Оао нкб вс

Скачать 126.59 Kb.

Название	Оао нкб вс
Тип	Документы

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Документы

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ IP–БЛОКОВ В РАЗРАБОТКАХ

ОАО НКБ ВС

А.Б. Овчаров, В.В. Беспятов, О.А. Рыжих

ОАО Научно-конструкторское бюро вычислительных систем, ryzhykh@nkbvs.ru

В ОАО НКБ ВС выполняется разработка сложных вычислительных и управляющих систем, в том числе связанных с обработкой видеоизображений. Разработки базируются на использовании сигнальных и управляющих процессоров зарубежного и отечественного производства. Для достижения заданных характеристик проектируемых устройств, требующих применения значительных аппаратных ресурсов в рамках жесткого ограничения объема изделия, необходимо широкое применение специализированных СБИС, в том числе собственной разработки. В силу значительной номенклатуры проектируемых изделий и относительно малой серийности их производства ОАО НКБ ВС при разработке СБИС в настоящее время ориентируется на ПЛИС-технологию [1].

Разработка СБИС выполняется в соответствии с принципами, заложенными в методологии проектирования типа «Система на кристалле» (СнК), когда разрабатываемое устройство «верстается» из IP-блоков (сложно-функциональных блоков - СФБ). Вследствие ориентации на ПЛИС-технологию ОАО НКБ ВС при проектировании специализированных СБИС использует СФБ типа - «soft», причем преимущественно собственной разработки. Такой СФБ представляет из себя параметризированное, технологически инвариантное RTL-описание функционала, выполненное на синтезируемом подмножестве языка VHDL (ГОСТ Р 50754-95) [2].

Ключевые этапы цикла проектирования СБИС с применением ПЛИС - технологии приведены на рис. 1 [1]. На этапе 1 решаются задачи анализа поставленной проблемы, исследования эффективности применения ранее использованных решений, поиска оптимальных алгоритмов решения поставленной проблемы, составления и последующей верификации исходной спецификации проекта, выполненной на языке С++. На этапе 2 из исходной спецификации проекта выделяются подмножества функций, реализуемых наиболее оптимально в программной или аппаратной (в виде СБИС) их реализациях. Этап 3 завершается разработкой архитектуры СБИС для реализации функций аппаратной части проекта, согласованием применяемых интерфейсов в проекте, составлением перечня необходимых СФБ. На этапе 4 формируется библиотека СФБ проекта. В неё включаются уже существующие СФБ из состава библиотеки предприятия, а также модифицированные и вновь разработанные для текущего проекта СФБ. На этапе 5 выполняется проектирование интерфейсных компонентов СФБ для интеграции используемого комплекта СФБ в проект с заданной архитектурой. Во время выполнения этапа 6 формируется RTL-описание проекта СБИС, исполненное на синтезируемом подмножестве языка VHDL. На этапе 7 выполняется функциональная верификация RTL-описания проекта СБИС. На данном этапе проверяется соответствие функционирования результирующего RTL-описания СБИС исходной спецификации проекта в части подмножества функций, реализованных аппаратно, а так же контролируется корректность реализации используемых интерфейсов СБИС. Применение при разработке СФБ и СБИС высокоуровневого языка описания аппаратуры (в нашем случае VHDL) позволяет повысить эффективность проведения этапа функциональной верификации проекта. Конструкции языка описания и возможности применяемого САПР позволяют использовать прогрессивные методы верификации проекта, формировать исчерпывающие test bench, которые однозначно определяют соответствие функционирования проекта исходной спецификации. На этапах 8 и 9 выполняются соответственно работы по синтезу Netlist из результирующего RTL-описания проекта СБИС для выбранного технологического базиса и реализация полученного Netlist в базисе заданной ПЛИС с контролем выдерживания заданных временных ограничений. На этапе 10 выполняется программно-аппаратная отладка спроектированной СБИС в составе аппаратуры. На этапе 11 выполнения работ подготавливается техническое описание на разработанную СБИС, в котором приведены данные о назначении устройства и реализованных алгоритмах, описаны интерфейсы и режимы работы СБИС, изложены инструкции по её верификации и применению, указан перечень примененных в разработке СФБ.

Принятый в ОАО НКБ ВС маршрут проектирования СФБ показан на рис. 2. На этапе 1 формируется перечень требований к разрабатываемому СФБ, согласовывается интерфейс устройства и оформляется техническое задание на выполнение работ по проектированию СФБ. На этапе 2 осуществляется кодировка исходной спецификации СФБ, выполненной на С++, в RTL-описание, исполненное на синтезируемом подмножестве VHDL. В ходе выполнения работ этапа 3 разрабатывается тестовый компонент для верификации проектируемого СФБ. На этапе 4 выполняется собственно.

Рис. 1. Ключевые этапы цикла проектирования СБИС в ОАО НКБ ВС

Рис. 2. Маршрут проектирования СФБ
функциональная верификация RTL-описания проекта СФБ. На этапе 5 выполняется оценка качества результирующего RTL-описания проекта СФБ. Для этого проводятся следующая последовательность работ:

- выполняется синтез Netlist СФБ в выбранном базисе ПЛИС;

- оцениваются аппаратные затраты и временные характеристики реализованного проекта;

- выполняется пробное размещение и трассировка проекта СФБ в заданном базисе ПЛИС;

- формируются файл VHDL-модели проекта, откомпилированного для выбранного типа ПЛИС и файл временных задержек реализованного проекта;

- из полученных файлов строится уточненная модель проекта, которая затем верифицируется на разработанном ранее Test Bench.

На завершающем этапе выполнения работ подготавливается техническое описание, в котором приведены данные о назначении СФБ и реализованных алгоритмах, описаны интерфейс и режимы работы блока, изложены инструкции по верификации и применению СФБ. Одновременно с выполнением работ по документированию результатов разработки на отдельные СФБ подготавливаются материалы для защиты объектов интеллектуальной собственности в Федеральной службе РФ по ИС, патентам и товарным знакам [3-13].

После завершения документирования разработанного СФБ, проект вносится в библиотеку предприятия и становится доступным для пользователей. В настоящее время в ОАО НКБ ВС сформирована библиотека СФБ собственной разработки, включающая более 40 компонентов и состоящая из следующих разделов:

- интерфейсные и системные СФБ (контроллеры PCI, PCI-to-PCI, PCI-to-AMBA, UART, USB, SRAM, SDRAM и пр.);

- СФБ улучшения качества изображения (стабилизация входного изображения, пространственная и временная фильтрация, преобразование яркости изображения, селекция движущихся объектов и пр.);

- СФБ специализированных функций обработки изображения (масштабирование, выделение локальных максимумов, пороговая обработка, анализ связности, гистограммная обработка, корреляционная обработка и пр.).

Все работы по функциональному проектированию и верификации СФБ и СБИС на их основе выполняются с применением комплекса лицензионного ПО компании Mentor Graphics, включающего следующие пакеты:

- HDL Designer – инструмент разработки VHDL описания проекта RTL-уровня [14];

- ModelSim – инструмент проведения верификации проектов [15];

- Precision Synthesis RTL – инструмент синтеза Netlist проекта в заданном технологическом базисе ПЛИС из исходного RTL-описания проекта [16].

Физическая реализация результирующих Netlist проектов в базисе ПЛИС компании Altera осуществляется в САПР Quartus II компании Altera.

Для поддержки свойств технологической инвариантности разрабатываемых СФБ проектирование выполняется так, что технологически-ориентированные компоненты (DSP-блоки, компоненты, реализованные на блоках внутренней памяти ПЛИС, и др.) выносятся за пределы СФБ и подключаются к соответствующим интерфейсам на верхнем уровне иерархии проекта СБИС. Это позволяет при необходимости без значительных временных затрат воспроизвести отлаженные на ПЛИС решения для других типов СБИС, либо реализовать их на кристалле ПЛИС другого семейства.

Примером построения системы, выполненной в ОАО НКБ ВС с применением ПЛИС-технологии, является модуль аппаратного ускорителя цифровой обработки изображения (АУ), реализованный на базе ПЛИС серии FLEX10KE (ф. Altera), с суммарным ресурсом ПЛИС 33 тысячи логических ячеек (одна ячейка включает триггер с 4-входовой логикой на входе). Структура модуля АУ приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структура модуля АУ

В течение нескольких последних лет на базе данного АУ, выполненного в виде модуля в стандарте CompactPCI, было успешно реализовано несколько крупных проектов, выполняющих сложные алгоритмы цифровой обработки изображения в реальном масштабе времени, в состав которых вошли:

- электронная стабилизация изображения;

- пространственная и временная ВЧ и НЧ фильтрация;

- медианная фильтрация;

- бинаризация изображения на основе различных критериев;

- выделение связных областей в бинаризованном изображении;

- вычисление разностной функции несходства и некоторые другие алгоритмы.

Краткие характеристики некоторых СФБ, используемых в АУ приведены в таблице 1.
Таблица 1

Краткие характеристики некоторых СФБ, использованных в проекте АУ

Наименование СФБ	Краткая характеристика СФБ
СФБ увеличения масштаба изображения билинейной интерполяцией или уменьшения масштаба с фильтрацией [3]	СФБ предназначен для выполнения над изображением процедуры увеличения или уменьшения масштаба изображения в заданном окне с заданными коэффициентами масштабирования. Величина изменения коэффициента масштаба определяется отношением m/n, где m и n целые значения в диапазонах соответственно 1..6 и 1..4.
СФБ селекции движущихся объектов [4]	СФБ предназначен для выделения на изображении движущихся объектов или их фрагментов на неподвижном фоне. Выделение объектов основано на сравнении с заданным порогом величины изменения во времени яркости элементов изображения. СФБ имеет программируемые величину порога яркости изображения и размеры окна обработки.
СФБ анализа связности элементов изображения [5]	СФБ выполняет функцию выделения связных областей бинарного изображения и определения их параметров (суммарная яркость, суммарный контраст перепадов яркости, площадь, периметр, координаты). В СФБ параметрически задаются максимальные размеры обрабатываемого изображения, разрядность шин входных и выходных данных.
СФБ пространственной фильтрации для определения амплитуд перепадов яркостей на изображении [6]	СФБ предназначен для выполнения вычислений сверток входного изображения с двумя импульсными характеристиками h и hT, результатами которых являются два изображения I1 и I2 соответственно, где Т – символ транспонирования. Максимальная апертура фильтра 25 х 25. Допустимые значения коэффициента импульсной характеристики h: 0, 1, 1/2,1/4,1/8,1/16,1/32. В СФБ параметрически задаются максимальные размеры обрабатываемого изображения, горизонтальная и вертикальная апертура фильтра, разрядность шин входных и выходных данных.
СФБ расчета разностной функции несходства [7]	СФБ предназначен для выполнения расчета функции сходства в виде модуля разности текущего изображения W и эталонного изображения E. В СФБ параметрически задаются максимальные размеры эталонного изображения, области вычисления функции, разрядность шин входных и выходных данных.
СФБ расчета плотностей распределения яркостей в заданных областях окна обработки изображения [8]	В СФБ параметрически задаются максимальные размеры окна обработки входного изображения и разрядность шин входных и выходных данных. Текущие значения положения и размеров областей обработки входного окна задаются на соответствующих выводах устройства.
СФБ объединения точек бинаризованного изображения [9]	СФБ предназначен для заполнения разрывов между точками бинаризованного изображения с целью последующего выделения замкнутого контура объекта. Текущие значения размера окна обработки изображения задаются на соответствующих выводах устройства.
СФБ выделения локальных максимумов амплитуд перепадов яркости изображения [10]	СФБ предназначен для выделение локальных максимумов амплитуд перепадов яркости изображения по горизонтали и вертикали. В СФБ параметрически задаются максимальные размеры обрабатываемого изображения и разрядность шин входных и выходных данных.
СФБ уменьшения масштаба изображения [12]	СФБ предназначен для уменьшения масштаба входного изображения. Процедура масштабирования содержит функции пространственной НЧ фильтрации и децимации изображения. В СФБ параметрически задаются максимальные размеры области обработки изображения, разрядность шин входных и выходных данных. Текущие значения изменение масштаба изображения по горизонтали и вертикали задаются на соответствующих выводах устройства.
СФБ пороговой обработки изображения [13]	СФБ предназначен для выделение элементов изображения, значения перепадов яркостей (А) в окрестности которых превышают заданный порог (Т), и формирования бинаризованного изображения (Ib): Ib(x, y) =1 when A(x, y)>T, else 0. В СФБ параметрически задаются разрядности шин входных и выходных данных. Текущие значения переменных обработки изображения задаются на соответствующих выводах устройства.

Разработанный на основе библиотеки СФБ комплект СБИС для АУ позволяет создать систему, которая выполняет параллельную, многозадачную обработку данных. При этом сложность проектов составила от 25 до 30 тыс. логических ячеек, а полученная производительность, в зависимости от выполняемой задачи варьировалась от 1 до 8 млрд. оп/сек над данными с фиксированной точкой. В процессе разработки, отладки и сопровождения этих проектов для ПЛИС модуля АУ была определена технология, которая позволила сократить сроки разработки и корректировки проекта. Важным условием сокращения цикла проектирования СБИС явилось также структурное разбиение проекта на уровень функций обработки данных и уровень системных функций, а также формирование дополнительно к библиотеке СФБ обработки данных, библиотеки СФБ системных функций [17]. Для этого были проделаны следующие шаги:

1) Определён системный уровень проекта, к которому был отнесён доступ к совместно используемым и аппаратно-зависимым ресурсам, таким как ОЗУ и внутрисистемные шины передачи данных различного назначения;

2) Определён состав и интерфейс внутрисистемных шин. Сюда вошли каналы для передачи команд управления, внутренней сигнализации и выгрузки выходных результатов;

3) Проведена стандартизация интерфейсов между функциями обработки и системными функциями;

4) Большое внимание уделено формированию подмножества библиотеки системных функций, которые обеспечивают доступ к ОЗУ с реконфигурируемым количеством каналов доступа, с разными способами адресации и настраиваемой шириной шин данных со стороны функции обработки и со стороны ОЗУ.

В результате двухуровневая структура проекта в общем виде стала выглядеть как показано на рис. 4. Применение такой структуры построения проекта совместно с использованием библиотеки СФБ системных функций позволило повысить эффективность разработки проектов, минимизировать вносимые при разработке ошибки, а так же обеспечить простоту переносимости ранее разработанных проектов на новую элементную базу.

Рис. 4. Двухуровневая структура проекта

В целом за последние 2 года в ОАО НКБ ВС ограниченным коллективом разработчиков на базе семейства ПЛИС фирмы Altera (Flex10ke, Cyclone, Stratix) выполнено проектирование 11 типов СБИС различного назначения сложностью до 12 000 логических ячеек (без учета объема задействованной внутренней памяти ПЛИС). Внедрение на предприятии технологии проектирования СБИС на основе СФБ позволило повысить эффективность процесса разработки СБИС и систем на их основе, создать условия для реализации механизма унификации разработок, сократить сроки последующей программно-аппаратной верификации проекта, решить проблемы переносимости отработанных решений в последующие разработки.

ЛИТЕРАТУРА

Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. - СПб.; БХВ-Петербург, 2002. – 608 с.
ГОСТ Р 50754-95 Язык описания аппаратуры цифровых систем – VHDL. Описание языка. Госстандарт России. - М., 1995.
Свид. на ПрЭВМ 2003612333 РФ, Сложно-функциональный блок увеличения масштаба изображения билинейной интерполяцией или уменьшения масштаба с фильтрацией / В.В. Беспятов, Д.Ю. Дзягун, В.М. Калашников, А.Б. Овчаров, О.А. Рыжих (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 14.10.2003.
Свид. на ПрЭВМ 2003612334 РФ, Сложно-функциональный блок селекции движущихся объектов / С.А. Бачило, А.Б. Овчаров, О.А. Рыжих, В.А. Сипиев, В.Г. Фадеева (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 14.10.2003.
Свид. на ПрЭВМ 2003612335 РФ, Сложно-функциональный блок анализа связности элементов изображения / И.И. Итенберг, А.Б. Овчаров, В.И. Полянский, О.С. Рыбаков (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 14.10.2003.
Свид. на ПрЭВМ 2003612336 РФ, Сложно-функциональный блок пространственной фильтрации для определения амплитуд перепадов яркостей на изображении / И.И. Итенберг, А.В. Ковалев, Б.Г. Коноплев, А.Б. Овчаров, В.И. Полянский, О.С. Рыбаков (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 14.10.2003.
Свид. на ПрЭВМ 2003612337 РФ, Сложно-функциональный блок расчета разностной функции несходства / Д.Ю. Дзягун, И.И. Итенберг, В.М. Калашников, А.Б. Овчаров, О.А. Рыжих (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 14.10.2003.
Свид. на ПрЭВМ 2004610276 РФ, Сложно-функциональный блок расчета плотностей распределения яркостей в заданных областях окна обработки изображения / А.Ю. Арцатбанов, Д.Ю. Дзягун, В.М. Калашников, А.Б. Овчаров, О.А. Рыжих, В.М. Яковенко (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 22.01.2004.
Свид. на ПрЭВМ 2004610277 РФ, Сложно-функциональный блок объединения точек бинаризованного изображения / И.И. Итенберг, А.Б. Овчаров, О.С. Рыбаков, В.Г. Фадеева (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 22.01.2004.
Свид. на ПрЭВМ 2004610359 РФ, Сложно-функциональный блок выделения локальных максимумов амплитуд перепадов яркости изображения / А.Б. Овчаров, В.И. Полянский, О.С. Рыбаков (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 04.02.2004.
Свид. на ПрЭВМ 2004610759 РФ, Сложно-функциональный блок изменения масштаба изображения / А.Ю. Арцатбанов, В.В.Беспятов, Д.Ю.Дзягун, В.М.Калашников, А.Б. Овчаров, В.И. Полянский (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 26.03.2004.
Свид. на ПрЭВМ 2004610760 РФ, Сложно-функциональный блок уменьшения масштаба изображения / С.А. Бачило, А.Б. Овчаров, В.И. Полянский, О.С. Рыбаков, С.А.Сивцов (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 26.03.2004.
Свид. на ПрЭВМ 2004610762 РФ, Сложно-функциональный блок пороговой обработки изображения / А.Б. Овчаров, О.С. Рыбаков, О.А. Рыжих, Д.М.Симоненко (РФ); ОАО НКБ ВС (РФ). Зарегистр. в Госреестре 26.03.2004.
HDL Designer Series User Manual, Software Version 2004-1a, Mentor Graphics Corporation, 2004.
15 Model Sim Advanced Verification and Debugging SE User Manual Version 6.0c, Mentor Graphics Corporation, 2004.
Precision RTL Synthesis User Manual., release 2004c, Mentor Graphics Corporation, 2005.
Co-Processor Acceleration and Design Reuse: Extending the Market for Platform FPGAs with DK1 Design Suite/ by Dennis Nye Senior Vice President, Worldwide Sales and Marketing Celoxica Limited dennis.nye@celoxica.com. Xcell Journal Fall/Winter 2001.

	Председателя правления зао «нкб «славянбанк», ЗАМЕСТИТЕЛЯ председателя... Заместителя председателя правления зао «нкб «славянбанк», членов правления зао «нкб «славянбанк»		Программа семинара на стр. 2, 3 Оао «автоваз», ОАО «КамАЗ», ОАО «Кировский завод», структурных подразделений ОАО «Газпром» и др
	Программа семинара на стр. 2, Мышьякова ирина Александровна, главный... Оао «автоваз», ОАО «КамАЗ», ОАО «Кировский завод», структурных подразделений ОАО «Газпром» и др		И жилищно-коммунальному комплексу (госстрой россии) Разработаны коллективом ведущих специалистов ОАО «Гипрониигаз», ОАО «Мосгазниипроект», зао «Надежность», ОАО «Росгазификация», ОАО...
	Строительные нормы и правила российской федерации гидротехнические сооружения Оао "Ленгидропроект", ОАО "нииэс", нтц "Энергонадзора", ООО "Гидроспецпроект", ОАО "Институт Теплоэлектропроект", ОАО "Ленморниипроект",...		Свод правил Пнииис госстроя России, Научно-производственным центром «Ингеодин», при участии ао «Гипроречтранс», ао «Институт Гидропроект», ОАО...
	Конкурсная документация №604 /окэ-оао «Арена-2000» Организатор: ОАО «ржд» в лице Ярославского регионального отделения Центра организации закупочной деятельности – структурного подразделения...		Система нормативных документов в строительстве строительные нормы... Разработаны коллективом ведущих специалистов ОАО «Гипрониигаз», ОАО «Мосгазниипроект», зао «Надежность», ОАО «Росгазификация», ОАО...
	Общество с ограниченной ответственностью аудиторская фирма «Ауди» Общему собранию акционеров ОАО «Самараоблавтотранс» Исполнительному органу ОАО «Самараоблавтотранс» и всем заинтересованным пользователям...		Оао «элтеза» аукционная документация открытый аукцион №18397/ОАЭ-оао «элтеза»/2016/сд москва Заказчик: Открытое акционерное общество «Объединенные электротехнические заводы» (оао «элтеза»)
	Оао «элтеза» аукционная документация открытый аукцион №9210/ОАЭ-оао «элтеза»/2016/д москва Заказчик: Открытое акционерное общество «Объединенные электротехнические заводы» (оао «элтеза»)		Оао «элтеза» аукционная документация открытый аукцион №9204/ОАЭ-оао «элтеза»/2016/д москва Заказчик: Открытое акционерное общество «Объединенные электротехнические заводы» (оао «элтеза»)
	Оао «элтеза» аукционная документация открытый аукцион №15060 /ОАЭ-оао «элтеза»/2016/сд москва Заказчик: Открытое акционерное общество «Объединенные электротехнические заводы» (оао «элтеза»)		Оао «Хабаровская ремонтно-монтажная компания», сокращенное наименование ОАО «хрмк» Договора на выполнение субподрядных работ по ремонту оборудования сп «Николаевская тэц» филиала «Хабаровская генерация» ОАО «дгк»...
	Инструкция по делопроизводству в ОАО «Ростелеком»; Глоссарий терминов... Универсальные технические требования для проведения закупочных процедур абонентского оборудования (adsl) при оказании услуг шпд в...		Оао «Водопроводно-канализационное и энергетическое хозяйство» далее ОАО «вк и эх» Оао «Водопроводно-канализационное и энергетическое хозяйство» (далее ОАО «вк и эх») информирует о проведении закупки у единственного...

Оао нкб вс

А.Б. Овчаров, В.В. Беспятов, О.А. Рыжих

Краткие характеристики некоторых СФБ, использованных в проекте АУ

ЛИТЕРАТУРА

Похожие: