WWW.INFO.Z-PDF.RU
БИБЛИОТЕКА  БЕСПЛАТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ - Интернет документы
 


«ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ НА ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ С АРХИТЕКТУРОЙ FPGA Направление 230100 «И ...»

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники,

электроники и автоматики (технический университет)»

На правах рукописи

Полуэктов Андрей Васильевич

ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ НА ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ С АРХИТЕКТУРОЙ FPGA

Направление 230100 «Информатика и вычислительная техника»

Магистерская программа 230100.06 «Элементы и устройства вычислительной техники и информационных систем»

Автореферат магистерской диссертации

МОСКВА 2011

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время технология ПЛИС получила большое распространение. Растет быстродействие и логическая емкость кристаллов. Также активно развиваются средства САПР для проектирования устройств на основе ИС программируемой логики. Развитие САПР и элементной базы открывают новые возможности в плане разработки устройств на ПЛИС.

Рост сложности устройств реализуемых на ПЛИС ставит вопрос эффективности методов разработки того или иного устройства. Различные алгоритмы могут быть реализованы различными методами, с различной эффективностью и временем разработки. Несмотря на то, что существует достаточно большое число опубликованных работ и литературы по реализации отдельных видов алгоритмов (пр.

Стешенко В. «Тенденции и перспективы развития ПЛИС и их применение при проектировании аппаратуры ЦОС» - Компоненты и технологии, №8, 2000) и отдельным методам реализации (пр. Зотов В. Ю. «Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе плис фирмы Xilinx» - Москва: Горячая линия – Телеком, 2006), в настоящее время нет работ, рассматривающих комплексно все имеющиеся методы и применения их к различным видам алгоритмов и ПЛИС. Наименее всего представлены работы по реализации алгоритмов с помощью автоматической генерации кода ЯОА из математической модели в среде MATLAB/Simulink. В связи с усложнением устройств и увеличением сроков разработки, данный метод обладает значительными перспективами, однако вся литература по нему ограничивается обычным описанием, и практически отсутствуют исследования эффективности данного метода.

Объектами исследования являются задача реализации алгоритмов на ПЛИС. Автоматизации проектирования цифровых СБИС. Различные виды существующих ПЛИС. Методы разработки цифровых устройств на ПЛИС.

Цель исследования являются особенности реализации алгоритмов обработки данных на программируемых логических интегральных схемах с архитектурой FPGA, определение возможностей и особенностей ПЛИС по реализации алгоритмов обработки данных.

Для достижения этих целей поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ методов реализации алгоритмов цифровой обработки данных на ПЛИС, исследование архитектуры существующих ПЛИС различных производителей и разработка критериев оценки.

2. Исследование эффективности реализации алгоритмов цифровой обработки данных на FPGA.

3. Исследование возможностей автоматизации аппаратной реализации алгоритмов с использованием моделирования в среде MATLAB.

4. Разработка и представление рекомендаций по выбору и использованию методов реализации алгоритмов обработки данных на ПЛИС.





Методы исследования. В диссертации применены теория языков описания аппаратуры, методы моделирования и автоматизированного проектирования СБИС, теория информационного поиска.

Научная новизна данной работы состоит в выработке рекомендаций по применению методов реализации алгоритмов на ПЛИС. Оценке эффективности автоматизации аппаратной реализации алгоритмов с использованием моделирования в среде MATLAB.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней собраны воедино методики проектирования цифровых устройств на ИС программируемой логики. Определена общая эффективность и специфика различных методов реализации алгоритмов. Определена эффективность применения автоматизации аппаратной реализации алгоритмов с использованием моделирования в среде MATLAB. Выработаны рекомендации по путям реализации тех или иных алгоритмов. С учётом выработанных рекомендаций создан IP блок, выполняющий шифрование по алгоритму ГОСТ 28147-89.

Прогноз и рекомендации по использованию результатов работы. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы для оптимизации процесса проектирования цифровых устройств на базе плис с архитектурой FPGA. Спроектированный IP блок может быть использован для аппаратной реализации задач шифрования данных.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методы аппаратной реализации алгоритмов на плис с архитектурой FPGA.

2. Исследование эффективности автоматизации аппаратной реализации алгоритмов с использованием моделирования в среде MATLAB.

3. Практическое применение разработанных методик для реализации блока алгоритма шифрования ГОСТ 28147-89.

4. Выработанные рекомендации по выбору и использованию методов реализации алгоритмов на ПЛИС.

Апробация и практическое внедрение результатов работы. Основные научные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях, семинарах и конкурсах, в том числе: 9-ая научно-практическая конференция «Современные информационные технологии в управлении и образовании», ФГУП НИИ «Восход» (Москва, 2010 г.). 10-ая научно-практической конференции «Современные информационные технологии в управлении и образовании». ФГУП НИИ «Восход» (Москва, 2011 г.). 59-ая научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2010 г.). 60- ая научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2010 г.). Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» INTERMATIC-2010 (Москва, 2010 г.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 4 доклада и статьи, отражающих основные результаты исследований, в том числе две работы опубликованы в журналах из перечня ВАК. Полный список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Текст диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, относящихся к теме диссертации. Основному тексту диссертации предшествует терминологический глоссарий, содержащий 45 терминов и определений. Объем диссертации составляет 116 страниц машинописного текста, включая 25 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 26 наименований.

Содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулирована цель и основные задачи работы.

В первой главе диссертации проведен анализ существующих алгоритмов и существующих методов их аппаратной реализации на плис. Создана функциональная классификация алгоритмов, разделяющая их на 3 группы: Обработки сигналов, обработки данных, алгоритмы управления.

Проведена условная классификация по языковому признаку. Приведена характеристика алгоритмов по языковому признаку. Выделены основные методы реализации алгоритмов на ПЛИС. Такие как

1. Прямое описание устройства на ЯОА по заданным параметрам. Требует хорошего знания языков, особенностей ПЛИС и предметной области работы проектируемого устройства. Благодаря детальной проработке устройства позволяет получить устройство с наиболее оптимальными параметрами, но процесс проектирования занимает большое количество времени и является довольно трудоемким.

2. Создание устройства из готовых IP блоков (ядра интеллектуальной собственности). Позволяет значительно ускорить процесс проектирования, благодаря применению готовых блоков. Готовые блоки облегчают процесс проектирования и снижают требования к разработчику, позволяя описывать только небольшую часть устройства. К недостаткам можно отнести тот факт, что готовые IP ядра могут обладать излишней функциональностью для данного устройства, или наоборот не удовлетворять специфической задаче. Также отдельные алгоритмы можно реализовать в виде IP ядра для последующего использования, что позволяет ускорить процесс проектирования в будущем.

3. Синтез HDL кода из модели. Позволяет с помощью специальных САПР синтезировать HDL код из модели, созданной в среде MATLAB/Simulink. Значительно увеличивает скорость проектирования устройства и снижает требования к разработчику по части знаний в области работы устройства. Но за счёт автоматизации снижаются характеристики устройства. Создание устройства по модели позволит также оттачивать функциональность на модели, а не непосредственно на устройстве.

4. Использование микропрограммы для встроенного процессорного ядра. Обеспечивает высокую гибкость устройства, но уменьшается быстродействие. Требует от разработчика также знания обычных языков программирования.

5. Комплексный метод. Использование несколько методов вместе. На данный момент наиболее распространённый метод. Описаны их основные достоинства и недостатки, область применения. Изложены их основные характеристики и маршруты проектирования для каждого из них. Уточнены и дополнены задачи исследования.

Во второй главе диссертации проведен анализ существующих архитектур ПЛИС. Проведена классификация ПЛИС по архитектуре и по степени интеграции. Классификация по степени интеграции приведена на рис. 1.

Рис.1. Классификация ПЛИС по интеграции.

Показаны преимущества и недостатки различных типов архитектур, CPLD - программируемые коммутируемые матричные блоки (ПКМБ), FPGA - программируемые вентильные матрицы (ПВМ). Определена наиболее перспективная из них. Выполнен обзор рынка ПЛИС, и выпускающихся серийно ПЛИС таких производителей как Xilinx, Altera, Lattice, Actel. Определены наиболее эффективные микросхемы для различных требований и задач, таких как высокое быстродействие, низкое энергопотребление, соотношение цена/лог. объем, экстремальные условия работы.

В третьей главе проведен анализ эффективности реализации алгоритмов цифровой обработки данных на FPGA, на примере реализации автомата Мили представленного на рис. 2.

Рис. 2. Диаграмма состояний автомата Мили.

Исследование возможностей автоматизации аппаратной реализации алгоритмов с использованием моделирования в среде MATLAB. Проводится реализация автомата Мили методом синтеза HDL описания из модели, созданной в среде MATLAB. Реализован автомат Мили методом синтеза HDL описания с помощью САПР ISE Design Suite. Реализован автомат Мили методом непосредственного описания устройства на языке Verilog. Проводится синтез 3х полученных устройств в RTL описание, для ПЛИС Spartan-3E XC3S500E, и анализ полученных результатов по использованию ресурсов ПЛИС и быстродействию. А также анализ общей эффективности автоматизации процесса реализации алгоритмов на ПЛИС. Проведено исследование возможностей автоматизации аппаратной реализации алгоритмов с использованием моделирования в среде MATLAB, на примере реализации низкочастотного фильтра звукового сигнала.

В четвертой главе проводится практическое применение разработанных методик для реализации блока алгоритма шифрования ГОСТ 28147-89 в режиме простой замены, схема алгоритма представлена на рисунке 3. Приводится описание работы алгоритма, подлежащего реализации.

Рис. 3. Схема алгоритма в режиме простой замены.

Проведен анализ возможных путей реализации алгоритма, и выбор наиболее оптимального метода. Создано HDL описание блока на языке Verilog, и его функциональная верификация. Проведен анализ параметров полученного блока средствами САПР ISE Design Suite для различных ПЛИС, таких серий как Spartan-3e, Virtex-5, Spartan-6, Virtex-6. Приведены выработанные рекомендации по выбору и использованию методов реализации алгоритмов на ПЛИС. Также разработана методика по выбору метода реализации того или иного алгоритма в зависимости от его характеристик. Алгоритм выбора решения представлен на рис. 4.

Рис. 4 Алгоритм выбора метода реализации

В заключении приведены данные о научной новизне и практической значимости полученных автором лично результатов, выносимых им на защиту.

Диссертация имеет одно приложение: приложение 1 – код описания низкочастотного фильтра на языке Verilog.

Публикации по теме диссертации

1. Полуэктов А.В. Аппаратная поддержка курса «Проектирование цифровых устройств на FPGA». Современные информационные технологии в управлении и образовании: Новая волна. сб. Научн. Тр. В 3-х ч.ч.3 –М.: ФГУП НИИ «Восход», 2010. С.34-40.

2. Деменкова Т.А., Полуэктов А.В. Исследование вопроса проектирования цифровых устройств с помощью MATLAB/Simulink. // Теоретические вопросы вычислительной техники и программного обеспечения: Межвуз. сб.научн. Тр. – М.: МИРЭА, 2010. С. 27-31.

3.Полуэктов А.В. Проектирование цифровых устройств с помощью программных средств MATLAB/Simulink. Современные информационные технологии в управлении и образовании: сб. Научн. Тр. В 2-х ч.ч.2 –М.: ФГУП НИИ «Восход», 2010. С.34-40.

4. Деменкова Т.А., Полуэктов А.В. Реализация алгоритмов обработки информации на FPGA с использованием среды MATLAB/Simulink. INTERMATIC-2010// Материалы международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». В 3-х ч.ч.3 – М.: Энергоатомиздат, 2010. С.119-122.



Похожие работы:

«Приложение № 1 к договору № от "_" 20_ г. Прейскурант цен на услуги по ремонту оборудования № п/пВиды проводимых работ Стоимость (руб.) Выезд специалиста на объект к заказчику (транспортные расходы): -по...»

«ФЕДЕРАЛЬНАЯ АНТИМОНОПОЛЬНАЯ СЛУЖБАПИСЬМО от 23 июля 2009 г. N АЦ/24234О РАЗГРАНИЧЕНИИ ПОНЯТИЙ РЕКЛАМА И ВЫВЕСКА ФАС России рассмотрела обращение о разграничении понятий вывеска и реклама с учетом внесения изменений в статью 3 Феде...»

«ПЕРЕЧЕНЬ объектов капитального строительства на территории г.Барнаула, строительство которых ведется (или осуществлено) на земельных участках, предоставленных под индивидуальное строительство (дачных, садоводческих) и по которым имеется информация о строительстве...»

«22860131445Коллектив XXI века Дорогие друзья! У всякого события есть точная дата: число, месяц, год. Есть она и у Бузулукского гуманитарно-технологического института.Отсчет времени высшего образования в Бузулуке можно начать со...»

«"УТВЕРЖДАЮ" Председатель Комиссии по вопросам градостроительства, землепользования и застройки при Правительстве Москвы в Северо-Восточном административном округе города Москвы (подпись на оригинале) В.Ю. Виноградов "2...»

«министерство образования и науки российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ...»

«МАЛАЯ РЕРИХОВСКАЯ БИБЛИОТЕКА Н.К.РерихОБ ИСКУССТВЕ Международный Центр Рерихов Москва 1994 г. Литературное наследие Н. К. Рериха, будь то Листы дневника, научные статьи, пьесы, стихи, являют собой вдохновенный призыв к постижению искусства, к культурному строительству. Глубина и обширность знаний в соединен...»

«МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГОХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИПРИКАЗ от 28 февраля 2017 г. N 587/прОБ УТВЕРЖДЕНИИ ФОРМЫ КОНКУРСНОЙ ЗАЯВКИМУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ УЧАСТИЯ В НОМИНАЦИИГРАДОСТРОИТЕЛЬНАЯ ПОЛИТИКА, ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЛАГОПРИЯТНОЙСРЕДЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ НАСЕЛЕНИЯ И РАЗВИТИЕ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА ВСЕРО...»

«ГБОУ Лицей № 1502 при МЭИ Псевдослучайные числа и методы их генерации научно-техническое направление Работу выполнили ученицы 10з класса Лысова Елизавета и Юксина Мария Руководитель проекта – Сутула Надежда Андреевна учитель информатики Оглавление TOC \o 1-3 \h \z \u Введение PAGEREF _Toc47761...»

«"УТВЕРЖДАЮ" И.О. Директора СПб ГБУ " Служба заказчика Администрации Кронштадтского района" _ Косицин Д.Ю.РЕГЛАМЕНТ Отдела технического контроля (надзора)Действия инженера пр...»








 
2018 www.info.z-pdf.ru - «Библиотека бесплатных материалов - интернет документы»

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 2-3 рабочих дней удалим его.