Главная страница
qrcode

ВКР Магистра. Программный сложно-функциональный блок


НазваниеПрограммный сложно-функциональный блок
Дата08.10.2019
Размер2.06 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаВКР Магистра.PDF
оригинальный pdf просмотр
ТипПрограмма
#65602
страница1 из 8
Каталог
  1   2   3   4   5   6   7   8
1
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)»
(СПбГЭТУ “ЛЭТИ”)
Направление
11.04.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Программа
Контроль состояния объектов
Факультет
ФРТ
Кафедра
РС
К защите допустить
Зав. кафедрой
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
МАГИСТРА
Тема: ПРОГРАММНЫЙ СЛОЖНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ БЛОК
УПРАВЛЕНИЯ И ТЕЛЕМЕТРИИ ДЛЯ МОДУЛЕЙ РАСПРЕДЕЛЕН-
НОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Студент
Гусев Д.В.
подпись
Руководитель к.т.н. доцент
Богачев М.И.
(Уч. степень, уч. звание)
подпись
Консультанты
Лебедев Д.Г.
(Уч. степень, уч. звание)
подпись
Алексеева О.Г.
(Уч. степень, уч. звание)
подпись
Санкт-Петербург
2016
2
ЗАДАНИЕ
НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ
Утверждаю
Зав. кафедрой РС
____________
«___»______________20___ г.
Студент
Гусев Д.В.
Группа 0181
Тема работы: Программный сложно-функциональный блок управления и телеметрии для модулей распределенной вычислительной системы.
Место выполнения ВКР: АО «НИИ «ВЕКТОР»
Исходные данные (технические требования): Описание интерфейса IPMI;
Вид входных сигналов, приходящих от контроллера.
Содержание ВКР: Описание протокола взаимодействия программного сложно-функционального блока управления и телеметрии, его моделирование, оценка занятого количества логического пространства на ПЛИС, программный код сложно-функционального блока управления и телеметрии на языке Verilog.
Перечень отчетных материалов: пояснительная записка, иллюстративный материал
Дополнительный раздел: Составление бизнес-плана по коммерциализации результатов НИР магистранта.
Дата выдачи задания
Дата представления ВКР к защите
«___»______________20___ г.
«___»______________20___ г.
Студент
Гусев Д.В.
Руководитель к.т.н. доцент
Богачев М.И.
(Уч. степень, уч. звание)
Консультант
Лебедев Д.Г.
(Уч. степень, уч. звание)
3
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ
ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Утверждаю
Зав. кафедрой РС
____________
«___»______________20___ г.
Студент
Гусев Д.В.
Группа 0181
Тема работы: Программный сложно-функциональный блок управления и телеметрии для модулей распределенной вычислительной системы.
№ п/п
Наименование работ
Срок выполнения
1
Обзор литературы по теме работы
29.02 –
07.03 2
Разработка протокола логического уровня взаимодействия между программным сложно-функциональным блоком управления и телеметрии и контроллером управления.
08.03 –
23.03 3
Реализация программного сложно-функционального блока управления и телеметрии на языке Verilog.
24.03-1.04 4
Проведение моделирования программного сложнофункционального блока управления и телеметрии в пакете Matlab (Simulink) в режиме совместной симуляции с программой Modelsim.
2.04-9.05
Студент
Гусев Д.В
Руководитель к.т.н. доцент
Богачев М.И.
Консультант
Лебедев Д.Г.
(Уч. степень, уч. звание)
4
РЕФЕРАТ
Данная работа содержит 79 страниц, 54 рисунка, 11 таблиц, 10 использованных источников и 1 приложение.
Объектом разработки является программный сложно-функциональный блок управления и телеметрии для распределенной вычислительной системы.
Цель работы заключается в программной реализации ядра (Сложнофункционального блока) для дальнейшей реализации в ПЛИС 5576ХС6Т отечественной разработки, которая является аналогом ПЛИС Altera FLEX10.
В процессе разработки решены следующие задачи:
-
Разработано программное ядро блока управления и телеметрии;
-
Произведено моделирование программного блока на ПЭВМ.
Для выполнения поставленной задачи использовались средства автоматизированного проектирования: среда разработки, моделирования и верификации проектов для программируемых логических интегральных схем Modelsim в режиме совместной симуляции с Matlab (Simulink); Интегрированная среда разработки конфигурации и программирования ПЛИС Altera Quartus II.
В работе приводится подробное описание протокола взаимодействия с программным блоком управления и телеметрии, разработанные структурная и функциональная схемы этого блока, временные диаграммы, полученные в результате моделирования работы блока на ПЭВМ.
Применение разработки не ограничивается использованием ПЛИС конкретной фирмы. Данный программный блок с незначительными изменениями может применяться также и с рядом других ПЛИС.
5
ABSTRACT
The aim of this graduation master work is to develop program IP core of control and telemetry for distributed computer system. In further work it is planned to realize this IP core on FPGA 5576ХС6Тwhich is analogous to FPGA Altera
FLEX10. In this work detailed description of protocol of interaction with IP core of control and telemetry is provided, structural and functional scheme of this module is designed. It was also simulated and verified in program Matlab
(Simulink) in co-simulation mode with Modelsim.
This development can be realized not only on the specific FPGA , but also on some other FPGA , but with minor changes.
6
СОДЕРЖАНИЕ
7
8
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ОДСК – Обмена данными с системным контроллером
ПЛИС – Программно логическая интегральная схема
ПО – Программное обеспечение
РВС – Распределенная вычислительная система
РПО – Реконфигурирование программного обеспечения
СФ – Сложно-функциональный
СФБУТ – Сложно-функциональный блок управления и телеметрии
ТОДМ – Телеметрия и обмен данными с модулем датчиков
АСК – Acknowledgment
BMC – Baseboard management controller
CRC – Cyclic redundancy check
HDL – Hardware description language
IPMB – Intelligent Platform Management Bus
IPMI – Intelligent Platform Management Interface
LAN – Local Area Network
MSB – Most significant bit
SCL – Serial CLock
SDA – Serial DAta
9
ВВЕДЕНИЕ
Целью данной работы является разработка программного сложнофункционального блока управления и телеметрии (СФБУТ), для модулей распределенной вычислительной системы (РВС).
Сложно-функциональные (СФ) блоки получили широкое распространение при проектировании современных систем на кристалле. На СФ блоках могут быть реализованы достаточно ресурсоемкие функции обработки данных, обмена между различными функциональными модулями, интерфейсы работы с внешними устройствами.
Программный СФ блок - это готовый блок модуля или устройства, который впоследствии будет реализован на интегральной микросхеме. Принцип использования СФ блока строится на том, чтобы вместо проектирования целого сложного устройства, проектировать отдельные универсальные модульные СФ блоки, которые впоследствии могут быть включены в более крупные функциональные блоки или устройства. Использование СФ блоков позволяет ускорить процесс проектирования, а также обеспечивает возможность верификации проекта на более ранних стадиях разработки. В данной работе СФ блок реализуется на языке описания аппаратуры HDL (Verilog).
[1]
Язык описания аппаратуры описывает логику устройства, а не детали электронных компонентов этого устройства, которое будет реализовано на этой логике.
После описания проектируемого блока на языке HDL, код преобразуется в список соединений под конкретную микросхему.
Для реализации устройства на языке описания аппаратуры существует большое количество интегральных микросхем, которые выбираются исходя из критериев и ограничений, выявленных при разработке, таких как необходимая мощность, размер, производительность, цена и т.д.
10
В данной работе РВС строится на отечественной элементной базе, которая выбирается с учетом стойкости к влиянию специальных факторов.
Данное обстоятельство накладывает серьезные ограничения на технические параметры используемой элементной базы, в том числе и микросхемы для реализации программного СФБУТ.
Так как разрабатываемый СФБУТ предполагается использовать во многих функциональных модулях РВС, необходимо чтобы СФБУТ был универсальным и подходил для каждого модуля РВС, т.е. имел функционал с учетом специфики каждого модуля.
Главной задачей сложно-функционального блока управления и телеметрии (СФБУТ) является обеспечение работоспособности РВС на всех этапах жизненного цикла. Данная задача включает в себя как функции контроля работоспособности, так и функции контроля целостности и обновления программного обеспечения каждого функционального модуля РВС.
При реализации программного СФБУТ, за основу был взят существующий интерфейс IPMI, но при разработке было принято решение отойти от стандарта, упростив интерфейс под конкретную специфику проекта.
11
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1.1. Распределенная вычислительная система
Системы распределенной обработки информации и параллельные вычислительные технологии относятся к базовым средствам ХХI столетия. Они призваны удовлетворять возрастающие запросы в быстродействии, надежности и отказоустойчивости.
Распределенная вычислительная система (РВС) – вычислительная система, реализованная для решения трудоемких вычислительных задач с применением нескольких вычислительных модулей, чаще всего объединенных в параллельную вычислительную систему. Основными особенностями РВС является возможность неограниченного наращивания производительности за счет масштабирования и разделение систем на независимые модули с обеспечением возможности доступа различных процессоров к разным модулям одновременно. При этом возможны различные топологии получающихся систем межмодульной связи (полный граф, кольцо, звезда, решетка и т.д.).
При разработке топологии РВС необходимо выделить два информационных контура: контур управления и функциональный контур.
Таким образом, вся информация, циркулирующая в этих контурах, разделяется на два класса: данные управления и функциональные данные.
При передаче данных управления (задание на режим, контроль состояния, телеметрия и т.д.) объем информации незначителен, но при этом требуется высокая надежность и минимальное время доставки, что особенно критично в системах реального времени. В случае обмена функциональными данными (оцифрованные сигналы, результаты обработки и т.д.) интенсивность потоков, как правило, значительно возрастает, а значит, и возрастают требования к пропускной способности межмодульных связей.
При этом время доставки уже не играет определяющую роль.
12
В прошлом реализация контура управления производилась с помощью множества интерфейсов. Сейчас в большинстве случаев используется интерфейс IPMI, который стал стандартом для “Системы управления”.
1.2. Интерфейс IPMI
IPMI - это интеллектуальный интерфейс управления платформой. Термин ―интеллектуальное управление платформой‖ подразумевает функции автоматического мониторинга и восстановления работоспособности системы, которые встроены в аппаратно-программные средства управления платформой. Важной особенностью интеллектуального управления платформой является то, что управление и мониторинг возможен даже при выключенном состоянии системы или независимо от программного обеспечения (например, в случае программного сбоя).
К возможностям IPMI можно отнести:

Мониторинг параметров, таких как температура, напряжение, состояние источников питания, физическая безопасность системы и т.д.;

Включение/выключение и перезагрузка системы автоматически, на основе полученных параметров, или вручную локально;

Фиксирование выходящих из допустимого диапазона состояний для последующего исследования и предупреждения;

Предоставление информации, которая помогает идентифицировать устройство, которое вышло из строя.
На рисунке 1.1 показана блок-схема IPMI. Основой архитектуры IPMI является микроконтроллер управления главной платой или системный контроллер (BMC). Он реализует взаимодействие между программным обеспечением (ПО) и аппаратными средствами управления платформой, а также производит автономное наблюдение, документирование событий и проверку восстановления системы. [2]
13
Рисунок 1.1

Блок-схема стандарта IPMI.
У BMC имеется подключение к датчикам, с помощью которых производится мониторинг значений физических параметров (температура, напряжение и т.д.). Также BMC подключен к энергонезависимой памяти (Nonvolatile Storage), где хранится журнал событий системы. [3] IPMI предусматривает расширение управления платформой подключением дополнительных контроллеров к системе с помощью шины IPMB.
IPMB это последовательная шина, соединяющая основные модули системы. IPMB базируется на последовательном интерфейсе взаимодействия
I²C.
Дополнительные контроллеры, обеспечивающие управление подсистем, подключенные по шине IPMB, могут располагаться на других внешне
14 подключенных платах. Благодаря стандартизации внутренних связей, основная плата легко интегрируется в различные шасси. [4]
Для взаимодействия с различными модулями управления платформой,
IPMI может использовать интерфейсы, такие как: IPMB, LAN, ICMB, PCI и так далее. Независимо от интерфейса, в сообщениях IPMI используются одни и те же поля полезной нагрузки. Интерфейсы, которым доступна информация от сообщений IPMI, показаны стрелками в обе стороны на рисунке 1.1.
В связи с этим становится возможно часть ПО одного интерфейса изменить для использования в другом, применив соответствующий драйвер нижнего уровня конкретного канала связи.
Обмен сообщениями IPMI происходит по принципу запрос/ответ, что облегчает передачу сообщений IPMI через разные виды связи. Сообщения запроса, как и сообщения ответа, имеют поля команд и поля передаваемых данных.
Доступ к анализируемой информации, такой как температура и напряжение, состояние вентилятора и т.д., осуществляется через IPMI сенсор.
IPMI применяет определенные команды для обращения к датчикам, таким как команды чтения. По типу показаний датчики могут быть, как и аналоговыми, так и цифровыми.
У контроллера BMC имеется доступ к энергонезависимой памяти, куда он записывает все происходящие события, такие как превышения показателей датчиков и т.п. Это гарантирует получение доступа к информации даже в случае сбоя.
При помощи специального набора команд IPMI возможно прочтение, запись, а также очистка событий журнала. В сообщениях о событии передаются данные, о датчике и значения самого датчика. [2]
15
1.3. Контур управления распределенной вычислительной системы
Распределенная вычислительная система строится на отечественной элементной базе, которая выбирается с учетом стойкости к влиянию специальных факторов. Данное обстоятельство накладывает серьезные ограничения на технические параметры используемой элементной базы. В этих условиях тщательная разработка и оптимизация аппаратного и программного обеспечения играет определяющую роль.
Исходя из этого, стандартная реализация интерфейса IPMI с использованием в каждом функциональном модуле микроконтроллера, не оптимальна по потреблению энергии и массогабаритным параметрам. Вместо контроллеров в функциональных модулях РВС используется программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), реализующая функции IPMI.
При этом был оставлен BMC. Взаимодействие ПЛИС с BMC реализовано посредством последовательного интерфейса I²C в качестве физического уровня взаимодействия, при этом был разработан логический уровень протокола взаимодействия, который обладает необходимым функционалом, для взаимодействия всех СФБУТ с BMC, на каждом функциональном модуле
РВС.
Использование
ПЛИС вместо микроконтроллера дает ряд преимуществ, таких как:

Лучшие по сравнению с микроконтроллерами массогабаритные характеристики и потребление энергии;

Возможность усовершенствования СФБУТ.
Таким образом, в данной работе необходимо было разработать универсальный программный сложно-функциональный блок управления и телеметрии для реализации на ПЛИС. Универсальность блока определяется возможностью работы на разных модулях РВС с учетом специфики их построений.
16
2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО СЛОЖНО-
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ И ТЕЛЕМЕТРИИ,
ДЛЯ МОДУЛЕЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ
Главной задачей программного сложно-функционального блока управления и телеметрии является обеспечение работоспособности РВС на всех этапах жизненного цикла. Данная задача включает в себя функции контроля работоспособности как функциональных модулей РВС, так и функции контроля целостности и обновления программного обеспечения этих модулей.
Универсальные сложно-функциональные блоки управления и телеметрии объединены последовательным интерфейсом и работают под управлением BMC. Выделенный BMC собирает регистрационную и телеметрическую информацию с СФБУТ обо всех функциональных модулях РВС, и, на основе заданных алгоритмов, принимает решение о включении каждого из модулей в состав работающей аппаратуры и его роли.
В общем виде, контур управления представлен на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1

Контур управления.
17
СФБУТ предназначен для контроля состояний каждого функционального модуля и реконфигурации ПО в этих модулях. СФБУТ постоянно производит мониторинг физических данных (температура, напряжение и т.д.) функциональных модулей РВС и результаты измерений передает к BMC.
Кроме этого, СФБУТ принимает и контролирует данные, необходимые для реконфигурации программного обеспечения функциональных модулей, хранящегося в энергонезависимой памяти каждого модуля. Взаимодействие с системным контроллером осуществляется посредством интерфейса I²C, по принципу запрос-ответ.
В состав СФБУТ входят три функциональных узла:

Узел обмена данными с системным контроллером (ОДСК);

Узел телеметрии и обмена данными с модулем датчиков
(ТОДМ);

Узел реконфигурации программного обеспечения (РПО).
Функциональная схема СФБУТ представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2

Функциональная схема СФБУТ.
Так как предполагается, что СФБУТ будет установлен в различных модулях РВС, у которых для реконфигурации ПО устройств, входящих в состав конкретного функционального модуля, используются разные типы памяти, необходимо в СФБУТ реализовать поддержку этих различных типов памяти.
18
Также необходимо реализовать поддержку различного подключения датчиков.
Таким образом, к СФБУТ были предъявлены следующие требования:

Скорость передачи по I²C 100 кбит/c;

Возможность работы с разными типами датчиков;

Максимальное количество занимаемых логических элементов не более
50 % от общего объема, предоставляемого ПЛИС;

Возможность работы с разными типами памяти, которые используются в различных модулях РВС;

Поддержка до 4 модулей памяти каждого типа.
  1   2   3   4   5   6   7   8

перейти в каталог файлов


связь с админом