Засоби паралельної обробки даних на ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування
Дата
2018-12
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Анотація
Актуальність теми. На сьогодні є велика кількість галузей виробництва, де необхідно забезпечувати високий рівень надійності та безпеки використання об’єктів критичного застосування. Це такі сфери підприємства як:
1. енергетична галузь, а саме атомні електростанції (АЕС), теплові електростанції (ТЕС), гідро електростанції (ГЕС);
2. підприємства із небезпечним виробництвом, які мають велику ймовірність техногенних катастроф;
3. космічна галузь;
4. транспортна галузь.
Безпека та надійність використання таких об’єктів критичного застосування залежить від рівня автоматизованості певної промисловості. Рівень автоматизованості залежить від таких показників, як безвідмовність роботи обчислювальних систем, довершеність архітектурних та програмних рішень, відмовостійкість програмно-апаратних частин, час ремонту тощо.
При виробництві цифрових інтегральних схем (ЦІС) використовуються різні електронні компоненти. Це такі компоненти як базові матричні кристали, вузькоспеціалізовані великі інтегральні схеми (ВІС), які випускаються обмеженими серіями, програмовні логічні контролери тощо. Досить ефективною альтернативою такого компонента є програмовна логічна інтегральна схема (ПЛІС). ПЛІС – це спеціальний електронний компонент, який використовується при створенні ЦІС. ПЛІС відрізняється від інших ЦІС тим, що логіка роботи ПЛІС не задається при її виготовлені. Для задання певної логіки роботи ПЛІС використовують спеціальні програматори та налагоджувальні середовища, що дозволяє задати потрібну структуру цифрового пристрою, а саме у вигляді принципової схеми або програмного коду створеного завдяки спеціальним системам автоматизованого проектування (САПР). Сучасні ПЛІС мають такі характеристики, як
властивість багаторазової переконфігурації, низька вартість виготовлення, низька енергія споживання, висока швидкодія.
Об’єктом дослідження є способи реалізації паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування.
Предметом дослідження є структура спеціалізованого пристрою паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування.
Мета роботи – визначення способу організації та реалізації паралельної обробки даних на основі ПЛІС для ефективного моніторингу об’єктів критичного застосування.
Методи дослідження. В роботі використовуються методи математичного опису алгоритму, методи аналізу та порівняння роботи алгоритмів, комп’ютерної схемотехніки, теорії організації обчислювальних процесів для створення спеціалізованих комп’ютерних систем на ПЛІС.
Наукова новизна:
1. Розроблено математичний опис алгоритму обробки даних для моніторингу об’єктів критичного застосування, яка відрізняється від існуючих паралельністю виконання обробки даних.
2. Запропоновано програмно-апаратну реалізацію спеціального пристрою на ПЛІС для паралельної обробки даних при моніторингу об’єктів критичного застосування.
Практична цінність отриманих в роботі результатів полягає в тому, що була запропонована програмно-апаратна реалізація алгоритму паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування. Основними перевагами є створення унікального пристрою невеликих розмірів із більшою продуктивністю і надійністю.
Висока продуктивність обчислювального засобу, що реалізує алгоритм паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування, обумовлена можливістю швидкої модифікації роботи алгоритму шляхом перепрограмування ПЛІС за допомогою спеціальних систем автоматизованого проектування (САПР). До недоліків реалізації такого обчислювального пристрою на основі ПЛІС можна віднести обмеженість кількості логічних елементів.
Апробація роботи. Результати роботи пройшли апробацію або знаходяться на стадії публікації на конференціях:
1. XI Конференція молодих вчених «Прикладна математика та комп’ютеринг» ПМК-2018-2;
2. IV Міжнародна науково-технічна Internet-конференція «Сучасні методи, інформаційне, програмне та технічне забезпечення систем керування організаційно-технічними та технологічними комплексами;
Результати роботи опубліковані в 3 наукових працях, з яких 3 – тези доповідей.
Структура та обсяг роботи. Магістерська дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків.
У вступі надано загальну характеристику роботи, виконано оцінку сучасного стану проблеми, обґрунтовано актуальність напрямку досліджень, сформульовано мету і задачу досліджень, показано наукову новизну отриманих результатів і практичну цінність роботи, наведено відомості про апробацію результатів та їх впровадження.
У першому розділі розглянуті загальні відомості про ПЛІС; розглянуті альтернативні електронні компоненти, такі як мікроконтролери,
мікропроцесори, однокристальні комп’ютери; розглянуто та проаналізовано основі характеристики об’єктів критичного застосування.
У другому розділі розглянуті загальні відомості про ПЛІС, а саме їх класифікації та характеристика; розглянуто основні сімейства ПЛІС, а саме ПЛІС від провідних компаній Altera та Xilinx; розглянуто класифікацію та характеристики основних сімейств ПЛІС фірми Xilinx. Визначені структурні особливості кожного із сімейств.
У третьому розділі розглянуто, проаналізовано та обґрунтовано способи та види організації обробки даних на ПЛІС; розглянуто основні засоби проектування фірми XILINX; сформульовані вимоги до САПР для проектування пристрою паралельної обробки даних на ПЛІС.
У четвертому розділі описані етапи проектування пристрою паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування; запропоновано алгоритм паралельної обробки даних; запропоновано програмно-апаратну реалізацію алгоритму паралельної обробки даних на основі ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування.
У висновках проаналізовано отримані результати роботи. Визначено умови для яких розроблена реалізація є ефективною. Також запропоновано шляхи покращення розробленого метода та рекомендації щодо подальшого дослідження поставленої задачі.
У додатках лістинг програмного коду VHDL реалізації алгоритму паралельної обробки даних на ПЛІС, лістинг програмного коду тестового об’єкту критичного застосування, текст публікацій, текст презентації.
Робота виконана на 78 аркушах, містить 4 додатки та посилання на список використаних літературних джерел з 26 найменувань. У роботі наведено 33 рисунки та 3 таблиці.
Опис
Ключові слова
пристрій паралельної обробки даних на ПЛІС, об’єкт критичного застосування, Xilinx, FPGA, Spartan-3, САПР, WEBPACK ISE, Verilog, VHDL, parallel processing device for FPGA, critical application object, Xilinx, FPGA, Spartan-3, CAD, WEBPACK ISE, Verilog, VHDL, устройство параллельной обработки данных на ПЛИС, объект критического применения
Бібліографічний опис
Хуповець, Д. Ю. Засоби паралельної обробки даних на ПЛІС для моніторингу об’єктів критичного застосування : магістерська дис. : 123 Комп’ютерна інженерія. Спеціалізовані комп’ютерні системи / Хуповець Дмитро Юрійович. – Київ, 2018. – 99 с.