СТРУКТУРА ПРОГРАММНО-АПАРАТНОГО СТЕНДА ДЛЯ УДАЛЁННОГО ТЕСТИРОВАНИЯ И ОТЛАДКИ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТ НА ПЛИС

СТРУКТУРА ПРОГРАММНО-АПАРАТНОГО СТЕНДА ДЛЯ УДАЛЁННОГО ТЕСТИРОВАНИЯ И ОТЛАДКИ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТ НА ПЛИС

УДК 004.35

Стрелец Андрей Иванович

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

студент магистратуры 2 курс

кафедры «Компьютерные системы и технологии»

Россия, г. Москва

E-mail: streletsai@yandex.ru

 

Черникова Елена Андреевна

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

студент магистратуры 2 курс

кафедры «Компьютерные системы и технологии»

Россия, г. Москва

Иванников Владислав Сергеевич

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

студент магистратуры 2 курс

кафедры «Компьютерные системы и технологии»

Россия, г. Москва

Тимофеев Кирилл Валерьевич

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

студент бакалавриата 4 курс

кафедры «Компьютерные системы и технологии»

Россия, г. Москва

THE STRUCTURE OF SOFTWARE AND HARDWARE OF STAND FOR REMOTE TESTING AND DEBUGING OF DIGITAL DEVICES AT FPGA

Strelets Andrey Ivanovich

National Research Nuclear University MEPhI

graduate student, second course

Department of Computer Systems and Technologies

Moscow, Russia

E-mail: streletsai@yandex.ru

Chernikova Elena Andreevna

National Research Nuclear University MEPhI

graduate studentsecond course

Department of Computer Systems and Technologies

Moscow, Russia

Ivannikov Vladislav Sergeevich

National Research Nuclear University MEPhI

graduate student, second course

Department of Computer Systems and Technologies

Moscow, Russia

Timofeev Kirill Valeryevich

National Research Nuclear University MEPhI

undergraduate student, fourth course

Department of Computer Systems and Technologies

Moscow, Russia

АННОТАЦИЯ:

В статье рассматривается структура и принципы работы программно-аппаратного стенда для удалённого тестирования и отладки. В статье проведено сравнение с существующими решениями. Проведен анализ достоинств и недостатков разработанного решения.

ABSTRACT:

The report is about structure and working algorithms of stand for remote testing and debugging. This report contains the comparation of stand with existing solution. Also, the report contains advantages and disadvantages of designed device.

Ключевые слова: ПЛИС, тестирование, отладка, ЭВМ, удалённый доступ

Key words: FPGA, testing, debuging, computer science, remote control

Введение

В настоящее время разрабатывается всё большее и большее количество цифровых устройств различного назначения. Цифровые устройства используется в самых различных областях жизни и с каждым годом становятся всё сложнее и сложнее. Растущая сложность цифровых устройств приводит к увеличению сроков разработки и к снижению надёжности. Поэтому, вместе с увеличением сложности разрабатываемых схем происходит непрерывное развитие существующих и появление новых средств, помогающих разработчику создавать и отлаживать новые схемы.

Сегодня для производства цифровой аппаратуры всё чаще используются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). ПЛИС применяется для построения различных разрабатываемых узлов цифровых устройств. Современные ПЛИС Xilinx Spartan-6 содержат до 150 тысяч логических ячеек, а промышленные Xilinx Virtex-6 до 800 тысяч логических ячеек [1]. Схожие характеристики и у ПЛИС от производителя Altera – основного конкурента Xilinx. Это позволяет разрабатывать на ПЛИС цифровые устройства различной сложности, делая такой способ разработки достаточно популярным, оттесняя в прошлое разработку на базе сборных схем [2].

Целью данной работы является анализ и сравнение средств отладки и визуализации процессов, протекающих в цифровом устройстве, а также разработка программного обеспечения, отвечающего современным требованиям, предъявляемым к подобным средствам. Разработанная программа должна предоставлять функционал как для тестирования и отладки схемы в режиме удалённого доступа, так и для создания виртуального стенда для полноценной работы со схемой.

1. Основные требования, предъявляемые к стенду с возможностью удалённого доступа

Для выполнения практики необходимо сформулировать основные требования, предъявляемые к виртуальному стенду для удаленной отладки и тестирования. Виртуальный стенд должен обеспечивать возможность пошаговой отладки, вывод и ввод пользовательских данных, масштабируемость, кроссплатформенность. Исходя из требований, виртуальный стенд должен содержать аппаратные блоки, предназначенные для проведения пошаговой отладки. Требование кроссплатформенности означает, что разрабатываемая программа должна иметь возможность запускаться как на Windows системах, так и на Unix-подобных системах.

В общем случае, виртуальный стенд может иметь несколько переключаемых панелей, каждая из которых предназначена для отображения состояний отдельных иерархических блоков аппаратуры или их групп. Все графические компоненты виртуального стенда должны иметь текстовые описания, однозначно определяющие имена соответствующих им элементов схемы, узлов, устройств, блоков, сигналов или их функциональных групп. При именовании графических объектов целесообразно придерживаться обозначений, применяемых при разработке алгоритмов микропрограмм для микроконтроллеров MCS-5. Это значительно облегчит потактовую отладку, а также упростит использование виртуального стенда.

2. Анализ достоинств и недостатков современных решений для удалённой работы с ПЛИС

Существует ряд программных и аппаратных средств, способных упростить тестирование схемы на ПЛИС с помощью визуализации процессов, протекающих в схеме: виртуальные стенды с использованием LabVIEW, программа ChipScope от Xilinx, аппаратные стенды, разработанные для различных областей наук и промышленности.

Наибольшую популярность среди систем, моделирующих различные виртуальные стенды, завоевал продукт LabVIEW от разработчика National Instruments. Данная среда разработки используется для разработки компонент систем сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами. LabVIEW позволяет создавать функциональные интерфейсы, включающие в себя более сложные элементы, например различного рода индикаторы, шкалы, трёхмерные графики.

Программирование в среде LabVIEW осуществляется на графическом языке. Программист соединяет нужные блоки путём проведения линий между входа и выходами, таким образом, создавая программу не в виде текста, а виде схемы. Результатом работы программиста является виртуальное устройство, состоящее из двух частей – блочной программы и лицевой панели. Блочная программа состоит из функциональных узлов, которые являются источниками, приёмника и обработчиками данных. Подобный подход к проектированию позволяет быстро создавать очень гибкие графические интерфейсы без изучения синтаксиса дополнительных языков программирования. Разработанный интерфейс вместе с дополнительной логикой может использоваться как виртуальный стенд, позволяя тестировать схему на ПЛИС или любое другое внешнее устройство. Однако стоит отметить, что при размещении логики окружения на уровне LabVIEW взаимодействие между тестируемой целевой схемой или внешним устройством осуществляется на частотах отличных от ПЛИС.

Другим недостатком LabVIEW можно отметить чрезмерное упрощение настроек при имплементации проекта. Система LabVIEW не позволяет получить доступ к полному спектру настроек оптимизаций Xilinx. При имплементации пользователь системы может выбрать только оди из трёх видов оптимизации: по уровню энергопотребления, по частоте работы и по площади, занимаемой на ПЛИС. Подробные настройки Xilinx из LabVIEW недоступны. Еще одним недостатком является закрытость исходного кода системы LabVIEW, что ограничивает её применение.

Другим представителем систем виртуального стенда является программа ChipScope. Эта программа разработана компанией Xilinx и поставляется вместе со средой ISE Xilinx. Данная программа предназначена ввода и вывода значений сигналов со схемой, созданных на ПЛИС Xilinx. Программа использует три модуля: ILA, VIO, ICON. ILA (Integrated Logic Analyser) – логический анализатор, предоставляющий возможность наблюдать изменения сигналов в течении времени. VIO (Virtual Input/Output) – модуль виртуального ввода-вывода. Третий модуль ICON (Integrated CONtroller) – контроллер, необходимый для связи VIO и ILA с компьютером и является обязательным при подключении любого из двух предыдущих модулей. Удалённо ChipScope может использоваться только совместно с технологией удалённого рабочего стола. Однако, основным недостатком является низкая гибкость программы при построении интерфейсов, что ограничивает её применение только небольшими проектами.

Проанализировав существующие решения, можно прийти к выводу, что ни одна из существующих систем не сочетает в себе одновременно гибкость при построении интерфейсов и полноту настроек при имплементации проекта. Разработанная в рамках данной работы система отвечает данным требованием

3. Разработка виртуального стенда с использованием технологии Microsoft REMOTE Desktop для микропроцессорной системы на ПЛИС

Виртуальный стенд состоит из аппаратной части и программной. Аппаратная часть подключается к тестируемой схеме, а программная позволяет пользователю задавать входные воздействия и анализировать выходные в наглядном для пользователя вида. Основные блоки изображены на рисунке 1.

Obschaya_skhema2

Рис. 1. Основные компоненты

Для создания графической части и внутренней структуры приложения необходимо выбрать программные средства, которые поддерживают работы с графическим интерфейсом, а язык наиболее подходит для описания элементов стенда.

В качестве архитектуры была выбрана трехзвенная архитектура. В качестве серверного фреймворка выбран фреймворк ASP .NET Core, предоставляющий возможность работать как на серверах под управление ОС Windows, так и Linux. Клиентская часть отображается в браузере и написана с использованием HTML5, JavaScript и CSS. Аппаратная часть реализована на VHDL.

4. Результаты

В результате проделанной работы были проанализированы современные решения для удалённой работы с ПЛИС, сформулирован перечень основных требований, предъявляемых к “виртуальным стендам”. Разработана структура программы и все основные классы, проведено тестирование отдельных модулей и системы в целом. Также был разработан графический интерфейс системы, позволяющий работать со стендом. На рисунке 2 представлен результирующий стенд.

Рис. 2. Разработанный стенд

Для работы со стендом достаточно включить сервер, перейти по адресу localhost:5000 и подключить элемент на VHDL к тестируемой схеме.

Заключение

В проделанной работы были разработан виртуальный стенд для удалённой отладки и тестирования цифровых схем. Стенд может использоваться для демонстрации работы различных цифровых устройств. В частности, стенд может использоваться для выполнения лабораторных практикумов по схемотехнике и микропроцессорным системам. Разработанная стенд является кроссплатформенным и может работать как под Windows, так и под Linux.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Угрюмов, Е. П. Программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика, базовые матричные кристаллы. Цифровая схемотехника. Учебное пособие для вузов. / Угрюмов, Е. П. БХВ-Петербург, 2004. – 357с.

2. Xilinx : https://www.xilinx.com/products/intellectual-property/vio.html (дата обращения: 5.05.2017)

3. Bress, T. Effective LabVIEW Programming. — NTS Press, 2013. — 720 p.

 

МОДУЛИ ШИФРАЦИИ И ДЕШИФРАЦИИ КРИПТОГРАФИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

В данной статье рассматривается шифрование данных аппаратно-программным способом. Описывается структурная схема криптографического преобразователя, выполняющий шифрацию и дешифрацию переданного сообщения. Также дается подробное описание математической модели криптографического преобразователя с использованием метода «карт Карно». Далее производится выбор компонентной базы блоков шифрации и дешифрации. Подробнее

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ СТАНДАРТНЫХ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО РЕМОНТУ И РАЗВИТИЮ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ.

В статье рассматриваются различные методы реализации мониторинга состояния дорожного покрытия, для решения задачи диспетчеризации дорог и для получения данных о состоянии дорожного покрытия, для системы принятия стандартных управленческих решений в области дорожного ремонта. Также в статье выбираются критерии для сравнения методов и приводится соответствие рассматриваемых методов выделенным критериям, с целью выбора наиболее подходящего метода мониторинга. Подробнее

ФИНАЛЬНАЯ ВЕРСИЯ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ – MACOS MOJAVE

В статье рассматривается содержание операционной системы, определены изменения в структуре работы с пользователем. Отмечено новых функций для упрощения жизни человека.

Подробнее