Инструментальные платформы МКМД-бит-потоковых вычислительных технологий

6.1. Структура программных средств инструментальной платформы интерактивного микропрограммного конструирования

В кремниевой компиляции формальные методы и средства размещения блоков и устройств процессора достаточно эффективны, и поэтому интерактивный режим создания топологии СБИС или УБИС используется только для коррекции "узких мест" проекта. Напротив, в МКМД-бит-потоковых технологиях из-за функционально значимых пространственно-временных связей между размещаемыми на бит-матрице операционными модулями интерактивный режим превалирует над формальными методами и средствами. Поэтому эффективность технологии восходящего микропрограммного конструирования (см. рис. 5.1) в решающей мере зависит от качества графического пользовательского интерфейса, поддерживающего топологический этап МКМД-бит-потокового проекта, так как именно на этом этапе решается центральная проблема распараллеливания всех интерфейсных, операционных, адресных, управляющих и диагностических функций на однородном аппаратном ресурсе бит-матрицы.

Программное обеспечение инструментальной платформы интерактивного микропрограммного конструирования должно удовлетворять двум главным требованиям, одно из которых относится к операционному ядру, а другое - к пользовательскому интерфейсу:

• операционное ядро должно обеспечить максимальное "покрытие" функций и этапов проектирования минимумом доступных пользователю программных процедур, поддерживающих проект в структурно-функциональной, программно-аппаратной и диагностической плоскостях (см. рис. 3.5 и рис. 5.2);
• интерфейс должен позволять пользователю в максимальной степени концентрировать свое внимание на решаемой задаче за счет эффективного однократного создания библиотечных операционных модулей и их многократного использования (импорта и экспорта) при создании устройств различного назначения: операционных, адресных, управляющих, интерфейсных и диагностических.

Сама инструментальная платформа является системой открытого типа, как по средствам синтеза, так и по накапливаемым результатам.

Поэтому сохранить дееспособность на каждом этапе своего развития она сможет, если будет совместимой с системными программными средствами, которые непрерывно развиваются.

Для создателей МКМД-бит-потокового субпроцессора неделимой единицей проекта является структурно-функциональная схема бит-матричной СБИС и система бит-инструкций (рис. 6.1), которые определяются на этапе схемо- и системотехнического проектирования самой проблемно-ориентированной СБИС. На этом же этапе определяются физические модели поражающих факторов и их "схемотехнические последствия", которые модифицируют систему бит-инструкций. Именно изменения и дополнения системы бит-инструкций, вызванные (множественными) отказами аппаратуры, являются "ахиллесовой пятой" вычислительной техники, так как подавляющее число отказов приводит не к автоматическому прекращению работы устройств вычислительной техники, а к "мутации" реализуемых ими функций. Поэтому систему (бит)инструкций можно считать фиксированной только в функциональной плоскости проекта, а в диагностической пл оскости проекта ее необходимо рассматривать как постоянно флуктуирующую под воздействием случайного вектора, причем

Рис. 6.1. Структура инструментальной платформы

мощность всего функционального пространства допустимых флуктуаций напрямую зависит от мощности действующей в СБИС карты отказов.

В МКМД-бит-потоковой технологии сохраняется свойственное кремниевой компиляции отношение иерархии между субъединицами проекта: бит-инструкции термы слов-инструкции поток-операторы, причем топология библиотечных слов- и поток-инструкций не учитывает ограничений геометрических размеров бит-матрицы, которые вступают в силу только на этапе формирования загрузочного модуля (см. рис. 6.1).

При создании инструментальной программной платформы МКМД-бит-потоковых технологий использование объектно-ориентированного подхода предопределяется двумя факторами:

• объективно существующим отношением иерархии между проектируемыми объектами;
• максимальным "вложением" одних и тех же операционных и интерфейсных функций, поддерживающих проект в функциональной и диагностической плоскостях.

В операционное ядро инструментальной платформы интерактивного микропрограммного конструирования ( Designer ) входят:

• программный имитатор работы бит-матрицы ( IMOS ) с модифицируемой системой связей и бит-инструкций при его использовании в диагностической плоскости проекта;
• графический редактор, отображающий на плоскости результаты имитационного моделирования на каждом такте работы бит-матрицы, а также компоновки и редактирования, выполняемых с использованием аффинных преобразований и обеспечивающих различные варианты размещения микропрограмм операционных модулей на бит-матрице типа параллельных переносов, вращений, поворотов и т. п. Инструментальные средства цифровых процессоров обработки сигналов (рис. 6.2) значительно проще, так как позволяют использовать пошаговый режим отладки программ непосредственно на ЦПОС. В этом случае инструментальная ЭВМ поддерживает только интерфейс обмена программами и данными, что обеспечивает программисту "доступ" ко всем используемым аппаратным ресурсам на каждом такте их использования.

Рис. 6.2. Структура инструментальных платформ ЦПОС

В МКМД-бит-потоковых технологиях аппаратный доступ можно обеспечить только к периферийным бит-процессорам матрицы, что резко снижает отладочные возможности полностью аппаратных инструментальных платформ. Поэтому наличие программного имитатора IMOS является атрибутом для такой технологии, так как данное средство поддерживает прямой доступ микропрограммного "конструктора" к произвольной совокупности входов-выходов бит-процессоров матрицы на каждом такте ее работы.

Компоновка микропрограмм осуществляется с помощью аффинных преобразований микропрограмм библиотечных операционных модулей и с использованием редактора связей, который призван обеспечить требуемые фазовые соотношения между входами-выходами операционных модулей на ортогональной FIFO -регистровой коммутационной решетке, где каждое перемещение операционного модуля приводит к изменению времени поступления операндов на его входы (см. раздел 4.1).

Использование аффинных преобразований микропрограмм операционных модулей предопределено необходимостью сохранения внутренних пространственно-временных связей между бит-инструкциями, входящими в преобразуемый операционный модуль. Благодаря этому при компоновке можно ограничиться только контролем фаз поступления потоков данных на входы операционных модулей. Такой контроль формализуем, и его можно свести к обнаружению нарушений временных соотношений, определенных для входов библиотечных модулей. Автоматически парировать паразитные фазовые сдвиги, возникшие в процессе компоновки, полностью не удается, и так же как и во всех пакетах разводки печатных плат, здесь требуется интерактивный режим "доводки" пространственно-временных связей на ортогональной FIFO -регистровой коммутационной решетке.

Компоновку микропрограммных модулей можно выполнить в интерактивном и автоматическом режиме по заданному "клише", отражающему граф связности операционных модулей в поток-инструкции. Автоматический режим компоновки предполагает использование специализированных инструментальных платформ, ориентированных на термальный синтез алгоритмически ориентированных субпроцессоров обработки сигналов, изображений баз данных и знаний и т. п. Такие алгоритмические платформы термального синтеза выступают в качестве надстроек над операционным ядром, поддерживающем типовые процедуры синтеза.

Главная задача диагностической плоскости проекта - это найти компромисс между полнотой и временем обнаружения и локализации отказа. Такой компромисс, как правило, находится с помощью декомпозиции диагностируемых объектов, что кардинальным образом снижает размерность задачи диагностики и позволяет "покрыть" объект диагностики минимальным количеством тестов минимальной длины.

Первая специфическая особенность МКМД-бит-потоковых технологий состоит в естественной структурно-функциональной декомпозиции программно-аппаратной части проекта, которая позволяет достаточно достоверно распространить результаты диагностики "объекта" более низкого уровня иерархии на "объект" более высокого уровня иерархии (см. рис. 6.1). При этом методы и средства, используемые в процессе эксплуатации МКМД-бит-потоковых субпроцессоров, удается построить ни базе методов и средств промышленной диагностики, с помощью которых и определяются последствия отказов отдельных вентилей на правила функционирования бит-процессоров. Благодаря этому в МКМД-бит-потоковых технологиях сочетается достаточно высокая полнота и "глубина" диагностики бит-процессора с относительно простой логической схемой из 800-1000 вентилей и ультрабольшая степень функциональной интеграции бит-матрицы размером 10000-10000 бит-процессоров, расходуемой на п оддержку микропрограммы алгоритмически ориентированного субпроцессора.

Вторая специфическая особенность МКМД-бит-потоковых технологий состоит в наличии индифферентных отказов, не нарушающих условия правильной реализации единственной закрепленной за бит-процессором бит-инструкции. Наличие таких отказов обусловлено естественной структурно-функциональной избыточностью микропрограмм, которые в принципе не могут задействовать весь коммутационный и операционный ресурс каждого бит-процессора (см. табл. 4.2 раздела 4.1). Такие отказы, с одной стороны, снижают длину тестовых последовательностей, а с другой стороны - расширяют возможности системы парирования отказов за счет толерантного переразмещения микропрограмм на бит-матрице, которое можно осуществить с использованием аффинных преобразований и в темпе близком к реальному времени.

Уникальность МКМД-бит-потоковых технологий как раз и состоит в том, что в их рамках можно эффективно парировать целые карты отказов, для чего достаточно иметь некратный аппаратный резерв, который может составлять от 10 до 30 % "рабочего поля" бит-матрицы.