС используются параметры ФБ: сложность генерации выходного события , минимальный интервал следования входных событий , минимальный интервал генерации выходных событий . Легко показать, что эти три параметра ФБ связаны выражением , (7) где символ – функционал, обозначающий операцию интерпретации и зависящий от реализации ФБ. В работе определяется конкретный вид функционала для операции последовательной интерпретации (8) и операции параллельной интерпретации (9).

n i , (8) i, j j i i max(i, j ), (9) j j1n Описанные операции характерны для программной и аппаратной реализации ФБ, соответственно. При смешанных реализациях ФБ функционал имеет более сложный вид. Временной масштаб ФБ определяется его входными и выходными событиями и равен M min(min(i ), min(i )) min(i) (10) i1n i1m i1m Расчет реактивных свойств ФБ производится согласно (11) max(,t0 ( k1)) max( ,t0 ( k1)), (11) где – время формирования выходных событий, k – количество входных событий за временной интервал t0.

C A B Рис. 4. Композиция ФБ.

Важным свойством параметров ФБ является возможность аналитического получения параметров ФБ по известным параметрам составляющих его ФБ.

На рис. 4 представлен ФБ C, состоящий из ФБ A и B. Согласно (7) можно записать B B A C ( ) или (12), (13) Для разных значений функционалов в выражении (12) можно получить аналитический вид матрицы C выражения (13). Для программной C B A B C реализации ФБ A и B, верно , iCj kA, j и . Для, i,k k C B A A аппаратной реализации ФБ A и B, верно , iCj max(iBkk, j ) и,, k C . Для смешанных реализаций верны следующие верхние и нижние оценки:

C A B C A B C для и ( ) ( ) (14) C A B C A B ( ) ( ) C для и (15) Аналогичные выражения можно получить и для других вариантов композиции ФБ.

В работе предлагаются некоторые частные критерии оценки модели целевой системы, такие как критерий выбора управляющих входов (16), критерий выделения временного домена (17) и критерий сильной/слабой связи (18).

e s T V e f (e) const (16) T (17) (M ( fi ) M (D))fiD M (Di ) k (18) M (Dj ) M (D) В выражениях (16), (17) и (18) f – поведение ФБ, D – домен ФБ, - временной масштаб домена, k – показатель согласованности доменов (в реальных условиях k>10).

Помимо функциональных свойств (алгоритмов преобразования сигналов), ФБ отражает временные свойства представляемой им подсистемы.

Временные свойства задаются следующими атрибутами:

• минимальное время обработки событий по синхронным входам. Вектор j j, где есть параметр входа с номером j, задает эти величины для всех входов ФБ;

ij • сложность генерации выходного события. Матрица, задающая количество инструкций по входу j, необходимое для генерации одного события на выходе i;

i • минимальный интервал генерации выходных событий. Вектор, задающий либо характеризующий данную величину по всем выходам ФБ.

При проектировании сверху вниз в процессе декомпозиции крупного ФБ в конечном итоге получается набор атомарных ФБ (АФБ), выражающихся средствами выбранной ВПл. Временные атрибуты и для АФБ задаются характеристиками платформы, в рамках которой они реализованы.

Другим элементом ОСМВ является целевой узел (ЦУ), представляющий собой элемент ВПл, на которой реализована вся или часть системы.

Примерами ЦУ могут служить микропроцессор конкретного семейства, ПЛИС, набор микросхем жесткой логики, канал передачи данных на базе конкретного интерфейса, ОСРВ, виртуальная машина, набор программных библиотек. В процессе отображения ФБ на ЦУ его атрибуты и фиксируются, отражая производительность выбранной ВПл.

Операционная семантика ОСМВ обладает очевидными достоинствами, однако она затрудняет сравнение этой модели с другими MoC и применение ее при создании гетерогенных моделей. Для применения ОСМВ в комплексном моделировании разработано ее расширение на основе денотативного описания, которое использует метамодель «Модель сигналов с тэгами» (Е.Ли, Tagged Signal Model, TSM). Термин «денотативная» означает, что модель формулирует вычисления в стиле теории доменов Скотта, описывавшей вычисления в терминах свойств функциональных преобразований сигналов (таким образом, обозначавшей эти свойства), в отличие от операционного подхода (Тьюринг, Марков, Чрч).

Модель TSM основана на представлении вычислительной системы как совокупности сигналов. Сигнал, в свою очередь, является множеством событий вида e {t,v}, где v есть некоторое значение, элемент данных, а t есть ассоциированная с ним некоторая метка (тэг). Событие e {t,} называется «пустым». В зависимости от свойств множества меток T, понятие сигнала может иметь различный смысл. Компонент вычислительного процесса (актор) представляет собой множество его поведений. На основе теоретико-множественного подхода строится математическое описание соединений между акторами, входных и выходных сигналов, композиций акторов произвольной топологии, включая обратную связь. Модель описывает также процедуру абстракции системы процессов в один процесс, и затрагивает вопросы эквивалентных структурных преобразований системы акторов. TSM формально задает понятия времени, его метрик, детерминизма, каузальности, монотонности и непрерывности акторов, другие понятия, используемые при анализе ВсС.

В рамках денотативного описания ОСМВ (ДОМВ) в качестве модели времени выбрано множество неотрицательных действительных чисел R, то есть, для ОСМВ множество тэгов T R. Из приведенного выше определения сигнала следует, что функциональный сигнал есть функция s :T V, приписывающая каждой метке некоторое значение. Область определения этой функции dom(s) есть начальный сегмент T (сигнал может быть известен лишь до некоторого момента). Если dom(s) T, то сигнал называется целым (он до конца известен).

Между сигналами можно задать отношение префикса, являющееся обобщением префиксов строк и последовательностей. Для любых двух сигналов s1 и s2, s1 есть префикс s2 (обозначается s1 s2 ), если dom(s1) dom(s2) и для всех t dom( s1) : s1(t) s2(t). Иными словами, выражение s1 s2 означает, что график функции s1 является частью графика s2 до некоторого t.

Для описания сигналов в объектно-событийных системах была задана функция : S T, характеризующая минимальную разность между метками непустых событий в сигнале. Обозначим Ds {| t t'|: t,t'dom(s), s(t) ,s(t') ,t t'} множество всех интервалов времени между непустыми событиями в сигнале s. Тогда ,если Ds 0, (s) (19) inf( Ds ),иначе, Ds где inf( Ds ) есть точная нижняя грань множества. Для сигналов, содержащих меньше двух непустых событий значение функции равно бесконечности. Если сигнал содержит больше одного непустого события, то (s) дает минимальный интервал между ними.

Функция позволяет задать отличительную характеристику сигналов (s) на синхронных входах и выходах ФБ. Для таких сигналов 0 s (s), (20) i где есть атрибут порта ( для синхронного входа, для выхода).

s j Этот атрибут характеризует проектное ограничение на минимальный интервал времени между интерпретируемыми на входе или генерируемыми на выходе ФБ инструкциями (возможности платформы, требования ТЗ) и является характеристикой ФБ.

В соответствии с вышесказанным, сигналы в объектно-событийной системе, за исключением подаваемых на ее внешние асинхронные входы, обладают свойством (20) и являются дискретно-событийными (ДС). Стоит отметить, что (20) является более строгим, чем определение ДС сигнала, и не все ДС сигналы обладают этим свойством.

Асинхронный вход ФБ преобразует подаваемый на него сигнал таким образом, что ФБ в каждый момент времени может прочитать значение последнего непустого события в поданном сигнале. Множество непустых событий на асинхронном входе будет E {(t,s(t'))}, где t,t'dom(s), t t' и не существует t''dom(s) такого, что t' t'' t и s(t'') . Очевидно, множество E непрерывно и минимальный интервал между событиями на асинхронном входе равен 0.

Поведение ФБ есть функция : P S, приписывающая каждому порту (входу или выходу) ФБ наблюдаемый на нем сигнал (P есть множество портов ФБ, S множество сигналов в системе). Сам функциональный блок есть множество поведений.

Для любого поведения ФБ минимальный интервал между событиями ~ на синхронном входе p будет равен, с учетом (20), ( ( pj )).

j j pi Минимальный интервал между генерируемыми на выходе событиями ~ i будет i ( ( pi)). Эти значения, в отличие от и, являются j ~ ~ ~ ~ характеристиками сигналов, а не самого ФБ. Векторы и i j характеризуют совокупность сигналов, связанных с ФБ в конкретной системе, в отличие от векторов и i, представляющих собой j проектные ограничения временных характеристик ФБ. Математический ~ ~ аппарат ОСМВ позволяет вычислить вектор по заданному вектору.

Обозначим f D сужение области определения функции f до ее Pin подмножества D dom(s). Тогда для ФБ с множеством входных портов и Po выходных можно задать функцию Ffb :{ Pin} { Po} (21) такую, что для любых двух поведений ФБ 1,2 : если 1 Pin 2 Pin, то 1 Po 2 Po. То есть, если поведения на входе ФБ совпадают, то они должны совпадать и на выходе.

Отношение префикса можно задать и для поведений. Поведения ФБ 1 и связаны этим отношением, то есть 1 , если для всех портов ФБ 2 p P: 1( p) ( p). Отношение делает множество поведений ФБ частично упорядоченным. С учетом наименьшего элемента (такого, что для любого p P: ( p) есть «пустой» сигнал s : 0 V, не содержащий событий), это множество становится полурешеткой, что позволяет применить к нему результаты теории решеток и, в частности, топологии Скотта. Этот подход используется в модели сигналов с тэгами для формального исследования свойств различных моделей вычислений.

С точки зрения этого подхода, ФБ обладают следующими свойствами:

детерминизм (функциональность, (21)), монотонность (префикс сигналов на входе дает префикс на выходе), непрерывность (монотонность при целых сигналах), рецептивность (ФБ интерпретирует любой набор сигналов, не нарушающий условие (20)) и строгая каузальность (событие на выходе может быть сгенерировано строго после события на синхронном входе).

В работе предложен способ вычисления временных характеристик ОСМВ ВсС в рамках денотативного описания на основе свойств полного частично-упорядоченного множества атрибутов компонент модели и теоремы Кнастера-Тарского о неподвижной точке. Предложенный способ учитывает иерархичность моделей, допускает произвольные функции вычисления атрибутов отдельных компонент и использование обратной связи в модели.

На рисунках представлены основные элементы ОСМВ (рис. 5) и пример сети ФБ (рис. 6).

Четвертая глава посвящена вопросам использования разработанных методов и средств проектирования ВсС. Материал главы полностью построен на проектах ВсС и инструментальных средств, выполненных под руководством и при личном участии автора.

На примерах поясняется техника анализа технических решений в проектах ВсС на основе разработанной методологии. Использованы задачи проектирования подсистемы визуализации аналитического прибора и проектирования драйвера периферийного интерфейса. Показано получение архитектурных абстрактных моделей и их реализаций с различной функциональной декомпозицией по шкале HW/SW. Представлен анализ проекта специализированных гетерогенных вычислителей M3M системы железнодорожной автоматики управления движением «Тракт».

F({s}) ФБ – функциональный блок Синхр.

… … АФБ – атомарный ФБ ЦУ – целевой узел Асинхр.

… ФБ si=so1=…=soN ФБsosi АФБ … ФБ1 … soN ФБN ЦУ Рис. 5. Элементы ОСМВ.

Температура Сообщение Callback Отображение ФБ1 ФБ2 ФБобъекта 2 1 Локальный 2 Канал Центральный Clk узел связи вычислитель Запрос Проверить данные Рис. 6. Сеть ФБ ДОМВ.

На примере многоуровневой организации вычислительного процесса в ВсС зондового сканирующего микроскопа MiniLab демонстрируется применение системы архитектурных абстракций и принципа актуализации вычислительного процесса. На рис. 7 показаны доступные через средства прикладного пользовательского программирования (СППП) уровни, которые охватывают всю иерархию распределенной гетерогенной ВсС прибора и позволяют гибко балансировать параметры целевого физического эксперимента посредством шкалы «Design/Run-Time».

Рассматривается организация и использование прототипа САПР на базе разработанных объектно-событийных MoC в задаче создания СППП для семейства сложных аналитических приборов с использованием оригинальной архитектуры NL3 и для ВсС с ограниченными ресурсами на платформах NL1, NL2.

Процессор NL3 сочетает в себе элементы суперскалярной и VLIW архитектуры, основной обрабатывающей единицей выступает DPU (Data Processing Unit) – реализация функционального блока ОСМВ. Типовой состав DPU аналитического прибора (открытый список) включает:

Прикладные Библиотеки программы Application Level Java-классы Прикладные Javaалгоритмы User Level Native Java- функции Драйвера System Level Операционная среда Топология Таймеры Hardware Level DMA, sdram Рис. 7. Распределение функций в СППП MiniLab.

• блоки цифровой обработки (вычислитель поворота координат;

коррелятор; КИХ/БИХ-фильтр);

• блоки общего назначения (сумматор; табличная выборка; умножитель;

память; мультиплексор);

• специализированные блоки (приемопередатчики внешних устройств;

осциллограф; отладчик).

Организация вычислений производится посредством статического и динамического конфигурирования композиции DPU, для чего разработан ||||||||||||||||||||||||||||||||||||| прототип САПР, включающий графическую систему подготовки net-листов, компилятор на основе системы неравенств, библиотеки логических ФБ, Design-Time и Run-Time библиотеки драйверов DPU.

Модель DPU позволяет получить метрики функциональных блоков DPU («паспорт», табл. 2), по которым компилятор составляет систему неравенств.

Система неравенств строится в несколько этапов, начиная с «общих», присущих всем DPU. Выделяются DPU с активацией по загрузке входных портов и по началу цикла, что отражается в системе неравенств.

Таблица 2. Основные метрики паспорта DPU.

Параметр Краткое описание TSTABLE Интервал использования входного порта в процессе вычислений.

TOLD Интервал сохранения старого значения в выходном порте после начала вычислений.

TEXEC Время вычисления выходного порта.

CMD Время упреждения команды загрузки/выгрузки порта.

XCHG Время работы терминала.

EXEC Задержка начала вычислений.

Параметр TSTABLE определенного входного порта может быть разным для разных выходных портов и должен представлять собой таблицу размером NINNOUT, однако модель использует самое большое значение из этой таблицы. Интервал TOLD может начинаться в момент начала вычислений или после загрузки определенного входного порта. Полное количество параметров TOLD представляет собой таблицу (1+NIN)NOUT.

В табл. 3 приведен пример системы неравенств, описывающих топологию композиции DPU процессора NL3.

Таблица 3. Математическая модель вычислительного процесса NLОбщие неравенства Ограничение для входных nin[i] in in i CMD XCHG цепей nin[i] CYCLE in Nin i XCHG Определение порядка загрузки nin[i 1] nin[i] входных цепей Ограничение для входных nout[i] out CMD цепей nout[i] CYCLE Неравенства по типу активации Активация по загрузке входных nout[i] nin[Nin 1] EXEC TEXEC[i] in out XCHG XCHG портов (работа в цикле) Активация по загрузке входных nout[i] nin[Nin 1] EXEC TOLD[i] in out XCHG XCHG портов (работа между циклами) Активация по началу цикла nin[i] TSTABLE[i] EXEC nout[i] EXEC TEXEC[i] Парные неравенства last first f Следование входных nin [i] nin [Ninirst 1] EXEC TSTABLE[i]цепей first last last Следование выходных nout [i] nin [Nin 1] EXEC in out TOLD[i]XCHG XCHG цепей Исследуется инструментальный аспект проектирования ВсС, в рамках которого инструментальная модель системы определяется как перечень инструментальных задач и способ их взаимодействия при обработке потоков инструментальных данных (инструментальных объектов).

Сформулированы принципы:

• сопряженного проектирования инструментальной и целевой компоненты ВсС;

• вложенной отладки распределенных ВсС;

• взаимной инкапсуляции инструментальной и целевой коммуникационных систем, которые положены в основу базового метода организации инструментальных комплексов ВсС. Изложена технология динамических инструментальных компонент, приведены примеры реализации двух комплексов вложенной отладки распределенных ВсС.

Эффективность предложенных методик и подходов в проектировании ВсС дополнительно подтверждают результаты деятельности научнопроизводственного коллектива, которым на протяжении 15 лет руководит автор (табл. 4).

Таблица 4. Результативность проектирования Характеристика коллектива разработчиков • 15…25 сотрудников, разработка и тиражирование, период работы – 10 лет Контроллерные платформы, комплексы технических средств (КТС) Области применения Линейки продукции • Судовая, железнодорожная автоматика TTF, M3M КТС «Тракт», CSPM LIC5091, • Энергетика, ЖКХ, дорожная AP3000, CSC, KTG, SPC, SDK, SCG инфраструктура, интеллектуальное (десятки проектов, тысячи экземпляров здание сложных систем автоматики) • Приборные комплексы • Робототехника • Микроконтроллерные учебные стенды Элементная база и технические решения Категория Наименование • Используемые микропроцессорные ядра – x86, MCS51, C16x, PIC16/18, Fujitsu, и ПЛИС MSP430, HC08, Coldfire V2/V3, ATMega, ARM7, ARM9 и другие – ПЛИС Altera, Xilinx • Реализованные виртуальные машины и – Java, Forth, IEC-61131-3, NL, SVM, keX ОС • Поддерживаемые протоколы и – Modbus, CANpro, TCP/IP, PM3P, 1интерфейсы Wire®, I2C, SPI – CAN 2.0B, USB, IEEE 802 и другие • Разработанные САПР и – СППП MiniLab, СППП CSPM LIC5091, инструментальные комплексы GM3P, V3, SSI и другие Элементы и прототипы САПР, экспериментальные САПР ВсС • Системы для анализа и верификации MoC ОСМВ и ДОМВ • Система верификации ПО РМВ ВсС • Система поиска, сравнения и упорядочивания компонентов повторного использования ПО ВсС • Прототипы САПР МКРС и анализа реконфигурируемых структур ВсС • САПРы СППП для КТС NL, LIC, M3M «Тракт», KTG, Луч-3, Луч-3М Пятая глава посвящена вопросам внедрения разработанных подходов к проектированию ВсС в практическую деятельность научнопроизводственных коллективов и в учебный процесс. Демонстрируется опыт организации магистерской подготовки по направлениям проектирования ВсС и СнК. Анализируется состояние дел в области учебно-инструментального стендового оборудования ВсС, описывается учебно-лабораторная платформа SDK, ориентированная на подготовку специалистов-разработчиков ВсС.

В работе представлена модель знаний в области вычислительной техники выпускника отечественного вуза. В ее основе лежит каноническая модель организации ВС с центральным программируемым процессором интерпретирующего типа. Прикладной вычислительный процесс организуется в рамках ОС (комплекс системных программ) посредством создания программы на ЯВУ с последующей трансляцией в команды аппаратного процессора и вызовы функций операционной системы.

Показано, что данная модель профессиональных знаний пригодна в секторе прикладного программирования на стандартных аппаратнопрограммных платформах и не эффективна в области ВсС:

• отсутствует цельный взгляд на ВС как на аппаратно-программный комплекс, в котором способ реализации функций всех уровней может на практике варьироваться в очень широких пределах;

• не только присутствует, но и продолжает культивироваться взгляд на области создания аппаратного и программного продукта как принципиально различные группы технологий (различные области деятельности разработчика), причем создание программного продукта обычно трактуется как вторичный по отношению к созданию аппаратуры процесс;

• в значительной мере искусственно ограничивается круг демонстрируемых вычислительных архитектур, примеров их аппаратной и программной реализации;

• в учебных программах недостаточно представлены разделы, посвященные вопросам системного проектирования, моделирования архитектуры и микроархитектуры, формальной верификации;

• слабо затрагиваются вопросы создания инструментария всех уровней и этапов проектирования, у студентов нет цельного взгляда на САПР различного назначения в общем цикле проектирования ВС;

• недостаточно глубоко представлены многие частные, но чрезвычайно важные сегодня вопросы проектирования ВсС (например, надежность ВС и процессов их проектирования, учет ограничений реального времени, проектирование систем с микроэнергопотреблением), которые необходимо решать, начиная уже с системного уровня проектирования.

Проанализирован зарубежный опыт, в рамках которого научным сообществом формируются и обсуждаются различные модели подготовки специалиста по информатике и вычислительной технике (рекомендации ACM и IEEE, документы CS2001, CS2008, CE2004 др.). Важнейшее значение имеет опыт целевой подготовки специалистов – разработчиков ВсС и СнК в ведущих университетах США и Европы. В Калифорнийском университете (Беркли) программа подготовки по ВсС основывается на методологии PBD и включает следующие разделы: методология PBD, модели вычислений, проектирование архитектуры и встроенное ПО.

Предложено в области подготовка проектировщиков ВсС на передний план вынести изучение следующих вопросов:

• Различные модели процесса проектирования ВсС. Взгляд на проектирование ВС как на организацию вычислительного процесса.

Единая инфраструктура проекта, вычислительные и невычислительные аспекты процесса проектирования и целевой системы.

• Широкое применение принципа сопряженного проектирования ВсС, включая HW/SW реализацию, интеграцию инструментального обеспечения, выстраивание и развитие инфраструктуры проекта.

• Базовые вычислительные абстракции и связанные с ними методы проектирования архитектуры ВС. Архитектура ВС как иерархия виртуальных машин.

• Вычислительные механизмы как технические решения определенной функциональности с различными вариантами реализации. Демонстрация аналогий в различных частях и на разных уровнях представления ВС.

Классификация и обзор базовых вычислительных механизмов.

Демонстрация диапазона реализаций вычислительных механизмов и архитектур ВсС.

• Масштабируемость и реконфигурируемость в архитектурах ВсС как средство унификации проектных решений, механизм повторного использования, управление основными характеристиками целевого продукта. Широкое применение понятия платформы как фиксированного решения с определенной функциональностью.

• Языковой принцип проектирования ВС на всех уровнях, в первую очередь, в архитектуре, аппаратном и программном обеспечении.

• Различные направления в программировании со специфическими парадигмами, технологиями, инструментарием. Последовательное и параллельное программирование. Встроенное программирование.

• Модели надежности ВС, потенциальные источники ненадежности на всех этапах жизненного цикла системы, избыточность.

• Профиль деятельности и сфера ответственности системного специалиста и прикладных специалистов «от вычислительной техники» в области ВсС.

Исследованы вопросы организации проектной команды ВсС, показано, что канонический состав команды относительно хорошо работает в рамках первого шаблона процесса проектирования (рис. 3а), и не эффективен в рамках второго, аспектного шаблона проектирования (рис. 3б). Это определяется, прежде всего, наличием семантического разрыва в спецификациях маршрута проектирования ВсС в области HLD. Разрыв объясняется различием в исходных взглядах на ВС создателя спецификации (системотехника) и специалиста, реализующего спецификацию (схемотехника, программиста), а также в отсутствии у последних должного понимания и навыков использования языков системотехнического уровня.

Показано влияние базовых компетенций архитектора-руководителя в команде проектировщиков на развитие процессов проектирования ВсС.

Предложен новый состав команды, отличительные особенности которого представлены в табл. 5.

Таблица 5. Варианты составов рабочих коллективов Канонический состав команды «Компетентный» состав команды Аппаратчик-электронщик по Появление/усиление значимости специалиста по цифровой и цифро-аналоговой языковому многоуровневому проектированию, технике + проектировщик моделированию, верификации спецвычислителей конфигураций ПЛИС + embedded различных уровней иерархии (СнК, – программист микроконтроллеры + функциональные расширители микроконтроллеров (в т.ч. под + RTOS + сети + ПЛК-технологии) с его RTOS и ПЛК) + системный (специалиста) локализацией «по месту».

программист на ПК + Особенности прикладной программист на ПК Предметные знания + общая методология + специалист по сетям (обеспечивает взаимопонимание, интерфейсы в (контроллерным и общего команде/проекте, стиль и технологии назначения).

инструментария).

3 магистерских специализации НОН «Встроенные вычислительные системы» на кафедре ВТ СПбГУ ИТМО «Системотехника интегральных «Проектирование встроенных вычислителей. Системы на «Сетевые встроенные системы» вычислительных систем» кристалле» «Архитектор» - сбалансированный Специалисты по направлениям взгляд и знания в области ВсС по: с «базовым системным» кругозором:

• системотехнике; • встроенное ПО;

• архитектуре ВС; • ПЛИС / ПСнК;

• ПО; • контроллерные сети;

• аппаратуре; • HLD (грамотное моделирование с использованием современного инструментария);

• инструментарию.

• схемотехника МП, ПЛИС, аналого-цифровых узлов;

• инструментарий.

Рис. 8. Учебное направление «Встроенные вычислительные системы» на кафедре ВТ СПбГУ ИТМО.

Практическим внедрением в учебный процесс изложенных в работе принципов, абстракций, методик и подходов в проектирование ВсС является созданное под руководством автора в СПбГУ ИТМО на кафедре вычислительной техники и 4-й год действующее направление «Встроенные вычислительные системы». На рис. 8 представлены состав и основные особенности магистерских специализаций направления.

Учебное направление поддержано учебно-инструментальной платформой ВсС, которая разработана автором на основе большого личного практического опыта разработки и преподавания в области ВС и в соответствии с предложенными в работе решениями. Созданное на ее основе семейство микропроцессорных стендов инструментального и учебного назначения SDK серийно производится и используется более чем в университетах и во многих организациях в обучении и проектировании.

Семейство постоянно расширяется как по составу, так и в части методического обеспечения. Особенностью платформы SDK является тщательный подбор технических решений, позволяющий демонстрировать и осваивать широкий спектр вычислительных механизмов и их реализаций, подкрепляя на практике многие положения представленного в работе подхода. Информация по составу, характеристикам и использованию стендов представлена в работе.

Основные результаты работы В работе представлена методологическая и теоретическая база высокоуровневого автоматизированного проектирования встраиваемых вычислительных систем, основывающаяся на системе вычислительных архитектурных абстракций. Это обеспечивает развитие методов и средств архитектурно - структурного проектирования в комплексе с формированием сценариев и инфраструктуры процесса проектирования встраиваемых вычислительных систем. Предложены теоретические основы построения САПР системного уровня, созданы модели, алгоритмы и методы для синтеза и анализа архитектурных решений в области проектирования встраиваемых вычислительных систем.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Предложено определение ВсС, основанное на характере взаимодействия ВС и контролируемого и/или управляемого объекта физического мира, не ограничивающее сложность, топологию и принципы организации системы.

2. Предложена система архитектурных абстракций ВсС и шаблоны процессов архитектурного проектирования ВсС для случаев общего и частных технических заданий.

3. Предложена обобщающая аспектная модель процесса проектирования ВсС. Конкретизированы и формализованы основные положения аспектной модели проектирования и базовые элементы моделирования: Амодель, состоящая из А-агрегатов, аспектное пространство процесса проектирования, аспектные проекторы, аспектные модели, характеристические функции.

4. Даны классификации А-агрегатов и А-моделей. Предложена аспектная классификация как самих ВсС, так и процессов их проектирования, позволяющая наглядно представлять свойства систем и критерии их создания, контролировать процесс проектирования, сравнивать проектные платформы, анализировать выполненные проекты ВсС.

5. Определено понятие «архитектурная платформа», выступающее в качестве инструмента повторного использования концептуальных решений в процессе проектирования ВсС. Предложена классификация ВсС на основе понятия «проектная вычислительная платформа», которая позволяет систематизировать базовые вычислительные архитектуры и связанные с ними технологии проектирования ВсС.

6. В работе в качестве поведенческого аспекта архитектурного проектирования подробно рассматривается ключевая абстракция «модель вычислений» ВсС. Предложен класс объектно-событийных моделей вычислений (ОСМВ), который полно учитывает особенности распределенных ВсС. Разработан математический аппарат расчета характеристик ОСМВ и созданы методы синтеза и анализа поведенческих моделей ВсС, которые являются основой оригинальных САПР и средств моделирования распределенных ВсС.

7. Унифицировано представление «Design-Time» – «Run-Time» фаз вычислительного процесса, что позволяет использовать проектную ось «Design/Run-Time» для поиска более эффективной функциональной декомпозиции целевой ВсС. Формально процесс поиска обеспечивается разработанной моделью актуализации вычислительного процесса, 8. Предложен набор компетенций команды проектировщиков ВсС, основанный на рассматриваемой в работе системе архитектурных абстракций, который позволяет сократить семантический разрыв в спецификациях маршрута высокоуровневого проектирования.

9. Создано и внедрено в учебный процесс магистерское направление «Встроенные вычислительные системы» в составе программ «Проектирование встроенных вычислительных систем», «Системотехника интегральных вычислителей. Системы на кристалле», «Сетевые встраиваемые системы». Разработанные учебные методические материалы и стендовое оборудование позволяют эффективно внедрять методологию высокоуровневого архитектурного проектирования, включая подходы, предложенные автором, в практическую деятельность профильных научно-производственных предприятий и коллективов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций:

1. Платунов А.Е., Скорубский В.И., Третьяк Л.Н., Экало Ю.В. МикроЭВМ для автоматизации высокоточных теплофизических измерений // Известия вузов. Приборостроение. – 1982. – Т.25, № 11. – С. 87-90.

2. Грушвицкий Р.И., Гагарин Ю.И., Платунов А.Е., Подклетнов Г.С., Подгурский Ю.А., Скорубский В.И. Стендовое оборудование для изучения и применения микропроцессоров и микропроцессорных наборов // Приборы и системы управления. – 1983. – № 3. – С. 8-10.

3. Платунов А.Е., Поротов В.Н., Порошин А.Н., Скорубский В.И. Применение микропроцессорного управления в измерительном комплексе // Известия вузов. Приборостроение. – 1984. – Т.27, № 4. – С.18-21.

4. Платунов А.Е., Свинолобов В.Г., Скорубский В.И. Структура и программное обеспечение проблемно-ориентированных мультимикропроцессорных систем // Известия вузов. Приборостроение. – 1987. – Т.30, № 9. – С. 39-44.

5. Ключев А.О., Коровьякова Т.А., Платунов А.Е. Использование интерфейса JTAG для отладки встраиваемых систем // Известия вузов.

Приборостроение. – 1998. – Т.41, № 5. – С. 45-50.

6. Платунов А.Е. Проектирование контроллеров с изменяемой архитектурой // Вестник ТГТУ. – 1998. – Т.4 – С. 338-343.

7. Новиков Г.И., Платунов А.Е. Сквозное автоматизированное проектирование микропроцессорных систем // Известия вузов.

Приборостроение. – 2000. – Т.43, № 1–2. – С. 35-39.

8. Платунов А.Е. Архитектурная модель цифровых вычислительных систем для встроенных применений // Известия вузов. Приборостроение. – 2001.

– Т.44, № 3. – С. 8-15.

9. Платунов А.Е. Архитектурные абстракции в технологии сквозного проектирования встроенных вычислительных систем // Научнотехнический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Выпуск 6. Информационные, вычислительные и управляющие системы. – СПб.: СПб ГИТМО (ТУ), 2002. –– С. 76-83.

10. Платунов А.Е., Постников Н.П. Единое проектное пространство плюс аспектная технология – перспективная парадигма проектирования встраиваемых систем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО.

Выпуск 11. Актуальные проблемы анализа и синтеза сложных технических систем. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2003. –– С. 121-128.

11. Баранов И.В., Платунов А.Е., Платунов Е.С. Комплекс автоматизированных приборов для измерения тепловых свойств // Научное приборостроение. – 2003. – Т.13, № 3. – С. 19-24.

12. Платунов А.Е. Проектирование встроенных вычислительных систем // Известия вузов. Приборостроение. – 2003. – Т.46, № 2. – С. 5-13.

13. Голубок А.О., Платунов А.Е., Сапожников И.Д. Система управления сканирующим зондовым микроскопом // Научное приборостроение. – 2003. – Т.13, № 3. – С. 25-31.

14. Платунов А.Е. Роль вычислительных моделей и механизмов в проектировании встроенных систем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 14. Информационные технологии, вычислительные и управляющие системы. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004. – С. 164-169.

15. Ковязин Р.Р., Платунов А.Е. Приборные контроллеры // Приборостроение и средства автоматизации. – 2005. – № 1. – С. 50-52.

16. Баранов И.В., Платунов А.Е., Платунов Е.С. Учебная лаборатория «Физика низких температур». // Физическое образование в вузах. –2007. – Т.13, № 4. – С. 121-127.

17. Лукичев А.Н., Платунов А.Е. Паттерны проектирования встроенных систем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 39.

Исследования в области информационных технологий. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. –– С. 114-121.

18. Баранов И.В., Платунов А.Е., Платунов Е.С. Теплофизическая лаборатория низких температур // Известия вузов. Приборостроение. – 2009. – Т.52, № 5. – С. 65-69.

Книжные издания:

19. Платунов А.Е., Приблуда А.А., Скорубский В.И., Черемисина О.Н. Теория проектирования ЭВМ: учебное пособие по лабораторному практикуму. – Л.: ЛИТМО, 1988. – 66 с.

20. Платунов А.Е., Скорубский В.И. Основы методики разработки РЭА на микропроцессорах и микро-ЭВМ. – М.: Изд-во заочного ин-та ЦП ВНТО приборостроителей им. С.И. Вавилова, 1989. – 64 с.

21. Платунов А.Е., Скорубский В.И., Ожиганов А.А., Черемисина О.Н.

Однокристальные микро-ЭВМ: учебное пособие. – Л.: ЛИТМО, 1991. – с.

22. Терминологический словарь по электронной технике / В.Н. Вениаминов и др.; под ред. Г.Н. Грязина и И.П. Жеребцова. – СПб.: Политехника, 2001.

– 783 с. – ISBN 5-7325-0376-5.

23. Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Кустарев П.В., Платунов А.Е. Аппаратные и программные средства встраиваемых систем. Учебное пособие: – СПб.:

СПбГУ ИТМО, 2010. – 286 с.

24. Лукичев А.Н., Николаенков А.В., Платунов А.Е., Постников Н.П.

Проектирование встроенных систем. Модели вычислений. Учебное пособие: – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. – 170 с.

Научные статьи в журналах и сборниках трудов:

25. Платунов А.Е., Скорубский В.И. Комплекс средств для изучения принципов проектирования МП-систем // Применение микроЭВМ в учебном процессе. – Л.: ЛИАП, 1983. – С. 30-35.

26. Платунов А.Е. Исследование характеристик микропроцессорных систем с помощью аппаратно-программного монитора // Теория и применение микропроцессорных средств. – Куйбышев: КптИ, 1985. – С. 42-47.

27. Платунов А.Е., Платунов С.Е., Свинолобов В.Г. Аппаратные средства поддержки программной совместимости микро-ЭВМ // Архитектура и проектирование вычислительных систем. – Рига: РПИ, 1988. – С. 21-28.

28. Платунов А.Е., Платунов С.Е., Скорубский В.И. Функциональнорасширяемая мониторная система // Вопросы технологии программирования. – Л.: ЛИИАН, 1988. – С. 145-150.

29. Гавриков В.О., Платунов А.Е., Никифоров Н.Л. Комплекс технических средств для систем железнодорожной автоматики // Автоматика, телемеханика и связь. – 1998. – № 11. – С. 5-10.

30. Платунов А.Е., Постников Н.П., Чистяков А.Г. Механизмы граничного сканирования в неоднородных микропроцессорных системах // Chip News. – 2000. – № 10. – С. 8-13.

31. Ключев А.О., Кустарев П.В., Платунов А.Е., Скорубский В.И., Стародубцев Э.В. Высоконадежный управляющий модуль М386.2 // Научно-технические разработки СПб ГИТМО(ТУ). – СПб.: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. – С. 218-219.

32. Ключев А.О., Кустарев П.В., Платунов А.Е. Контроллеры с микроэнергопотреблением в распределенных системах управления // Компоненты и технологии. – 2001. – № 7. – С. 80-83.

33. Ключев А.О, Платунов А.Е. Встроенные инструментальные средства современных микроконтроллеров // Электронные компоненты. – 2002. – № 7. – С. 94-97.

34. Ключев А.О., Кустарев П.В., Платунов А.Е. Инструментальные и учебные контроллеры семейства SDK // Компоненты и технологии. – 2002. – № 5.

– С. 96-99.

35. Платунов А.Е., Чистяков А.Г. Проектирование смешанных систем на микроконтроллерах и элементах реконфигурируемой аппаратуры // Электронные компоненты. – 2002. – № 8. – С. 83-89.

36. Ковязин Р.Р., Платунов А.Е. Программирование микроконтроллерных систем // Электронные компоненты. – 2003. – № 4. – С. 65-70.

37. Платунов А.Е., Постников Н.П. Перспективы формализации методов проектирования встроенных систем // Электронные компоненты. – 2005. – № 1. – С. 24-29.

38. Платунов А.Е. Роль и проблемы высокоуровневого этапа проектирования встраиваемых вычислительных систем // Компоненты и технологии. – 2009. – № 4. – С. 98-100.

39. Платунов А.Е. Научный и учебно-производственный кластер «Встраиваемые вычислительные системы» СПбГУ ИТМО // Встраиваемые системы. – 2009. – № 4. – С. 6-10.

Тезисы докладов на научно-технических семинарах, конференциях и конгрессах:

40. Марин А.В., Платунов А.Е., Скорубский В.И. Универсальный контроллер со средствами автоматизации микропрограммирования // Синтез управляющих устройств на основе микропроцессоров и однородных сред:

материалы семинара. – М.: Наука, 1980. – С. 68-70.

41. Заславский С.Б., Платунов А.Е., Скорубский В.И., Черемисов В.А.

Микроконтроллеры с телевизионным дисплеем и их применения // Микропроцессорные системы: материалы семинара. – Л.: ЛДНТП, 1983. – С. 30-35.

42. Платунов А.Е., Скорубский В.И. Проблема выбора и загрузки специализированной мультимикропроцессорной системы // Программное обеспечение микропроцессорных устройств и микро-ЭВМ: материалы семинара. – М.: МДНТП, 1984. – С. 17-21.

43. Ключев А.О., Платунов А.Е. Инструментальный сервер // Сб. тез. ДИМЭБ – 96. – СПб., 1996. – С. 211.

44. Гавриков В.О., Григорьев В.В., Платунов А.Е., Шубинский И.Б.

Микропроцессорная система диспетчерской централизации «Тракт» нового поколения // Информационные технологии на железнодорожном транспорте: материалы конференции – СПб.: 1997. – С. 163-173.

45. Гавриков В.О., Платунов А.Е., Шубинский И.Б. Механизмы обеспечения функциональной безопасности транспортных информационноуправляющих систем // В сб. тезисов VII Международной конференции «Региональная информатика 2000». Часть 1. – СПб.: СПОИСУ, 2000. – С.

121.

46. Гавриков В.О., Платунов А.Е. Отказоустойчивая информационная система управления движением поездов // В сб. тезисов VII Международной конференции «Региональная информатика 2000». Часть 1. – СПб.: СПОИСУ, 2000. – С. 120.

47. Ключев А.О., Кустарев П.В., Платунов А.Е., Яричин Е.М. Современные микропроцессорные и компьютерные средства автоматизированных систем диспетчерского управления наружным освещением // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: материалы VII Всероссийской науч.-практ. конф., 8 дек. 2006 г. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – С. 241-245.

48. Платунов А.Е. Подготовка специалистов в области встраиваемых вычислительных систем // Тр. Первого Санкт-Петербургского конгр.

«Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке». – СПб.:

СПбГУ ИТМО, 2007. – С. 75-80.

49. Kustarev P., Platunov A. Problems of Abstract Representation of Embedded Systems at High-level Stages Design // Proceedings of the International Workshop on Networked embedded and control system technologies: European and Russian R&D cooperation (NESTER), 4-5 July 2009. – Milan: INSTICC PRESS. – P. 100-107.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.