Библиотечный каталог авторефератов Украины

Рис. 5. Поєднання модулю, написаного мовою Pro Waves, з модулем VHDL

Модуль, написаний мовою VHDL, виконує усі операції модельованого пристрою, що ініційовані сигналом action. Цей модуль складається з двох компонентів – головного компоненту, який виконує усі згадані вище операції, а також компоненту інтерфейс _VHDL_C_Prolog, що має допоміжний характер і забезпечує комунікацію поміж головним компонентом і прологовим модулем.

У таблицях 1, 2 і 3 подано порівняння ефективності моделювання, а також ефективності процесу створення моделі елемента VRAMμm PD42264, в випадку використання мови Pro Waves, а також у випадку використання виключно мови VHDL. Модуль Pro Waves був установлений за допомогою компілятора SICStus Prolog, модуль VHDL – за допомогою модулятора Synopsys-VHDL, версія 3.1. Для моделювання використано комп’ютер Sun SPARCstation 2, який має 64 М байти пам’яті RAM.

В залежності від кількості модельованих подій, витрачений процесором CPU час для моделі Pro Waves в порівнянні з моделлю, написаною виключно за допомогою мови VHDL, є більш від 2 до 7 разів (Табл.1). Проте принципово зменшується  час, який повинен витратити проектувальник на створення самої моделі. У випадку використання виключно мови VHDL цей час складає кілька місяців, а у випадку використання мови Pro Waves – тільки декілька днів (Табл.3). Скорочення часу є результатом значного зменшення розміру опису (Табл.2), а передусім, зміни типу цього опису з алгоритмічного виду на декларативний, при якому основна задача проектувальника зводиться до відповідного формалізованого запису еталонів часових діаграм елемента, що моделюється.

Табл.1.        Час моделювання елемента VRAM

Табл.2.        Розмір опису елемента VRAM, вимірюваний за допомогою кількості ліній, що створюють код, а також кількості використаних ключових слів мови VHDL

(*) лінії коду, що зв’язані з інтерфейсом (port i generic), а також повідомленнями про порушення часових вимог.

Табл.3. Орієнтовний час, необхідний для створення моделі VRAM

(*) на основі літератури, поданої в монографії і власних праць автора.

Мова Pro Waves була використана для побудови моделі кількох пристроїв і процесів, що мають дуже складні часові характеристики. До найважливіших з них належать моделі: пам’яті VRAM (Video RAMμmPD42264), інтерфейсної частини системи декодера зображення (MPEG/2 Video Decoder STi 3500), протоколів комунікації з трансп’ютерними системами, а також, в останній час, моделі, що використовуються під час проектування інтегральних пристроїв для потреб цифрового телебачення ADB Phase II Signal Processor (PSP)  i  Bili-I Fast Descrambler.

Розділ 7. Завершення

В розділі подано стислі висновки монографії, а також її найважливіші досягнення.

Приклади впроваджень

Рис. 6.        Bili-I Fast Descrambler – спроектована схема

• Декодер цифровий для супутникової передачі сигналу DVB, кодованого в системі фірми IRDETO.
• Реалізує функції: бітової та байтової корекції похибок, розклад потужності та декодування сигналів.
• Частота тактових імпульсів 60 мгГц.
• 35 тисяч комірок.
• Проект виконано в співпраці з проектними бюро фірми SGS Thomson Microelectronics в США, та у Італії.
• Виробництво в США та на Мальті.
• До кінця 1999 року фірма SGS Thomson Microelectronics виконає 130 тисяч пристроїв VLSI Bili-I.
• Декілька місяців пристрій вже монтується для нової генерації супутникових приймачів-декодерів.

Рис. 7. Bili-I Fast Descrambler – приклад використання

Цифровий супутниковий приймач - декодер для Південної Африки

• Приймач спроектовано за запитом компанії MULTICHOICE.
• 300 каналів TV, автоматичний пошук програм, пов’язаний з банковими системами, вибір мови, реалізація квитків, функція down load.
• Процесор типу risc EMMA μmPD61030 (core: Silicon Graphics). Модуляція типу QPSK.
• Система кодування IRDETO. Операційна система Оpen TV EN2.
• Забезпечення висвітлення швидкої пізнавальної графіки.
• Шина нетелевізійних даних 115 kbaud (Internet, комп’ютерні програми).
• Сумісність з системами MPEG-2, DVB, DiSEqC.
• Сертифіковані у США.

Рис. 8.        Приймач-декодер з пристроєм BILI-I, зроблено за замовленням компанії MULTICHOICE для ринку Південної Африки

Цифровий супутниковий приймач-декодер для Австралії

• Приймач зроблено за замовленням компанії AUSTAR.
• Паралельний процесор OMEGA Sti5500 + ADB Bili-I fast descrambler.
• Система кодування IRDETO, система операційна Open TV 3500.
• Відео-декодування Video: ISO/IEC 13818-2, Audio: ISO/IEC 13818-3.
• Демультиплексування пакетів ISO/IEC 13818-1.
• Сумісний з системами MPEG-2, DVB, DiSEqC.
• Сертифіковані у США.

Рис. 9.        Приймач-декодер зроблено за замовленням компанії AUSTAR для ринку Австралії

Висновки

1. В роботі представлена методологія автоматизації проектування і моделювання електронних цифрових систем, що опирається на евристичні і символічні операції. Це істотно доповнює використовувані у цій галузі традиційні алгоритмічні і числові методи.
2. Ця задача є актуальною і важливою науково-дослідною проблемою, оскільки з ростом конкуренції на електронному ринку, а також з розповсюдженням спеціалізованих систем, що виробляються малими серіями, зросла необхідність створення нових методів проектування, які забезпечують підвищення ефективності проектування, а також, між іншими, дозволяють скоротити час, необхідний для підготовки проекту і виконання ретельної верифікації системи ще до початку її виробництва.
3. Рішення охоплюють широке коло проблем, пов’язаних з використанням логічного програмування в проектуванні цифрових систем. При цьому забезпечено комплексне відображення усієї тематики.
4. До найбільш значних наукових і практичних досягнень, на думку автора, належать:

• Створення нового, оригінального методу розпізнавання часових діаграм.
• Побудова, на базі запропонованого, нового методу розпізнавання, мови Pro Waves, призначеної для опису і моделювання електронних цифрових систем, що характеризуються складними часовими залежностями.
• Опрацювання методу автоматизації символічного синтезу цифрових систем, описаних за допомогою логічних секвентів.
• Практичні реалізації розроблених  методів при створенні сучасних пристроїв обчислювальної техніки.

5. В межах моделювання часових залежностей у попередніх працях були запропоновані різні рішення, що спрощують створення моделей. Проте, вони мали принаймні одну з приведених нижче рис:

• мали алгоритмічний, а не декларативний характер; це означає, що завдання проектувальника часто було надто складним,
• стосувалися аналізу одиничних змін сигналу, а не складних взаємозалежних діаграм для багатьох сигналів,
• були зв'язані тільки зі специфікацією, а не з моделюванням часових залежностей.

У монографії використано новий, систематичний підхід до опису складних взаємозв'язаних діаграм для багатьох сигналів, який опирається на поділ часових залежностей на групи, пов’язані з подіями віднесення циклу. Цей поділ, а також поділ циклу на частини, можуть мати характер повторювань. Це дозволяє створювати формальну мову опису і моделювання часових моделей під назвою Pro Waves, в якому цифровий пристрій, процес або система, що моделюються, описується цілком декларативним способом, за допомогою групи еталонів циклів, як то має місце у випадку технічної документації.

Для розпізнавання описаних таким чином циклів під час процесу моделювання використовувалися методи, що застосовуються у штучному інтелекті - порівняння з еталоном і метапрограмування.

Особливо ефективним виявилося поєднання часового модуля, написаного мовою Pro Waves, з операційним модулем, написаним мовою VHDL.

Використання нової мови Pro Waves дозволяє:

• багаторазово скоротити час підготовки моделі цифрових пристроїв, процесів і систем, які характеризуються складними часовими залежностями,
• звести завдання проектувальника до формального запису еталонів часових діаграм без необхідності осмислення і використання будь-якого алгоритму,
• підвищити точність моделювання, тому що, завдяки декларативному характеру проектування , має місце незначна можливість помилок.

6. В сфері синтезу цифрових систем, в період, передуючий роботам автора, в Польщі не існували доступні допоміжні програмні засоби для процесу автоматизації символічного синтезу. Автору, так само, не була відома жодна попередня робота, зв’язана з використанням логічного програмування для автоматизації синтезу з застосуванням логічних секвентів. Існуючі в той час теоретичні роботи були присвячені, насамперед, застосуванню у проектуванні цифрових систем переважно алгебраїчних і символічних методів, які могли використовуватися тільки при мануальному проектуванні, цебто безпосередньо людиною. Застосування цих методів не було пов’язано з автоматизацією процесу проектування. В зв'язку з приведеним вище, можливо забезпечити розв'язання реальних, складних завдань проектування. З метою виконання автоматизації символічного синтезу автор переніс апарат, використовуваний в галузі штучного інтелекту і автоматичного доведення теорем, у галузь проектування цифрових систем.

Внаслідок виконана автоматизація:

• нормалізації секвентів (способом, подібним до автоматичного доведення теорем, з використанням логічних висновків),
• мінімізації опису (застосування евристичних правил),
• синтезу до вигляду, відповідному структурі застосованих елементів (символічне перетворення),
• декомпозиції опису на підгрупи, яку можна використовувати в окремих фізичних елементах, з застосуванням механізму пошуку.

На основі запропонованого методу синтезу була створена система CAD Logic, яка призначена для автоматизації проектування цифрових систем з використанням програмованих логічних структур PAL.

7.        Результати роботи описані в монографії і знайшли широке застосування у народному господарстві. Це свідчить про слушність і актуальність теоретичних розв'язань, а також про їх велике практичне значення.

8.        Особливої уваги в цьому обсязі заслуговує мова Pro Waves. Вона знайшла широке застосування при проектуванні спеціалізованих цифрових систем високого рівня інтеграції ASIC, що призначені для супутникового цифрового телебачення і при проектуванні цифрових телевізійних інтерактивних приймачів-декодерів, виконаних на замовлення великих, відомих у цілому світі, фірм таких як: SGS Thomson Microelectronics, Sun Moon Star, Broadcast Software Systems International і Asia Digital Broadcast. Наприклад, спеціалізований пристрій Bili-I fast descrambler, спроектований за допомогою мови Pro Waves, було випущено серійно в кількості понад сто тисяч штук.

Таким чином, можна стверджувати, що поставлена в роботі проблема була досягнута, а опрацювання методу автоматизації проектування, що грунтується на евристичних методах і символічних операціях, істотно доповнює існуючі алгоритмічні і числові методи.        

Основні публикації

1. Szajna J.: Projektowanie ukіadуw cyfrowych z wykorzystaniem programowania logicznego. MONOGRAFIA nr 82. Politechnika Zielonogуrska, 1996 (240 c).
2. Szajna J.: Programowanie strukturalne. Wybrane algorytmy i struktury grafowe. MONOGRAFIA nr 41, Wyїsza Szkoіa Inїynierska. Zielona Gуra, 1989 (440 c).
3. Szajna J.: Technika programowania. Elementy programowania sprzкtu i wspуіpracy z systemem operacyjnym. PAСSTWOWE WYDAWNICTWO NAUKOWE. Warszawa 1990 (237 c).
4. Szajna J., Adamski M., Kozіowski T.: Programowanie w jкzyku logiki. WYDAWNICTWA NAUKOWO-TECHNICZNE. Warszawa 1991 (166 c).
5. Szajna J., Mirkowski J.: Zaawansowane techniki programowania. Polskie Towarzystwo Ekonomiczne. 1989 (177 c).
6. Szajna J.:  Turbo Pascal 4.0. Polskie Towarzystwo  Ekonomiczne. 1988   (173 c).
7. Wagner F., Szajna J., Michta E.: Laboratorium mikroprocesorуw. Wyїsza Szkoіa Inїynierska. Zielona Gуra, 1985 (132 c).
8. Szajna J.: Wykorzystanie zmiennych dynamicznych jкzyka Pascal w minimalizacji funkcji logicznych. Zeszyty Naukowe WSInї. Nr 78, str. 127-132. Zielona Gуra, 1986.
9. Adamski M., Szajna J., Kapela A.: Programmable Array Logic Software. 7 th International Conference on. Control Systems and Computer Science. CSCS – 7 . Bucharest, Vol.3, pp. 86-95. Romania 1987.
10. Adamski M., Szajna J., Wysocki A.: Automated State Machine Design and PAL Implementation. Wissenschaftliche Beitrage zur Informatik 1988 No 6, pp.13-18. Dresden, Germany.
11. Szajna J., Kozіowski T.: Wykorzystanie jкzyka Prolog w projektowaniu ukіadуw cyfrowych. Zeszyty Naukowe WSInї. nr 95, str. 5-15. Z. Gуra 1991.
12. Szajna J: Translacja specyfikacji ukіadu cyfrowego opisanego za pomoc№ listy poі№czeс na jкzyk VHDL. Metrologia i systemy pomiarowe nr 13, str. 31-38. Polska Akademia Nauk. Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej. Warszawa 1992.
13. Szajna J: Automated realization of boolean algebra theorems in the simplification of logical expressions. Applied Mathematics and Computer Science. 1993. Vol.3, no. 2, pp. 383-392.
14. Szajna J., Wкgrzyn M., Walkowiak M., Wolaсski P.: Programowanie w projektowaniu ukіadуw cyfrowych. Informatyka na wyїszych uczelniach dla gospodarki narodowej, str. 57-61. Gdaсsk, 1994.
15. Szajna J.: The Efficient System for Behavioural Simulation of Complex Digital Circuit and Process. 7 th International Symposium on IC Technology, Systems & Application (ISIC-97), September 10-12, pp. 204-208. Hyatt Regency, Singapore, 1997.
16. Kozіowski T., Dagless E., Saul J., Adamski M., Szajna J.: Parallel controller synthesis using Petri nets. IEE Proceedings - Computers and Digital Techniques, Vol. 142. No. 4, pp. 263 -271, July, 1995.
17. Szajna J: Prolog-based Timing Waveform Recognition System for Behavioural VHDL Simulation.  Sixth Conferetion on Synthesis and System Integration of Mixed Technologies, pp. 155-161. Fukuoka, Japan, 1996.
18. Biliсski K, Saul J., Dagless E., Szajna J.: An Efficient Verification Algorithm for Parallel Controllers. EURO-DAC ‘ 94, September 19-23, pp.302-307. France, 1994.
19. Szajna J. Artificial intelligence methods in computer aided design of digital circuits.//Электронное моделирование.-2001, т.23, №4.-С. 107-113.
20. Я. Шайна Метод временного моделирования с использованием динамических данных//Збірник наукових праць К.: ІПМЕ НАНУ.-2001.-№7.-С.120-124.
21. Я. Шайна Определение комбинированніх секвенционніх устройств//Моделювання та інформаційні технології. Збірник наукових праць. К.:ІПМЕ НАНУ.-2001.-Випю 8.- С. 99-103.

       Особистий внесок автора у роботи, що написані з співавторами, є наступним.

       В роботі [4]  автором розроблено 1, 3, 4, 5, 6 розділи і додаток (у сумі 150 сторінок);

       В роботах 5, 13, і 14 автору належить більша частина представлених результатів, зокрема, усі запропоновані головні ідеї символічного синтезу цифрових систем формального опису і комп’ютерного моделювання схем.

Результати робіт [7, 9, 10] належать співавторам в рівних частках.

       В роботі [16] автором був запропонований формат специфікації мережі, що базується на логічному програмуванні.

АНОТАЦІЇ

Я. Шайна: Проектування цифрових систем з використанням логічного програмування. Монографія

Дисертація на здобуття вченого ступеню доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.13 - обчислювальні машини, мережі і системи. - Інститут проблем моделювання в енергетиці НАН України, Київ, 1999.

Представлена методологія автоматизації проектування і моделювання  цифрових систем, що базується на логічному програмуванні. Найбільш суттєвими досягненнями монографії є слідуючі. Запропоновано новий оригінальний декларативний метод розпізнавання часових діаграм і метод автоматизації символічного синтезу цифрових систем, які описуються за допомогою логічних секвентів. Представлена можливість використання логічного програмування для динамічного моделювання з застосуванням баз даних, трансляції опису і автоматизації перетворення логічних виразів. Особливої уваги заслуговує запропонована мова моделювання цифрових систем і процесів ProWave, а також застосування запропонованого у монографії методу для розпізнання складних часових діаграм. Ця мова знайшла широке застосування для проектування цифрових систем високого рівня інтеграції. До цього часу були випущені в кількості більш ніж 100 000 штук спеціалізовані системи, спроектовані для супутникового телебачення з використанням означеної вище мови.

Ключові слова: логічне програмування, цифрові системи, символічний синтез, моделювання, САД цифрових пристроїв.

J. Szajna: Design of Digital Systems with the Usage of Logic Programming.  Monograph.

Thesis for the doctor ‘s degree by the specialty 05. 13.13 - computers, systems and networks. - The Institute of Simulation Problems in Energetics, National Academy of Science of Ukraine, Kiev, 1999.

The dissertation presents methodology of automatization of digital circuits design and simulation by means of logic programming. Here are some of the most important achievements of this monograph. The new, original, declarative method for timing waveform recognition. Methods for the automatization of the symbolic synthesis of digital circuits that are described by using logic sequents. The application of logic programming to dynamic simulation uses databases description translation, and automatic manipulation of logic expressions. The ProWave simulation language for digital circuits and processes, implemented on the bases of the suggested in this monograph method for a complex timing waveform recognition, deserves special attention. This language has found a wide application in the design of large-scale integration digital circuits. Up to the present moment, more than 100 000 items of specifically designed for digital TV circuits based on the above-mentioned language have been sold.

Key words: logic programming, digital circuits, symbolic synthesis, simulation, CAD of digital systems.

Я. Шайна: Проектирование цифровых систем с использованием логического программирования.  Монография.

Диссертация на соискание ученой степени доктктора технических наук по специальности 05.13.13 - вычислительные машины сети и системы.- Институт проблем моделирования в энергетике НАН Украины, Киев, 1999.        В диссертации представлена методология автоматизирования проектирования и моделирования электронных цифровых систем, основанная на эвристических методах и символических операциях, существенно дополняющая применяемые в этой области традиционные алгоритмические и численные методы. Предложенные методы позволяют охватить широкий круг задач, связанных с использованием логического программирования при проектировании цифровых систем, что позволило получить комплексное представление всей тематики.

Рассмотрены известные из литературы классические методы статического моделирования и спецификации цифровых систем с помощью логического программирования, которые расширены автором и представлены в унифицированной форме.

Представлена возможность использования логического программирования для динамического моделирования с применением баз данных, трансляции описания и автоматического преобразования логических выражений.

Представлен новый, оригинальный метод распознавания временных диаграмм, имеющих декларативный характер и основанный на методах, применяемых в искусственном интеллекте - сравнение с эталоном и метапрограммирование.

На основе предложенного метода распознавания временных диаграмм создан новый формальный язык описания и моделирования временных моделей, названный Pro Waves, в котором моделируемое устройство, процесс или система описывается полностью декларативным способом с помощью группы эталонных циклов, как это имеет место в случае представления технической документации.

Применение языка позволяет:

а) многократно сократить время разработки модели цифровых устройств, процессов и систем, характеризующихся сложными временными зависимостями;

б) свести задачу проектанта к формальной записи эталонов временных диаграмм без необходимости осмысливания и применения каких - либо алгоритмов;

в) повысить точность моделирования, так как, благодаря декларативному характеру проектирования, возможность допустить ошибку незначительна.

В области синтеза цифровых устройств были разработаны методы автоматизации символического синтеза цифровых систем, описываемых с помощью логических секвентов.

С этой целью был использован аппарат, применяемый в области искусственного интеллекта и автоматического доказательства теорем, к проектированию цифровых устройств. В части процесса автоматизации была выполнена:

а) нормализация секвентов способом, подобным автоматическому доказательству теорем, с использованием правил логических выводов;

б) минимизация описания за счёт применение эвристических правил;

в) синтез системы к виду, соответствующему структуре применяемых элементов с помощью символических преобразований;

г) декомпозиция описания на подгруппы, которые можно применять в отдельных физических элементах, за счёт использования механизма поиска.

На основе предложенного метода синтеза была создана система CAD Logic, предназначенная для автоматизации проектирования цифровых систем с использованием программируемых логических структур PAL.

Представленные в монографии результаты нашли широкое применение в народном хозяйстве, что подтверждает правильность и актуальность теоретических выводов, а также их большое практическое значение.

Особого внимания в этом смысле заслуживает язык описания и моделирования цифровых систем Pro Waves. Этот язык нашёл широкое применение при проектировании специализированных цифровых устройств высокого уровня интеграции ASIC, предназначенных для спутникого цифрового телевидения, а также при проектировании цифровых телевизионных интерактивных приёмников-декодеров, выполненных по заказу больших, известных во всём мире фирм, таких как: SGS Thomson Microelectronics, Sun Moon Star, Broadcast Software Systems International и Asia Digital Broadcast. Спроектированные специализированные системы, предназначенные для использования в цифровом спутниковом телевидении, были произведены в количестве более ста тысяч штук.

Ключевие слова: логическое программирование, цифровые системы, символический синтез, моделирование, САД цифровых устройств.

       Підписано до друку 27.07.2001 р. Формат 60x90/I6

       Папір офсетний. Формат видання 145x215мм.

       Умовн. –друк. аркуш. 2,0.  Об. –вид. аркуш. 2,0.

       Тираж 120.        Замовл. 272

       Поліграф. дільн. Інституту  електродинаміки

       НАН України

       252680, ГСП, Київ-57,  проспект Перемоги, 56