Введение к работе
Актуальность проблемы
Радиолокационная аппаратура, находит применение, как в гражданских так и в военных сферах. Она используется в летательных аппаратах, космической технике, наземных РЛС, медицине и т.д. Подавляющее большинство радиолокационных приборов используется в аппаратуре для военных применений. Поэтому одним из критически важных вопросов, который возникает во время проектирования радиолокационной аппаратуры, это использование отечественной элементной базы. Это требование обусловлено тем, что радиолокационная аппаратура создаваемая в последние десятилетия строилась на базе импортных микросхем, из-за существенного отставания российской электроники от мировых стандартов. Использование импортных микросхем в военной технике, небезопасно, ввиду возможного включения в микросхему паразитных блоков, способных в условиях боевых действий, нарушить работу микросхемы, и как следствие вывести из строя весь блок, где она установлена. В настоящее время в России существуют, и успешно работают несколько дизайн-центров разрабатывающих и выпускающих отечественные СБИС, для замещения зарубежных, среди них отметим ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИ МЭ и завод Микрон», ЗАО «МЦСТ», ГУП НПЦ «ЭЛВИС», НИИСИ РАН, НТЦ «Модуль». Продукция этих компаний уже нашла достойное применение в радиолокационной аппаратуре, выпускаемой российскими предприятиями.
Наиболее важной и трудоемкой задачей в радиолокационной обработке, с точки зрения вычислительной сложности, является задача спектрального анализа. Для ее решения необходимо применять специализированные процессоры - цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processor далее - DSP). Существуют и появляются новые задачи, в которых требования к быстродействию этих процессоров растут, так как увеличиваются потоки входных данных для радиолокационноїі обработки, и быстродействия существующих процессоров уже недостаточно. В качестве примера вычислительно-сложной задачи в радиолокации, можно привести спектральный анализ сигналов большого размера, применяющийся в радиолокаторах с синтезированной апертурой. Объем вычислений в таких системах достигает миллиардов операций в секунду, особенно в космических локаторах, где скорость движения антенны относительно исследуемой поверхности достаточно высокая и спектральный анализ сигналов большого размера, необходимо проводить с минимальными временными задержками, что в конечном итоге уменьшает общее время реакции системы на изменение радиолокационной обстановки.
Поэтому необходимо создавать новые DSP процессоры, способные решать данные задачи. Во всём мире в качестве наиболее эффективного из всех существующих способов увеличения быстродействия, однозначно сделан выбор в пользу распараллеливания вычислений в процессоре, однако создание и программирование таких устройств, наукоемкая задача. Выяснить реальное быстродействие таких процессоров, на целевых алгоритмах, в большинстве случаев представляется возможным только после разработки описания уровня регистровых передач (Register Transfer Level далее RTL), а иногда даже и после изготовления кристалла, что является долгим и дорогостоящим процессом. Поэтому необходимо создать модель, с помощью которого была бы возможность оценить быстродействие перспективного процессора на целевых задачах до проектирования и изготовления. С помощью та-
кой модели появляется возможность быстро создавать произвольную модель будущего DSP процессора, и проверять его быстродействие на целевых алгоритмах обработки, что существенно экономит деньги и время проектирования. В связи с этим актуальными являются исследования направленные на создание модели многоядерного DSP процессора, с помощью которой возможно решить задачу предварительной оценки быстродействия перспективного DSP процессора на алгоритмах цифровой обработки сигналов, применяемых в радиолокации.
Исходя из анализа требований предъявляемых в задачах радиолокации к современным DSP процессорам, сформулированы следующие цели и задачи работы.
Цель диссертационной работы - разработка программного обеспечения для создания моделей многоядерных процессоров DSP, для анализа принципов оптимизации их архитектуры, с целью увеличения быстродействия при решении задач спектрального анализа в радиолокации. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести исследование ключевых особенностей существующих DSP процессоров, влияющих на скорость обработки в алгоритмах спектрального анализа в задачах радиолокации;
провести оценку реализации функций спектральных преобразований на существующих DSP процессорах с целью определения ключевых особенностей разработки программ для этого класса процессоров;
разработать комплексную методику и алгоритм оценки производительности перспективных многоядерных процессоров при выполнении задач спектрального анализа в радиолокации;
провести исследование направленное на определение встроенного функцію нала программного обеспечения, для создания моделей многоядерных DSP процес соров;
разработать программное обеспечение для создания моделей многоядерны систем с изменяемыми параметрами, а также встроенными средствами разработі и отладки программ;
разработать программы алгоритмов спектрального анализа для моделей мно гоядерных процессоров с учетом возможного масштабирования архитектуры про цессора;
провести исследование изменения скорости вычислений программ алгорит мов спектрального анализа, в зависимости от текущих параметров модели много ядерных DSP;
на основании полученных скоростных оценок разработать рекомендации п реализации структурных блоков многоядерных DSP процессоров.
Методы исследования
Для теоретического и практического решения поставленных задач использова лись теория множеств, теория информационных систем, теория программирования теория параллельных вычислительных систем, теория цифровой обработки сигна лов, алгоритмы и методы обработки графической информации, теория ошибок.
Объектом исследования являются многоядерные цифровые сигнальные про цессоры.
Предметом исследования является оптимизация архитектуры для увеличен! производительности цифровых сигнальных процессоров на задачах спектралыгог
анализа в радиолокации.
Научная новизна работы состоит в разработке и анализе программно-алгоритмических средств оценки быстродействия перспективных многоядерных DSP процессоров на алгоритмах ЦОС. Работа посвящена развитию научных основ построения многоядерных DSP процессоров для применения в радиолокации. При этом получены следующие новые научные результаты.
І.Для системного решения задачи создания высокоскоростного процессора ЦОС, разработано программное обеспечение, с помощью которого проведен многокритериальный анализ работы моделей многоядерных DSP, при решении задач спектрального анализа в радиолокации.
2. Впервые предложена методика создания высокоуровневых моделей многоядерных систем ЦОС с оперативным регулированием параметров структурных блоков, для оценки влияния изменения параметров системы на ее работу.
З.На основе экспериментального исследования подобраны параметры структурных блоков многоядерных систем, на которых достигается наибольшая производительность при вычислении алгоритмов спектрального анализа применяемых в радиолокации.
Разработаны программные функции спектральных преобразований для процессоров серии «Мультикор», обеспечивающие наибольшую скорость выполнения задач спектрального анализа на данном типе процессоров.
Разработана программа обработки радиолокационной информации, для вычисления скорости сближения и дальности до поверхности спутника Марса - Фобоса, для космического аппарата «Фобос-Грунт».
Практическая значимость
Анализ архитектуры перспективного многоядерного процессора с помощью созданной программы позволяет оценить производительность на начальном этапе проектирования, до создания RTL-описания кристалла.
Программа моделирования работы многоядерных DSP процессоров, может применяться потребителями процессоров с целью отслеживания причин блокировок, коллизий и т.д. при работе процессора на пользовательских задачах, что позволит искать пути обхода таких ситуации при разработке программного обеспечения.
Разработанные в рамках работы над диссертацией функции спектральных преобразований для процессоров «Мультикор», включены в библиотеку спектральных преобразований и применяются при создании аппаратуры для гражданских и военных применений.
Программа обработки радиолокационной информации в модуле устройства цифровой обработки сигналов (далее УЦОС) для доплеровского измерителя скорости и дальности (далее ДИСД-ФГ), космического аппарата «Фобос-Грунт», используется для вычисления навигационных параметров при посадке на поверхность спутника Марса Фобоса. ;
Программа обработки радиолокационной информации предназначенная для модуля УЦОС для ДИСД-ФГ, космического аппарата «Фобос-Грунт», может успешно применяться в различных летательных аппаратах, в качестве основного или дублирующего средства определения скорости движения и высоты полета. В частности, в настоящее время рассматриваются варианты установки модулей ДИСД на
стратегические ракетоносцы Ту-95, Ту-160, а также на вертолеты.
С точки зрения Государственной стратегии импортозамещения микроэлектронных компонентов проведенное исследование является критически важным ввиду его острой направленности для создания отечественных высокопроизводительных СБИС. Автор проводил исследования в рамках «Стратегии развития электронно/) промышленности России на период до 2025 года», утвержденной министерством промышленности и энергетики (ныне министерством промышленности и торговли) РФ в 2007 г., а также «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ».
Достоверность результатов работы обусловлена использованием общепринятых математических методов обработки изображений и векторных данных, методов разработки и верификации программного обеспечения, а также хорошей сходимостью теоретических оценок с результатами экспериментальных исследований и испытаний.
Внедрение результатов работы. С использованием проведенных в диссертации исследований были созданы многоядерные процессоры NVCora-01 и Mforce-01, с общим пространством памяти вычислительных ядер, на основе разработанной в ГУП НПЦ «ЭЛВИС» отечественной платформы проектирования систем на кристалле «Мультикор», что подтверждено актами о внедрении соответствующих изделий на предприятии ГУП НПЦ «ЭЛВИС» г. Москва. В рамках работы над диссертацией, разработана библиотека спектральных преобразований для процессоров серии «Мультикор», которая широко используется пользователями процессоров этой серии, при разработке программного обеспечения для ЦОС. Разработана и успешно внедрена программа обработки радиолокационной информации в модуле УЦОС для ДИСД-ФҐ, космического аппарата «Фобос-Грунт» по заказу ОАО «Концерн радиостроения «Вега», что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены лично автором или при его непосредственном участии. Интерпретация основных научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций.
На защиту выносятся:
Программное обеспечение для моделирования работы многоядерных систем ЦОС и способ анализа архитектуры созданных моделей, позволяющие существенно сократить время проектирования многоядерных систем, а также провести практический анализ работы системы на целевых алгоритмах ЦОС для создаваемых систем;
Результаты экспериментальных исследований, проведенных с помощью программы моделирования работы многоядерных систем ЦОС, предложенные для создания базовых архитектурных принципов новых серий отечественных многоядер пых систем ЦОС, серии «Мультикор» для различных применений;
Библиотека функций спектрального анализа, для отечественных DSP процес соров серии «Мультикор», позволяет выполнять спектральные преобразовани сигналов за минимальное время на данном типе процессоров;
Программа обработки радиолокационной информации в модуле УЦОС дл «ДИСД-ФГ», проекта «Фобос-Грунт», для получения данных о пространственноґ
ориентации н навигационных параметрах космического аппарата «Фобос-Грунт» во время посадки на поверхность спутника Марса - Фобоса.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях:
1-я Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2005" МЭС-2005, Истра;
2-я Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2006" МЭС-2006, Истра;
13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007», Москва, МИЭТ;
14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008», Москва, МИЭТ;
8-я международная научно-техническая конференция «Цифровая обработка сигналов и её применение-DSPA-2006», Москва, ИПУ РАН;
9-я международная научно-техническая конференция «Цифровая обработка сигналов и её применение - DSPA-2007», Москва, ИПУ РАН;
По теме диссертации опубликовано 7 научных работ. Из них в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень, утвержденный ВАК - 2, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Похожие диссертации на Модель для оптимизации архитектуры многоядерного цифрового сигнального процессора под выполнение спектрального анализа в радиолокации
