Разработка методов синтеза программно-аппаратных комплексов с использованием высокоуровневых языков описания

Современные подходы к разработке программно-аппаратных систем.

Одной из особенностей современного технического прогресса можно считать активное развитие рынка встраиваемых (embedded) систем. При этом понятие «встраиваемая система» с каждым годом расширяется, захватывая все новые области электронных компонент, устройств и т. д. Само понятие встраиваемой системы означает специфическую систему, направленную на решение конкретных «узких» задач, то есть не универсальную с точки зрения применимости. Изначально такими «узкими» задачами были калькуляторы, органайзеры, системы управления бытовой техникой и т. д.

В силу своей специфики такие «ранние» встраиваемые системы не обладали большой сложностью и вычислительной мощностью, соответственно средства их проектирования были специфическими, не универсальными и т. д.

Однако технологическая революция, наблюдаемая в последние годы, привела к тому, что рынок встраиваемых систем сейчас испытывает перманентное состояние «взрыва», особенно заметное после слияния с рынком систем и средств коммуникации (беспроводных в том числе), автомобильной компьютеризации, рынком handheld компьютеров.

В результате современная встраиваемая система представляет собой сложный симбиоз специфических аппаратных решений, программных систем, распределенных протоколов взаимодействия и т. д. Например, современный сотовый телефон выполняет роль мини-компьютера, наделенного всеми необходимыми компонентами (операционная система реального времени, файловая (основанная на flash технологии) система, стеки протоколов WAP 4—"(TCP/IP)4—"GPRS*-«GSM, графические пользовательские интерфейсы).

И, тем не менее, в силу специфичности основных выполняемых функций, на современную встраиваемую систему накладывается ряд существенных ресурсных ограничений по сравнению с «универсальными» стандартными платформами (IBM PC, например). Причем требования «ненаращиваемости» (когда выпущенная на рынок система существует в исходном виде весь свой жизненный цикл) только усугубляют ситуацию.

Ресурсные ограничения встраиваемых систем распадаются на 2 класса:

1. Экономические. В силу гораздо более широкого целевого рынка (по сравнению с рынком универсальных компьютеров), его обновляемости и массовости, любое, даже минимально неэффективное решение, может привести к большим убыткам и потери рынка.

2. Ограничения по производительности. Действительно, для оптимального функционирования системы могут требоваться компоненты, не существующие на рынке и требующие разработки (как программной, так и аппаратной).

Подобные ограничения привели производителей «встраиваемых» систем к отказу от «встраиваемой» «универсальной» платформы и повысили конкуренцию, что и явилось одной из важных причин быстрого роста рынка встраиваемых систем.

С технической стороны это привело к тому, что, с одной стороны, потребность в подходах и универсальных средствах разработки «встраиваемых» систем растет, с другой стороны, программная и аппаратная платформы должны быть специфическими, уникальными, так что разрабатывается не программный комплекс, базирующийся на некотором множестве стандартных компонент и интерфейсов, а программно-аппаратный комплекс, в котором программные и аппаратные задачи тесно связаны друг с другом.

Классическим" подходом к разработке программно-аппаратных встраиваемых систем является «раздельный подход» представленный на рис. В.1.

Разработка аппаратной части продукта.

Адаптация под целевую аппаратную часть.

Готовый продукт.

Рис.В.1.

Для такого подхода характерны следующие шаги [28,29]:

1. Неавтоматизированный переход от концепции (представленной требованиями) к спецификации (шаг 1).

2. Императивное разбиение спецификации на программную и аппаратную части до разработки (шаги 2 и 3).

3. Ориентированный на целевые средства разработки процесс проектирования отдельно программных и аппаратных систем.

4. Адаптация под целевую платформу. Выбор элементной базы, компонентов.

5. Эмпирическое совмещение полученных программных и аппаратных компонент.

6. Финальное тестирование системы.

Следует отметить, что и при таком подходе разработчики старались оптимизировать, сделать более эффективным отдельные стадии разработки. Однако для многих из них, например, для шага разбиения системы на программную и аппаратную части, оптимизации не получили применения из-за различия формализмов описания различных частей системы [30].

Основными недостатками таких систем являются:

1. Полная обособленность программного и аппаратного проектирования друг от друга.

2. Ориентированность на конкретные средства проектирования. Переход к другой аппаратной базе, другим средствам программирования несет в себе серьезные временные и экономические затраты.

3. Краеугольные решения, принимаемые эмпирически.

4. Громоздкий этап синтеза разработанной системы, ошибки на ранних этапах крайне сложно убрать из-за необходимости ручного повторения многих этапов.

Принимая во внимание перечисленные выше недостатки, современные средства проектирования встраиваемых систем имеют измененную структуру, приведенную на рис. В.2:

Спецификация создаваемого продукта Extends.

Разработка программной части продукта.

ЛW.

Средства ко-моделирования.

Разработка аппаратной части продукта.

Адаптация под целевую программную платформу.

Адаптация под целевую аппаратную часть.

Совмещение программной и аппаратной частей.

Финальное тестирование.

Готовый продукт.

Рис.В.2.

При таком подходе среда разработки содержит средства, позволяющие по исходной спецификации и определенным интерфейсам между программной и аппаратной частями проводить симуляцию совместной работы до этапа синтеза разработанных компонент, что уменьшает воздействия недостатка № 4 предыдущего цикла проектирования [91].

Несмотря на то, что другие описанные выше общие «бутылочные горлышки» такими системами не решаются, в целом такие средства проектирования дают до 20% выигрыша по эффективности разработки.

Как показывают приведенные выше диаграммы, среды разработки программно-аппаратных систем в большинстве своем базируются на модели создания продукта типа «водопад», когда последующий этап может быть начат только после того, как закончен предыдущий. Такой подход стандартно применялся и для универсальных программных платформ при проектировании. Основными его недостатками являются:

1. Отнесение потенциальных проблем проекта на поздние стадии.

2. Позднее разбиение проекта.

Тем не менее, подход хорошо себя зарекомендовал в проектах, где:

1. Задача хорошо сформулирована.

2. Проект и команда, занятая в нем, небольшие.

3. Статус проекта может быть точно определен для любого момента времени.

Из-за все большего усложнения программных систем, на данный момент в «чистом» программировании все большую популярность приобретает подход, названный FDD (feature driven developmentразработка, основанная на функциональности). Подход состоит из следующих этапов:

1. Синтез общей модели создаваемого программного продукта.

2. Определение набора сервисов, предоставляемых системой (на этом заканчивается этап определения требований к системе).

3. Этап планирования каждого сервиса (включает определения расписания и затрат на проект).

4. Разработка каждого сервиса.

5. Начальное тестирование каждого сервиса.

После реализации всех этапов может быть осуществлена полная сборка системы, ее окончательное тестирование и запуск в производство.

Наиболее полно данный подход для универсальных программных систем реализуется с использованием языка UML (unified modeling language — унифицированного языка моделирования), ставшего стандартом «де-факто» при создании объектно-ориентированных систем и поддерживаемого организацией стандартизации OMG.

Языки HDL как результат современного развития проектирования аппаратных средств.

Другим аспектом, позволяющим говорить о совместной эффективной разработке программных и аппаратных средств в рамках общего комплекса, является все большее применение языков описания аппаратуры (HDL), позволивших вывести продуктивность и формализм спецификации разрабатываемых систем, на новый уровень.

Действительно, возрастающие требования к качеству и производительности электронных компонентов привели к тому, что возникала потребность в новых, более совершенных устройствах и схемах. Возросшие же технологические возможности привели к тому, что на протяжении последних 15 лет наблюдается соответствие развития производительности электронных систем эмпирическому закону Мура. Данный закон утверждает, что каждые 18 месяцев производительность интегральных электронных схем увеличивается в 2 раза, а каждые 24 месяца максимальный объем запоминающих устройств также увеличивается в 2 раза. Причем, по подсчетам компьютерных аналитиков, на протяжении ближайших нескольких лет не возникнет причин, которые смогут привести к нарушению этого закона, если брать чисто технологическую точку зрения.

Такой прогресс привел, например, к тому, что для современной элементной базы ведущие средства проектирования цифровых устройств часто отодвигают на второй план критерий оптимизации синтезируемого устройства по площади.

Подобный технологический прорыв, отдаляясь от старых проблем, привел, однако, к новым, не встречавшимся ранее проблемам, повлекшим к такому известному явлению, как кризис продуктивности разработки [64]. Диаграмма, поясняющая кризис продуктивности разработки, представлена на рис. В.1 [40]. Диаграмма поясняет ситуацию, когда технологически стало возможным производить сверхбольшие интегральные схемы, гипотетически обладающие также и большим быстродействием (некоторые ASIC уже на сегодняшний день имеют эквивалентную логическую емкость в 1 500 ООО логических вентилей (порядка 12 * 107 транзисторов), имея тактовую частоту в 1.5 ГГц). Также, отвечая современным требованиям, растет необходимость создания все более сложных устройств, позволяющих предоставлять более качественный сервис и решать все более сложные проблемы. При этом усложняется задача верификации разработанных устройств по все более комплексным критериям, а также тестирования готовых СБИС. В данном, случае собственно разработчик цифрового устройства сталкивается с противоречивой задачей:

— с одной стороны, необходимо повышать производительность проектирования, отдаляясь от специфических особенностей элементной базы и переходя к более высокоуровневым средствам и способам проектирования;

— с другой стороны, для эффективных решений необходимо помнить и учитывать «изюминки» элементной базы, такие как временные задержки в элементах и связях, рассеиваемую тепловую мощность и т. д.

Транзисторы/СБИС (без эл-тов памяти).

Созданные транзисторы/ чел. мес.

100.000.00.

10.000.0.

1.000.000.

100.000.

10.00.

1.000.

1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009.

Рис.В. З. Кризис продуктивности разработки.

Данные противоречивые факторы привели к тому, что на сегодняшний день разработчики цифровых устройств «не успевают» за разработчиками элементной базы, что и иллюстрирует рис.В.З., показывая, что производительность инженеров-разработчиков отстает от темпов роста элементной базы, что и определяет кризис продуктивности разработки [6,22].

В результате к основным тенденциям в области развития современных технологий анализа и проектирования цифровых устройств следует причислить:

• Переход разработчиков цифровых устройств со схемотехнического формализма описания на формализм языков программирования высокого уровня (поведенческий VHDL и Verilog [26, 58]) и на формализм концептуальных моделей устройств (блок-схемы, диаграммы потоков данных, графическое представление автоматных моделей [92]).

• Создание компаниями-разработчиками элементной базы и третьими фирмами автоматизированных средств анализа и/или синтеза оптимальных для конкретной элементной базы конструкций, обеспечивающих при этом корректное функционирование «воплощенной» в элементную базу модели цифрового устройства. Таким образом можно выделить следующие задачи, стоящие при создании программно-аппаратных комплексов:

— сокращение сроков проектирования системы. В современных условиях цикл разработки системы от спецификации до изготовления первых образцов не более полугода, а типичное время 2−3 месяца. Сокращение сроков достигается за счет внедрения САПР и высокоуровневых языков описания программной и аппаратной составляющих. Усложнение задач приводит к увеличению сроков проектирования в квадратичной зависимости (инженерный кризис), а сложность цифровых систем увеличивается примерно в два раза каждые два года. Переход к языковым конструкциям еще более высокого уровня сократит время описания проекта;

— сокращение сроков отладки системы. По данным Data Quest в настоящее время процедура отладки системы составляет порядка 70% от общего времени проектирования, и только 30% времени занимает процедура ввода проекта (описания на синтезируемых языках). Два пути сокращения сроков:

— внедрение эффективных систем совместной отладки программно-аппаратных составляющих (реализованы, например, в системах проектирования на SoPC);

— формализация процедуры синтеза программно-аппаратного комплекса от спецификации до получения синтезируемых описаний компонентов системы на С (программная часть) и HDL (аппаратная часть). Позволяет как ускорить процедуру синтеза за счет автоматизации, так и исключить ошибки проектирования, т. е. получить систему с функционально-логическими и временными характеристиками, соответствующими спецификации (отладка системы может понадобиться только на физическом уровне для устранения влияния помех);

— сокращение сроков реализации системы использованием элементной базы СБИС ПЛ (самый быстро растущий сегмент рынка электронных приборов) и SoPC.

Основные задачи, решаемые в диссертации.

Исходя из описанных выше предпосылок, в работе ставится комплекс задач, включающий в себя следующие пункты:

• Провести систематизацию и сравнительный анализ существующих методик эффективного проектирования как программных, так и аппаратных систем.

• Разработать методы и алгоритмы кросс-трансляции объектно-ориентированных языков программирования и языков описания аппаратуры.

• Провести анализ перспективных элементных баз проектирования современных встраиваемых систем.

• Расширить существующий класс Языка Универсального Моделирования для его использования при унифицированном проектировании смешанных систем.

• Провести анализ и построить расширение метода верификации и синтеза распределенной системы, описанной множеством временных сценариев поведения.

• Разработать методы дискретной многокритериальной оптимизации применительно к распределенной программно-аппаратной системе, описанной Глобальным Графом Переходов, с целью автоматизированного ее разбиения на программную и аппаратную части.

• Построить алгоритмы автоматической трансляции смешанной UML-00 спецификации системы под целевые программную и аппаратную платформы.

• Разработать общую методику проектирования программно-аппаратных систем с использованием CASE-средств с учетом синтезированных в рамках работы методов и алгоритмов.

Задачи, решаемые в работе, направлены на создание методик, подходов, алгоритмов, обеспечивающих новый подход к проектированию [13], приведенный на рис. В.4.

I Конце онцепция.

Спецификация создаваемого продукта, включающая и разработку.

Optional) Настройка специфических установок.

Средства спецификации и поддержки моделирования.

Средства разбиения, трансляции, адаптации и поддержки сопряжения.

Финальное тестирование (упрощенное).

Готовый продукт.

Рис. В.4.

При таком подходе разработчики, бизнес-аналитики, тестеры, могут унифицированно описывать сложные системы, моделировать их поведение, исправлять ошибки, в том числе допущенные и на начальных этапах, не производя разбиения системы на программные и аппаратные части, при этом имея контроль над эффективностью реализации решений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Исследована и расширена спецификация UML для проектирования смешанных программно-аппаратных систем за счет введения формализма Расширенных Диаграмм Переходов.

2. Разработаны методы и алгоритмы проверки корректности спецификации поведенческой модели системы, позволяющие построить Глобальный Граф Переходов системы.

3. Разработаны способы и создан алгоритм автоматизированного разбиения UML/C++ спецификации системы на программную и аппаратную части.

4. Предложены алгоритмы построения кросс-трансляторов современных объектно-ориентированных языков программирования в языки описания аппаратуры HDL, и реализован кросс-транслятор для языков С++ и VHDL.

5. Выполнены исследования современной элементной базы систем на программируемом кристалле SoPCсозданные методы и алгоритмы приложены к SoPC Altera.

6. Работоспособность созданной методики и составляющих ее алгоритмов продемонстрирована на примере реального сложного узла системы мониторинга и контроля.