Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы проектирования цифровых ИИС 8
1.1 Принципы построения современных ИИС. ИИС с время-импульсным преобразованием 8
1.2 Анализ быстродействия модулей процессорных ИИС 15
1.2.1 Анализ методов и средств оценки производительности ВС как средств ЦОС 16
1.2.2 Производительность шины PCI как межмодульного интерфейса передачи данных в ИИС 25
1.3 Цифровая обработка сигналов 28
1.4 Постановка задачи 30
Выводы 31
Глава 2. Погрешность результатов измерений ИИС с ВИП 33
2.1 Анализ нормальной погрешности ВИП 36
2.2 Анализ аномальной погрешности 41
2.3 Оценка суммарной погрешности ВИП 42
2.4 Погрешность ВИП при многократных измерениях 47
2.5 Анализ алгоритмов цифровой фильтрации для обработки сигналов в ИИС с ВИП 49
2.5.1.Погрешность ВИП при использовании цифровых согласованных фильтров 51
2.5.2 Погрешность ВИП при использовании цифровых БИХ фильтров 56
2.5.3 Погрешность ВИП при использовании цифровых КИХ фильтров. 62
Выводы 66
Глава 3. Определение быстродействия процессорных ИИС 67
3.1 Выбор программного измерительного монитора 68
3.2 Закон распределения времени записи данных на жесткий диск 74
3.3 Оценка времени отображения информации 79
3.4 Временные затраты на передачу данных 82
3.4.1 Программное управление передачей данных и передача данных по прерыванию 84
3.4.2 Передача данных по прямому доступу в память 88
Выводы 90
Глава 4. Разработка алгоритмов синтеза и анализа оптимальной структуры ИИС с ВИЛ заданной точности 94
4.1 Алгоритм выбора структуры ИИС при решении прямой задачи оценки производительности ИИС 101
4.2 Алгоритм выбора структуры ИИС при решении обратной задачи оценки производительности ИИС 107
4.3 Алгоритм решения прямой задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов СФ 108
4.4 Алгоритм решения прямой задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов БИХ-фильтров 110
4.5 Алгоритм решения прямой задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов КИХ-фильтров 113
4.6 Алгоритм решения обратной задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов СФ 115
4.7 Алгоритм решения обратной задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов БИХ-фильтров 119
4.8 Алгоритм решения обратной задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов КИХ-фильтров 122
4.9 Пример решения обратной задачи 124
Выводы 127
Заключение 129
Литература 132
Приложение 137
- Производительность шины PCI как межмодульного интерфейса передачи данных в ИИС
- Анализ алгоритмов цифровой фильтрации для обработки сигналов в ИИС с ВИП
- Закон распределения времени записи данных на жесткий диск
- Алгоритм выбора структуры ИИС при решении обратной задачи оценки производительности ИИС
Введение к работе
Современное развитие вычислительной техники, которое в первую очередь связано с появлением быстродействующих процессорных систем, дает возможность создания информационно-измерительных систем (ИИС) на базе вычислительных систем (ВС) для обработки информации в научных исследованиях, для контроля в производственных технологических процессах и технологических испытаниях. При этом ИИС является аппаратно-программным комплексом, в котором задачи сбора, анализа и отображения информации распределены между аппаратными и программными модулями.
Системы, проектируемые на базе ВС, включают в себя три блока: сбор, анализ и отображения информации. Так как ИИС являются средствами измерений и предназначены для получения количественной информации об исследуемых параметрах, то важнейшем показателем при использовании этих систем, является точность, характеризуемая погрешностью результатов измерений. Погрешность ИИС с аппаратно-программной обработкой результатов измерений определяется скоростью работы каждого из перечисленных блоков. Поскольку в данной работе ИИС рассматривается как аппаратно-программный комплекс, то для определения погрешности ИИС необходимо решить вопрос оценки быстродействия каждого из перечисленных модулей. В частности, блок отображения и анализа информации может быть реализован программно в ВС. Тогда желательно оценить временные затраты на выполнение данных задач в ВС. Несмотря на то, что вопрос оценки производительности ВС неоднократно поднимался в литературе такими авторами как Д. Феррари, Г.Т. Артамонов, О.М. Брехов, Б.М. Каган, СМ. Майоров, Г.И. Новиков, Т.И. Алиев, Э.И. Махарев, Б.Д. Тимченко и др., на сегодняшний день не существует ни единого определения самого термина производительность ВС, ни метода оценки производительности, ни средства.
На точность измерений особо влияют параметры межмодульного интерфейса, в качестве которого сегодня при реализации ИИС на базе ВС используется высокоскоростная процессорная шина РСІ, существенно ограничивающая в некоторых случаях скорость обработки данных в ИИС. Вопрос влияния задержек процессорной шины на точность измерений слабо исследован,
Модули анализа данных предназначены для реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) (например, БПФ, свертка). Каждый цифровой фильтр характеризуется не только амплитудно-частотными и фазо-частотными характеристиками, определяющими качество данного фильтра, но и алгоритмом реализации, который в свою очередь определяет временные затраты на выполнение модуля анализа. Вопрос взаимосвязи качества фильтрации и времени реализации цифровых фильтров является слабо изученным.
Таким образом, вопрос исследования взаимосвязи погрешности средства измерения и быстродействия аппаратно-программных модулей на сегодняшний день является открытым, а задача его решения актуальной.
Цель диссертационной работы - разработка метода и средства оценки потенциально реализуемой точности информационно-измерительной системы при аппаратно-программной реализации сбора и обработки измерительной информации на этапе проектирования ИИС с время-импульсным преобразованием (ВИЛ).
Для этой цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи: определить критерий оценки качества работы ИИС с ВИЛ; разработать метод и средство оценки быстродействия ВС для решения задач ИИС с ВИП; проанализировать и формализовать вопрос влияния быстродействия процессорной шины PCI на скорость обмена данными между модулями ИИС; проанализировать влияние параметров цифровых фильтров на качество измерений в ИИС с ВИП; разработать метод и средство оценки потенциальной погрешности ИИС с ВИП с аппаратно-программной реализацией на базе ВС при использовании цифровых фильтров; провести практическую апробацию разработанных теоретических подходов, методов и средств на реальных информационно-измерительных системах с ВИП.
Производительность шины PCI как межмодульного интерфейса передачи данных в ИИС
Производительность и эффективность использования ВС в составе ИИС определяется не только возможностями её процессора, но в очень большой степени составом периферийных устройств (ПУ), предназначенных для ввода-вывода и хранения больших объемов информации (внешние запоминающие устройства), их техническими параметрами и способом их совместной организации работы с ядром (процессором и основной памятью) ВС [14]. Структура и особенности средства сопряжения электронного оборудования с ВС (так называемых интерфейсов) в значительной мере определяют характеристики всей ИИС, прежде всего его быстродействие, возможности параллельной обработки нескольких процессов. В системах ввода-вывода ВС используют два основных способа организации передачи данных между памятью и периферийными устройствами: программно-управляемая передача и прямой доступ к памяти (ПДП) [14], [26].
Программно-управляемая передача данных осуществляется при непосредственном участии и под руководством процессора, который при этом выполняет специальную программу процедуры ввода-вывода. Данные между памятью и периферийным устройством пересылаются через процессор. При этом операция ввода-вывода инициируется текущей командой программы (программное управление) или запросом прерывания от периферийного устройства (обслуживание прерываний). Режим программного управления (программирования по готовности) широко используется в измерительных системах, так как обеспечивает максимальную скорость приема информации за счет минимизации времени ожидания предоставления общего ресурса - шины (рис. 1.5 ).
Пока программа выполняет цикл ожидания готовности, процессор занят этой программой и никакой другой работы выполнять не может. Если регистрируемые события возникают относительно редко, то режим программного управления оказывается неэффективным, так как в цикле ожидания готовности процессор занят опросом разряда готовности и не может выполнять другой, более полезной работы, например обработки или визуализации измерительной информации.
Если периферийное устройство работает в режиме прерываний, то в оперативной памяти ВС находятся две программы: основная, которая может и не иметь отношения к внешним устройствам, и программа обработки прерывания (ПОП), основной задачей которой является передача очередного блока информации между периферийным устройством и процессором. При этом процессор постоянно занят выполнением основной программы. Внешнее устройство генерирует зарос прерывания по мере готовности данных. При этом процессор прерывает выполнение основной программа и переходит на ПОП. После завершения ПОП управление передается назад в основную программу. Режим прерывания обеспечивает высокую эффективность использования времени процессора, так как если внешнее устройство не готово к передаче данных, то процессор может выполнять основную программу.
Однако для быстрого ввода-вывода блоков данных и разгрузки процессора используют прямой доступ к памяти (ПДП), который обеспечивает автономную от процессора установку и передачу данных между оперативной памятью и внешним устройством. ПДП обеспечивает высокую скорость обмена данными за счет того, что управление обменом производится не программными, а аппаратными средствами. Данный способ приема измерительной информации является чрезвычайно эффективным[26]. Контроллер ПДП является узко специализированным на определенную измерительную аппаратуру и определенный способ накопления информации,
Тем не менее, использование ПДП позволяет параллельно со сбором данных выполнять какую-либо вычислительную работу (в частности обработку предыдущей серии измерений).
В современных ВС широко используется локальная процессорно-независимая шина PCI, которая разрабатывалась для обеспечения взаимодействия процессора с устройствами ввода/вывода, требующими высоких скоростей обмена [27]—[31]. В зависимости от способа управления процессом ввода-вывода измерительной информации от внешних устройств время использования шины будет различным. На сегодняшний день алгоритм расчета оценки задержек по передаче данных через шину PCI не определен, поэтому целесообразно рассмотреть быстродействие ИИС на базе МП для различных методов организации ввода-вывода данных.
Быстродействие ИИС определяется не только скоростью интерфейсов ввода-вывода данных в ВС и модулей, реализующих ЦОС, но и в значительной мере используемыми алгоритмами ЦОС. Для PfflC с ВИЛ, в которых важной задачей является обнаружение информационного импульса на фоне помех, в качестве алгоритмов ЦОС целесообразно использовать цифровые фильтры (ЦФ). Каждый цифровой фильтр характеризуется не только амплитудно-частотными и фазо-частотными характеристиками, определяющими качество данного фильтра (отношение «сигнал/шум» на выходе ЦФ, фазовая задержка и т.д.), но и алгоритмом реализации, который в свою очередь определяет временные затраты на выполнение модуля анализа [32]- [34].
Анализ алгоритмов цифровой фильтрации для обработки сигналов в ИИС с ВИП
В настоящее время алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС) широко используются при обработке измерительной информации в информационно-измерительных системах (ИИС). Алгоритмы ЦОС характеризуются необходимым для их реализации числом вычислительных операций сложения и умножения на один отсчет сигнала. В качестве алгоритмов ЦОС можно рассматривать цифровые фильтры (ЦФ), в частности ЦФ нижних частот (ЦФНЧ), которые обеспечивают подавление помех в области высоких частот. Необходимо использовать тот фильтр, который обеспечивает наилучшее качество фильтрации сигнала на своем выходе. В литературе показано, что в качестве критерия оптимальности фильтрации может быть принято максимизация отношения «сигнал/шум» на выходе фильтра. Линейные ФНЧ (Баттерворта, Чебышева и др.) обеспечивают максимум отношения «сигнал/шум» на определенной частоте среза со» которая называется оптимальной, В таблице 2.1 приведены максимальные значения отношений «сигнал/шум» Vmaxm выхДе ФНЧ Баттерворта для суммы гауссовского видеоимпульса и помехи (белого шума), и соответствующие им значения отношений частоты среза и длительности импульса йсТ, на которых достигается максимум отношения «сигнал/шум» образом QT = 9.2, следовательно, при прохождении сигнала через ФНЧ с частотой среза соср, определяемой из таблицы 2.1, происходит искажение спектра сигнала, а следовательно и формы импульса. При решении задач ВРШ необходимо сохранить форму сигнала, поэтому выбор частоты среза должен быть выполнен исходя из условия (ОСр (О0 что приводит к уменьшению отношения «сигнал/шум». В связи с тем, что суммарная погрешность ВИП 8 (2.21) определяется не только параметрами информационного импульса, но и отношением «сигнал/шум» а, то изменение а Ср приводит к увеличению 5 .
Как правило, ФНЧ Баттерворта в цифровом виде реализуются как БИХ-фильтры, которые характеризуются малым количеством вычислительных операций. Цифровые фильтры НЧ могут быть реализованы и как КИХ-фильтры. В отличие от БИХ-фильтров данные фильтры всегда устойчивы, но для их реализации требуется значительно больше ресурсов. В системах обнаружения сигналов широко используются согласованные фильтры, которые обеспечивают максимум отношения «сигнал/шум». В цифровом виде они реализуются как КИХ-фильтры. В п. 2.3 показано, что для заданного значения погрешности 6 существует оптимальное значение сспор, при котором нормальные и аномальные погрешности в равной мере влияют на 5 (см. 2.24): Задача выбора ЦФ в общем случае может быть поставлена следующим образом: для заданных параметров сигнала и помехи на входе ИИС (ссвх, Т) определить тип ЦФ, порядок ЦФ N И нормированную частоту среза со Wn =—-, обеспечивающих заданную погрешность 5 . Отношение «сигнал/шум» на выходе ЦФ авых в общем виде определяется так: . А значение второй производной коэффициента корреляции в вх точке нуль Щ определяется только порядком фильтра и частотой среза фильтра - F2(N,G)C). Тогда для нахождения оптимальных параметров ЦФ N и Wn для реализации заданной 5 необходимо определить зависимости 2-і F](N,Wn) и F2{N,(UC) для выбранных типов ЦФ, а именно, в данной главе рассмотрены БИХ фильтры на примере ЦФНЧ Баттерворта, КИХ фильтры Хэмминга и оптимальные по Ремезу, а также согласованные ЦФ. 2.5.1.Погрешность ВИП при использовании цифровых согласованных фильтров Согласованные фильтры (СФ) широко используются в качестве алгоритмов первичной обработки информации в телеизмерительных системах, так как являются оптимальными фильтрами с точки зрения максимизации отношения «сигнал/шум». Согласованные фильтры оптимальны при решении задач обнаружения известных сигналов. В этом случае импульсная характеристика h(t) согласованного фильтра для обнаружения сигнала s(t) длительности Г определяется выражением (2.32) и является зеркальным отображением временной функции сигнала: где К - коэффициент. На выходе СФ с импульсной характеристикой h{i) сигнал достигает максимума по амплитуде в момент времени Г и равен KEQ, где Е- энергия сигнала s{t). Дисперсия белого шума на выходе СФ определяется выражением: где свх - дисперсия белого шума на входе СФ. Вероятность аномальных ошибок Рш (возникновения ложных выбросов над порогом Un) определяется в соответствии с (2.19): Из теории выбросов известно, что N+ определяется корреляционной функцией помехи R\x), а именно для дважды дифференцируемого в нуле случайного процесса значением второй производной коэффициента її корреляции RQ :
Закон распределения времени записи данных на жесткий диск
Под сохранением результатов измерений в ВС в простейшем случае понимают сохранение данных в файле на жестком диске. Затраты времени на передачу информации во внешнюю память существенно зависят от фрагментации логического раздела жесткого диска, а также от местоположения файла на жестком диске, которое в общем случае является случайным и определяется только ОС[13]. Также на скорость записи данных во внешнюю память влияет тип файловой системы: NTFS, FAT32. Аппаратно жесткий диск подключен к системной шине посредством контроллера доступа к жесткому диску. На сегодняшний день существует несколько типов контроллеров, которые характеризуются различными пропускными способностями (IDE, SCSI и др.). Аппаратно они подключены к системной процессорной шине (в частности к шине PCI). Аналитически определить скорость записи данных на жесткий диск затруднительно, так как необходимо учитывать пропускные способности контроллеров жестких дисков и алгоритм арбитража шины PCI. Сегодня существует целый комплекс программ, позволяющих определить такие характеристики ВС, как скорость записи и чтения файлов на жестком диске (Checklt, Dr.Hardware 2004, SiSoftware Sandra Professional). Тем не менее целесообразно создать модель РН и программно оценить производительность ВС при записи информации на жесткие диски. На рис. 3.1 и 3.2 приведены результаты измерения скорости записи данных на жесткий диск для следующих трех вариантов: на раздел логического диска с информацией, на пустой логический диск типа NTFS и пустой логический диск типа FAT32. На рисунках приняты следующие обозначения: 1- время записи на логический раздел жесткого диска типа NTFS, на котором есть информация; 2- время записи в пустой логический раздел жесткого диска типа NTFS; 3- время записи в пустой логический раздел жесткого диска типа FAT32. Данные рис. 3.1 и 3.2 получены при записи на диск файла объема 1 Кб и 50 Кб соответственно. логического диска с файловой системой FAT32. Файловая система FAT32 характеризуется быстрой работой с малыми и средними каталогами, В этом случае диск совершает в среднем меньше количество движений головок в сравнении с NTFS. К минусам FAT32 относятся: катастрофическая потеря быстродействия с увеличением фрагментации, особенно для больших дисков, очень медленная работа с каталогами, содержащими большое количество файлов. Для NTFS фрагментация файлов не имеет практически никаких последствий для самой файловой системы: работа фрагментировашгой системы ухудшается только с точки зрения доступа к самим данным файлов, а также сложность структуры каталогов и число файлов в одном каталоге также не чинит особых препятствий быстродействию. Недостатки файловой системы NTFS следующие: существенные требования к памяти системы, работа с каталогами средних размеров затруднена тем, что они почти всегда фрагментированы. Таким образом, для сохранения результатов измерений в ИИС имеет смысл специально создать логический раздел жесткого диска с файловой системой FAT32. При этом необходимо помнить, не смотря на то, что теоретически максимальный размер диска FAT-32 может составлять 8 Тбайт, практически новые операционные системы Microsoft Windows 2000/ХР не способны создавать разделы FAT-32 с объемом, превышаюимш 32 Гбайт. При этом FAT-32 накладывает существенное ограничение на размер файлов: он не может превышать 4 Гбайт. А в каталоге FAT-32 может хранить не более 65534 файлов. На рис. 3.3 приведена зависимость скорости записи данных на жесткий диск от объема данных:
Зависимость, показанная на рис, 3.3, обусловлена тем фактом, что для выполнения любой записи данных в файл необходимо открыть доступ к файлу для записи и закрыть после выполнения записи. Время выполнения данных действий не зависит от размера передаваемых данных и является величиной постоянной. Очевиден тот факт, что целесообразнее выполнять запись больших объемов данных. Данные зависимости были получены при условии запрета сохранения данных в кэш-памяти.
Анализ полученных данных при тестировании систем показал, что время записи данных на жесткий диск при условии, что на диске отсутствует информация, распределено по нормальному закону с параметрами Л/[ { ] и frhddJ которые определяются для заданной конфигурации вычислительной системы экспериментально. В общем виде математическое ожидание Mf/hdd] описывается выражением
Алгоритм выбора структуры ИИС при решении обратной задачи оценки производительности ИИС
Алгоритм выбора структуры ИИС на основе анализа быстродействия модулей ВС основан на применении алгоритма, приведенного в разделе 4.1. При этом необходимо определить множество возможных реализаций структур ИИС и соответствующие им параметры алгоритмов ЦОС. Для этого на начальном этапе необходимо задаться оценкой минимального порядка ЦФ- N и частотой среза ЦФ соср. Для N и tocp можно оценить частоту дискретизации сигнала F . Параметры N и F являются исходными данными для алгоритма выбора оптимальной структуры ИИС при решении прямой задачи оценки производительности ИИС (п.4.1). Если для заданных значений N и Fn множество Q будет непусто, то целесообразно изменить параметры ЦФ: увеличить значение частоты дискретизации сигнала FR и повторить выполнение алгоритма. Алгоритм заканчивает свою работу, как только множество Q для заданных входных соср и N будет пустым (рис. 4.9). Тогда для всех элементов множества Q нужно вычислить значения суммарных погрешностей и выбрать структуру, обеспечивающую минимум Как было сказано ранее «прямая» задача оценки быстродействия ИИС с ЦОС и использованием ВС в составе измерительного комплекса может быть поставлена двумя различными способами, Если исходным параметром является 5 , то найденные параметры ЦФ соответствуют случаю, когда нормальная и аномальная погрешности однозначны. Во втором случае постановки «обратной» задачи для 5 и Р определяется нормальная погрешность, а затем соответствующие значения отношения «сигнал/шум» на выходе ЦФ и диапазона измерения Л. Далее приведен алгоритм решения первой задачи при использовании в качестве алгоритма ЦОС цифрового согласованного фильтра. 1.
Определить начальные условия: погрешность 5 , параметры информационного импульса (длительность Т и амплитуду Um), отношение «сигнал/шум» а на входе ЦФ. 2. Определить минимальное значение частоты дискретизации по формуле: Данное соотношение вытекает из того условия, что отношение «сигнал/шум» на выходе ЦФ должно быть по крайней мере больше 3: авых - 3. Определить диапазон изменения частоты дискретизации і дтіп— дтах } и диапазон изменения относительного порога 4. Численно определить множество троек значений 5СФ :={рД(-,1/,Л }, удовлетворяющих уравнению (2.48). Порядок ЦФ N{ определяется так: N=TF 5. Для каждого элемента множества определить множество = р,М,фЛ)}, определяющее структуру ИИС и удовлетворяющее условию: Гобр/ :Гд/. 6. Определить подмножество SQ0 множества 5Сф: 7. Если множество СФ пусто, то перейти к п.Ю. Иначе для каждой тройки значений множества М ф определить значение порогового отношения «сигнал/шум» апор,-: 8. Определить по формуле (2.23) значение диапазона измеряемой величины Л/ =MjT. 9. Выдать решение о возможности реализации алгоритма СФ в качестве ЦОС на заданной ВС для множества МСФ- Вычислить значение систематической составляющей погрешности обнаружения сигнала по формуле (2.47). Выдать решение о невозможности реализации СФ в качестве алгоритма ЦОС. Если в качестве начальных условий заданы погрешность 5 , вероятность аномальной ошибки Рш, параметры информационного импульса (длительность Т и амплитуду Um), отношение «сигнал/шум» а на входе ЦФ, тогда вместо п.4 необходимо выполнить следующие действия: 4. Вычислить 5 =5v— н 2, 12 5. Используя (2.23) и (2.24), численно определить множество 5сф:={(аВьш Л/Л) } Если исходным параметром является 5 , то найденные параметры ЦФ соответствуют случаю, когда нормальная и аномальная погрешности однозначны. Алгоритм решения прямой задачи оценки быстродействия ИИС в такой постановке задачи приведен ниже. 1. Определить начальные условия: погрешность 5 , параметры информационного импульса (длительность Т и амплитуду Um\ отношение «сигнал/шум» а на входе ЦФ. 2. Определить несущую частоту сигнала сосг по формуле (2,58): 3. Определить диапазон изменения относительного порога ( min— max ) (0...1). 4. Определить частоту среза ос цифрового фильтра равной сосг: (0СГ=С0С. 5. Численно решить уравнение (2.63) для заданных Le{Lm\n ,.. Lmax }, порядка фильтра ІУє{і,2,3} и юс относительно c = Fi(N,Wn) и получить множество М$их = {(i,iV,cs oc)} 6. Для каждого элемента множества определить нормированную частоту среза Wn, как обратную функцию от F[(N,WR) по формуле (2.53). 7. Для каждого элемента множества определить значение частоты дискретизации по формуле: Гя =——. 8. Для каждого элемента множества определить множество Q = p,M,fe j\]\, определяющее структуру ИИС и удовлетворяющее условию: 705р,- Т .
