Теоретические и методологические основы высокоуровневого проектирования встраиваемых вычислительных систем

Ответ на вопрос о том, закончила ли вычислительная техника свое развитие, будет зависеть главным образом от нашей смелости и фантазии.

Эдгар Дейкстра.

Остин, Техас, 19 ноября 2000 года.

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 аппаратно-программных платформ), а также методов и средств Pix проектирования.

Процесс создания ВсС характеризуется высокой сложностью. Это определяется сочетанием таких условий проектирования, как нестандартность задачи, требование технической оптимальности решений.

10 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 конечные 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, ТОМИ 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. Axa, 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». [157]. 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 научно-производственных 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, структурно-функционального описания аппаратуры.

Научная новизна работысостоит в теоретическомобобщении 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.

1. Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, проводимых в СПбГУ ИТМО [15, 34] и в научно-производственной фирме «ЛМТ» [36], 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 (ОАО «Приборный завод «Тензор», 2004 г.);

• «Разработка программируемых блоков ТБК сбора информации и управления в составе лабораторных теплофизических измерительных комплексов» (СПбГУНиПТ, 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 аналитико-технологических 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;2010 гг.).

Результатами НИОКР являются специализированные вычислительные платформы и комплексы технических средств, на основе которых серийно выпускается большое число прикладных систем и приборов- (приложение 6.6). Среди них системы распределенной автоматики для железнодорожного (КТС «Тракт», КТС «Бриз») и судового (КТС АР3000) транспорта, для задач энергетики и ЖКХ (СУНО «Луч2», СУМЭ «ЛучЗ», АСКУЭ «Луч-ТС») — семейство прецизионных теплофизических приборов ИТС с уникальными контроллерами ТЕК нескольких версий. Производятся и развиваются семейства зондовых сканирующих микроскопов «НаноЭдьюкатор» (платформа ЫС5091) и «МиниЛаб» (платформа МЬ).

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 информатике, вычислительной технике 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: 230 100.68.31 «Проектирование встроенных вычислительных систем» и 230 100.68.32 «Системотехника интегральных вычислителей. Системы на кристалле». В 4 рамках направления в соответствии с программой развития СПбГУ ИТМО как, Национального исследовательского университета 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 (приложение 6.7).

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 314 страниц, в том числе список литературы 168 наименований.

5.4. Выводы.

1. В программах подготовки специалистов по ВсС сегодня отсутствует цельный взгляд на организацию ВС, который позволяет абстрагироваться от особенностей ее реализации.

2. Рассмотрено влияние на процесс проектирования по оси «глубины погружения» в аппаратно-программную организацию ВсС зон компетенции ведущих специалистов проекта. Предложен набор компетенций команды проектировщиков ВсС, основанный на рассматриваемой в работе системе архитектурных абстракций, который позволяет организовать процесс проектирования ВсС с требуемой «глубиной погружения» и гарантированным качеством.

3. Показано большое число «размытостей» и пробелов в компьютерных дисциплинах. Отсутствуют определения базовых понятий, нет четкой системы абстракций в области вычислительной архитектуры и в области проектирования ВС.

4. В типовых учебных планах не отражены современные потребности и перспективные направления в области проектирования ВсС.

5. Существуют примеры фрагментарной переподготовки (повышения квалификации) в области ВсС силами ряда коммерческих фирм в части использования САПР с привязкой к определенным семействам программируемой элементной базы, однако, практически отсутствует преподавание методологии проектирования, особенно в сегменте высокоуровневого проектирования ВсС и СнК.

6. Показано, что в подготовке кадров для области проектирования ВсС необходим акцент на вопросах системного проектирования вычислительных архитектур с высокой степенью программируемое&tradeна различных уровнях организации.

7. Необходимо радикально повысить степень общности в подаче учебного, методического и технического материала в области ВсС, стремиться к исключению < противопоставления аппаратного и программного «мировоззрения» в процессах проектирования ВсС на верхних уровнях.

8. На основе методологической и теоретической базы высокоуровневого проектирования ВсС, представленной в работе, создана методология преподавания принципов высокоуровневого проектирования ВсС, пригодная для использования в рамках вузовской подготовки.

9. Разработаны учебные планы магистерских специализаций «Проектирование встроенных вычислительных систем», «Системотехника интегральных вычислителей. Системы на кристалле», «Сетевые встраиваемые системы»: По данным специализациям успешно проводится' подготовка специалистов.

10.Под руководством автора и при его' непосредственном1 участии создана аппаратно-программная платформа SDK учебно-лабораторного и инструментального назначения. Платформа включает около десяти моделей стендового оборудования и постоянно развивается. Платформа успешно используется более чем в 50-ти университетах, колледжах и проектных организациях РФ.

11 .Разработанные учебные методические материалы и стендовое оборудование позволяют эффективно внедрять методологию высокоуровневого, архитектурного проектирования, включая подходы, предложенные автором, в практическую деятельность профильных научно-производственных фирм и коллективов.

Заключение

.

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 системаархитектурных 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: А-модель, 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.