ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-4-716-724ntv-215Research ArticleКОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИCOMPUTER SCIENCEУсиление роли микроархитектурных этапов проектирования встраиваемых системStrengthening the role of microarchitectural stages of embedded systems designhttps://orcid.org/0000-0002-7061-9357КольчуринМ. В.KolchurinM. V.

Кольчурин Максим Вячеславович — аспирант

sc 57225126062

Санкт-Петербург, 197101

Maxim V. Kolchurin — PhD Student

sc 57225126062

Saint Petersburg, 197101

maxim.kolchurin@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8635-5026ПинкевичВ. Ю.PinkevichV. Yu.

Пинкевич Василий Юрьевич — кандидат технических наук, инженер

sc 56951052900

Санкт-Петербург, 199034

Vasiliy Yu. Pinkevich — PhD, Engineer

sc 56951052900

Saint Petersburg, 199034

vasiliy.pinkevich@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3003-3949ПлатуновА. Е.PlatunovA. E.

Платунов Алексей Евгеньевич — доктор технических наук, профессор

sc 35318291200

Санкт-Петербург, 197101

Alexey E. Platunov — D. Sc., Full Professor

sc 35318291200

Saint Petersburg, 197101

aeplatunov@gmail.comУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationООО «ЛМТ»РоссияLMT Ltd.Russian Federation202215122024224716724Copyright © Кольчурин М.В., Пинкевич В.Ю., Платунов А.Е., 20242024Кольчурин М.В., Пинкевич В.Ю., Платунов А.Е.Kolchurin M.V., Pinkevich V.Y., Platunov A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/215

Предмет исследования. Растущее разнообразие вычислительных систем, стремительное увеличение их сложности, интеграции в объекты и процессы физического мира требуют резкого повышения производительности труда их создателей. Отмечено, что качество, сроки и степень повторного использования результатов проектирования в области информационных технологий сильно зависят от методологий и маршрутов проектирования на этапах выбора и/или создания стеков платформ, технологий и инструментов. Важнейшую роль в этом играют способы описания организации вычислительной системы на различных уровнях и применяемые системы абстракций. Проблема заполнения семантического разрыва между концептуальным (архитектурным) уровнем и уровнями реализации по-прежнему стоит очень остро. Следовательно, требуется создание промышленных методик и инструментов проектирования на «промежуточных» уровнях. Метод. В работе предложены способы представления проектных решений, которые направлены на целостное, сквозное описание как логики организации вычислительного процесса, так и шагов, технологий и инструментов процесса проектирования. Основные результаты. Подробно объяснено наполнение и обоснована необходимость этапов микроархитектурного проектирования вычислительных систем. Введена классификация проектов в области информационных технологий по степени вариативности проектной платформы. Предложен ряд понятий для представления набора абстракций микроархитектурного проектирования в рамках проектов с большой внутренней вариативностью. Подробно описаны следующие абстракции: проектное и аспектное пространства, проектные платформы и кросс-уровневые механизмы. Практическая значимость. Рассмотрены примеры представления ряда предложенных абстракций (рабочих инструментов документирования) микроархитектурных этапов проектирования, которые наиболее актуальны в проектировании вычислительных систем в модели «ограниченных ресурсов»: встраиваемые, киберфизические системы, «граничные» и «туманные» уровни систем интернета вещей.

The growing variety of computing systems, the rapid increase in their complexity, their integration into objects and processes of the physical world require a dramatic increase in the productivity of their creators. It is noted that the quality, timing, and degree of reuse of design results in the field of information technologies strongly depend on design methodologies and routes at the stages of choosing and/or creating stacks of platforms, technologies and tools. The most important role belongs to the ways of describing the organization of the computing system at various levels and to the used systems of abstractions. The problem of filling the semantic gap between the conceptual (architectural) level and the implementation levels is still very acute. So, it requires the creation of industrial techniques and design tools at these “intermediate” levels. The paper suggests ways of presenting design solutions that are aimed at a holistic, end-to-end description of both the logic of the computing process organization and the steps, technologies, and tools of the design process. The content and the necessity of the stages of microarchitectural design of computing systems is justified and explained in detail. Classification of projects in the field of information technologies according to the degree of variability of the project platform is introduced. Several concepts representing a set of abstractions for microarchitectural design within projects with great variability are suggested. The following abstractions are described in detail: project, design and aspect spaces, project platforms and cross-level mechanisms. Examples of several proposed abstractions presentations (design documentation tools) of microarchitectural design stages are discussed that are most relevant in the design of computing systems in the “limited resources” model: embedded systems, cyber-physical systems, “edge” and “fog” levels of Internet of Things systems.

встраиваемая системамикроархитектураисследование пространства проектных решенийаспектное проектированиекросс-уровневые механизмыembedded systemmicroarchitecturedesign space explorationaspect-based designcross-level mechanismscross-cutting mechanismsReferencesПлатунов А.Е., Пинкевич В.Ю. Создание киберфизических систем: проблемы подготовки ИТ-специалистов // Control Engineering Россия. 2021. № 3. С. 64–70.Platunov A.E., Pinkevich V.Yu. Creation of cyber-physical systems: problems of it specialists training. Control Engineering Russia, 2021, no. 3, pp. 64–70. (in Russian)Sangiovanni-Vincentelli A., Martin G. Platform-based design and software design methodology for embedded systems // IEEE Design and Test of Computers. 2001. V. 18. N 6. P. 23–33. https://doi.org/10.1109/54.970421Sangiovanni-Vincentelli A., Martin G. Platform-based design and software design methodology for embedded systems. IEEE Design and Test of Computers, 2001, vol. 18, no. 6, pp. 23–33. https://doi.org/10.1109/54.970421Platunov A., Penskoi A., Kluchev A. The architectural specification of embedded systems // Proc. of the 3rd Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). 2014. P. 48–51. https://doi.org/10.1109/MECO.2014.6862656Platunov A., Penskoi A., Kluchev A. The architectural specification of embedded systems. Proc. of the 3rd Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO), 2014, pp. 48–51. https://doi.org/10.1109/MECO.2014.6862656Пинкевич В.Ю., Платунов А.Е. Тестирование и отладка встраиваемых вычислительных систем на основе уровневых моделей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 5. С. 801–808. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2018-18-5-801-808Pinkevich V.Yu., Platunov A.E. Testing and debugging of embedded computing systems based on level models. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2018, vol. 18, no. 5, pp. 801–808. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2018-18-5-801-808Teich J. Hardware/software codesign: the past, the present, and predicting the future // Proceedings of the IEEE. 2012. V. 100. P. 1411–1430. https://doi.org/10.1109/JPROC.2011.2182009Teich J. Hardware/software codesign: the past, the present, and predicting the future. Proceedings of the IEEE, 2012, vol. 100, pp. 1411–1430. https://doi.org/10.1109/JPROC.2011.2182009Broman D., Lee A., Tripakis S., Törngren M. Viewpoints, formalisms, languages, and tools for cyber-physical systems // Proc. of the 6th International Workshop on Multi-Paradigm Modeling (MPM’12). 2012. P. 49–54. https://doi.org/10.1145/2508443.2508452Broman D., Lee A., Tripakis S., Törngren M. Viewpoints, formalisms, languages, and tools for cyber-physical systems. Proc. of the 6th International Workshop on Multi-Paradigm Modeling (MPM’12), 2012, pp. 49–54. https://doi.org/10.1145/2508443.2508452Clements P., Bachmann F., Bass L., Garlan D., Ivers J., Little R., Merson P., Nord R., Stafford J. Documenting Software Architectures. Views and Beyond / 2nd ed. Pearson Education, 2011. 608 p.Clements P., Bachmann F., Bass L., Garlan D., Ivers J., Little R., Merson P., Nord R., Stafford J. Documenting Software Architectures. Views and Beyond. 2nd ed. Pearson Education, 2011, 608 p.Masin M., Palumbo F., Myrhaug H., de Oliveira Filho J.A., Pastena M., Pelcat M., Raffo L., Regazzoni F., Sanchez A.A., Toffetti A., de la Torre E., Zedda K. Cross-layer design of reconfigurable cyber-physical systems // Proc. of the 20th Design, Automation and Test in Europe Conference and Exhibition (DATE). 2017. P. 740–745. https://doi.org/10.23919/DATE.2017.7927088Masin M., Palumbo F., Myrhaug H., de Oliveira Filho J.A., Pastena M., Pelcat M., Raffo L., Regazzoni F., Sanchez A.A., Toffetti A., de la Torre E., Zedda K. Cross-layer design of reconfigurable cyber-physical systems. Proc. of the 20th Design, Automation and Test in Europe Conference and Exhibition (DATE), 2017, pp. 740–745. https://doi.org/10.23919/DATE.2017.7927088Pohlmann U. A Model-driven Software Construction Approach for Cyber-physical Systems. Universität Paderborn, 2018.Pohlmann U. A Model-driven Software Construction Approach for Cyber-physical Systems. Universität Paderborn, 2018.Platunov A., Kluchev A., Penskoi A. Expanding design space for complex embedded systems with HLD-methodology // Proc. of the 6th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT). 2014. P. 157–164. https://doi.org/10.1109/ICUMT.2014.7002096Platunov A., Kluchev A., Penskoi A. Expanding design space for complex embedded systems with HLD-methodology. Proc. of the 6th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), 2014, pp. 157–164. https://doi.org/10.1109/ICUMT.2014.7002096Bailey B., Martin G. ESL Models and their Application: Electronic System Level Design and Verification in Practice. New York: Springer Publication, 2010. XXIV, 446 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-0965-7Bailey B., Martin G. ESL Models and their Application: Electronic System Level Design and Verification in Practice. New York, Springer Publication, 2010, XXIV, 446 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-0965-7Pinkevich V., Platunov A., Gorbachev Y. Design of embedded and cyber-physical systems using a cross-level microarchitectural pattern of the computational process organization // CEUR Workshop Proceedings. 2020. V. 2893.Pinkevich V., Platunov A., Gorbachev Y. Design of embedded and cyber-physical systems using a cross-level microarchitectural pattern of the computational process organization. CEUR Workshop Proceedings, 2020, vol. 2893.Pinkevich V., Platunov A. Model-driven functional testing of cyber-physical systems using deterministic replay techniques // Proc. of the 1st IEEE International Conference on Industrial Cyber-Physical Systems (ICPS). 2018. P. 141–146. https://doi.org/10.1109/ICPHYS.2018.8387650Pinkevich V., Platunov A. Model-driven functional testing of cyber-physical systems using deterministic replay techniques. Proc. of the 1st IEEE International Conference on Industrial Cyber-Physical Systems (ICPS), 2018, pp. 141–146. https://doi.org/10.1109/ICPHYS.2018.8387650Antonov A., Kustarev P., Bikovsky S. MLIP cores: Designing hardware generators with programmable microarchitectural mechanisms // Proc. of the 52nd IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). 2020. P. 9180593. https://doi.org/10.1109/ISCAS45731.2020.9180593Antonov A., Kustarev P., Bikovsky S. MLIP cores: Designing hardware generators with programmable microarchitectural mechanisms. Proc. of the 52nd IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2020, pp. 9180593. https://doi.org/10.1109/ISCAS45731.2020.9180593Pinkevich V.Y., Platunov A.E., Penskoi A.V. The approach to design of problem-oriented reconfigurable hardware computational units // Proc. of the Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF). 2020. P. 9131512. https://doi.org/10.1109/WECONF48837.2020.9131512Pinkevich V.Y., Platunov A.E., Penskoi A.V. The approach to design of problem-oriented reconfigurable hardware computational units. Proc. of the Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), 2020, pp. 9131512. https://doi.org/10.1109/WECONF48837.2020.9131512

The authors declare that there are no conflicts of interest present.