Αυτοματοποίηση συσχεδίασης υλικού/λογισμικού

Abstract

An Embedded System (E.S.) constitutes a processing unit with architecture and principals similar with those of conventional computers, which is adapted to the needs and requirements of each application. Basic structural element of an E.S. is usually a microprocessor, which is connected, via busses, with elements of temporary and permanent storage (memories RAM, EPPROM, Flash), as well as with hardware modules which communicate with the basic structural elements and are used to carry out specific work, depending on the requirements of each application. These elements are implemented either in not reconfigurable hardware (VLSI, ASICs) or in reconfigurable hardware (PLDs, FPGAs). Consequently, the design of E.S. presupposes, after the specification of the basic structural elements, the division of the algorithm in parts that will be mapped in hardware (FPGA, PLD etc.) and in parts that will be mapped in software (microprocessor). In addition appropriately modified Operating System should be used. In this PhD Thesis the underlying model for the automation of the hardware-software co-design is that of Grammars (Context-free grammars and Attribute Grammars). The last ones can be used in a considerable number of applications of Artificial Intelligence and Syntactic Pattern Recognition. The proposed methodology is based on the mapping of the syntactic part of grammar on hardware (FPGA), while the semantic part on a conventional microprocessor. The first effort was based on the sequential syntactic algorithm of R. Floyd. Afterwards the most efficient algorithm of syntactic recognition was used, that is the parallel algorithm of J. Earley. The last one was improved and extended in order to concurrently evaluate the semantics of the grammar. The aforementioned algorithms were implemented in various architectures that either the FPGA cooperate with exterior microprocessor or the microprocessor has been mapped in the same FPGA where the syntactic recognition takes place, using in each case appropriately modified Operating System.

Ένα Ενσωματωμένο Σύστημα (Ε.Σ.) (Embedded System) αποτελεί υπολογιστική μονάδα με αρχιτεκτονική και αρχές λειτουργίας παρόμοιες με αυτές των συμβατικών υπολογιστών, η οποία ωστόσο προσαρμόζεται στις ανάγκες και απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Βασικό δομικό στοιχείο ενός Ε.Σ., συνήθως, αποτελεί ένας μικροεπεξεργαστής, ο οποίος βρίσκεται συνδεδεμένος μέσω μιας ιεραρχίας διαύλων με στοιχεία προσωρινής και μόνιμης αποθήκευσης (μνήμες RAM, EPPROM, Flash), καθώς και με στοιχεία εξειδικευμένου υλικού τα οποία επικοινωνούν με τα βασικά δομικά στοιχεία και καλούνται να επιτελέσουν συγκεκριμένες εργασίες ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Τα στοιχεία αυτά υλοποιούνται είτε σε μη επαναπρογραμματιζόμενο υλικό (VLSI, ASICs) είτε σε προγραμματιζόμενο υλικό (PLDs, FPGAs). Γίνεται συνεπώς κατανοητό ότι η σχεδίαση ενός Ε.Σ. προϋποθέτει, αφού καθοριστούν τα βασικά δομικά στοιχεία, να διαχωριστεί ο αλγόριθμος σε τμήματα που θα απεικονιστούν στο υλικό (FPGA, PLD κτλ.) και σε τμήματα που θα απεικονιστούν στο Λογισμικό (μικροεπεξεργαστής), καθώς και να διαμορφώσει κατάλληλο λειτουργικό σύστημα που θα διαχειρίζεται τον μικροεπεξεργαστή. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή το χρησιμοποιούμενο μοντέλο για την αυτοματοποίηση της συσχεδίασης Υλικού/Λογισμικού είναι αυτό των Γραμματικών (Γραμματικών χωρίς συμφραζόμενα και Κατηγορηματικών Γραμματικών). Οι τελευταίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πλείστες όσες εφαρμογές Τεχνητής Νοημοσύνης και Συντακτικής Αναγνώρισης. Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται στην απεικόνιση του συντακτικού τμήματος της γραμματικής σε υλικό (FPGA), του δε σημασιολογικού σε έναν μικροεπεξεργαστή. Η πρώτη προσπάθεια στηρίχθηκε στον ακολουθιακό αλγόριθμο συντακτικής αναγνώρισης του R. Floyd. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε ο πλέον αποδοτικός αλγόριθμος συντακτικής αναγνώρισης που υπάρχει, δηλαδή ο παράλληλος αλγόριθμος του J. Earley. Ο τελευταίος βελτιώθηκε και επεκτάθηκε για να καλύψει και τη σημασιολογία της γραμματικής. Οι παραπάνω αλγόριθμοι απεικονίστηκαν σε διάφορες αρχιτεκτονικές, που το FPGA επικοινωνεί με εξωτερικό μικροεπεξεργαστή, ή ο μικροεπεξεργαστής έχει επίσης απεικονιστεί στο FPGA όπου γίνεται και η συντακτική αναγνώριση διαχειριζόμενο πάντα από κατάλληλα τροποποιημένο λειτουργικό σύστημα.