Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Компоненты обработки потоков таймерной информации и синхронизации технологических процессов 12
1.1 Таймерная информация и таймерные сообщения 12
1.1.1 Формат таймерных сообщений 14
1.1.2 Преобразование таймерных импульсов в таймерные сообщения 16
1.2 Обработка потоков таймерной информации 18
1.2.1 Потоки таймерной информации 18
1.2.2 Специализированный Контроллер Таймерной Сети Общей Таймерной Системы 18
1.2.3 Обработка входных потоков 22
1.2.4 Формирование выходных потоков 26
1.2.5 Пропускная способность Контроллера ТаймернойСети 27
1.3 Синхронизация технологических процессов . 32
1.3.1 Специализированный Контроллер Синхросерпй для технологического таймера УРАЛ-30 33
1.3.2 Универсальный Генератор Комбинированных Серий Импульсов 37
ГЛАВА 2. Компоненты мониторинга состояния и диагностики работы общей таймерной системы 41
2.1 Мониторинг потоков таймерных сообщений в глобальной и локальной магистралях ОТС 42
2.1.1 Регистратор таймерных сообщений 42
2.1.2 Формирование аларм-сигналов в аппаратуре общей таймерной системы 47
2.2 Диагностическое сканирование состояния узлов аппаратуры 48
2.2.1 Встроенный диагностический порт 48
2.2.2 Метод диагностического сканирования выделенных объектов 50
2.3 Архивация таймерных сообщений 53
2.3.1 Архиватор таймерных сообщений 53
2.3.2 Формат записи таймерных сообщений 56
ГЛАВА 3. Исследование общей таймерной системы на базе ее имитационной модели 57
3.1 Построение модели общей таймерной системы 58
3.1.1 Основные цели создания модели 58
3.1.2 Определение входных потоков .модельных л сообщений 59
3.1.3 Формализация структурных компонентов 63
3.2 Эксперименты с моделью общей таимернои системы 67
3.2.1 Показатели эффективной работы модели 67
3.2.2 Исследования на базе имитационной модели 69
Заключение 76
Литература 79
Приложение 1
- Обработка потоков таймерной информации
- Синхронизация технологических процессов
- Диагностическое сканирование состояния узлов аппаратуры
- Эксперименты с моделью общей таимернои системы
Введение к работе
Современные циклические ускорители заряженных частиц, являющиеся одними из основных инструментов в фундаментальных исследованиях физики высоких энергий, имеют сложные, распределённые и компьютеризированные системы управления (СУ). Кроме того, каждый ускоритель оснащен определенными средствами таймирования, которые необходимы для обеспечения режима реального времени СУ и синхронизации технологических процессов на ускорительном комплексе. Несмотря на то, что системы таймирования любого ускорителя имеют общие черты и функциональные свойства, тем не менее, каждая из них имеет оригинальную реализацию, тесно связанную с особенностями комплекса аппаратуры СУ и физических установок, а также с точностью синхронизации технологических процессов.
Например, ускорительный комплекс в CERN (European Organization for Nuclear Research) имеет систему таймирования GMT (General Machine Timing), привязанную к магнитному циклу [1-8]. Программирование событий выполняется таймерными генераторами MTG (Master Timing Generator), расположенными на всех ускорителях и связанными между собой оптической линией связи. Исходная информация в виде внешних сигналов или условий, определяющих текущее состояние подсистем ускорительного комплекса, поступает на входные порты MTG. Прием таймерной информации осуществляется специализированными модулями TG8, выполненными в стандарте VME [7]. Кодировка таймерной информации осуществляется 32-разрядными словами (фреймами) и передается с частотой 1Кгц по потребителям. В каждой Імсек посылке содержится от одного до шести фреймов [8-10].
Система таймирования другого типа выполнена на ускорителе в лаборатории FNAL [11]. Таймерные события кодируются восьми битным манчестерским двухфазным кодом (с несущей 50 МГц) и передаются по кольцу с производительностью 10 Mbit/sec [12]. Коды событий формируются из поступающих синхросигналов и данных о состоянии ускорителя. Для усиления сигнала, через каждые 260 метров по всему ускорительному кольцу размещены повторители, выполненные в конструктиве САМАС [13-14]. В настоящее время коаксиальный кабель заменен на оптический [15].
В Приложении 1 представлены различные типы фреймов, передаваемые для технологических систем различных ускорителей (PS, SPS, LEP) [10] и кодировка событий, распространяемых на ускорителе в лаборатории FNAL [16].
Большое влияние на конфигурацию и свойства систем таймирования оказывает предыстория развития ускорителей и систем управления [17-18]. В частности, существующие средства таймирования ускорителей ИФВЭ создавались для каждой его установки в разное время, по мере развития ускорительного комплекса. В результате получился конгломерат различной аппаратуры с ручным или компьютерным управлением, связанной между собой множеством протяженных кабелей.
Организация режима реального времени для вновь создаваемой системы управления потребовала формирования и распространения между потребителями кодированной таймерной информации. Сам процесс кодировки внешних таймерных сигналов осуществлялся следующим образом. Перед сеансом программа с кодами из базы данных СУ загружалась в процессор, после чего он отрабатывал задание автономно, отключившись от связи с системой управления для обеспечения надежной работы. Однако, при этом исключался всякий доступ к процессору, и терялась возможность контролировать процедуры по формированию кодированной таймерной информации. Кроме того, отсутствие прямой связи между кодирующими устройствами, обслуживающими Бустер, У-70 и Системы вывода, исключала обмен между ними служебной информацией (номер суперцикла, номер режима и т.д.), необходимой для СУ ускорительного комплекса.
Актуальность
Дальнейшее развитие ускорительного комплекса ИФВЭ и его системы управления, возросшие требования по надёжности, точности и функциональности, предъявляемые к современным системам таймирования со стороны пользователей, а также распределённый характер ускорительного комплекса потребовали разработки новой таймерной системы. При этом требовалось решить следующие задачи: расширить функции таймерной системы; оснастить таймерную систему достаточными средствами диагностики; повысить временное разрешение таймерных сигналов; сократить и детерминировать время обработки таймерных сигналов; унифицировать компоненты таймерной аппаратуры и сократить их объем; ограничить номенклатуру таймерных модулей; обеспечить пользователям удобный доступ к оперативным данным таймерной системы;
Результатом решения этих задач явилось создание базовых компонентов, составляющих основу общей таймерной системы (ОТС), которые обеспечили её высокие технические характеристики и надежность функционирования. Создалась возможность вывести из эксплуатации устаревшие устройства транспортировки таимерных сигналов из главного пульта [19] и разнотипные таймеры с ручным управлением. Вся эта аппаратура выработала свой ресурс за почти сорокалетний период эксплуатации.
Цель работы
Основной целью работ, входящих в диссертацию, является:
Разработка и создание компонентов обработки и распределения таймерной информации, обеспечивающих минимальное детерминированное временя ее доставки потребителю.
Разработка и создание надежных унифицированных компонентов синхронизации технологических процессов в ускорительных установках.
Разработка и создание компонентов мониторинга состояния и диагностики работы ОТС для сокращения времени поиска неисправностей и, соответственно, простоев ускорителей.
Разработка метода диагностического сканирования выделенных объектов и диспетчера последовательного порта для диагностики аппаратуры ОТС в реальном времени.
Разработка имитационной модели таймерной системы для оценки предельных возможностей ОТС.
Исследование работы модели ОТС в разной конфигурации системы при сохранении заданной эффективности работы.
Научная новизна
Научная новизна работ, выполненных автором и вошедших в диссертацию, может быть сформулирована следующим образом:
Предложен новый подход при разработке компонентов ОТС с использованием элементной базы нового поколения (программируемых логических интегральных схем - ПЛИС) и инструментальных пакетов ведущих производителей ПЛИС. Это позволило минимизировать как число типов модулей, так и их количество, а также повысить надежность работы всей системы.
Разработан и реализован набор компонентов для ОТС на базе современной схемотехники. Он включает в себя специальные модули обработки, распределения и диагностики таймерной информации, а также унифицированные модули, позволяющие экономично решать разнообразные задачи синхронизации технологических процессов.
Предложен и разработан модуль, архивирующий в автономном режиме все сигналы, циркулирующие в таймерной сети в течение длительного времени. Модуль позволяет анализировать ситуацию, когда в работе ОТС происходят редкие спонтанные сбои, обнаружить которые с помощью обычных приборов практически невозможно.
Предложен и разработан метод диагностического сканирования выделенных объектов в модулях, выполненных на базе ПЛИС. В отличие от коммерческих продуктов, данный метод позволяет контролировать состояние объектов внутри ПЛИС в реальном времени, не нарушая работу модуля. По данной тематике подана заявка на изобретение.
Предложен и разработан оригинальный способ доступа к узлам ОТС через универсальный диагностический порт, который встроен в большинство модулей системы. Предложен и разработан протокол обмена с внешним компьютером, который используется в процессе диагностического сканирования узлов аппаратуры ОТС.
Предложена и разработана имитационная модель ОТС и на её базе исследована работа системы с целью оценки ее предельных возможностей. Определен показатель эффективности работы ОТС и выведена аналитическая зависимость допустимой максимальной глубины буферной памяти в каждом узле обработки таимерных сигналов от числа узлов ОТС при условии сохранения эффективной работы системы.
Практическая ценность работы.
Компоненты обработки и распределения таймерной информации в таймерноЙ сети составляют основу ОТС. Данные модули обеспечивают аппаратную обработку таимерных сигналов, что позволяет сократить и детерминировать время их доставки до потребителя. Используя специально разработанный модуль памяти для программирования кодов таимерных импульсов, можно исключить из эксплуатации большой объем устаревшей таймерной аппаратуры различных типов и, таким образом, упростить и удешевить эксплуатацию системы.
Обмен информацией между локальными узлами таймерной сети через глобальную кольцевую магистраль создает новые возможности для эффективной работы комплекса в целом. Во-первых, все результаты измерений с разных установок обозначаются единым номером текущего цикла и становятся достоверно сопоставимыми. Во-вторых, для всех установок ускорительного комплекса задается один и тот же режим межпакетного программирования, что позволяет динамично перераспределять между потребителями время в сеансе и экономно расходовать энергетические ресурсы.
Набор унифицированных таимерных модулей позволяет экономично решать различные по сложности задачи синхронизации технологических процессов и контрольно-измерительных процедур в установках ускорительного комплекса.
Компоненты мониторинга и диагностики ОТС осуществляют непрерывный мониторинг потоков таймерной информации в таймерной сети и повышают эффективность поиска причин отказов и сбоев в системе. В частности, модуль-архиватор накапливает циркулирующую в ОТС таймерную информацию за длительное время и позволяет обнаруживать редкие, но не менее опасные, спонтанные сбои в работе системы.
Метод диагностического сканирования позволяет детально проанализировать через диагностический порт работу таймерной аппаратуры в реальном времени и локализовать неисправность. Этот метод является практически единственным способом «заглянуть» внутрь ПЛИС, не нарушая работы модуля.
Имитационная модель ОТС дала возможность, с минимальными затратами, подробно исследовать работу системы при изменении её конфигурации с учётом заданного показателя эффективности и оценить ее предельные возможности.
Апробация работ
Основные результаты работ были доложены: на Х-ой международной конференции International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS-2005), CERN, 2005; на XVIII конференции по ускорителям заряженных частиц RUPAC-2002, Обнинск, 2002; на Второй Всероссийской научно-практической конференции по вопросам применения имитационного моделирования в промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика», Санкт-Петербург, 2005; на IV Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях, Протвино, 1986; на III Всесоюзной конференции «Диалог Человек-ЭВМ». Протвино, 1983;
Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в работах 18, 21, 23, 26, 30-33, 39.
Структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, основной части, включающей три главы, заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе рассматриваются компоненты, решающие задачи приема, обработки и распределения потоков таймерной информации в таймерной сети, а также компоненты, решающие специфические задачи синхронизации технологических процессов. В начале главы дается определение основным терминам «таймерная информация» и «таймерное сообщение», используемым в ОТС, и дается краткое описание структуры общей таймерной системы.
Классифицируются потоки таймерной информации, приводится описание процессов формирования таймерных сообщений из таймерных импульсов. Рассмотрен контроллер таймерной сети, управляющий потоками таймерной информации. Анализируется его работа, как сложной совокупности синхронных конечных автоматов. Приводится расчёт вероятности потерь таймерной информации в ОТС и относительной пропускной способности контроллера таймерных сообщений.
Рассматриваются компоненты, использующие таймерную информацию для синхронизации процессов управления. К таким компонентам относятся контроллер синхросерий и восьмиканальный таймер с памятью, осуществляющие таимирование технологических процессов линейного ускорителя УРАЛ-30, а также генератор комбинированных серий импульсов, управляющий измерительными процедурами и технологическими параметрами на кольцевом ускорителе У-70 в соответствии с заданной оператором программой. Приведена структура этих модулей, один из которых представляет собой конечный автомат с несколькими устойчивыми состояниями, а второй является сложным микропрограммным автоматом. Рассмотрен алгоритм их работы.
Во второй главе представлены компоненты мониторирования и диагностики работы ОТС, а также архивации параметров при долговременном контроле. Дается описание регистратора таймерных сообщений, как встраиваемой мегафункции таймерной аппаратуры. Рассмотрен разработанный метод диагностического сканирования выделенных объектов ПЛИС, позволяющий в реальном времени диагностировать работу аппаратуры ОТС. Показаны преимущества использования встроенного диагностического порта, дающего возможность унифицировать способы и средства диагностики работы системы. Обосновывается необходимость разработки и создания устройства (архиватора), не зависящего от работы ускорителя и обладающего признаками «черного ящика» (наличие автономного питания и т.д.).
В третьей главе рассмотрена задача построения модели ОТС и оценки на ее основе предельных возможностей созданной системы. Обосновывается применение метода имитационного моделирования при построении модели. Приводятся экспериментальные данные потоков таймерных событий, накопленные с помощью модулей регистрации таймерных сообщений. Обосновывается классификация потоков, как простейших, и выбирается закон распределения входных потоков сообщений для работы модели. Используются методы формализации компонентов ОТС с применением пакета имитационного моделирования AnyLogic.
Определяется показатель эффективности работы ОТС и находится зависимость максимальной глубины буферной памяти в каждом узле обработки таймерной информации от числа узлов системы. Показаны результаты экспериментов на созданной модели, которые демонстрируют эффективную работу ОТС даже при существенном увеличении интенсивности потоков таймерной информации и числа узлов таймерной сети.
В заключении диссертации кратко формулируются основные результаты, полученные после решения поставленных задач.
Обработка потоков таймерной информации
Под потоком таимернои информации в ОТС понимается последовательность одиночных однородных носителей ТИ (одной формы представления), каждое из которых появляется одно за другим в определенные моменты времени. Все потоки таимернои информации, циркулирующие в ОТС, можно разделить на входные и выходные по отношению к отдельно взятому ГТС.
Под входным потоком таимернои информации (далее - входным потоком) понимается поток ТИ, поступающий на входные порты ГТС в любом из следующих форматов: Таймерные Сообщения, поступающие из Глобальной Кольцевой Магистрали, — поток IF і; внешние импульсы, синхронные с циклом ускорителя, - поток IF2; параллельные коды СК и СД из памяти программируемой таимернои информации - поток IF3.
Таким образом, на входы ГТС поступают три независимых потока. Любой входной поток, после обработки, должен иметь возможность поступать на любой выходной канал.
Выходные потоки таимернои информации (далее - выходные потоки) более однородны и представляют собой потоки Таймерных Сообщений, поступающих с выходных каналов ГТС в таймерную сеть. Определены два выходных потока: поток глобальной кольцевой магистрали OFi; поток локальной радиальной магистрали OF2.
Ядром каждого ГТС является контроллер таимернои сети (КТС), который представляет собой функционально насыщенный модуль, управляющий потоками таимернои информации [23].
На Рис.1.2.2.1 показана упрощенная блок-схема обработки ипрохождения потоков в КТС, где обозначены следующие блоки:
Диспетчеры обрабатывают свои входные потоки и осуществляют маршрутизацию таймерной информации, записывая результат в буферную память соответствующего направления. В ТС не указывается адрес потребителя, поэтому маршрутизация потоков ТИ определяется только Заданиями, которые заносятся в КТС из Базы Данных. Менеджеры считывают информацию из буферной памяти и коммутируют потоки ТИ, направляя их в соответствующие магистрали.
Взаимодействие между диспетчерами и менеджерами реализуется посредством семафорного механизма. В конечном счете, последовательное выполнение операций в диспетчерах и менеджерах приводит к образованию сквозных каналов передачи потоков ТИ от входа к выходу КТС. Таким образом, все внешние потоки таймерной информации, поступающие на все ГТС системы, обрабатываются соответствующими КТС и распределяются ими по магистралям.КТС представляет собой сложный цифровой автомат с конечным числом внутренних состояний. Он состоит из набора последовательных конечных автоматов, множества входныхсигналов которых не пересекаются. Все цифровые конечные автоматы по законам функционирования условно делятся на два типа: конечный автомат Мили [24] и конечный автомат Мура [25]. Законы функционирования автоматов можно аналитически описать следующими выражениями:где qt, xt - состояние и набор входных сигналов автомата в момент времени t, ф - функция переходов, определяющая последующее внутреннее состояние автомата, \\) - функция выходов, wt - выходной набор сигналов. Выражения (1.2.2.1) и (1.2.2.2) определяют автомат Мили. Особенность автомата Мура заключается в том, что выходной набор сигналов в выражении (1.2.2.2) зависит только от внутреннего состояния qt и не зависит от входного набора сигналов.
По приведенной классификации диспетчеры КТС относятся к последовательным синхронным конечным автоматам Мура. В то же время, семафорный механизм взаимодействия Диспетчеров и Менеджеров определяет статус Менеджеров, как подчиненных синхронных конечных автоматов Мили, поскольку изменение состояний последних происходит только при активации их автоматами Диспетчеров.
КТС, как коммутатор, характеризуется числом входных и выходных потоков ТИ, временем реакции на обработку потоков и надёжностью работы. Особое внимание уделяется времени реакции, поскольку таймерные сообщения передают также и кодированную информацию об импульсах, используемых для синхронизации различных технологических процессов с требуемой точностью по времени.
Построение подобного модуля с использованием технологии конечных автоматов, при небольшом числе внутренних состояний, имеет преимущество перед микропроцессорной реализацией. С одной стороны, микропроцессор представляет собой сложный автомат, смена состояний которого определяется выполняемой программой. И во многих задачах это единственно возможный вариант [26,27]. Большое число состояний автомата и переходов между ними, а также асинхронная работа микропроцессора уменьшают надежность функционирования устройства и не гарантируют своевременной доставки таймерной информации.
С другой стороны, реализация КТС в виде набора конечных синхронных автоматов позволяет организовать обработку параллельных потоков таймерной информации в режиме реального времени и обеспечить строго детерминированную задержку при доставке информации к пунктам назначения.
Цифровые конечные автоматы целесообразно реализовывать на Программируемых Логических Интегральных Схемах (ПЛИС), которые предоставляют в распоряжение разработчика современный набор средств по проектированию и отладке сложных устройств и обеспечивают высокую надежность их работы. В частности, КТС выполнен на ПЛИС фирмы ALTERA (ЕР1К100ТС208). На Рис. 1.2.2.2 приведена фотография контроллера таймерной сети. В центре модуля размещается ПЛИС, где сосредоточена основная управляющая логика, слева - контроллер магистрали MIL-1553В. Для согласования уровней напряжения сигналов ввода/вывода ПЛИС и внешних управляющих сигналов, используются специальные драйверные микросхемы.1.2.3 Обработка входных потоков
Обработку входных потоков таймерной информации и маршрутизацию потоков в КТС выполняют диспетчеры таймерных сообщений: ДГТС, ДЛТС и ДПТС.
Диспетчер глобальных таймерных сообщенийСобственно сам конечный автомат диспетчера состоит из трёх основных блоков: КЛ - комбинационная логика на входе, которая формирует сигналы возбуждения автомата, память внутренних состояний и ВЛ - выходная логика, формирующая выходные сигналы wt. (Рис. 1.2.3.1). Кроме того, ДГТС содержит:
Синхронизация технологических процессов
Дискретность серии импульсов, которые извлекаются либо из ТС, либо из технологических серий В или То импульсов, не всегда обеспечивает требуемую точность синхронизации технологических процессов. Для решения этой проблемы ОТС дополняется модулями, которые формируют задержанные импульсы с нужным разрешением, запускаясь от сигнала, поставляемого одним из перечисленных источников. К этим модулям относятся специализированный Контроллер Синхросерий (КСС) и два унифицированных модуля: восьмиканальный Таймер/ Счетчик с Памятью (ТСП-8) и Генератор Комбинированных Серий Импульсов (ГКСИ) [20]. Рассмотрим наиболее сложные из них, а именно, КСС и ГКСИ.
Технологический таймер (ТТ) линейного ускорителя УРАЛ-30 обеспечивает работу последнего в одном из трех основных режимов: автономном импульсном, с частотой повторения 1 Гц; автономном пакетно-импульсном, с частотой повторения импульсов в пакете 16,6667 Гц и количеством импульсов в пакете 32; пакетно-импульсном, с запуском от управляющей серии таймера Бустера.
Различные варианты работы ТТ реализует его основной модуль КСС, который, во-первых, генерирует необходимый набор синхросерий для автономных режимов таймирования УРАЛ-30 и контролирует поступающие от Бустера синхронизирующие и управляющие сигналы, а, во-вторых, выполняет встроенные в него диагностические функции, такие как анализ и архивирование всех переключений и поддержка протокола диагностического порта.
На Рис. 1.3.1.1 изображена структурная схема КСС. Он представляет собой сложный цифровой конечный автомат. На структурной схеме представлены основные блоки модуля: Администратор режимов. Это основной блок КСС,выполняющий анализ входных управляющих сигналов А/В(работа в автономном режиме или от Бустера), P/PI (работа вавтономном импульсном или автономном пакетно-импульсномрежимах). На основании анализа этих сигналов, задаваемыхоперативным персоналом УРАЛ-30, принимается решение опереключении в тот или иной режим. Кроме того,администратор режимов инициирует работу диспетчеровпамяти, RTC, последовательного порта, контролирует наличиесигналов ТО (управляющая пачка импульсов от таймераБустера), TN (сигнал привязки к питающей сети 220 вольт,50Гц), CLKB (синхросерия 1МГц, поступающая от Бустера). Диспетчер памяти. Формирует протокол обмена SPI споследовательной FLASH-памятью. В память записываются сепереключения режимов, а также срабатывание сторожевоготаймера при пропадании сигналов ТО, TN и CLKB. Все этисобытия сопровождаются записью текущей метки времени. Диспетчер часов реального времени (RTC). Поддерживает протокол обмена со специальной RTC-микросхемой, формирует текущую метку времени для Диспетчера памяти. Диспетчер последовательного порта (ДИМ). Диспетчер принимает команды от внешнего компьютера и передаёт результаты их выполнения. ДІ111 содержит адаптированный UART с возможностями полнодуплексного асинхронного обмена с внешним компьютером. Более подробно структура ДПП описана в параграфе 2.2.1.
Анализатор управляющих сигналов (АУС), являющийся наиболее ответственным узлом в составе блока Администратора режимов, представляет собой конечный автомат с шестью устойчивыми состояниями Q0..Q5 Состояния автомата определяются входными сигналами А/В и P/PI, а также признаком блокировки выходных сигналов КСС. Блокировка необходима для того, чтобы синхросерии от таймера Бустера не наложились на синхросерии, сформированные КСС при переключении режимов работы. Входным алфавитом АУС будут следующие управляющие сигналы: R — режим работы КСС (R = 1 — автономный; R=0 - управление от бустерного таймера); Р - вид синхросерии на выходе КСС при автономном режиме работы (Р=0 - пакетно-импульсный; Р=1 - импульсный); D — признак блокировки выходных сигналов КСС на 6,5 с (D = 1 — состояние блокировки; D = 0 - отсутствие блокировки). Конечный автомат удобно задавать диаграммой его переходов.
Диаграмма представляет собой ориентированный граф, вершины которого одноименны состояниям автомата, а дуга из вершины Q; ввершину Qk именуется буквой Oj (где cij - элемент входного алфавита), если соблюдается условие,где ф - функция переходов конечного автомата. То есть, автомат из состояния Qj под воздействием буквы я, должен перейти в состояние Qk. На Рис. 1.3.1.2 изображен граф переходов автомата АУС. Граф содержит состояния:
Из графа переходов видно, что в состояниях Q3 , Q4 и Q5 сигнал входного алфавита Р не меняет состояние конечного автомата.
Формирование задержанных синхроимпульсов с дискретностью 1 мкс на выходе ТТ реализует 56-канальный таймер, набранный изсеми унифицированных модулей ТСП-8. Контроллер синхросерий поставляет таймеру серию запускающих импульсов и серию счетных импульсов 1МГц. Уставки каждого канала таймера задаются оператором с использованием средств, предоставляемых системой управления.
Диагностическое сканирование состояния узлов аппаратуры
Мониторинг таймерных сообщений оперирует только с крупномасштабными фрагментами ОТС. Для дальнейшей детализации причины сбоя или отказа требуется инструментарий, позволяющий анализировать логические состояния функциональных блоков аппаратуры в реальном масштабе времени.
В разработанных модулях ОТС основной состав логических элементов сосредоточен в ПЛИС и недоступен для таких стандартных приборов, как логические анализаторы. Наличие в каждой ПЛИС встроенного специализированного порта ТАР (Test Access Port) позволяет эффективно проводить тестирование и отладку модуля путем формирования тестовых воздействий и считывания реакции по интерфейсу JTAG [35]. Однако, во время штатной работы модуля, исключающей использование тестовых векторов, применять эту опцию практически невозможно.
В то же время, современные ПЛИС имеют большой внутренний . ресурс, что позволяет с минимальными дополнительными затратами организовать внутри ПЛИС средства контроля за исполнением основных функций модуля. Контроль осуществляется путем сканирования состояний выделенных блоков ПЛИС, проводится параллельно с основной работой модуля и не требует тестирующих воздействий. Для управления процессом сканирования и передачи данных внешнему компьютеру в аппаратуру встраивается специальный диагностический порт, которым оснащен каждый из модулей КТС, РТС и архиватор таймерных сообщений (АТС) [28].
Диагностический порт представляет собой набор дополнительных линий ввода/вывода общего назначения, соединяющих выводы ПЛИС и внешний разъём [30]. Добавляя к этому порту микросхему соответствующего драйвера, можно получить полноценный последовательный канал (RS-232C, RS-485 или SPI) обмена с внешним компьютером. В качестве внешнего компьютера может быть использован мобильный компьютер типа Notebook или карманный ПК (КПК) типа Pocket PC. В последнем случае КПК превращается в портативный сканер таймерной информации.
Для организации процесса сканирования выделенных блоков диагностируемой ПЛИС автором предложен и разработан Диспетчер Последовательного Порта (ДПП), который размещается в ПЛИС как мегафункция. Число объектов сканирования определяется на стадии разработки проекта, исходя из необходимости и наличия свободных ресурсов ПЛИС.
На Рис. 2.2.1 изображена упрощенная структурная схема ДПП, соответствующая ДПП на 16 объектов. Данные от логического объекта по линиям d[x][15..0] поступают на вход мультиплексора. Запросы от выделенных логических блоков ПЛИС в виде статусных сигналов (к[15..0]) поступают на Блок управления ДПП через схему арбитрации. Каждый логический блок имеет установленный приоритет и адрес, согласно которым происходит управление мультиплексором (MUX) и обмен данными. Максимальная скорость работы упрощенного UART составляет 115 Кбод. Скорость UART фиксированная и может изменяться при перекомпиляции проекта. Для согласования темпа процесса сканирования, с одной стороны, и темпа передачи на внешний компьютер, с другой стороны, используется буферная память типа FIFO (256x16). После обмена сигналы запросов сбрасываются по линиям s[15..0].
После компиляции в пакете MAX+plus II (version 10.2) объем ДПП на 16 объектов составляет не более 400 макроячеек (макроячейка - структурная минимальная единица ПЛИС, содержащая триггер и многовходовую таблицу преобразования). Длясравнения, ёмкость современных ПЛИС семейства Cyclone фирмы Altera составляет от 3000 до 20000 макроячеек.
Для выполнения сканирования и поддержки обмена командами и данными между модулем и внешним компьютером через диагностический порт автором предложен и разработан метод Диагностического Сканирования Выделенных Объектов (ДСВО).
Под диагностическим сканированием будем понимать считывание состояния выделенных объектов, находящихся в локальной области модуля (в нашем случае, в ПЛИС фирмы Altera, США) и запоминание этих состояний в буферной памяти. Диагностическое сканирование может быть циклическим (например, каждый цикл ускорителя), периодическим, с заданным периодом, либо по изменению состояния выделенного объекта. Метод ДСВО не предполагает формирования тестирующих векторов или воздействий, а лишь регистрирует состояние того или иного объекта в заданный момент времени.
Под объектом будем понимать любой ресурс ПЛИС, доступный для сканирования и выделенный в качестве объекта сканирования. К таким объектам, как правило, относятся запоминающие элементы: триггеры, ячейки памяти и т.д. Это могут быть, например, регистры масок, прерывания, статуса или таймерные сообщения любого типа (глобальные, локальные) [23].
Выделенные объекты могут быть статическими, состояние которых изменяется редко, например, раз за цикл ускорителя или реже. Такими объектами могут быть регистры масок КТС, регистр номера модуля и т.д. Выделенные объекты могут быть динамическими, состояние которых изменяется часто, например, несколько раз за цикл ускорителя. К таким объектам относятся события таймерной сети, регистры статуса и запроса прерывания.
Для реализации метода ДСВО определен следующий состав блоков в ПЛИС: Встроенный диспетчер последовательного порта (ДНИ), рассмотренный выше. Диспетчер принимает команды от внешнего компьютера и передаёт результаты их выполнения. ДПП содержит адаптированный UART с возможностями полнодуплексного асинхронного обмена с внешним компьютером и память FIFO ёмкостью 256x16 бит. Встроенные логические блоки (ВЛБ). Для каждого выделенного объекта или группы объектов создается ВЛБ, который формирует запросы к ДПП на опрос. Каждому ВЛБ присваивается уникальный адрес и уровень приоритета. Мультиплексированная шина данных. Все ВЛБ доступны дляопроса диспетчером последовательного порта через внутреннююсинхронную мультиплексированную шину данных.Для обмена командами и данными между диспетчеромпоследовательного порта и внешним компьютером разработанпротокол обмена. Протокол определяет тип обмена (дуплекс, полудуплекс), число байт синхронизации, число байт данных и т.д.
В табл. 2.2.2.1 представлен формат данных, передаваемых от ДПП квнешнему компьютеру. В частности, в таблице представленыданные, передающие информацию о таймерном событии Во+60 сномером режима ускорителя в слове данных (см. Приложение 2).
Эксперименты с моделью общей таимернои системы
Пакет Any Logic поддерживает несколько различных экспериментов, проводимых на созданной модели. С помощью экспериментов задаются конфигурационные настройки модели, и каждый из типов соответствует своей задаче моделирования.AnyLogic поддерживает следующие типы экспериментов [38]: Простой эксперимент, Эксперимент для варьирования параметров, Оптимизационный параметр, Нестандартный параметр.
Простой эксперимент позволяет визуально отображать результаты работы модели с помощью анимации, а также поддерживает инструменты для отладки модели. При формировании экспериментов для данной модели использовался, в основном, именно этот тип эксперимента.
Эксперимент для варьирования параметров производит повторный запуск модели с разными значениями параметров базового объекта. Этот эксперимент позволяет сравнить поведение модели при разных значениях параметров и оценить степень влияния отдельных параметров на поведение модели.
Оптимизационный эксперимент позволяет найти значения параметров, при которых достигается оптимальный результат моделирования системы. Процесс оптимизации модели заключается в выполнении нескольких прогонов модели с различными значениями параметров и нахождения оптимальных (с учётом заданных ограничений) значений параметров. Например, при оптимальных параметрах должно соблюдаться условие, задаваемое выражением (3.3.6).
Нестандартный эксперимент позволяет программно задавать сценарий эксперимента на языке Java.
Примем в качестве основного показателя эффективности работы системы допустимое время доставки таймерного сообщения (7 s). Это время складывается из времени передачи по глобальноймагистрали (Гс) и времени обработки в каждом узле ГТС (Гсга)при направлении ТС в радиальную магистраль. Таким образом,суммарное время доставки любого ТС складывается из двухсоставляющих:где N= 1,2,3..к - число узлов глобальной магистрали, через которые проходит маршрут сообщения. При транспортировке по глобальной магистрали ТС присвоен наивысший приоритет, поэтому величина TG является фиксированной и определяется аппаратным протоколом стандарта MIL1553. При увеличении интенсивности "к потока ТС в блоках ГТС возникают очереди, буферная память КТС начинает заполняться и, соответственно, начинает увеличиваться время TGTS. В общем видегде 7 , - фиксированное время, определяемое только аппаратнымивозможностями канала обслуживания и заданным тактом передачи по радиальной магистрали, am — глубина буферной памяти блоков КТС.
Для оценки допустимых значений Ts, соответствующих эффективной работе ОТС, воспользуемся выражениями и экспериментальными данными, приведенными в работе [23]. Введём обозначения: Рппт - вероятность потерь, Q — относительнаяпропускная способность канала обслуживания, р — коэффициент загрузки канала обслуживания системы, определяемый выражением р = X Г(1ЙС1. Тогда получаем:
Из выражений (3.2.1.3) и (3.2.1.4) следует, что при увеличении глубины буферной памяти m уменьшается вероятность потерь и увеличивается относительная пропускная способность. Однако увеличение параметра m приводит к увеличению TGT3 (примаксимальном заполнении буферной памяти), что снижает достоверность ТС. Исходя из требований к ОТС со стороны технологического оборудования ускорительного комплекса и физической пропускной способности магистралей, общее время доставки Ts не должно превышать времени, соответствующего обработке 8 ТС (т 8). Кроме того, экспериментально установлена величина соотношения параметров T JTQ 3. [23] Тогда выражение (3.2.1.1) можно переписать как:
Условие соблюдения этого неравенства используется при прогоне моделей как показатель эффективности работы системы, а переменные N и m как параметры, изменяемые во время
