Методы и средства программирования софт-архитектур для реконфигурируемых вычислительных систем

Личный вклад автора. Все научные результаты диссертации получены автором лично. Публикации. По результатам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 7 статей, из которых 2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК РФ, тезисы и материалы 10 докладов на международных и российских научно-технических конференциях. По теме исследования получено 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, результаты работы отражены в 11 отчетах о НИОКР. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Работа содержит 174 страниц основного текста, 62 рисунков, список используемой литературы из 93 источников, 19 страниц приложений. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении изложены актуальность темы диссертации, цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность, основные научные положения, выносимые на защиту, а также приведено краткое содержание каждой из глав. В первой главе рассмотрены архитектуры: традиционных (кластерных) многопроцессорных вычислительных систем, гибридных вычислительных систем и реконфигурируемых вычислительных систем. Показаны потенциальные преимущества реконфигурируемых вычислительных систем перед системами с традиционной и гибридной архитектурой. Показано, что широкое распространение реконфигурируемых систем сдерживается сложностью и длительностью создания прикладных программ. Проанализированы основные подходы к программированию реконфигурируемых систем. Первый подход к программированию реконфигурируемых систем характеризуется трансляцией параллельных программ на множество логических примитивов ПЛИС. Основными средствами программирования в рамках данного подхода являются: язык описания аппаратуры VHDL и языки программирования высокого уровня, такие как COLAMO. Преимуществом подхода является высокая реальная производительность создаваемых вычислительных структур вследствие их узкой специализированности. К недостаткам относятся длительность трансляции параллельных программ на уровень логических примитивов ПЛИС и статичность получаемых вычислительных структур. Второй подход заключается создании на основе логических ячеек ПЛИС динамически-перестраиваемых вычислительных систем (софт-архитектур) и решении с их помощью прикладных задач. При этом трансляция прикладных программ выполняется на уровень системы команд софт-архитектуры. Средствами программирования прикладных задач в рамках данного подхода является язык высокого уровня COLAMO. К достоинствам использования данного подхода относится наличие динамически-перестраиваемой вычислительной структуры и ускоренная по сравнению с предыдущим подходом трансляция прикладных программ. К недостаткам следует отнести необходимость разработки транслятора прикладных программ для каждой из созданных софт-архитектур. С целью создания универсального транслятора прикладных программ необходима разработка методов и средств, позволяющих создавать унифицированные описания различных софт-архитектур. Существующие языки описания аппаратуры, такие как VHDL, позволяют программировать только структурный компонент софт-архитектур, не учитывая компоненты синхронизации и управления. По этой причине необходимо создание нового, оригинального языка программирования софт-архитектур, позволяющего в едином языковом пространстве описывать структурный, процедурный и синхронизационный компоненты софт-архитектур. Проведенный анализ показал, что софт-архитектуры могут строиться на макрообъектном принципе. Макрообъектом будем называть самодостаточную для управления совокупность функциональных узлов (объектов), выбранных из конечного перечня и соединенных между собой пространственной коммутационной средой. Разработанный метод программирования макрообъектных софт-архитектур состоит из следующих этапов: 1) определения перечня объектов для решения задач предметной области; 2) разработки схемотехнического описания объектов при помощи стандартных средств разработки; 3) разработки описания объектов при помощи языка программирования софт-архитектур; 4) размещения полученных описаний в библиотеке элементов софт-архитектур; 5) объединения объектов в функционально законченное устройство – макрообъект при помощи языка программирования софт-архитектур; 6) объединения нескольких макрообъектов в софт-архитектуру при помощи языка программирования софт-архитектур; 7) трансляции описания софт-архитектуры в промежуточное представление, используемое компонентами системного программного обеспечения; 8) размещения элементов софт-архитектуры на аппаратной платформе. Для решения прикладных задач при помощи софт-архитектур разработан метод, состоящий из следующих этапов: 1) разработки параллельной программы на языке высокого уровня; 2) генерации структурного, процедурного и потокового компонентов параллельной программы; 3) отображения структурного компонента параллельной программы на софт-архитектуру реконфигурируемой вычислительной системы; 4) трансляции процедурного компонента параллельной программы на уровень команд устройств софт-архитектуры; 5) формирования загрузочного файла, содержащего команды элементов софт-архитектурой; 6) загрузки конфигурационных файлов ПЛИС, полученных в результате размещения элементов софт-архитектуры на аппаратной платформе реконфигурируемой системы; 7) передачи в софт-архитектуру загрузочного файла; 8) загрузки в софт-архитектуру исходных данных решаемой задачи; 9) запуска программы на исполнение. Для реализации методов программирования софт-архитектур и программирования прикладных программ при помощи софт-архитектур разработана структура системного программного обеспечения, приведенная на рис. 1. Рис. 1. Модернизированная структура системного программного обеспечения второго и третьего уровней программирования В рамках разработанной структуры компоненты системного программного обеспечения выполняют следующие функции: синтезатор Fire!Constructor обеспечивает размещение элементов софт-архитектуры на аппаратные платформы РВС; транслятор COLAMO выполняет декомпозицию параллельной программы на структурный, процедурный и потоковый компоненты; транслятор Argus генерирует загрузочные файлы для софт-архитектуры; синтезатор Stream!Constructor выполняет отображение структурного и процедурного компонентов параллельной программы на уровень команд элементов софт-архитектуры. На рис. 1 белым цветом обозначены существующие компоненты программного обеспечения, светло-серым оттенком обозначены компоненты программного обеспечения, которые необходимо разработать. Темно-серым оттенком выделен транслятор языка SADL, алгоритмы которого разработаны в рамках данной диссертации. Во второй главе для реализации методов программирования, приведенных в главе 1, сформирована иерархия элементов софт-архитектур и выполнена формализация описаний элементов софт-архитектур, что позволило разработать язык программирования софт-архитектур SADL. Предлагаемая иерархия софт-архитектур состоит из четырех уровней. На верхнем уровне располагаются софт-архитектуры, в качестве элементов которых могут выступать макрообъекты, объединенные между собой синхронизационными и информационными связями. Структурная составляющая софт-архитектуры может быть представлена в виде графа T, приведенного на рис. 2. T[M, D, S], M = {m1, m2,…,mi} – множество макрообъектов; D = {d1, d2, …, dj} – множество информационных связей; S = {s1, s2, …, sk} - множество синхронизирующих связей. Рис. 2. Граф софт-архитектуры На следующем уровне располагаются макрообъекты, в состав которых входят узлы и объекты. Макрообъект может быть представлен в виде графа M, приведенного на рис. 3. Узлы составляют третий уровень в иерархии софт-архитектуры и предназначены для упрощения системы управления и структурирования описаний. На самом нижнем – четвертом уровне иерархии софт-архитектур - размещены объекты, являющиеся простейшими неделимыми элементами. M [O, E, D, S, H, DI, SI, O, SO], O = {o1, o2, …, oi} –объекты; E = {e1, e2, …, ei} –узлы; D = {d1, d2, …, dk} –информационные связи; S = {s1, s2, …, sl} –синхронизирующие связи; H = {h1, h2, …, hp} –управляющие связи; DI = {di1, di2, …, diq} –информационные входы макрообъекта; SI = {si1, si2, …, siq1} –синхронизирующие входы макрообъекта; DO = {do1, do2, …, dor} –информационные выходы макрообъекта; SO = {so1, so2, …, sor1} –синхронизирующие выходы макрообъекта Рис. 3. Граф макрообъекта Перечень объектов, из которых могут формироваться макрообъекты и узлы, состоит из следующих типов элементов: процессоров, элементарных процессоров, динамических и статических коммутаторов, контроллеров распределенной памяти, интерфейсов, функциональных устройств, арифметико-логических устройств, внутренней памяти, регистров и преобразователей команд. Все типы объектов разделены на три класса по способу управления: непрограммируемые, операционные и процессорные. Далее во второй главе выполнена формализация всех перечисленных типов элементов софт-архитектур реконфигурируемых вычислительных систем. Выделены их основные отличительные характеристики, которые должны найти свое отражение в конструкциях языка программирования софт-архитектур. На рис. 4 приведен пример формализованного описания функциональных устройств. Функциональные устройства принадлежат к классу непрограммируемых объектов и выполняют одну функцию преобразования F, вследствие чего в их составе отсутствуют управляющие входы. FU [F, DI, DO, Ins_1, Outs_1] F – функция преобразования; DI {di1, di2, …, diq} –информационные входы; DO {do1, do2, …, dor} –информационные выходы; Ins_1– синхронизирующий вход; Outs_1– синхронизирующий выход. Рис. 4. Обобщенная структурная схема функциональных устройств На основе формализованного описания элементов софт-архитектур и методов программирования софт-архитектур разработан синтаксис языка программирования софт-архитектур SADL, включающий в свою структуру конструкции, позволяющие программировать структурный, синхронизационный и управляющий компоненты софт-архитектур. Любой из элементов софт-архитектуры может быть представлен следующим набором характеристик: типом элемента, именем элемента, описанием входов/выходов, именем файла VHDL-описания, переменными, участвующими в описании внутренней структуры элемента, описанием внутренней структуры элемента. Входы и выходы элементов софт-архитектуры разделены на 5 типов по их предназначению. Каждый из типов обозначается в языке SADL соответствующим зарезервированным словом: In, Out – информационные выходы и выходы; Ins, Outs – синхронизирующие входы и выходы; h – управляющие входы. Кроме того, в качестве входов/выходов процессорных объектов используются следующие зарезервированные слова: asm – описывает ассемблеры процессорных объектов; interface – описывает интерфейсы, подключаемые к процессорным объектам. Введение нескольких типов входов/выходов дает возможность архитектору самостоятельно создавать системы управления и синхронизации. Для каждого из типов элементов разработаны форматы представления внутренней структуры, сгруппированные следующим образом: описание внутренней структуры операционных и непрограммируемых объектов; описание динамически перестраиваемых процессорных объектов; описание внутренней структуры софт-архитектур, макрообъектов и узлов. Описание внутренней структуры операционных и непрограммируемых объектов заключается в формализации их вычислительных возможностей при помощи набора шаблонов. На рис. 5 представлено описание арифметико-логического устройства ALU_1. ALI_1 : ALU; ALU_1 (in: in_1, in_2; Out: out_1; Ins: ins_1; Outs: outs_1; h: h_1;SchFile: ALU_1.vhdl); Var In_1, in_2, out_1 : integer size 32; Ins_1, outs_1 : integer size 16; h_1 : integer size 2; Begin Case h_1 of 0: Out_1 := in_1 + in_2; 1: Out_1 := in_1 - in_2; 2: Out_1 := in_1 * in_2; 3: Out_1 := in_1/in_2; End; End. Рис. 5. Описание арифметико-логического устройства ALU_1 Описание внутренней структуры процессорных объектов заключается в формализации системы команд при помощи конструкций языка SADL. Формат описания процессорных объектов приведен ниже: ProcessorName (asm: sam1, …, asmi; interface: inter1, …, interj; SchFile : SchFile.vhdl); В соответствии с формализованными характеристиками процессора его описание содержит только заголовок, в котором перечислены имена интерфейсов и ассемблеров, с которыми он может работать, а также имя файла VHDL-спецификации объекта. Макрообъекты, узлы и софт-архитектуры имеют формат описания внутренней структуры, отличный от формата описания внутренней структуры объектов. Основная отличительная черта описания составных элементов софт-архитектуры заключается в том, что каждый из них имеет в своем составе элементы нижних уровней иерархии. Таким образом, их внутренняя структура формируется путем соединения выходов одних объектов с входами других. В третьей главе разработаны алгоритмы транслятора языка SADL. Структура транслятора (рис. 6) состоит из четырех основных частей, выполняющих соответствующие этапы трансляции: лексического анализатора, синтаксического анализатора, этапа подстановки реальных элементов и генератора целевого кода. Библиотека элементов предназначена для хранения в ней уже оттранслированных описаний элементов софт-архитектуры. Таблицы символов содержат информацию о транслируемом элементе. Первый этап трансляции выполняется лексическим анализатором, основная задача которого заключается в разделении исходного текста программы на лексемы. В данном случае для лексического анализа предлагается использовать алгоритм, основанный на логике построения текста описания, который выполняет обработку текста с высокой скоростью и может быть без труда модифицирован в случае добавления новых типов элементов. Вторым этапом трансляции описаний элементов софт-архитектур является синтаксический анализ. Рис. 6. Структура транслятора языка программирования софт-архитектур SADL Процесс синтаксического анализа состоит из выполнения следующих частей: построения внутреннего представления элемента софт-архитектуры; построения развернутого графа софт-архитектуры; проверки синтаксиса входного текста на соответствие правилам описания; анализа системы управления и анализа синхронизации. Третий этап трансляции заключается в поиске и подстановке реальных имен объектов на соответствующие места в дереве разбора виртуальных элементов. Включение этого этапа трансляции в общую структуру связано с тем, что в описании может быть указан тип объекта, а не конкретное имя схемотехнического элемента. В этих случаях транслятором выполняются автоматический поиск и подстановка реальных имен элементов на соответствующие места в дерево разбора виртуальных элементов. Ниже приведен алгоритм подстановки реальных элементов: 1º. Определить элементы, требующие замены, и сформировать из них список . 2º. Установить начальное значение счетчика . 3º. Установить начальное значение счетчика. 4º. Определить перечень параметров элемента в соответствии с типом элемента. 5º. , . 6º.  Если параметры элемента из библиотеки соответствуют параметрам , то перейти к п. 8º иначе перейти к 9º. 7º. Добавление найденного элемента в список . 8º. . 9º. . 10º. Если , где – количество элементов соответствующего типа в библиотеке, то перейти к п. 6º. 11º. Если , т.е. ни один элемент из библиотеки не найден, то переход к п. 12º , иначе переход к п. 14º. 12º. Выдать сообщение об ошибке. 13º. Переход к п. 19º. 14º. Поиск в массиве наиболее подходящего элемента . 15º. Добавление найденного элемента в список реальных элементов. 16º.  17º.  18º. Если , где – количество элементов в списке , то перейти к п. 3º. 19º Конец. На основании характеристик рассматриваемого элемента транслятор выбирает наиболее подходящий реальный элемент из библиотеки и подставляет его описание в дерево разбора. Процесс подстановки останавливается, когда все элементы в дереве разбора будут реальными. Последним этапом трансляции описания является генерация целевого кода, в процессе которого элементы из внутреннего представления транслятора преобразуются в промежуточное представление и сохраняются в формате XML. В дальнейшем XML-описание будет использовано синтезатором Fire!Constructor, транслятором COLAMO и синтезатором Steam!Constructor для размещения софт-архитектуры на аппаратной платформе и отображения на нее структурной составляющей параллельной программы.

Похожие:

	Методы решения задач с переменной интенсивностью потоков данных на... Специальность 05. 13. 11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей		Рабочая программа учебной дисциплины вычислительные системы Целью курса «Вычислительные системы» является изучение общих сведений о многопроцессорных вычислительных системах, включая их назначение,...
	Методы и средства организации обработки потоковой информации на распределенных... Специальность 05. 13. 11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей		Развитие языков программирования Прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов – языков программирования....
	Книга фгуп «Санкт-Петербургское окб «Электроавтоматика» Рассматриваются основные принципы построения перспективных бортовых цифровых вычислительных систем в авиационном приборостроении....		Мурачев Е. Г. М91 Средства и методы программирования на алгоритмическом... М91 Средства и методы программирования на алгоритмическом языке С++: Пособие по выполнению лабораторных работ. – М.: Мгту га, 2007....
	Учебной дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем» предназначена... Учебная дисциплина «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем» является общепрофессиональной дисциплиной, формирующей базовый уровень...		Рабочая программа по дисциплине с 3 «Технологии и методы программирования» Цель преподавания дисциплины: Целью изучения дисциплины «Технологии и методы программирования» является изучение современных технологий...
	Ульяновский государственный технический университет «Программная инженерия» магистерская программа «Методы и средства разработки программных систем» на кафедре «Информационные системы»...		Ветвление на языке Паскаль Вести понятие условного оператора на языке программирования Паскаль, обучить приемам построения простых вычислительных алгоритмов...
	Образовательное учреждение высшего профессионального образования... Цель курса «Архитектура вычислительных систем» состоит в изучении теоретических принципов, конструктивных и технологических основ...		Программа дисциплины «Архитектура вычислительных систем» для направления... Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления подготовки 010400....
	Рабочая программа по учебной дисциплине Высокоуровневые методы информатики... Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины «Высокоуровневые методы информатики и программирования» студентам очной...		Учебно-методический комплекс по дисциплине «Методы оценки эффективности вычислительных систем» ВС. В рамках курса рассматриваются вопросы анализа производительности и эффективности вс на основе использования различных измерительных...
	Рабочая программа учебной дисциплины «программные средства пэвм» Эвм и информационных систем, состава и структуры программного обеспечения, а также получение практических навыков работы в среде...		Рабочая программа учебной дисциплины «программные средства пэвм» Эвм и информационных систем, состава и структуры программного обеспечения, а также получение практических навыков работы в среде...