Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Задачи совершенствования самоорганизующихся УВК для работы в экстремальных условиях в реальном времени 13
1.1 Анализ состояния и тенденции развития УВК, работающих в экстремаль-ных условиях 13
1.2 Состояние и задачи развития микроэлектронных компонентов для построения самоорганизующихся управляющих вычислительных комплексов и методологии их проектирования и изготовления 21
1.3 Задачи развития технического, математического и программного обеспечения УВК нового поколения 28
1.4 Постановка задач исследования 35
Выводы 36
Глава 2 Определение принципов построения и особенностей структурно-логической реализации самоорганизующихся УВК 37
2.1 Обоснование требований к построению УВК нового поколения 37
2.2 Целевые задачи и принципы построения УВК 41
2.3 Оптимизация структурно-логических решений 46
2.4 Исследование путей повышения производительности 60
2.5 Оптимизация тактовой частоты для повышения производительности вычислительных средств 66
Выводы 78
Глава 3 Обеспечение надежности самоорганизующихся УВК 81
3.1 Базовые принципы обеспечения надежности УВК 81
3.2 Оценка надёжности различных вариантов резервирования вычислительных структур в условиях неопределенности характеристик потока отказов и системы контроля 91
3.3 Исследование вариантов резервирования магистральных связей в управляющих вычислительных комплексах 100
3.4 Автоматическое перераспределение задач в условиях катастрофических отказов или деградации параметров МЭК 108
3.5 Обеспечение работоспособности аппаратуры при радиационных воздействиях большой интенсивности 117
Выводы 123
Глава 4 Обоснование архитектуры самоорганизующихся УВК реального времени, работающих в экстремальных условиях 127
4.1 Архитектура УВК нового поколения 127
4.2 Центральная вычислительная машина и средства взаимодействия подсистем 135
4.3 Архитектура подсистемы обработки данных геофизического канала. 140
4.4 Архитектура подсистемы оптической коррекции.. 144
4.5 Обоснование выбора архитектуры системы спутниковой коррекции.. 153
4.6 Архитектура вычислительных средств подсистемы инерциалыюй навигации 155
4.7 Коммутационно-преобразовательная подсистема 161
Выводы 162
Глава 5 Разработка методов и алгоритмов управления самоорганизу ющихся УВК нового поколения 167
5.1 Разработка средств управления реального времени при неблагоприятных внешних воздействиях 167
5.2 Разработка математического и программного обеспечения поддержки надежности УВК и их самоорганизации при воздействии внешней среды 172
5.2.1 Разработка алгоритма оптимального распределения машин в УВК 172
5.2.2 Алгоритм динамического перераспределения задач в процессе работы 176
5.2.3 Алгоритмы реконфигурации и восстановления 179
4 5.2.4 Восстановление при отсутствии правильно работающих машин... 188
5.3 Повышение эффективности подсистемы коррекции по геополям 192
5.3.1 Облик системы коррекции 192
5.3.2 Обзор известных подходов к реализации подсистемы 196
5.3.3 Методика и средства повышения точности подсистемы КЭН 200
5.4 Разработка комплексной технологии отработки программно-аппаратных средств УВК 205
Выводы 209
Глава 6 Создание научной и промышленной базы проектирования специализированных МЭК и УВК, реализация и применение их в современных СУ 213
6.1 Создание научной и промышленной базы автоматизации проектирования и отработки СБИС и самоорганизующихся УВК для САУ нового поколения 213
6.2 Пример создания робото-технического комплекса для выполнения работ в зоне радиационного загрязнения 218
6.3 Особенности реализации и основные параметры самоорганизующихся вычислительных комплексов и систем управления на их основе 223
6.4 Значение полученных результатов для науки и практики 228
Выводы 231
Заключение 233
Библиографический список 236
Приложение 254
- Состояние и задачи развития микроэлектронных компонентов для построения самоорганизующихся управляющих вычислительных комплексов и методологии их проектирования и изготовления
- Исследование путей повышения производительности
- Оценка надёжности различных вариантов резервирования вычислительных структур в условиях неопределенности характеристик потока отказов и системы контроля
- Центральная вычислительная машина и средства взаимодействия подсистем
Введение к работе
Актуальность проблемы. В результате распада СССР резко изменилась геополитическая обстановка в мире. Приближение чужих военных баз непосредственно к границам нашей страны, непрерывное совершенствование потенциальным противником системы противоракетной обороны, ракетно-ядерного оружия и обычных вооружений является явной угрозой национальной безопасности нашей родины.
Для обеспечения в этих условиях возможности адекватного и своевременного ответа на данные угрозы в первую очередь необходимо развитие основного звена сохранения паритета, а именно стратегических ракетно-ядерных средств морского базирования. Кроме того, в последнее время обострилась борьба между ведущими государствами и Россией за рынок вывода в космическое пространство объектов различного назначения.
В данной работе поставлена задача разработки самоорганизующихся управляющих вычислительных комплексов (УВК) реального времени, работающих в экстремальных условиях, и построения на их основе систем автоматического управления (САУ) для новых и для модернизации находящихся в эксплуатации изделий морского базирования, а также САУ ракетных комплексов, выводящих в космос полезную нагрузку. Для возможного применения стратегических вооружений при совершенных системах активного противодействия, включающих высокоинтенсивные электромагнитные и ионизирующие излучения с изменяемыми амплитудными характеристиками и спектральным составом, необходимо создание нового семейства САУ. Эти системы должны отвечать современным требованиям по точностным характеристикам, сокращению времени подготовки и гарантировать выполнение целевых задач, работая в широком диапазоне температур, механических нагрузок и при направленных неблагоприятных внешних воздействиях. УВК систем управления особо опасными объектами — атомными электростанциями, ядерными реакторами, химическими производствами и т.п., а также робототехническими комплексами (РТК) также должны обеспечивать надёжную работу в жестких условиях эксплуатации. Решение задачи применения УВК ракетно-космических комплексов в системах управления стационарными экологически опасными объектами в рамках общей программы создания новых систем управления (СУ) значительно снижает суммарные затраты на их реализацию.
Работы по созданию УВК систем управления нового поколения выполнялись в соответствии с рядом постановлений Совета министров СССР (ПСМ), Постановлений правительства и указов Президента РФ (ПСМ от 11.03.86 № 320-98 и приказ министра общего машиностроения от 04.04.86 № 165, Постановления правительства РФ от 15.09.92 № 716-54 и от 30.12.98 № 1591-71, указ Президента РФ от 10.11.98 № 1337, Постановление правительства РФ от 03.06.03 №321).
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка самоорганизующихся УВК, обеспечивающих надежную работу в экстремальных условиях в реальном времени, и создание на их основе семейства САУ для новых и модернизации находящихся в эксплуатации изделий морского базирования, комплексов вывода на орбиту космических аппаратов, особо опасных объектов и робототехнических комплексов.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ состояния и определить направления развития самоорганизующихся УВК, работающих в экстремальных условиях и в реальном времени;
- проанализировать возможности отечественной микроэлектрошюй промышленности по созданию универсальных и специализированных больших интегральных схем (СБИС) для построения УВК, а также определить предъявляемые к ним требования и обосновать архитектурные и структурно-логические решения; - определить целевые функции, принципы построения и обосновать архитектуру самоорганизующихся УВК нового поколения;
- обосновать архитектуру центральной цифровой вычислительной системы и аппаратуры взаимодействия подсистем;
- оптимизировать архитектурные и структурно-логические решения самоорганизующихся УВК, обеспечивающие их работу в экстремальных условиях и реальном времени;
- определить принципы построения и архитектуру интеллектуальных вычислителей подсистем управления и коррекции параметров движения;
провести исследование вариантов обеспечения гарантированной надежности работы самоорганизующихся УВК нового поколения в заданных условиях применения;
- разработать средства комплексного проектирования, отладки, производства и испытания всех видов обеспечения самоорганизующихся УВК нового поколения с целью ускорения их создания и гарантированной достоверности контроля и диагностики;
- разработать базовые компоненты самоорганизующихся УВК, а также решить задачи реализации и применения семейства САУ нового поколения различного назначения.
Методы исследования основываются на теории построения систем управления, анализа и синтеза вычислительных машин, теории оптимизации а также аппарате вычислительной математики и прикладной статистики, методах структурно-модульного и объектно-ориентированного программирования. Как основные используются основы имитационного, структурного, параметрического моделировании и вычислительных экспериментов.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
- выбраны направления создания, принципы построения, архитектура и ме
тоды проектирования самоорганизующихся УВК для создания на их основе се 8 мейства САУ нового поколения, обеспечивших достижение целевых показателей на уровне современных требований, унификацию аппаратурных и программных средств, а также значительное сокращение сроков и трудоёмкости создания УВК и САУ в целом;
- определены архитектура и методы реализации специализированных автономных вычислителей подсистем управления, инерциальной навигации, оптической и спутниковой коррекции, а также коррекции движения по геофизическим полям, заложивших основу создания данных подсистем как законченных унифицированных измерительно-вычислительных модулей, которые могут использоваться для проектирования и модернизации систем управления различного назначения, чем обеспечена простота развития и минимизация затрат на их создание.
- найдены оригинальные структурно-логические решения, обеспечившие оптимизацию основных характеристик СБИС, УВК и СУ на их основе, а также увеличение интегрального показателя качества более чем на порядок; новизна предложенных решений подтверждена большим количеством авторских свидетельств на изобретения;
- предложены системные и схемотехнические решения обеспечения работы УВК в экстремальных условиях в реальном времени, в особенности при воздействии ионизирующих и электромагнитных излучений большой интенсивности, отличающиеся автоматической перестройкой структуры с учетом неопределённости характеристик потока отказов, параметров системы контроля и деградации параметров БИС;
- проведена модификация алгоритмов индивидуальных вычислителей подсистем оптической коррекции (ПОК) и корреляционно-экстремальной навигации (КЭН) для параллельного решения задач на основе их рационального распределения между программным и аппаратурным уровнями, а также возможностью автоматической перестройки структуры для обеспечения заданной надёжности работы УВК и повышения эффективности САУ в целом; - разработаны методы и средства комплексного проектирования, отладки и испытаний аппаратурного и программного обеспечения, отличающиеся возможностью параллельной разработки различных видов обеспечения и сокращением сроков.
Практическая значимость и результаты внедрения. Основным практическим результатом работы является создание принципиально нового поколения УВК, обеспечивающего работу в экстремальных условиях в реальном времени и создание СУ на их основе. Ими оснащены вновь вводимые и модернизированные изделия морского базирования и комплексы вывода на орбиту космических объектов. Самоорганизующиеся УВК соответствуют современным требованиям по функциональности, надёжности, производительности, энергопотреблению, габаритам и массе. При этом обеспечено повышение точностных характеристик, сокращение времени предстартовой подготовки, надёжное функционирование СУ в условиях применения средств активного противодействия.
На примере создания РТК, предназначенных для проведения работ в зоне радиоактивного загрязнения, показана возможность и эффективность применения самоорганизующихся УВК в системах гражданского назначения.
Сформулированные функциональные требования к СБИС, УВК и СУ нового поколения явились основой развития научной и промышленной базы автоматизации их проектирования и производства, которая является важным вкладом в решение проблемы создания современных отечественных наукоёмких технологий.
Научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на базовых предприятиях и используются в учебном процессе ВУЗов РФ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на семинарах и совещаниях научного совета по проблемам управления и навигации, объединенных научных советах РАН «Научные основы построения вычислительных, телекоммуникационных и локальных сетей», «Федеральные проблемы создания элементной базы информационно 10 вычислительных и управляющих систем». Результаты работы докладывались на XIV, XVI, XXIII межотраслевых научно-технических конференциях памяти Н.Н. Острякова (Ленинград 1984, 1988; Санкт-Петербург 2002); международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии -ММТТ-18» (Казань, 2005); международных конференциях «Авиация и космонавтика» (Москва 2005), «Киберненика и технологии XXI века» (Воронеж, 2003 и 2005); всероссийских конференциях «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2003 и 2005), «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2005); Российской научно-технической конференции «Информационные технологии (ИТ-2005)» (Воронеж, 2005); IV международной научно-практической конференции «Проблемы регионального управления, экономики, права и иповационных процессов в образовании» (Таганрог, 2005); международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2005); IV и V международных практических конференциях «Влияние внешних воздействующих факторов на элементную базу аппрарату-ры авиационной и космической техники» (Королев, 2005); Российской конференции «Радиационная стойкость электронных систем. Стойкость-2005» (Москва, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 работ, в том числе 19 в изданиях, рекомендованных ВАК, две монографии; получено 15 авторских свидетельств на изобретения. В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении цели и задач работы, в выполнении научно-технических исследований и анализе эффективности их результатов, в разработке основных элементов УВК и их внедрения в составе СУ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Материалы диссертации изложены на 253 страницах, включая иллюстрационный материал и приложение.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, научная новизна, практическая значимость результатов.
В первой главе проведён анализ состояния и тенденций развития самоорганизующихся УВК, предназначенных для работы в экстремальных условиях в реальном времени, и СУ нового поколения на их основе, а также и микроэлектронных компонентов (МЭК) для их создания. Рассмотрены проблемы разработки технического, математического и программного обеспечения самоорганизующихся УВК, работающих в экстремальных условиях в реальном времени. Проведена постановка задач исследования.
Вторая глава посвящена вопросам обоснования требований к целевым функциям и характеристикам самоорганизующихся УВК нового поколения, рассмотрены принципы их построения. Описаны результаты оптимизации архитектурных и структурно-логических решений.
В третьей главе рассмотрены базовые принципы обеспечения надежности самоорганизующихся УВК нового поколения, результаты исследования различных вариантов резервирования вычислительных структур, автоматического перераспределения задач при изменении фактической производительности УВК, обеспечения работоспособности при внешних воздействиях радиационных и электромагнитных излучений большой интенсивности.
В четвёртой главе рассмотрены вопросы выбора архитектуры самоорганизующихся управляющих вычислительных комплексов реального времени, а также вопросы построения центральной вычислительной системы и интеллектуальных подсистем управления и коррекции движения, в том числе подсистем инерциаль-ной навигации (ПИН), оптической коррекции (ПОК), спутниковой коррекции (ПСК), подсистемы коррекции по геофизическим полям (ПКГП), а также подсистемы коммутационно-преобразовательной аппаратуры (КПА).
Пятая глава содержит описание разработанных встроенных средств управления самоорганизующихся УВК, обеспечивающих работу в экстремальных условиях в реальном времени. Рассмотрены вопросы построения аппаратуры и программ поддержки работоспособности при внешних неблагоприятных воздействиях. Приведены особенности реализации подсистемы КЭН, базирующиеся на рациональном распределении задач между аппаратурным и программным уровнями. Описана структура технологического комплекса проектирования, отладки и контроля технических и программных средств УВК.
В шестой главе рассмотрены результаты развития научной и промышленной базы автоматизации проектирования и обеспечения производства МЭК и УВК, особенности реализации и параметры самоорганизующихся УВК и семейства СУ нового поколения на их основе, приведен пример создания РТК, показано значение результатов диссертации для науки и практики.
В заключении рассмотрены основные результаты работы.
В приложении приведены акты внедрения.
Диссертация написана на основе личных исследований автора, а также большого количества научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведённых под его руководством и с непосредственным участием. Эти результаты положены в основу создания семейства самоорганизующихся УВК реального времени, обеспечивающих работу в экстремальных условиях с высоким уровнем надежности. Они позволили создать ряд автоматических СУ нового поколения различного назначения. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-73,76-79,103,124].
Состояние и задачи развития микроэлектронных компонентов для построения самоорганизующихся управляющих вычислительных комплексов и методологии их проектирования и изготовления
Создание и развитие микроэлектроники является определяющим фактором в обеспечении необходимых характеристик существующих и перспективных УВК, принципов их проектирования и использования [23-25, 29, 34-37, 48-52, 61-65, 70,103].
Все больше возрастает объем и сложность функций, которые могут быть реализованы на одном кристалле. Осуществляется массовое внедрение СБИС в аппаратуру. Это приводит к необходимости развития принципиально новых методов структурного и схемотехнического построения компонентов УВК на основе крупных функциональных модулей. При степени интеграции БИС порядка 105-И06 вентилей появляются предпосылки для аппаратурной реализации части алгоритмов с помощью функционально ориентированных кристаллов.
Определились два основных класса интегральных микросхем, а именно универсальные и специализированные. К первым относятся БИС микропроцессорных комплектов и полупроводниковых постоянных и оперативных запоминающих устройств (ПЗУ и ОЗУ). Ко второму классу относятся СБИС, создаваемые для реализации узкого класса функций [3, 7, 12, 65], дополняющие универсальные СБИС. Введение специализированных БИС позволяет повысить эффективность УВК, ориентированных на определенный класс задач. Относительно большие затраты на создание универсальных БИС окупаются их более высоким объемом производства и применения. Для специализированных БИС объем производства мал, в связи с этим сформировалось самостоятельное направление их создания на основе унифицированных конструкторско-технологических решений. Проектирование таких СБИС ведется на основе базовых элементов (типовых ячеек) с отработанной электрической схемой и топологией. Широкое распространение получили полузаказные СБИС на основе базовых матричных кристаллов (БМК). Создание СБИС на основе БМК сводится к проектированию и изготовлению фото шаблонов переменных слоев коммутации [23, 25, 48-52, 76-79]. Такой подход позволяет за счет эффективных систем автоматизированного проектирования (САПР) быстро создавать специализированные БИС и использовать при построении аппаратуры единство противоположностей - универсальность и специализацию цифровых устройств. Это соотношение обеспечивает повышение эффективности УВК за счет максимальной ориентации аппаратуры на решаемые задачи с целью оптимизации ее характеристик.
Важным направлением развития микроэлектроники является создание микромощных СБИС (КМОП, КМОП КНС технологий), позволяющих резко сократить энергопотребление и повысить плотность интеграции за счет использования бес корпусных интегральных схем в составе микросборок. Это достоинство микромощных СБИС усиливается возможностью их работы в расширенном диапазоне питающих напряжений, что позволяет подключать аппаратуру непосредственно к химическому источнику тока (ХИТ) без вторичных преобразователей энергии. Большие работы ведутся по увеличению надежности этих СБИС. Существенно увеличилось время наработки на отказ, возросла параметрическая устойчивость к изменению температуры окружающей среды.
Важнейшим фактором является создание класса изделий микроэлектроники, имеющих высокую устойчивость к ионизирующим излучениям. При этом можно выделить уникальную КМОП КНС технологию, позволяющую создать СБИС, сохраняющих работоспособность при больших интенсивностях ионизирующих излучений и на 2-3 порядка превышающих уровень сохранения работоспособности БИС других технологий.
Непосредственно на уровень надежности аппаратуры, а также на стоимость разработки и изготовления, влияет унификация конструкторско-технологических решений для изделий микроэлектроники. Это относится как к унификации данных решений при проектировании и изготовлении СБИС, о чем говорилось ранее, так и к унификации с точки зрения использования в аппаратуре. Важным является перевод на унифицированные конструкции на основе полиамидного носителя бескорпусных элементов, начиная от микросхем запоминающих устройств и заканчивая СБИС с различной степенью интеграции. Установка в унифицированные конструкции бескорпусных микромощных универсальных и специализированных КМОП и КМОП КНС СБИС позволяет комплексно решить задачу создания функционально законченных узлов типа «система на кристалле». Они обладают малыми габаритами и энергопотреблением, обеспечивая при этом большие вычислительные возможности [28].
Необходимо отметить направление развития микроэлектроники по созданию сверхскоростных интегральных схем. Создание новых материалов группы А3В5 и гетероструктур на их основе позволяет создать полевые транзисторы с уникальными характеристиками, имеющими время переключения менее 10 пс. Считается реально достижимым (в течение ближайших 10 лет) построение цифровых интегральных схем на основе арсенида галлия (GaAs) со степенью интеграции 103-Ч04 вентилей в кристалле и энергией переключения вентиля около 5 фДж.
Создание СБИС на основе GaAs позволит решить, в первую очередь, проблему создания устройств цифровой обработки сигналов и ускорить решение задач оптимизации корреляционно-экстремальной навигации в перспективных СУ.
Вторым важным направлением использования гетероструктур является развитие оптоэлектронных устройств. Однако для полного использования преимуществ оптической связи необходимо решить проблему быстродействия цифровой части каналов обмена. В связи с этим большой эффект в части использования гетероструктур GaAs могут дать работы по поиску решений, обеспечивающих изготовление на одной подложке в общем технологическом цикле цифровых интегрально-оптических устройств с оптическим входом-выходом. Для перспективных систем большой интерес представляет развитие работ по оптоэлектронным методам обработки информации. Создание таких интегральных устройств позволит реализовать для следующего поколения СУ специализированные вычислительные устройства, не имеющие аналогов в современной аппаратуре.
Создан ряд полупроводниковых интегральных схем энергонезависимых запоминающих устройств на основе обычных кремниевых структур и ведутся дальнейшие работы по их совершенствованию. Основной задачей, требующей больших затрат, является проведение комплексных работ по обеспечению их стойкости к ионизирующим излучениям. Ее успешное решение позволит создать энергонезависимые запоминающие устройства для хранения в УВК массивов, программ, таблиц, картографической информации.
Как самостоятельная область функциональной микроэлектроники, развивается акустическая электроника. Наряду с активной разработкой датчиков акустоэлек-тронных систем в последнее время для обработки сигналов все чаще используются акустоэлектронные процессоры, которые функционально заменяют цифровые процессоры быстрого преобразования Фурье при умеренных требованиях к точности и динамическому диапазону.
Таким образом, развитие микроэлектроники оказывает существенно влияние на развитие архитектуры УВК и их применение в составе СУ в следующих основных направлениях:
1 Повышение степени интеграции СБИС, что позволяет создать функционально-законченные устройства на одном кристалле. Обеспечение рационального сочетания универсальных и специализированных СБИС (в том числе для аппаратурной реализации функций и процедур).
2 Улучшение эксплуатационных характеристик СБИС, в том числе увеличение надежности, устойчивости к внешним воздействиям, снижение энергопотребления и расширение диапазона питающих напряжений.
3 Внедрение унифицированных конструкторско-технологических решений создания как СБИС, так и аппаратуры на их основе. Ориентация на широкое использование систем автоматизации проектирования (САПР) и повышение уровня автоматизации производства. Обеспечение комплексной микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) за счет изготовления СБИС в бескорпусном варианте на полиамидном носителе. При этом обеспечивается возможность созда 25 ния в виде многокристальной сборки (микросборки) высокоинтегрированных, функционально-завершенных устройств типа «система на кристалле».
4 Развитие функциональной микроэлектроники, в том числе оптоэлектронных СБИС обработки и передачи информации.
В последнее десятилетие произошли существенные изменения в методологии проектирования и производства СБИС [36, 49, 47, 48, 51, 61, 72, 73, 76-79, 103,124].
Исследование путей повышения производительности
Применение при построении вычислителей УВК современной элементной базы повышенной степени интеграции, в том числе микропроцессорных комплектов, допускающих синтез системы команд микропрограммными средствами, позволяет совершенствовать архитектуру вычислительной машины. Такие параметры как состав системы команд, способы адресации и алгоритмы исполнения определяют эффективность конкретного применения вычислителей, их быстродействие и требуемый объем памяти программ. Специализация команд обеспечивает также уменьшение сложности и повышение полноты отработки программного обеспечения.
Основной вклад в повышение эффективности вносит «мощность» набора команд, не требующих для своего выполнения написания подпрограмм. Ее определение проводится на основе анализа класса решаемых задач путем введения в систему команд операторов, отражающих специфику области применения и обеспечивающих эффективное исполнение алгоритмов.
Сокращение длины программы, а следовательно и объема памяти достигается уменьшением количества адресуемых операндов за счет повышения мощности набора команд, которые определяются эмпирической зависимостью Хол-стеда: зависимостью потенциальной длины достаточно большой программы от количества адресуемых операндов m и используемых типов операций п: S = mxlogm + nxlogn. Для основных программ вычислителей УВК возможное количество адресуемых операндов значительно больше количества используемых типов операций. Проведенный анализ показал, что из полного набора (более ста) на 10-И 5 наиболее часто используемых команд приходится около 90% программы. Всего программистами обычно используется не более 40 команд. Возможность сокращения потенциальной длины программы хорошо иллюстрируется следующим примером. Для задач управления движением летательных аппаратов в трехмерном пространстве характерным является использование векторных и матричных переменных, имеющих размерность 3x1 и 3 3 соответственно. Доля таких операндов (от общего количества адресуемых) в программах расчета параметров движения достигает в существующих УВК 75-450%. При введении в систему команд операторов обработки векторов и матриц в векторно-матричном (а не в координатном) виде количество соответствующих адресуемых операндов уменьшается более чем в три раза, а общее количество операндов и, следовательно, потенциальная длина программ расчета параметров движения - примерно в два раза.
Таким же образом можно ввести конструкции и операторы обработки данных, которые реализуют типовые алгоритмы других двух групп задач, являющихся наряду с задачами управления движением, характерными для вычислителей УВК: управление системами, датчиками, элементами объекта, обработка массивов информации с решением задач фильтрации и опознавания; реализация операционной системы планирования и организации вычислений.
Распределение ресурсов времени и памяти вычислителей между первичными группами задач управления зависит как от их параметров, так и от характеристик объекта управления. До недавнего времени для управляющих вычислителей было характерно следующее распределение ресурсов: - управление движением - 55- 60%; - управление подсистемами и обработка их информации - 10 -20%; - операционная система-25 -30%.
В последнее время в связи с усложнением объекта управления и существенно возросшими вычислительными затратами на решение задач коррекции параметров движения вторая группа задач требует все больше ресурсов и ее вес становится определяющим.
Очевидно, что система команд перспективных вычислителей должна быть ориентирована на математический аппарат всех трех групп задач управления, обеспечивая их оптимальное программирование и эффективное выполнение.
Если сокращение длины программы достигается уменьшением общего ко личества адресуемых операндов за счет введения в систему команд операторов, задающих алгоритм обработки большего, чем при обычном наборе команд, количества элементарных операндов, то сокращение времени расчета достигается при этом за счет уменьшения количества инициируемых команд. Повышение быстродействия вычислителей определяется уменьшением количества обращений в память и соответственно уменьшением количества микроопераций декодирования кодов команд. Кроме того, вновь вводимые операторы, являясь типовыми для какой-либо группы задач, имеют в динамической смеси этой группы значительный весовой коэффициент, что создает предпосылки для оптимизации аппаратурных затрат, используемых для повышения производительности на данной смеси. Особенно это важно для задач, решаемых на участках работы с пиковой (максимальной) загрузкой вычислителей, потому что именно они определяют требования по производительности.
С целью оценки эффективности введения в систему команд операторов, реализующих типовые алгоритмы, был проведен анализ группы задач одной из систем управления предыдущего поколения для самого напряженного участка основной работы, где для решения задач управления движением используется более половины ресурсов времени и памяти вычислителя [65].
В группе задач управления движением были выделены следующие типовые операции и функции: сложение и вычитание векторов, скалярное и векторное умножение векторов, покоординатное умножение векторов, умножение матрицы на матрицу, вычисление обратной матрицы, умножение скаляра на вектор, транспонирование матрицы, деление вектора на его длину, экспонента, натуральный логарифм, вычисление тригонометрических функций (sin, COS, tg, arcsin, arccos, arctg), модуля числа, присвоение знака.
Оценка надёжности различных вариантов резервирования вычислительных структур в условиях неопределенности характеристик потока отказов и системы контроля
В вопросах проектирования центральных БЦВМ на базовых предприятиях накоплен наибольший опыт. Их разработка и изготовление проводилась с середины 60-х годов прошлого века. Начиная с третьего поколения систем управления, БЦВМ отошли от так называемой «гарвардской архитектуры». При работе с внешней памятью в ней используется единое адресное пространство памяти программ и данных. Для компенсации потерь производительности, связанных с последовательной выборкой, через относительно медленную внешнюю шину вводится внутрипроцессорная память программ и данных. Наличие такой встроенной памяти позволяет поднять скорость обработки данных, но требует дополнительного планирования организации вычислительного процесса и существенно усложняет построение операционных систем, работающих на основе прерываний.
Центральная БЦВМ нового поколения с учетом возможностей современной отечественной элементной базы реализована как многопроцессорная резервированная вычислительная система [48-50, 103, 145]. Структура такой БЦВМ, где в качестве базового модуля используется 32-разрядный процессор с локальной памятью и каналами связи с внутрисистемной магистралью, приведена на рисунке 4.8. На рисунке 4.9 приведен ее внешний вид.
В состав системы входят следующие модули: - несколько вычислительных модулей с локальным запоминающим устройством, содержащим ОЗУ и ПЗУ; - несколько системных запоминающих устройств, содержащих ОЗУ и ПЗУ; - дублированные каналы мультиплексного магистрального обмена, у которых обмен с внешними системами по основной магистрали ведет всегда один канал, второй находится в резерве и подключается только после отказа первого.
Все модули включают в свой состав устройства связи с тремя каналами общесистемной магистрали, которые работают автономно и обеспечивают прямой доступ в память процессоров, каналов обмена или системного ЗУ. Передача данных по общесистемной магистрали может осуществляться как по физическому адресу модуля, жестко привязанному к месту установки в магистраль, так и по математическому, задаваемому операционной системой. Математический адрес может быть групповым для нескольких модулей, которые принимают информацию от общего источника. Контроль передачи осуществляется с помощью двушкальных контрольных сумм, который практически исключает пропуск искажения информации.
В такой системе достаточно просто осуществляется резервирование подключением необходимого количества одноименных модулей. Выбор исправного вычислительного модуля осуществляется системным процессором путем сравнения контрольных сумм массивов, содержащих результаты вычислений. Контроль системного ЗУ осуществляется проверкой по контрольным суммам сохраняемых массивов. Проверка правильности работы каналов обмена также производится по контрольным суммам принимаемых массивов и результатам эхо - контроля выходов передатчиков, работающих на магистральные линии связи.
Для обмена по межсистемным мультиплексным магистралям установлено два модуля, обеспечивающих дублирование. Эти модули могут работать в режиме «контроллер», «оконечное устройство» или «монитор».
Внутрисистемная магистраль обеспечивает скорость передачи до 2.5 Мбайт/с и подключение до 16 модулей любого типа. Структуры вычислительных систем такого типа достаточно хорошо зарекомендовали себя в практике работы. Они обеспечивают простоту изменения конфигурации как для увеличения производительности, информативности, пропускной способности мультиплексных каналов, так и необходимого уровня резервирования.
Реализация каналов обмена по мультиплексному последовательному интерфейсу с учетом необходимости одновременной работы нескольких магистралей является одной из принципиальных задач, решаемых при создании конкретной СУ. Аппаратурная реализация нескольких резервированных магистралей заметно увеличивает габариты и массу БЦВМ. Модули связи, самостоятельно обеспечивающие все режимы взаимодействия подсистем, подключаются к резервированной внутрисистемной магистрали. На рисунке 4.10 приведена структура такого модуля. Он содержит 16-разрядный процессор с памятью программ и памятью данных. Связь процессора с приемопередатчиками, работающими на кабельные линии связи, реализуется с помощью СБИС. Связь с внутрисистемной резервированной магистралью осуществляется также через специализированные БИС. Габариты модуля связи определяются в основном количеством прие-мо-передающих устройств.
Работа всех модулей БЦВМ осуществляется под управлением системного процессора, выполняющего все программы операционной системы верхнего уровня. Этот процессор не выполняет расчеты, а только распределяет задачи и потоки информации между остальными модулями. С учетом фактического состояния исправности модулей он может провести решение максимально возможного объема задач, распараллеливая вычисления и устанавливая при этом для резервирования одну и ту же задачу на два или три модуля в зависимости от участка работы и вычислительной загруженности. При возникновении отказов в модулях БЦВМ исключаются резервированные решения задач, дающих наименьший вклад в вероятность обеспечения УВК высокой точности. При исчерпывании резерва и возникновении дополнительных отказов на решении будут оставаться наиболее важные, вплоть до снятия всех задач, кроме задач стабилизации и расчета опорной траектории, решение которых обеспечивается одним вычислителем. Для обеспечения надежности центрального звена БЦВМ -системного процессора его аппаратурные затраты минимизированы, он работает в 16-разрядной шкале с относительно невысоким быстродействием. Для по 139 вышения надежности в него введены внутренние аппаратурные средства, позволяющие сохранить его работоспособность при множественных независимых отказах в разных каналах резерва.
Центральная вычислительная машина и средства взаимодействия подсистем
Подсистема оптической коррекции предназначена для решения задач определения ориентации, автосопровождения объектов наблюдения на конечном участке, распознавания объектов на местности с использованием локально-экстремальных методов [49, 50, 60, 62, 103]. Алгоритмы обработки изображений для решения задач определения ориентации или выделения динамических объектов, как правило, содержат два основных этапа, а именно внутрикадровую и межкадровую обработку.
Внутрикадровая обработка состоит из следующих этапов: - контроль функционирования оптического электронного блока, включая проверку правильности получения сигналов; - определение неравномерности чувствительности элементов фотоприемного устройства (ФПУ); - контроль дефектных элементов и определение темновых токов ФПУ; - коррекция измерительной информации, включая устранение вклада темновых токов, а также учет неоднородности чувствительности и дефектных элементов; - выделение точечных объектов и формирование локальных максимумов амплитуд сигналов на изображении, а также анализ соотношения энергии между областями размерами nxn (n = 3, 5, 7) с центрированием локальных максимумов амплитуд сигналов и определение полной энергии выделенных изображений; - сортировка «т из М» точечных объектов и вычисление координат энергетических центров изображений точечных объектов.
Характерной чертой алгоритмов этого этапа является значительная степень внутреннего параллелизма, что позволяет разделить его на независимые ветви обработки. С другой стороны, последовательный характер считывания информации с современных оптических датчиков, созданных на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы), дает возможность параллельно-конвейерной обработки.
Межкадровая обработка заключается в идентификации объектов, определении координат отметок в приборной и инерциальной системах координат, а также проверке выполнения условий идентификации; выделении навигационных объектов, формировании списков подтвержденных и неподтвержденных объектов, определении параметров подтвержденных объектов, определении навигационных объектов для формирования поправок инерциальной системы координат; выделении движущихся объектов и определении их параметров.
Для решения задачи автосопровождения объекта наблюдения необходимо обеспечивать слежение траектории конца единичного вектора направления на объект наблюдения в инерциальной системе координат; определение изменения яркости и поиск точечного объекта в стробе поиска, вычисление отклонения координат отметок от прогнозируемого положения объекта наблюдения и выбор отметки с наименьшим отклонением.
Особенностью участка автосопровождения является то, что объект наблюдения, начиная с некоторой дальности, может стать уже не точечным и требуется вести обработку его изображения как протяженного тела. Для этого ис 146 пользуются методы адаптации окна к истинным размерам изображения объекта наблюдения. Кроме этого используются алгоритмы адаптивного регулирования яркости изображения объекта наблюдения.
Алгоритмы для распознавания локально-экстремальными методами включают этап выделения информативных признаков изображения и формирования поля градиента текущего изображения. После этого производится формирование псевдоизображения для точного сравнения с эталоном и сжатого псевдоизображения для предварительного сравнения. Далее осуществляется предварительное сравнение с эталонами, определение соответствия точек на текущем изображении эталонным точкам. Принимается решение о номере гипотезного эталона, вычисляется масштабный коэффициент и проводится уточненное сравнение с эталоном, включающее в себя вычисление функции взаимной корреляции псевдоизображения и каждого из гипотезных эталонов.
Алгоритмы обработки изображений для решения задачи захвата и сопровождения объекта заключаются в определении откликов на маски, вычислении средних значений сигнала и фона, а также функции взаимной корреляции полей градиента в выделенном стробе и текущем кадре.
Необходимо повторить, что независимо от характера задач, решаемых с помощью вычислительных средств ПОК, для каждой из них характерны два этапа решения - этап внутрикадровой и этап межкадровой обработки.
Характерными особенностями внутрикадровой обработки является значительный объем вводимой и обрабатываемой информации. Например, для современных ПЗС-матриц необходимо вводить массивы 16-ти разрядных пикселей с размерностью кадров 512x512 каждый. Для начальных этапов внутрикадровой обработки необходима высокая скорость обмена данными (до 20 Мбаит/с). Время, отводимое на данный этап обработки изображений, для автоматических систем управления составляет несколько десятков мс. Как правило, для изображений характерно отсутствие функциональной связи между пикселями, что делает возможным организацию параллельной обработки кадра. Обработка информации каждого пикселя состоит из набора относительно простых арифметико-логических преобразований над переменными, не выходящими из 16-разрядной шкалы.
Особенностями межкадровой обработки являются относительно невысокие требования к информативности вычислителя, так как массивы обрабатываемых переменных имеют объем в несколько Кбайт. Разрядность промежуточных переменных при обработке информации не превышает 24 бит. Функциональные преобразования при межкадровой обработке сводятся к вычислению взаимной корреляции различного вида и часто требуют реализации достаточно сложных процедур типа вычисления квадратного корня.
