Усиление роли микроархитектурных этапов проектирования встраиваемых систем

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.

1. Платунов А.Е., Пинкевич В.Ю. Создание киберфизических систем: проблемы подготовки ИТ-специалистов // Control Engineering Россия. 2021. № 3. С. 64–70.

2. 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/10.1109/54.970421

3. Platunov 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.2014.6862656

4. Пинкевич 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/10.17586/2226-1494-2018-18-5-801-808

5. Teich 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.2011.2182009

6. Broman 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/10.1145/2508443.2508452

7. 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.

8. 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.2017.7927088

9. Pohlmann U. A Model-driven Software Construction Approach for Cyber-physical Systems. Universität Paderborn, 2018.

10. 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.2014.7002096

11. Bailey 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/10.1007/978-1-4419-0965-7

12. 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. V. 2893.

13. 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.2018.8387650

14. Antonov 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/ISCAS45731.2020.9180593

15. Pinkevich 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/WECONF48837.2020.9131512