Розробка та реалізація методів обчислення елементарних функцій на основі програмних та апаратних засобів

Abstract

Дисертаційна робота присвячена удосконаленню методів обчислення тригонометричних функцій, які на сьогоднішній день використовуютьтся переважно у засобах напівпровідникової техніки. Основним завданням у дослідженні було збільшення швидкодії алгоритмів шляхом оптимізації використовуваних структур для досягнення нижчих значень латентності (і відповідно кількості тактів), а також покращення показників ресурсоємності при реалізації алгоритмів за допомогою апаратних засобів. Запропоновані методи були реалізовані як на програмному рівні для процесорних архітектур різного рівня складності, так і з допомогою програмованих логічних інтегральних схем, що, в свою чергу, дає змогу здійснити портування розроблених методів у систему на кристалі. Диссертационная работа посвящена совершенствованию методов вычисления тригонометрических функций, которые на сегодня используются преимущественно в средствах полупроводниковой техники. Основной задачей исследования было увеличение быстродействия алгоритмов путем оптимизации используемых структур для достижения более низких значений латентности (и соответственно количества тактов), а также улучшение показателей ресурсоемкости при реализации алгоритмов с помощью аппаратных средств. Предложенные методы были реализованы как на программном уровне для процессорных архитектур разного уровня сложности, так и с помощью программируемых логических интегральных схем, что позволяет осуществить портирование разработанных методов в систему на кристалле. The dissertation is devoted to the improvement of the methods of calculating trigonometric functions, which today are used mainly in semiconductor equipment. The main tasks of the study were to increase the speed of algorithms by optimizing the structures used to achieve lower latency values (and the number of cycles), as well as improving the resource- intensity indices when implementing algorithms using hardware. The proposed methods were implemented at the software level for processor architectures of different complexity levels and with the help of programmable logic integrated circuits, which, in turn, allows the porting of the developed methods to the system on the crystal. Considerable attention is paid to the CORDIC method by which one can compute functions such as sinus, cosine, tangent, exponent, square root, hyperbolic and inverse trigonometric functions. The hardware implementation of the considered methods on the FPGA platforms are realized. The features of selected FPGAs, the specifics of the hardware implementation of algorithms, in particular, the influence of architecture and integrated FPGA blocks on the functionality of the implemented methods are considered. The schemes of the offered algorithms on the level of register gears and the level of the stage in their placement (fitting) in the crystal are given. The methods of optimization of algorithms in terms of using a specific platform and depending on the version and settings of the development environment are considered. The results of impetitioning methods directly in the FPGA with the estimation of their initial characteristics, such as maximum clock speed, resource intensity and energy consumption, are presented. Verification of the correctness of algorithms functioning is carried out both by means of simulation modeling, and after measurement of physical indices and data obtained during the testing of programmable seamed FPGA. Much attention is paid to determining the effectiveness of the algorithms, as well as the accuracy of the abstracts and the errors they make. The specificity of the operation of methods depending on the arsenal of teams and the possibilities of the target architecture, which helped to improve the range of characteristics of both the algorithms themselves and their hardware implementations, was explored. The obtained experimental results are compared with the classical methods of realization of the reduced functions. The integration of developed algorithms in the form of a separate device, which acts as a microcontroller with its own data transfer protocol and implementation.