Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ. Разработка современных компьютеров невозможна без применения систем автоматизации проектирования и исследования архитектуры процессоров. Такие системы являются сейчас объектом интенсивных исследований и разработок. Существенный вклад . в развитие, методов и средств проектирования и исследования архитектуры процессоров внесли ученые из стран СНГ Ковальцов В.И.. Лукьянцев А.Ф. (Россия), Липницкий- А.С, Семенович А.А., Долинский М.С. (Беларусь).-Большое внимание уделяется этим проблемам и за рубежом. Но при этом слабо решаются или вовсе не решаются задачи. которые возникают на ранних этапах проектирования и исследования. К таким задачам относятся ".
- разработка и отладка алгоритмов функционирования сложных
цифровых систем ( процессоры, каналы, контроллеры и т. п. );
- отладка на модели цифровой системы программного и
микропрограммного обеспечения;
- описание архитектуры процессоров на уровне системы команд;
- отладка модели проектируемого процессора совместно с
моделью "окружения" ( с моделью той аппаратуры, в составе которой,
будет использоваться проектируемый процессор).
При этом существенным является сокращение сроков создания модели проектируемой архитектуры.
Создание эффективной системы автоматизации высокоуровневого проектирования архитектуры процессоров позволит резко сократить сроки разработки таких систем и существенно повысить их качество, за счет обеспечения технологичного проектирования и всестороннего исследования моделей архитектуры'процессоров.
Кроме того,наличие моделей архитектуры процессоров позволит:
. существенно облегчить процесс изучения архитектуры
процессоров при их применении, техническом обслуживании и ремонте;
использовать модель -архитектуры процессора - как
формализованное техническое задание на перепроектирование данной
архитектуры процессора ( например, с целью замены устаревшей
-2-.
элементной базы );
- значительно уменьшить совокупные затраты на параллельную
разработку программного и аппаратного обеспечения.
Поэтому актуальной является задача разработки новых методов и средств автоматизации высокоуровневого проектирования архитектуры
Процессоров. ;''' ,
. СВЯЗЬ РАБОТЫ С КРУПНЫМИ НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ. ТЕМАМИ. Данная работа является одним из научных направлений,' ведущихся на ' кафедре Математических проблем управления Гомельского государственного университета имени Ф. Скорины. Финансирование данной работы осуществлялось в 1994-1995 годах Министерством образования и науки Республики Беларусь в рамках госбюджетной темы "Автоматизированная . система проектирования и исследования процессоров Неймановской и не-Неймановской архитектуры".
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью диссертации является разработка метода и программных средств проектного имитационного моделирования архитектуры . процессоров на базе IBM PC -совместимых ПЭВМ. ]'
Поставленная цель определяет необходимость решения следующих
задач:
разработка метода проектного имитационного моделирования архитектуры процессоров;
реализация программных средств, обеспечивающих автоматизацию разработки и исследования высокоуровневых моделей архитектуры процессоров;
. - разработка технологии использования разработанных программных средств при высокоуровневом проектировании архитектуры процессоров;
- практическое применение реализованных программных средств. ; НАУЧНАЯ НОВИЗНА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Полученные результаты работы заключается в следующем : ,
- предложено декларативное описание объектов . памяти
процессора и алгоритмическое описание исполнения его инструкций,
а также языковые .средства для ' описания современных архитектур
процессоров': метаинструкции работы с периферийными устройствами,
метаннструкции вэаимодействия с виртуальными портами, метакоманды
описания механизмов функционирования логических устройств
процессора, метакоманды описания визуализации данных;
разработано определение синтаксиса ассемблера, на языке близком, к языку формул Бэкуса-Наура и способ преобразования-ассемблерного операнда к операнду, используемому при исполнении инструкций, с обеспечением поддержки алгебраического, синтаксиса, директив управления размещением програм.; в оперативний памяти;
обеспечена поддержка новейших возможностей современных архитектур: прерывания, работа с периферийными .'устройствами' (. экран, клавиатура, файл, порты ), виртуальные порты, отслеживание временных характеристик инструкций, бит-реверсная адресация, циклическая адресация, инструкции задержанной передачи, управления, инструкции, повторения участка кода с нулевыми накладными расходами, параллельно исполняемые инструкции.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Практическая значимость работы выражается в том, что :'
- создано программное обеспечение, формализованного описания
архитектуры процессора и синтаксиса его ассемблера, автономного
и комплексного ' тестирования 'описаний, технологичной отладки
ассемблерных программ;
разработана технология формализованного описания и
исследования .архитектуры процессоров и отладки ассемблерных
программ .для них; '
- на базе созданного ПО разработаны: семейство отладчиков
ассемблерных программ для процессоров различных архитектур, среда
отладки алгоритмов микропрограмм;
- средствами созданного ПО выполнено разработка библиотеки подпрограмм вещественной арифметики для 8-битного целочисленного процессора К1816ВЕ51.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные результаты данного исследования использовались при выполнении следующих хоздоговорных НИР.
. 1.ТБЦМ 91-03 "Разработка системы моделирования ' интеллектуальных систем"(гос.per. No 01910006099) в 1993 г.
-
ГБЦМ 94-02 "Автоматизированная система проектирования и' исследования процессоров Неймановской и не-Неймановской архитектуры" в 1995 г.
-
ГБ"Машиностроение":"Автоматизация технологии исследования, проектирования и управления вычислительным процессом в ЭВМ, ' комплексах и сетях ЭВМ (гос.per..No 01910017997) в-1995г.
Разработанное программное обеспечение автоматизации проектирования процессоров и отладки ассемблерных программ для 'них внедрены в учебный 'процесс математического т .физического факультетов Томелъското государственного университета им.Ф.Скориіш и используются 'при 'выполнении лабораторных работ студентами специальностей 2204, 2201 и :н.'08:01. .'
ОСНОВЛЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ !НА ЗАРТУ:
- метод проектного 'имитационного'моделирования архитектур
процессоров, включающий'В себя:
а) . декларативное описание объектов 'памяти 'Процессора и
алгоритмическое описание исполнения 'его инструкция, 'а; также
языковые средства для описания современных архитектур ^процессоров:
метаинструкции работы с периферийными устройствами
метаинструкции взаимодействия с 'виртуальными шортами
метакоманды описания механизмов функционирования логических устройств процессора
метакоманды описания визуализации .данных;
б) определение синтаксиса ассемблера ч-га . я:ыке близком к
языку формул Бэкуса-Наура и способ преобразования ассемблерного
операнда к операнду, используемому при исполнении инструкций, с
обеспечением поддержки:
алгебраического синтаксиса
директив управления размещением 'программ в оперативной памяти:
в) поддержка новейших возможностей современных архитектур:
- прерывания, '
работа с периферийными устройствами (экран, клавиатура, файл,'порты )
виртуальные порты,
отслеживание'временных характеристик инструкций;
бит-реверсная -.адресация
циклическая адресация
инструкции задержанной передачи управления
-. инструкции повторения участка кода с нулевыми накладными расходами
- параллельно исполняемые инструкции;
- комплекс программных средств автоматизации высокоуровневого
проектирования архитектуры процессоров, состоящий. из следующих
компонент:'
INTER - среда для описания архитектуры процессоров и
синтаксиса его ассемблера, обеспечивающая затем
эффективную отладку ассемблерных програм:.'.; Service г набор программных средств сервисного обслуживания
разработчика модели архитектуры проектируемого
процессора;
технология применения разработанных программных средств для автоматизированного высокоуровневого проектирования' архитектуры процессора;
результаты апробации разработанных программных средств, выразившиеся в :
а) разработке семейства турбо-отлацчиков ассемблерных
программ для различных процессоров;
б) реализация библиотеки подпрограмм вещественной, арифметики
на 8-битном целочисленном процессоре К1816ВЕ51;
в) создание среды для отладки программ на языке
микропрограммных автоматов;
г) исследование возможностей моделирования взаимодействия
процессора с периферийными устройствами на примере
микроконтроллера семейства TMS37Q.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ. Все основные результаты получены автором самостоятельно.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ. Основные положения и научные- результаты работы докладывались и обсуждались на 7 международных конференциях: "Актуальные проблемы фундаментальных наук", г.Москва (1991г). "Автоматизированное проектирование радиоэлектронной аппаратуры". г.Каунас (1991,1992); "Проблемы математики и информатики", г. Гомель(1994.1995); "Автоматизация проектирования дискретных систем",- г.Минск, 1995, "Микроэлектроника и информатика", Москва-Зеленоград, 1995 г., а также на 2 всесоюзных конференциях: "Математическое и машинное моделирование". г.Воронеж . (1991), "Вопросы экономики и информационные технологии", г.Гомель (1991).
ОПУБЛИКОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные результаты диссертации опубликованы в 1-ой статье, 21 тезисах конференции и в 3 отчетах НИР ГГУ по.хоздоговорным темам.
СТРУКТУРА 'И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из
введения, общей характеристики работы, пяти глав основной части,
выводов, списка использованных источников в алфавитном порядке в
количестве 104 наименований и приложений. Объем диссертации - 99
страниц.