Сало Андрій Миколайович. Методи та засоби конфігурування архітектури програмованих спеціалізованих процесорів

Краткое описание

Сало Андрій Миколайович. Методи та засоби конфігурування архітектури програмованих спеціалізованих процесорів : Дис... канд. наук: 05.13.05 - 2008.

Сало А.М.Методи та засоби конфігурування архітектури програмованих спеціалізованих процесорів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти. Національний університет «Львівська політехніка» , Львів, 2008.
Дисертація присвячена питанням прискорення та спрощення процесу проектування програмованих спеціалізованих процесорів шляхом розробки і практичного використання методів та програмно-апаратних засобів конфігурування їх архітектури.
Вперше розроблено конфігуровану модель базової архітектури процесора з підтримкою паралелізму на рівні команд та обґрунтовано можливість синтезу на її основі спеціалізованих пристроїв обробки даних із заданими технічними характеристиками. Запропоновано структуру пристрою виконання умовних команд у базовій архітектурі процесора, який забезпечив виконання алгоритмів з процедурою передачі керування та дозволив прискорити їх виконання. Розроблено метод конфігурування базової архітектури на основі аналізу алгоритму описаного мовою високого рівня та вибору параметрів конфігурування, що дозволяє апаратно відобразити алгоритм роботи програми.
Подальшого розвитку набув існуючий метод ефективного планування завантаження паралельних віток процесора, який був розширений для оптимізації виконання інструкцій у розробленій моделі архітектури процесора на основі розподіленого регістрового файлу з динамічним принципом розміщення даних
Розроблено та досліджено систему проектування спеціалізованих процесорів на основі алгоритму, описаного мовою високого рівня. На її основі реалізовано ряд пристроїв: дискретного косинусного перетворення, медіанної фільтрації, перетворення форматів зображень та інші. Продемонстровано перевагу реалізованих пристроїв за показниками продуктивності та затратами обладнання над аналогічними існуючими пристроями.

У дисертаційній роботі на основі проведених досліджень вирішено наукову задачу створення нових методів та засобів конфігурування програмованих процесорів із мови високого рівня.
При цьому одержано такі результати:
1. Досліджено принципи побудови обчислювальних алгоритмів, а також особливості реалізації цих алгоритмів на мові Сі. Виділено основні ознаки, які дозволять апаратно реалізувати обчислювальні алгоритми з більшою ефективністю.
2. Показано, що регістровий файл є одним із головних та визначальних елементів. архітектури процесора. З метою створення теоретичних засад побудови регістрових файлів програмованих процесорів було запропоновано їх класифікацію. Кожний тип регістрового файлу досліджено на предмет ефективності використання в паралельній архітектурі. Дослідження показали, що на базі багатопортового інтегрованого регістрового файлу практично неможливо реалізувати ефективну систему з високим коефіцієнтом паралелізму, оскільки для кількості обчислювальних пристроїв більше чотирьох стрімко росте апаратна складність такого регістрового файлу.
Одержані практичні результати та аналітичні розрахунки, а також можливість оптимально налаштовувати під заданий алгоритм, доводять, що розподілений регістровий файл з керованою комутацією є найбільш прийнятним для використання в паралельній архітектурі по критеріях апаратних затрат та часу доступу. Апаратні затрати для розподіленого регістрового файлу з керованою комутацією пропорційні кількості обчислювальних пристроїв N, піднесеної до квадрату. Час доступу до регістрового файлу з керованою комутацією прямо пропорційний кількості обчислювальних модулів N.
3. Вперше розроблено конфігуровану модель архітектури процесора із підтримкою паралелізму на рівні команд та обгрунтовано можливість синтезу на її основі спеціалізованих пристроїв обробки даних із заданими технічними характеристиками.
4. Запропоновано метод конфігурування формалізованої моделі архітектури процесора з описом алгоритму мовою високого рівня, який, на відміну від відомих, базується на виборі конфігураційних параметрів за критерієм продуктивність/ затрати обладнання” та не вимагає введення додаткових конструкцій у мову опису алгоритму, що дозволяє прискорити та спростити процес проектування процесорів.
5. Подальшого розвитку набув існуючий метод ефективного планування завантаження паралельних віток процесора, який був розширений для оптимізації виконання інструкцій у розробленій моделі архітектури процесора на основі розподіленого регістрового файлу з динамічним принципом розміщення даних, що дозволило налаштувати роботу спеціалізованого процесора відповідно до вхідного алгоритму програми.
6. Вперше запропоновано метод та структури пристрою виконання умовних команд у базовій архітектурі процесора, який передбачає підрахунок кількості захищених команд, що забезпечило виконання алгоритмів з процедурою передачі керування та дозволило прискорити їх виконання на 10% у порівняння з існуючими.
7. Використовуючи запропоновані методи розроблено нову систему автоматизованого проектування, яка дозволяє отримувати спеціалізовані під вхідні алгоритми описані мовою висого рівня процесори з необхідними технічними характеристиками та з мінімальними затратами часу на проектування.
8. На основі розробленої системи виконано проектування процесорів перетворення RGB в YUV, множення матриць, дискретного косинусного перетворення, медіанного фільтру та згортки. Пристрої синтезовано на базі ПЛІС фірми Xilinx, які порівняно з кращими світовими реалізаціями мають аналогічні характеристики. Основною перевагою є те, що зменшується вартість розробки тільки до вартості написання алгоритму на мові високого рівня. Також одержані на спроектованих у роботі засобах процесори випереджають взірці процесорів, одержаних за допомогою аналогічних існуючих на ринку засобах майже в два рази за продуктивністю та майже на 1/3 за затратами обладнання.