Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных направлений достижения максимальной производительности и эффективности использования систем цифровой обработки сигналов (ЦОС) и управления является совершенствование и создание принципиально новых цифровых вычислительных устройств, реализующих базовые алгоритмы обработки сигналов.
Важность решаемых такими устройствами задач делает целесообразным их специализированную реализацию с использованием параллельных (конвейерных) методов организации структур.
Большинство видов сложной ЦОС представляют собой композицию рекурсивной и нерекурсивной обработки, основные операторы преобразований которых (базовые шкрооперации) - вычисление сумм произведений (скалярных произведений) и вычисление сумм смещенных (лаговых) произведений (непериодических сверток). Время выполнения операции умножения в указанных операторах преобразований служит оценкой пригодности технических средств для решения тех или иных задач ЦОС, а число этих операций характеризует сложность алгоритмов обработки сигналов.
Очевидно, что развитие методов вычисления базовых макроопераций и на их основе базовых алгоритмов ЦОС должно идти по пути сокращения числа операций умножения. Для достижения этой цели большое значение стали приобретать алгебраические методы вычисления базовых алгоритмов на основе циклической свертки ШС), теоретико-числовых преобразований (ТЧП) и полиномиальной алгебры.
Однако полностью исключить операцию умножения и использование умножителей при реализации базовых макроопераций и, следовательно, базовых алгоритмов ЦОС позволяют арифметические методы, учитывающие структуру сверточных алгоритмов на самом низком, битовом уровне. Один из них получил название метода распределенной арифметики (РПА).
Отсюда актуальным представляется исследование, направленное на алгоритмическое и структурное обеспечение разработки отдельных специализированных устройств для систем ЦОС и управления на основе коротких непериодических сверток (НС) и вычисления методом РПА.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов
и принципов построения структур быстродействующих устройств вычисления скалярного произведения (СП) и НС методом РПА, предназначенных для реализации отдельных устройств вычисления базовых алгоритмов и решения уравнений в проблемно-ориентированных средствах ЦОС.
В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие задачи:
- анализ методов, и средств вычисления СП и НС в проблем
но-ориентированных средствах ЦОС реального времени;
разработка аппаратурно-ориентированных алгоритмов и структур устройств вычисления СП и НС методом РПА;
- разработка модифицированного метода РПА;
- разработка вопросов проектирования отдельных устройств для
систем ЦОС, реализующих предложенные алгоритмы и методы
вычислений.
Предмет исследования. Свойства и закономерности РПА , развивающиеся в устройствах вычисления НС, влияние параметров этих устройств на характеристики специализированных устройств ЦОС, обеспечивающих обработку информации в реальном времени.
Методы исследования основаны на использовании аппарата линейной алгебры, теории чисел и ЦОС, вычислительной математики, теории и проектирования ЭВМ и систем. При этом аналитические и численные методы сочетались с машинным моделированием.
Научная, новизна состоит в развитии методов и средств ускоренного выполнения базовых алгоритмов в проблемно-ориентированных средствах ЦОС. В результате проведения исследований получены следующие научные результаты:
- разработан метод организации модульных структур цифровых
фильтров (ЦФ), включающий метод анализа базовых структур ЦФ,
методики эквивалентных преобразований и методы синтеза волновых
ЦФ (ВЦФ), исключающие переход к базовым структурам; метод
позволяет представить вычислительные процессы известных к
настоящему времени ЦФ ограниченным набором коротких НС-и (или)
СП, а структуры ЦФ - ограниченным набором модулей, реализующих
короткие свертки и (или) скалярные произведения;
разработан способ количественной оценки степени параллелизма и скоростных свойств модульных структур ЦФ;
- разработан модифицированный метод РПА и определены сферы
его использования;
- предложена классификация устройств на РПА ; разработаны
аппаратурно-ориентированные алгоритмы вычисления СП и НС методом
РПА с различными способами взвешивания промежуточных величин,
сокращения объема требуемой памяти вплоть до минимально
возможного и двумя способами совмещения микроопераций во времени;
оценен эффект от способов совмещения микроопераций во времени и
получена зависимость для определения условий, при которых время
вычисления НС зависит только от разрядности аргументов и не
зависит от размерности свертки.
Практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в том, что :
- разработанные с использованием РПА алгоритмы и структуры
модулей с параллельным взвешиванием позволяют в 3.5 + 8 раз
уменьшить время вычисления НС и СП по сравнению с их аппаратурной
реализацией на базе матричного умножителя с накопителем;
- разработанная процедура и полученные результаты
сравнительного анализа по временным и аппаратурным затратам
модулей на РПА совместно с методом организации и способом
количественной оценки степени параллелизма и скоростных свойств
модульных структур обеспечивают ( решение задачи синтеза
быстродействующих модульных специализированных устройств ЦОС
различного назначения;
- разработанный способ подавления переходных процессов в
рекурсивных ЦФ прямой формы и результаты исследования его
эффективности позволяют использовать потенциальные возможности
рекурсивной фильтрации при проектировании систем селекции
движущихся целей (СДЦ).
Реализация результатов работы. Диссертация выполнена в соответствии с планами госбюджетных научно-исследовательских работ (НИР), проводимых на кафедрах КПЭВА и ЭВМ Кировского политехнического института (КирПИ) и посвященных исследованию методов и средств ЦОС. Решение задачи разработки и исследования алгоритмов и специализированных устройств ЦОС с использованием НС и метода РПА является вкладом в решение проблемы повышения технико-экономических показателей систем ЦОС и управления (проблемы I.12.1.8, I.12.7.1. I.12.10.2, I.12.II.6 АН СССР).
Разработанные алгоритмы и специализированные устройства ЦОС
были использованы при выполнении хоздоговорных НИР на кафеді КПЭВА и ЭВМ. Результаты исследования внедрены в разрабої перспективного изделия на предприятии с годовым экономичеа эффектом 93,3 тыс. руб.
Основные положения, выносимые на защиту.
І.Мзтод организации .модульных структур ЦФ, включающий мет анализа базовых структур ЦФ, методики эквивалентных преобра: ваний и методы синтеза волновых ЦФ, исключающие переход к базон структурам.
2.Способ количественной оценки степени параллелизма скоростных свойств модульных структур ЦФ.
3.Модифицированный метод распределенной арифметики.
4.Классификация устройств на -РПА и аппаратурно-ориентироЕ иные алгоритмы вычисления СП и НС методом РПА с различными сг собами взвешивания промежуточных величин (ПВ), сокращения объе требуемой памяти и совмещения микроопераций во времени.
'Апробация результатов работы. Основные положения результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
- хххш Всесоюзной научной сессии,посвященной Дню ра;
(Москва,1978);
- і всесоюзной конференции "Методы и средства преобразовав
сигналов" (Рига,1978);
- Всесоюзной научно-технической школе "Радиоприемные
усилительные устройства" (Москва,1978);
- II Всесоюзной школе-семинаре "Совершенствование устройс
и методов обработки информации" (Ростов-Ярославский,1980);
ш Всесоюзном совещании-семинаре "Совершенствован устройств и методов обработки информации" (Росте Ярославский,1980);
Всесоюзной научно-технической конференции "Теория практика конструирования и обеспечения надежности и качест электронной аппаратуры и приборов" (Воронеж,1984);
Всесоюзной конференции "Организационно-экономическ проблемы проектирования вычислительных систем" (Москва,1987);
научно-технических конференциях профессорск преподавательского состава КирПИ (Киров,1978-1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать п чатных работ и получено девять авторских свидетельств
изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и пяти приложений. Основной текст работы изложен на 183 страницах, содержит 68 рисунков и 22 таблица. Список литературы включает 147 наименований. Текст приложений изложен на 62 страницах, содержит 58 рисунков и 18 таблиц.