Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 . АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНО-
АЛГОРИТМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ БОРТОВЫМИ ПРИБОРАМИ
ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 18
Предметная область построения бортовых приборов визуализации (БПВ) 18
Анализ современных алгоритмов и методов обработки графической информации. Уравнение рендеринга и методы его решений 31
Анализ операций стадии преобразования координат 34
Анализ операций стадии вычислительной геометрии 40
Анализ операций стадии растеризации 43
Анализ операций стадии сборки фрагментов 47
Оценка вычислительной сложности операций ГК 48
Сравнительный анализ современньгх программных интерфейсов для реализации управления в бортовых приборах визуализации изображений 51
Анализ современных аппаратных средств микроэлектроники для построения бортовых приборов визуализации изображений 54
Архитектурные особенности гетерогенных многоядерных систем на кристалле для реализации обработки графической информации в БПВ 59
Анализ алгоритмов и методов организации последовательно-параллельного программного графического конвейера и их недостатков ....62
1.7. Цели и задачи диссертационной работы 66
Выводы 67
ГЛАВА 2 . СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ ПАРАЛЛЕЛЬНО ФУНКЦИОНИРУЮЩЕГО
ПРОГРАММНОГО ГРАФИЧЕСКОГО КОНВЕЙЕРА В ГЕТЕРОГЕННОЙ
МНОГОЯДЕРНОЙ СИСТЕМЕ НА КРИСТАЛЛЕ 69
Постановка задачи эффективного управления графическим конвейером в гетерогенной многоядерной системе на кристалле 69
Анализ методов организации обработки заданий в параллельных
вычислительных системах 72
Теоретико-множественная формализация задачи эффективного управления графическим конвейером в гетерогенной многоядерной системе на кристалле 74
Разработка модели функционирования вычислительных узлов в многоядерном приборе визуализации изображений 83
Разработка алгоритма постадийной конвейеризации 87
Функциональная декомпозиция архитектуры OpenGL в гетерогенной многоядерной системе на кристалле 95
Анализ требований к показателям производительности гетерогенной многоядерной системы при обработке графической информации 101
Сравнительный анализ разработанных алгоритмов управления программным графическим конвейером в многопроцессорном БПВ 104
Выводы 108
ГЛАВА 3 . РАЗРАБОТКА 1ТРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
УПРАВЛЕНИЯ БОРТОВЫМИ ПРИБОРАМИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
ИЗОБРАЖЕНИЙ ПО
Декомпозиция архитектуры программного обеспечения приборов визуализации изображений ПО
Разработка и анализ вариантов распределения вычислительных
операций между МЕ30НИННЫМ БПВ И НЕСУЩЕЙ БЦВМ 120
Определение набора программных инструментов для управления бортовыми приборами визуализации ИЗОБРАЖЕНИЙ 122
Архитектура аппаратного построения приборов визуализации изображений и разработка их программного обеспечения 125
Основные отличительные особенности приборов визуализации
изображений нового поколения 129
3.6. Создание концептуальных элементов программного обеспечения
технологической контрольно-проверочной аппаратуры (ПО ТКПА) 131
3.6.1. Разработка методики тестирования компонентов приборов
визуализации изображений 131
3.6.2. Разработка архитектуры ПО ТКПА и алгоритма тестирования
компонентов БПВ 133
3.7. Разработка программного обеспечения для диагностики, отладки и
автоматизированной поддержки обновлений графической визуализации... 138
Выводы 142
ГЛАВА 4 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ
РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ, АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
ВНЕДРЕНИЯ И ОСОБЕННОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ
ПРИБОРОВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 144
Апробация работы и результаты внедрения 144
Практические аспекты создания программного обеспечения
бортовых приборов визуализации изображений 154
Описание комплекса программно-аппаратных средств ТКПА 163
Разработка алгоритма и методики оценки производительности
приборов визуализации изображений 166
Результаты экспериментального исследования производительности бортовых приборов визуализации изображений 173
Разработка рекомендаций по эффективному применению созданного программного обеспечения для достижения наилучшей производттгельности бортовых приборов визуализации 181
4.7. Синтез комплексного алгоритма бортовой визуализации 189
Выводы 194
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 196
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 198
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ
ФГУП «НИИ «СУБМИКРОН», ГУЛ НПЦ «ЭЛВИС», ОАО «РПКБ» 207
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПОЯСНЯЮЩИЕ СХЕМЫ СТЕНДА ТКПА,
ЮШКР.4682.61.177.РЭ 214
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ЛИСТИНГИ ФРАГМЕНТОВ ПРОГРАММ 219
Формирование матричных операторов преобразований 220
Прототип структуры задания и код, формирующий блоки обработки 228
Ассемблерный код, реализующий отсечение ломаной 231
Фрагмент, реализующий кодирование и передачу вызовов OpenGL 236
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БОРТОВЫХ ПРИБОРОВ
ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 244
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. СВЕДЕНИЯ ОБ АПРОБАЦИИ МАТЕРИАЛОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ АВТОРА ДИССЕРТАЦИИ 248
Введение к работе
Актуальность проблемы
Развитие высокотехнологичных отраслей является приоритетом современной государственной политики в области промышленного производства каждой современной страны, поскольку предоставляет подавляющие конкурентные преимущества, как в коммерческом аспекте, так и военно-стратегическом. Так, например, в последние годы страны североатлантического альянса прилагают усилия по блокированию приобретения третьими странами даже устаревающих технологий производства микроэлектронных интегральных схем с проектными нормами 0,25-0,13 мкм, не говоря уже об электронных компонентах, которые могут быть использованы для создания систем вооружений.
Одними из таких компонентов являются бортовые микроэлектронные приборы, функционирующие как в авиационных и космических аппаратах, так и на морских суднах, и в наземной технике (как гражданской, так и военной). Такие приборы должны отвечать национальным требованиям к климатическим условиям применения. Вместе с тем, перечень типичных бортовых вычислительных задач достаточно разнообразен: радиолокация, гидроакустика, связь, сигнальная обработка, управление объектами с использованием высокоточных адаптивных методов, обработка звука, индикация и визуализация. Поэтому создание и развитие широкой номенклатуры узкоспециализированных микроэлектронных устройств в свете глобальной тенденции к унификации производства представляется малоэффективной стратегией развития микроэлектронной промышленности. Это связано как со сложностью непосредственно проектирования устройств, так и с очевидными экономическими потерями от программирования, тестирования, сборки и настройки разнотипных микроэлектронных устройств и систем на их основе. Экономически более эффективным является подход к унификации проектирования микроэлектронных устройств, когда одно универсальное программируемое устройство является вычислительным узлом, решающим несколько задач с сопоставимой вычислительной сложностью. Вместе с тем в последних поколениях вычислительных устройств ведущие мировые производители (среди которых Intel, AMD, nVidia, ATI, S3, Matrox) все больше стараются использовать преимущества различных способов масштабирования производительности.
Одной из критически важных современных задач бортовых микроэлектронных приборов с точки зрения требуемой производительности является визуализация трехмерной подстилающей поверхности. Для ее решения на борту пилотируемого летательного аппарата (ПЛА) предусмотрены специальные устройства отображения - индикаторы. До настоящего времени бортовые индикаторы имели возможность отображать лишь самые необходимые параметры полета: положение судна относительно мировой системы координат; заданный курс, отклонение от заданного курса и основные ориентиры; скорость атмосферного воздуха, скорость подъема или снижения и набранную высоту. Приборы, преобразующие и обрабатывающие информацию для отображения на индикаторе, получили название бортовых приборов визуализации изображений (БПВ). Визуальное изображение подстилающей поверхности, отображенное на индикаторе, позволит пилоту более оперативно оценить обстановку и принять управляющее решение особенно в плохих погодных условиях или в темное время суток.
Зарубежные центры проектирования СБИС (например, nVidia, ATI), работающие в области компьютерной графики, широко применяют свой опыт в области разработки коммерческих специализированных микросхем для создания БПВ [1]. В ряде стран (например, США) существуют фирмы, специализирующиеся исключительно на производстве современных компонентов авионики (Rockwell Collins Inc.[ 2], Quantum 3D Inc.[ 1], Esterel Technologies [3]). Разработка и изготовление отечественных бортовых приборов ведется на ряде предприятий, среди которых: ОАО «Раменское Приборостроительное Конструкторское Бюро», ФГУП «НИИ «Субмикрон», ОАО «Научно-Конструкторское Бюро Вычислительных Систем» г. Таганрог. Число отечественных предприятий, работающих в области проектирования СБИС, весьма ограничено. Среди них необходимо отметить такие известные предприятия, как ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИ МЭ и завод Микрон», ЗАО «МЦСТ», ГУЛ НПЦ «ЭЛВИС», НИИСИ РАН, НТЦ «Модуль», которые специализируются на выпуске универсальных программируемых СБИС общего применения. Особое место среди них по праву занимает ГУЛ НПЦ «ЭЛВИС», развивая собственную программируемую IP-ядерную (Intellectual Property) платформу проектирования гетерогенных многоядерных систем на кристалле «Мультикор». Такая платформа проектирования сочетает в себе вышеупомянутые экономические преиму-
щества, а также делает возможным создание в короткие сроки интегральных микросхем, соответствующих входным требованиям по уровню производительности и функциональности аппаратуры [4]. Критически важным аспектом в обеспечении обороноспособности страны является построение бортовых приборов на отечественной элементной базе.
В связи с вышеизложенными аспектами актуальными являются исследования, направленные на создание бортовых приборов визуализации нового поколения, решающих задачи интерактивной визуализации подстилающей поверхности с использованием универсальных СБИС с многоядерной архитектурой.
Актуальность выбранного направления исследования подтверждается также последними созвучными публикациями мировых ученых в области компьютерной графики и параллельных вычислений [5,6 ,7 ,8 ,9 ,1 0].
Значительный вклад в развитие компьютерной графики внесли отечественные и зарубежные учёные: Ю.М. Баяковский, В.А. Галактионов, Б. Фонг, А. Гуро, К. Акели, и др. Большой вклад в развитие отечественной информатики, автоматики и микроэлектроники внесли такие известные отечественные ученые, как академики Е. П. Велихов, С. Н. Васильев, В. Б. Бетелин, Г. Я. Красников, А. Л. Стемпковский.
Исходя из анализа современных бортовых задач визуализации изображений и аппаратных средств для их реализации были сформулированы следующие цели и задачи работы.
Цель диссертационной работы - разработка и анализ комплекса программно-алгоритмических средств высокоскоростной обработки графической информации и управления в БПВ на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле, экспериментальная оценка возможностей универсальных цифровых процессоров по обработке векторных и растровых типов данных, используемых в графическом конвейере БПВ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать алгоритмы управления БПВ на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле;
разработать алгоритмы обработки информации в БПВ и модель взаимодействия ядер в гетерогенной многоядерной системе на кристалле с учетом возможного
увеличения количества ядер;
предложить способ декомпозиции компонентов программного обеспечения между бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ) и БПВ с учетом клиент-серверной архитектуры OpenGL;
разработать комплексную методику и алгоритм оценки производительности БПВ на основе программируемых многоядерных систем на кристалле;
разработать математические модели производительности БПВ и экспериментально проверить соответствие им практических показателей БПВ на тестовых сценах;
разработать алгоритмы и рекомендации по программированию прикладного ПО для достижения наилучшей производительности БПВ.
Методы исследования
Для теоретического и практического решения поставленных задач использовались теория множеств, теория информационных систем, теория программирования, теория параллельных вычислительных систем, теория цифровой обработки сигналов, алгоритмы и методы обработки графической информации, теория ошибок.
Научная новизна работы состоит в разработке и анализе программно-алгоритмических средств для высокоскоростной обработки графической информации и в применении их для управления приборами визуализации изображений. Работа посвящена развитию идеи построения приборов визуализации на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле с программируемой архитектурой. При этом получены следующие новые научные результаты.
На основе анализа бортовых задач визуализации определены необходимые требования к аппаратуре БПВ по производительности - 500 MFLOPS, по пропускной способности каналов передачи данных - 400 МБ/с.
Аналитически формализованы критерии эффективного управления обработкой графической информации в гетерогенных многоядерных системах на кристалле в виде минимизации времени простоев вычислительных ядер и минимизации общего времени подготовительных операций заданий обработки.
Впервые разработан алгоритм постадийной конвейеризации для эффективного
управления БПВ на основе систем на кристалле с программируемой архитектурой. Достигнутая по результатам экспериментальных исследований и испытаний производительность составила 92% от теоретических возможностей вычислительных ядер.
Разработан параллельный флажковый алгоритм, обеспечивающий эффективное управление обработкой графической информации в многопроцессорных БПВ. С применением алгоритма производительность двухпроцессорного БПВ увеличилась на 92-95%.
Предложен способ функциональной декомпозиции программной архитектуры OpenGL в БПВ с учетом разработанных алгоритмов управления и обработки графической информации.
Разработаны эффективные алгоритмы управления обработкой вызовов OpenGL в многопроцессорных БПВ.
Разработаны алгоритмы прикладного программного обеспечения БЦВМ по эффективной визуализации двух- и трехмерных подстилающих поверхностей.
Разработаны алгоритм и методика комплексной оценки параметров производительности БПВ нового поколения.
Разработан комплексный алгоритм бортовой визуализации, который позволяет интерактивно отображать трехмерную подстилающую поверхность, а также визуализировать двухмерную карту местности в БПВ.
Практическая значимость заключается в том, что на основе разработанных программно-алгоритмических средств обработки графической информации и управления в БПВ: алгоритма постадийной конвейеризации, параллельного флажкового алгоритма обработки графической информации в многопроцессорном БПВ, модели взаимодействия программных компонентов OpenGL в БПВ, комплексного алгоритма бортовой визуализации достигнуты следующие результаты:
разработано специализированное программное обеспечение на основе языков ассемблера и Си, обеспечивающее эффективное управление БПВ при интерактивной визуализации двух- и трехмерных сцен стандарта OpenGL;
результаты экспериментальных исследований и испытаний показали следующую производительность БПВ: 10-12 кадров в секунду при визуализации трех-
мерной подстилающей поверхности из 1200 текстурированных треугольников и 18 кадров в секунду при отображении двухмерной картографической сцены сложностью 3 тыс. треугольников (10 тыс. вершин), 16 тыс. линий;
предложенный комплексный алгоритм бортовой визуализации позволяет отображать двухмерную карту местности площадью 3000 км2 в масштабе 1 : 200 000, а также интерактивно визуализировать трехмерную подстилающую поверхность площадью до 210 км при полете ПЛА на малых высотах на скорости 1,25 М, что дает возможность пилоту различать объекты с габаритными размерами 100 м на расстоянии 12,6 км;
разработанные программно-алгоритмические средства позволили создать на базе отечественной универсальной программируемой многоядерной архитектуры компоненты авионики, осуществляющие визуализацию необходимой в бортовых условиях информации с характеристиками производительности и качества изображения, соответствующими современным мировым требованиям;
внедрение разработанных программно-алгоритмических средств в серии БПВ МГК на основе отечественных микросхем «Мультикор» пиковой производительностью 480 MFLOPS, предназначенных для современных ПЛА (Су-35, Ми-28Н) показало, что они могут быть применены в широком классе задач визуализации: в морской, сухопутной, космической технике, а также при визуализации информации в системе ГЛОНАСС;
созданы программно-аппаратные средства и алгоритм тестирования компонентов БПВ для осуществления автономного контроля на приемо-сдаточных испытаниях БПВ у изготовителя, а также входного контроля у потребителя.
Анализ результатов внедрения показал, что современный уровень развития программируемых гетерогенных многоядерных систем на кристалле соответствует требованиям бортовых задач интерактивной визуализации.
Разработанную на основе результатов исследования серию БПВ отличает программируемый характер вычислений, который обеспечивает широкие возможности по модернизации штатного программного обеспечения, а также высокоуровневый характер взаимодействия (OpenGL) с несущей БЦВМ.
С точки зрения Государственной стратегии импортозамещения микроэлектронных компонентов проведенное исследование является критически важным ввиду использования в нем отечественных высокопроизводительных СБИС типа «система на кристалле». Автор проводил исследования в рамках «Стратегии разви-тия электронной промышленности России на период до 2025 года», утвержденной министром промышленности и энергетики РФ в 2007 г., а также «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ».
Изделия серии МГК включены в «Перечень серийно производимых и перспективных базовых средств вычислительной техники, разработанных на основе отечественной элементной базы, архитектурных, системных, программных и конструктивных решений, принятых в КПП «Интеграция - СВТ», для межвидового применения» от 01.01.2006 г., утвержденный начальником вооружения Вооруженных Сил Российской Федерации - зам. Министра обороны Российской Федерации.
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 разработок была создана серия БПВ (МГК, МГК-4, МГК-б) на основе разработанной в ГУП НПЦ «ЭЛВИС» отечественной платформы проектирования систем на кристалле «Мультикор», что подтверждено актами о внедрении соответствующих изделий на предприятиях ОАО «Раменское Приборостроительное Конструкторское Бюро», ФГУП «НИИ «Субмикрон» г.Москва, ГУЛ НПЦ «ЭЛВИС» г. Москва. Серия БПВ МГК предназначена для использования в составе бортового оборудования современных ПЛА (вертолеты Ми-28Н, истребители Су-35).
Основные результаты исследования использованы в научно-исследовательской работе (НИР) «Исследование типовых радиотехнических задач, современных системотехнических и схемотехнических решений при создании радиоэлектронных средств новых поколений для модернизации действующих и комплектования перспективных ВВТ и разработка предложений для Министерства обороны по формированию рациональной номенклатуры субмикронных СФ бло-
ков и СБИС типа «система на кристалле» на базе программируемой многоядерной платформы».
Новизна разработанного программного обеспечения зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ): свидетельство №2007612961 от 9 июля 2007 г. (приложение 5).
В рамках диссертационной работы лично автором были решены следующие задачи.
Проведен анализ требуемой вычислительной мощности (500 MFLOPS) и пропускной способности каналов передачи данных (не менее 400 МБ/с) БПВ при визуализации с частотой 25 Гц трехмерной подстилающей поверхности при движении ПЛА на малых высотах со скоростью 1,25 М.
Аналитически формализованы критерии эффективного управления обработкой графической информации в гетерогенных многоядерных системах на кристалле.
Разработан алгоритм постадийной конвейеризации для эффективного управления БПВ на основе программируемых систем на кристалле.
В терминах сетей Петри разработан параллельный флажковый алгоритм, обеспечивающий эффективное управление обработкой графической информации в многопроцессорных БПВ.
Предложен способ функциональной декомпозиции программной архитектуры OpenGL в БПВ, учитывающий особенности гетерогенной структуры ядер систем на кристалле.
Разработаны эффективные алгоритмы управления обработкой вызовов OpenGL в многопроцессорных БПВ, а также алгоритмы прикладного программного обеспечения БЦВМ по эффективной визуализации двух- и трехмерных подстилающих поверхностей.
Определены компоненты и разработано ПО OpenGL с учетом требований к производительности и отказоустойчивости мезонинного БПВ.
Разработан комплексный алгоритм бортовой визуализации, позволяющий интерактивно отображать трехмерную подстилающую поверхность, а также визуализировать двухмерную карту местности в БПВ.
Разработан алгоритм тестирования компонентов, реализовано ПО технологиче-
ской контрольно-проверочной аппаратуры БПВ и ПО для диагностики, отладки и поддержки обновлений графической визуализации БПВ.
Разработаны алгоритм и методика комплексной оценки параметров производительности БПВ, проведено экспериментальное исследование производительности БПВ по визуализации двух- и трехмерной подстилающей поверхности.
Проведено внедрение результатов исследования мезонинных БПВ серии МГК на предприятиях ФГУП «НИИ «Субмикрон» и ОАО «Раменское Приборостроительное Конструкторское Бюро».
Автор участвовал в разработке программной, текстовой и конструкторской документации, а также непосредственно проводил инсталляционные и сопроводительные работы в местах эксплуатации созданных изделий.
На защиту выносятся:
анализ требуемой вычислительной мощности (500 MFLOPS) и пропускной способности внутренних каналов передачи данных (400 МБ/с) в БПВ;
формализованные автором критерии эффективного управления обработкой графической информации в БПВ на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле;
алгоритм постадийной конвейеризации для эффективного управления БПВ на основе систем на кристалле с программируемой архитектурой, позволяющий получить производительность растеризации изображения, равную 92% от теоретических возможностей вычислительных ядер;
параллельный флажковый алгоритм управления БПВ на основе сетей Петри, при котором достигается повышение производительности обработки графической информации двухпроцессорного БПВ на 92-95%;
способ функциональной декомпозиции программной архитектуры OpenGL в БПВ, учитывающий гетерогенную структуру ядер системы на кристалле;
разработанное ПО OpenGL для интерактивной визуализации подстилающей поверхности в БПВ, ПО технологической контрольно-проверочной аппаратуры БПВ;
алгоритмы управления обработкой вызовов OpenGL в многопроцессорных БПВ, а также алгоритмы прикладного программного обеспечения БЦВМ по эффек-
тивной визуализации двух- и трехмерной подстилающей поверхности;
комплексный алгоритм бортовой визуализации, позволяющий интерактивно отображать трехмерную подстилающую поверхность площадью до 210 км2 при полете ПЛА на малых высотах на скорости 1,25 М, визуализировать двухмерную карту местности площадью 3000 км2 в масштабе 1 : 200 000;
алгоритм и методика комплексной оценки параметров производительности БПВ, а также результаты экспериментальной оценки производительности созданных БПВ по визуализации двух- и трехмерной подстилающей поверхности;
внедрение результатов исследования на предприятиях ГУП НПЦ «ЭЛВИС», ФГУП НИИ «Субмикрон» и ОАО «Раменское Приборостроительное Конструкторское Бюро».
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007», Москва, МИЭТ; 17-й Международной конференции по компьютерной графике и компьютерному зрению «Graphi-соп'2007», Москва, МГУ; 6-й Международной конференции «Авиация и космонавтика 2007», Москва, МАИ; V Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и кибернетика 2007», Днепропетровск, ИТН НАН; 10-й международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение - DSPA-2008», Москва, ИПУ РАН; Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2008», Москва, МАИ; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микро- и нано-электронных систем - 2008», Истра, ИППМ РАН; XXXIV международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения - 2008», Москва, МАТИ; 15-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008», Москва, МИЭТ.
Основные результаты докладывались и обсуждались также на совместных технических семинарах ГУЛ НПЦ «ЭЛВИС» и: Southern Taiwan Science Park Administration (Тайвань), ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей».
По теме диссертации опубликовано 19 научных работ. Из них в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень, утвержденный ВАК - 8, тезисов докладов всероссийских и международных конференций -10,1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (см. приложение 5). Без соавторов опубликовано 15 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Объем основного текста диссертации - 180 страниц. В работе содержится 76 рисунков и 20 таблиц. Список литературы содержит 109 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи работы, перечисляются элементы научной новизны и практической значимости, дается краткое содержание глав работы.
В первой главе проведен обзор современных алгоритмов и программных средств обработки графической информации, проанализированы существующие аппаратные средства построения БПВ, обосновано построение БПВ на базе гетерогенных многоядерных систем на кристалле, сформулированы требования к вычислительным ресурсам аппаратуры БПВ. Определены цели и задачи работы.
Во второй главе проведена теоретико-множественная формализация задачи эффективного управления БПВ на основе гетерогенных многоядерных систем на кристалле. Формализованы критерии эффективного управления обработкой графической информации в БПВ, разработан алгоритм постадийной конвейеризации и модель функционирования вычислительных ядер при прохождении стадий графического конвейера. Предложен способ функциональной декомпозиции архитектуры OpenGL. Проанализированы требования к показателям производительности гетерогенной системы на кристалле. Получены и проанализированы принципиальные маркированные сети Петри работы многопроцессорной графической системы. В терминах сетей Петри разработан параллельный флажковый алгоритм управления обработкой графической информации в многопроцессорных БПВ.
В третьей главе рассмотрены теоретические вопросы, связанные с разработкой ПО для управления БПВ. Проведена декомпозиция программной архитектуры БПВ по функциональному признаку с учетом требований стандарта OpenGL. Сформулированы преимущества и недостатки различных вариантов организации
программной архитектуры OpenGL с точки зрения обеспечения отказоустойчивости и управления информационными потоками в системе. Обсуждены достоинства и недостатки популярных языков программирования для реализации управления в ПО БПВ. Приведена обобщенная схема аппаратного построения БПВ, рассмотрены некоторые аспекты разработки программного комплекса OpenGL. Разработаны алгоритм тестирования компонентов БПВ и ПО технологической контрольно-проверочной аппаратуры для осуществления приемо-сдаточных испытаний БПВ и обеспечения необходимого уровня контролепригодности изделия.
В четвертой главе на основе результатов внедрения серии двухпроцессорных БПВ показано преимущество программируемой архитектуры БПВ при визуализации сцен, имеющих бортовую специфику. Рассмотрены практические аспекты создания ПО БПВ. Приведено описание комплекса программно-аппаратных средств технологической контрольно-проверочной аппаратуры. Разработан алгоритм и комплексная экспериментальная методика оценки производительности БПВ по обработке двух- и трехмерных типовых сцен визуализации, учитывающие параметры быстродействия БПВ, интерактивности визуализации, эффективности использования вычислительных узлов. Приведены и обсуждены полученные результаты производительности. Разработаны рекомендации по программированию прикладного программного обеспечения с целью достижения наилучших результатов производительности БПВ, алгоритм визуализации двух- и трехмерных подстилающих поверхностей на основе габаритной координатной рамки и алгоритм компенсации задержки визуализации. На основе предложенных в работе программно-алгоритмических средств разработан комплексный алгоритм бортовой визуализации.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Приложения содержат акты о внедрении проведенных в диссертации исследований (приложение 1), поясняющие схемы стенда ТКПА ЮШКР.468261.177.РЭ (приложение 2), фрагменты программ, иллюстрирующие основные разработанные алгоритмы (приложение 3), материалы для обработки экспериментальных данных и результаты моделирования (приложение 4), а также копии свидетельства о регистрации программы для ЭВМ и диплома лауреата конференций (приложение 5).
