Исследование методов и средств проектирования реконфигурируемых систем ввода-вывода

Исследование и разработка новых методов проектирования реконфигурируемых систем можно считать перспективной задачей, решение которой позволит повысить качество разрабатываемых реконфигурируемых систем.

Анализ состояния и развития реконфигурируемых систем их архитектуры и особенностей построения позволил разработать общую схему квалификации, которая учитывает признаки, влияющие на показатели живучести и достоверности выходной информации. В соответствии с квалификационной схемой выделяется класс реконфигурируемой системы, функционирующий в реальном масштабе времени в условиях повышенного воздействия неблагоприятных факторов [1].

Такие классы реконфигурируемых систем обладают особенностями:

– многопроцессорная или многомашинная организация структурных элементов (СЭ) системы, которая реализует параллельные вычислительные процессы;

– распределенная обработка информации;

– высокая скорость обмена информации;

– наличие избыточности вычислительных ресурсов и средств функционального контроля работа всех элементов системы;

– оптимизация между специализированными и универсальными вычислительными средствами реконфигурируемой системы [2].

В соответствии с особенностями в работе рассмотрены проблемы построения и направления развития реконфигурируемых систем касающиеся технологии оборудования, архитектуры и предоставляемые услуги [3].

Живучестью реконфигурируемой системы является способность обеспечить выполнения заданного множества функций при воздействии неблагоприятных факторов путем реконфигурирования структуры, перераспределения ресурсов по задачам и эффективного управления процессами их реализации. Данное определение предполагает комплексное рассмотрение структурной и функциональной живучести реконфигурируемой системы.

При оценке показателей живучести, производительности и надежности информации предполагается, что реконфигурируемая система состоит из однородных и гетерогенных структурных элементов (СЭ). Под СЭ понимается аппаратное и программное обеспечение, обеспечивающее взаимодействие компонентов системы с другими узлами реконфигурируемой системы. Сама концепция CЭ значительно упрощает процесс структурного проектирования, внедрения и развития разрабатываемой системы [3].

Существует два вида негативных факторов, приводящих к снижению эффективности структурных элементов:

• -    внутренние (отказ аппаратных и программных компонентов),

• -    внешние (факторы влияющие из вне).

Согласно функциональному назначению, любой вид ресурсов СЭ делится на внутренний и внешний. В то же время в ВНР можно переносить следующие вычислительные ресурсы: производительность, объем памяти, прикладные программы и ВЕР–ресурсы, предоставляющие управляющие и информационные ссылки со структурными элементами с внешней средой и с другими СЭ. Текущее значение внешних и внутренних ресурсов, а также изменения рабочей нагрузки и трафика, а также обеспечение живучести в целом определяют реальное состояние реконфигурируемой системы. Все ситуации, возникающие в РВС, делятся на: обобщенные и непредвиденные.

Обобщенные ситуации (ОБС) - набор тикающих ситуаций, для которых решение о живучести PBC предопределено.

Неопределенные ситуации (НЕС) - которые ранее не могут быть предусмотрены и, следовательно, принимают доступное решение, из-за достаточно сложного и неполного знания о возможном состоянии системы.

Потребность в высокоуровневом проектировании подобных систем и применение новых методологий связано с рядом факторов. Вычислительная технология с момента создания первой программируемой схемы. Современные компьютеры намного опережают своих предшественников, каждый год расширяются возможности, которые они обеспечивают. Увеличение вычислительной мощности отдельных процессоров, все больше и больше имеют комплексные гетерогенные вычислительные системы, которые интегрируют различные вычислительные ядра [3].

Алгоритм проектирования реконфигурируемой системы (рис. 1) протекает в следующей последовательности:

• -    анализ области и ее проблемы;

• -    постановка задач;

• -    наличие файла конфигурации;

• -    отображение на архитектуру;

• -    подготовка технического задания;

• -    оценка технических параметров;

• -    проверка параметров;

• -    вывод системы в эксплуатацию.

При проектировании и конфигурируемых систем используют интегрированные среды разработки. В настоящее время все чаще находят широкое применение интегрированная среда разработки (ИСР/IDE) -это комплекс программных средств, используемый программистами для разработки программного обеспечения [4]. Одним из таких комплексов является графическая среда LabVIEW. Однако существует множество альтернатив. Например VisSim - язык визуального программирования, предназначенный для моделирования динамических систем, а также модельный дизайн для встроенных микропроцессоров. VisSim сочетает в себе интуитивно понятный интерфейс для создания блок-диаграмм и мощного ядра моделирования. Язык разработан американской компанией Visual Solutions.

Рис. 1. Блок-схема алгоритма проектирования

Языковая и программная среда VisSim широко используется в разработке систем управления и цифровой обработки сигналов для моделирования и проектирования. Он включает в себя блоки для арифметических, булевых и трансцендентных функций, а также цифровые фильтры, функции передачи, численное интегрирование и интерактивный выход. Основными областями моделирования являются аэрокосмическая, биологическая / медицинская, цифровая мощность, электродвигатели, электрические, гидравлические, механические, термические процессы, эконометрика.

VisSim позволяет создавать иерархические диаграммы. Как правило, построена модель определенного процесса, состоящая из нескольких уровней. Затем система дополняется виртуальным контроллером и настраивается до тех пор, пока не будет получен желаемый ответ системы. Методика моделирования производительности систем в автономном режиме, за которой следует автоматическая генерация кода с диаграммы, называется модельной разработкой (Model-Based Development).

HiAsm – свободная среда разработки приложений для win32, Qt, wxWidgets, скриптов и страниц PHP, html и JavaScript и приложений для устройств на базе Windows Mobile - например, для карман- ных компьютеров.

HiAsm – практический пример реализации подхода, ориентированного на модельную архитектуру, также называемого «разработка из модели». Значение этого подхода заключается в абстрагировании от платформ и архитектур аппаратных и системных программных (математических) провайдеров. В разработке пользователя не требуется знание языков программирования и функций операционной системы, что позволяет создавать приложения, управлять их моделью с помощью интуитивно понятного графического интерфейса.

Algorithm Builder – бесплатная среда, обеспечивающая полный цикл разработки прошивки, такие этапы, как ввод алгоритмов, отладка и внутрисхемное программирование. Разработка программы может выполняться как на уровне ассемблера, так и на макроуровне, где можно работать с переменными переменными произвольной длины. Это приближает возможности программирования к языку высокого уровня. Отличительной особенностью Algorithm Builder является возможность ввода программы графически, в виде алгоритма с древовидной структурой. В результате вся логическая структура программы становится полностью понятной. Этот метод программирования близок к природе человеческого восприятия, и поэтому его легче освоить по сравнению с классическим ассемблером. На рисунке 3 показан IDE Algotitm Builder.

В отличии от рассмотренных альтернатив LabVIEW, которые применяются для конкретных задач проектирования и моделирования, LabVIEW, работая в связке с лабораторный стенд ELVIS, позволяет наглядно протестировать спроектированную в LabVIEW систему на физическом уровне. Это дает возможность понять принцип взаимодействия компонентов си- стемы, риски, экономическую обоснованность применения спроектированной си- стемы.

В результате исследования выделен класс реконфигурируемой системы, функционирующий в реальном масштабе времени в условиях повышенного воздействия неблагоприятных факторов. Обоснован выбор методов и средств проектирования реконфигурируемых систем на основе пакета LabVIEW, что в связке с лабораторным стендом ELVIS позволяет протестировать спроектированную систему на физическом уровне.