ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-6-1136-1142ntv-330Research ArticleКОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИCOMPUTER SCIENCEМетод документирования архитектурных решений вычислительных платформA method for documenting architectural solutions of computing platformshttps://orcid.org/0000-0001-5419-6422ГорбачевЯ. Г.GorbachevY. G.

Горбачев Ярослав Георгиевич – инженер; преподаватель практики

Санкт-Петербург, 199034;

Санкт-Петербург, 197101

sc 57216337562

 

Yaroslav G. Gorbachev – Engineer; Practice Lecturer

Saint Petersburg, 199034;

Saint Petersburg, 197101

sc 57216337562

yaroslav-go@yandex.ruООО ЛМТ; Университет ИТМОРоссияLMT Ltd.; ITMO UniversityRussian Federation20221812202422611361142Copyright © Горбачев Я.Г., 20242024Горбачев Я.Г.Gorbachev Y.G.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/330Предмет исследования

Предмет исследования. Представлен метод описания вычислительных механизмов и документирования вычислительных платформ. Новизна метода заключается в использовании унифицированных средств для документирования на разных уровнях гранулярности аппаратного, программного и инструментального обеспечения, а также реконфигурируемых (интеллектуальных, адаптивных) компонент. Метод позволяет представлять в понятном виде вычислительные системы с нестандартными архитектурными решениями.

Метод

Метод. Предложенный метод заключается в описании идеальной модели вычислительной платформы с ее последующей итеративной детализацией. Особенность метода – наличие единого для различных систем ядра, которое используется для упрощения описаний и структурирования информации. Ядро включает в себя универсальные элементы и создано на основе анализа большого количества архитектур вычислительных систем. Основные результаты. С использованием предложенного метода описаны принципы организации широкого спектра вычислительных платформ. Рассмотрены следующие платформы: обобщенные процессоры с классической архитектурой, которая является развитием принципов фон-Неймана; программно-аппаратные системы на базе микроконтроллеров; операционные системы общего назначения; крупногранулярные и мелкогранулярные реконфигурируемые вычислительные системы; специализированные процессоры и ускорители; искусственные нейронные сети.

Практическая значимость

Практическая значимость. Предложенный метод может быть использован для структурирования информации как по традиционным, так и по активно развивающимся направлениям: реконфигурируемым вычислительным системам и специализированным процессорам. На основе метода создана общая база универсальных вычислительных механизмов, пригодных для использования в разных узлах системы, для объектов разной гранулярности программными, аппаратными и иными средствами, на разной элементной базе. Результаты работы могут быть полезны системным архитекторам для документирования сложных вычислительных компонент, состоящих из программных, аппаратных и прочих механизмов. Метод направлен на упрощение повторного использования вычислительных механизмов и призван облегчить генерацию новых архитектурных решений. Также метод может быть полезен при обучении профильных специалистов, поскольку позволяет демонстрировать основные принципы вычислительной техники.

The article describes a method for documenting the principles of functioning and internal organization of computing platforms, including reconfigurable computing systems and non-standard processor architectures. The novelty is in using of unified tools to describe: the design process and the computing process, hardware, software and tools, computing components of different granularity. The proposed approach is to describe computing platform as an ideal model that represents abstract algorithms for fulfilling functional requirements without specifying of how to implement it. Then the iterative model refinement follows including selection of physical implementation options, specifying the technological stacks, and additional mechanisms that provide the specified system qualities. A feature of the method is a kernel used for structuring information, classifying and describing the computational mechanisms the system consists of. The kernel includes elements common for different systems and is based on the analysis of a large number of computing architectures. The method describes the principles of the organization of platforms which are usually not considered together. These are: generalized processors with classical architecture which is an evolution of the von Neumann principles; systems based on microcontrollers; operating systems; large- and small-granular reconfigurable systems; specialized processors and accelerators; artificial neural networks. The proposed method can be used to structure information in both traditional and rapidly developing areas: reconfigurable systems and specialized processors. Based on the method, it is possible to create a common database of computing mechanisms suitable for use in different functional units of the system and at different levels of granularity. The results of the work can be useful for system architects to describe complex computing mechanisms consisting of software, hardware and dynamically generated adaptive «intelligent» components which will simplify their reuse and can be used to generate new architectural solutions. Also, the proposed method can be used in the process of training specialists, for a visual demonstration of the basic principles of computer technology.

архитектура вычислительной системыархитектурное описаниевычислительная платформавычислительный механизмреконфигурируемая системадинамическая реконфигурацияarchitecturearchitectural descriptioncomputing systemscomputing mechanismsreconfigurable systemsReferencesChattopadhyay A. Ingredients of adaptability: A survey of reconfigurable processors // VLSI Design. 2013. P. 1–18. https://doi.org/10.1155/2013/683615Chattopadhyay A. Ingredients of adaptability: A survey of reconfigurable processors. VLSI Design, 2013, pp. 1–18. https://doi.org/10.1155/2013/683615Reshadi M. No-Instruction-Set-Computer (NISC) Technology Modeling and Compilation: PhD dissertation / University of California, Irvine. 2007. 153 p.Reshadi M. No-Instruction-Set-Computer (NISC) Technology Modeling and Compilation. PhD dissertation. University of California, Irvine. 2007, 153 p.Somnath P., Swarup B. Computing with Memory for Energy-Efficient Robust Systems. Dordrecht: Springer, 2011. 249 p.Somnath P., Swarup B. Computing with Memory for Energy-Efficient Robust Systems. Dordrecht, Springer, 2011, 249 p.Siegl P., Buchty R., Berekovic M. Data-centric computing frontiers: A survey on processing-in-memory // Proc. of the Second International Symposium on Memory Systems (MEMSYS ‘16). 2016. P. 295–308. https://doi.org/10.1145/2989081.2989087Siegl P., Buchty R., Berekovic M. Data-centric computing frontiers: A survey on processing-in-memory. Proc. of the Second International Symposium on Memory Systems (MEMSYS ‘16), 2016, pp. 295–308. https://doi.org/10.1145/2989081.2989087Tabkhi H., Bushey R., Schirner G. Function-level processor (FLP): A novel processor class for efficient processing of streaming applications // Journal of Signal Processing and Systems. 2016. V. 85. N 1. P. 287–306. https://doi.org/10.1007/s11265-015-1058-5Tabkhi H., Bushey R., Schirner G. Function-level processor (FLP): A novel processor class for efficient processing of streaming applications. Journal of Signal Processing and Systems, 2016, vol. 85, no. 1, pp. 287–306. https://doi.org/10.1007/s11265-015-1058-5Lysecky R., Stitt G., Vahid F. Warp Processors // ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems. 2006. V. 11. N 3. P. 659–681. https://doi.org/10.1145/1142980.1142986Lysecky R., Stitt G., Vahid F. Warp Processors. ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems, 2006, vol. 11, no. 3, pp. 659–681. https://doi.org/10.1145/1142980.1142986Pinkevich 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.Savage J. Models of Computation: Exploring the Power of Computing. Boston, MA, USA: Addison-Wesley, 1998. 600 p.Savage J. Models of Computation: Exploring the Power of Computing. Boston, MA, USA, Addison-Wesley, 1998, 600 p.Processor Description Languages / ed. by M. Prabhat, D.Nikil. San Francisco, CA, USA, Morgan Kaufmann Publishers Inc., 2008. 432 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374287-2.X5001-0Processor Description Languages. Ed. by M. Prabhat, D.Nikil. San Francisco, CA, USA, Morgan Kaufmann Publishers Inc., 2008, 432 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374287-2.X5001-0Aarenstrup R. Managing Model-Based Design. Natick, MA: MathWorks Inc., 2015. 86 p.Aarenstrup R. Managing Model-Based Design. Natick, MA, MathWorks Inc., 2015, 86 p.Nane R., Sima V., Pilato C., Choi J., Fort B., Canis A., Chen Y., Hsiao H., Brown S., Ferrandi F., Anderson J., Bertels K. A Survey and evaluation of FPGA high-level synthesis tools // IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 2016. V. 35. N 10. P. 1591–1604. https://doi.org/10.1109/TCAD.2015.2513673Nane R., Sima V., Pilato C., Choi J., Fort B., Canis A., Chen Y., Hsiao H., Brown S., Ferrandi F., Anderson J., Bertels K. A Survey and evaluation of FPGA high-level synthesis tools. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, 2016, vol. 35, no. 10, pp. 1591–1604. https://doi.org/10.1109/TCAD.2015.2513673Booch G., Jacobson I., Rumbaugh J. The Unified Modeling Language User Guide. Boston, MA, USA: Addison-Wesley, 1998. 391 p.Booch G., Jacobson I., Rumbaugh J. The Unified Modeling Language User Guide. Boston, MA, USA, Addison-Wesley, 1998, 391 p.Delligatti L. SysML Distilled: A Brief Guide to the Systems Modeling Language. Boston, MA, USA: Addison-Wesley, 2013. 267 p.Delligatti L. SysML Distilled: A Brief Guide to the Systems Modeling Language. Boston, MA, USA, Addison-Wesley, 2013, 267 p.Jean-Luc V. Model-based System and Architecture Engineering with the Arcadia Method. Elsevier, 2017. 388 p.Jean-Luc V. Model-based System and Architecture Engineering with the Arcadia Method. Elsevier, 2017, 388 p.

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