Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогресс вычислительной техники в последние десятилетия привел к широкому внедрению . методов цифровой обработки информации практически во все области научных исследований и народно-хозяйственной деятельности. При этом среди различных применений средств вычислительной техники одно из важнейших мест занимают системы цифровой обработки сигналов, нашедшие использование при обработке данных дистанционного зондирования, медико-биологических исследований, решении задач навигации аэрокосмических и морских объектов, связи, радиофизики и цифровой оптики.
Как правило, подобные системы содержат специализированные технические средства для цифровой предварительной обработки сигналов (ЦПОС) и специальные технические средства .для вторичной обработки сигналов. Средства предварительной обработки предназначены для обработки исходных сигналов, наблю-' даемых в общем случае на фоне случайных шумов и помех различной физической природы и представленных в виде дискретных цифровых отсчетов, с целью обнаружения и выделения полезного сигнала, его пеленгования и оценки характеристик обнаруженного сигнала. Полученная в результате предварительной обработки полезная информация поступает в систему вторичной обработки для анализа, классификации и архивации.
Основными процедурами предварительной обработки сигналов являются процедуры дискретных ортогональных преобразований (ДОП) в различных функциональных базисах, процедуры линейной алгебры, линейной и нелинейной фильтрации.
Одним из важнейших требований к техническим средствам ЦПОС является обеспечение режима обработки сигналов в реальном масштабе времени (РМВ), т.е. в темпе их.поступления, пргс приемлемых стоимостных и весо-габаритных характеристиках" системы. Требование соблюдения РИВ влечет в свою очередь необходимость обеспечения высокого быстродействия' прежде всего средств предварительной обработки сигналов, что связано с большой интенсивностью входного потока сигнала в системах ЦПОС. Так, многие технические задачи радиолокации и цифровой обработки сигналов требуют быстродействия аппаратных средств
порядка 109 - 1011 оп/сек. Такое быстродействие может быть достигнуто лишь при использовании специальных функционально-ориентированных вычислительных средств параллельно-конвейерной архитектуры.
При проектировании специализированных функционально-ориентированных конвейерных к зистожческил устройств граф подлежащего реализации алгоритма отображается в совокупность связей конкретного типа вычислительных ячеек (ВЯ). что в конечном счете определяет структуру устройства.
Процедуры обработки одномерных данных достаточно легко отображаются на структуры в виде цепочки последовательно-соединенных 'ВЯ, для которых ввод/вывод данных осуществляется единственным потоком. Однако процедуры.матричной алгебры реализуются 'на функционально-ориентированных устройствах, имеющих ортогональные или гексогональные связи между ВЯ. Подобные структуры требуют организации множества параллельных синхронных потоков ввода/вывода данных, что не учитывает реальные условия организации потоков входных/выходных данных в системах предварительной обработки данных, и . отличаются чрезмерными аппаратурными затратами.
Поэтому актуальной является разработка способе*, конвейеризации вычислительных процедур цифровой обработки сигналов' при их отображении на граф с линейно-последовательными связями между вершинами и единственным входным потоком данных. а также единых принципов построения систолических и конвейерных структур с линейно-последовательным типом связей между их ВЯ как для выполнения процедур одномерной обработки данных, так и для реализации процедур многомерных и быстрых преобразований,
Решение подобной проблемы позволяет достичь высокой производительности вычислительных средств, при приемлемых аппаратурных затратах и повысить тем самым технические характеристики устройств цифровой обработки сигналов.
Предметом исследования являются алгоритмы и устройства цифровой обработки сигналов в РМВ, а также способы конвейеризации вычислений при их выполнении.
Цель работц заклинается в разєитии алгоритмических методов и аппаратурных средств дл=- цифровой предварительной
обработки сигналов, позволяющих оптимизировать организацию вычислений и структуру вычислительных устройств за счет унификации базовых операций и способа конвейеризации процедур одномерных, многомерных ' и быстрых преобразований, -а также согласования структуры графов алгоритмов с организацией входного потока данных. Задачи исследования:
получение унифицированных способов конвейеризации и систолизации алгоритмов предварительной обработки сигналов;
разработка унифицированных по структурной организации конвейерных и систолических вычислительных устройств для спектральных преобразований;
разработка унифицированных структур конвейерных и-систолических вычислительных устройств для линейной и нелинейной .фильтрации сигналов;
разработка структур и схемотехнических решений основных элементов предлагаемых устройств конвейерного и систолического типов для предварительной обработки сигналов.
Научная новизна полученных . результатов заключается в следующем:
разработаны унифицированные способы конвейеризации алгоритмов предварительной обработки сигналов, включая алгоритмы дискретных ортогональных преобразований, линейной алгебры и нелинейной фильтрации, на основе принципов покомпонентно-независимого формирования результата и разрядно-сре-зовой обработки применительно к организации ввода/вывода данных б виде единого потока;
получен новый тип полусистолических структур с линейно-последовательными связями между ВЯ, реализующих покомпонентно-независимый принцип формирования результатов обработки для выполнения алгоритмов многомерных и быстрых преобразований;
разработаны единые принципы структурной организации высокопроизводительных конвейерных исистолических' устройств для выполнения одномерных, одномерных многоканальных, многомерных, и быстрых дискретных ортогональных преобразований в Фурье-подобных базиса;-., включая преобразования Фурье, Хартли, Уол'ла-Адамара, а также для реаения задам линейной филь-
трации и матричной алгебры - умножения и обращения матриц, решения систем линейных алгебраических уравнений:
разработаны структуры конвейерных -и систолических устройств для нелинейной (ранговой) фильтрации двумерных сигналов ка основе культи:истограммных и разрядно-срезовых алгоритмов, реализующих принцип последовательного подсумми-ровакия результата, и универсальных устройств линейной и нелинейной фильтрации на их оснозе;
получены аналитические выражения для оценки производительности и объема аппаратурных затрат для предлагаемых конвейерных и систолических устройств цифровой обработки сигналов;
разработаны структуры макроконвейеркых устройств предварительной обработки сигналов на базе перспективных высокопроизводительных элементов - сигнальных транспьютеров.
Практическая ценность выполненных исследований состоит в следующем:
разработаны схемотехнические решения унифицированных вычислительных и запоминающих ячеек вычислительных устройств различного назначения конвейерного и систолического типов;
сформулированы рекомендации по выбору разр;:_' Гости вычислительных элементов систолических и полусистолических, устройств для обработки сигналов в реальном времени;
разработаны программные средства моделирования процедур обработки сигналов в системах ЦІЮС позволяющие оценить эффективность- таких систем.
Полученные результаты находят применение при проектировании высокопроизводительных цифровых средств обработки сигналов для систем цПОС различного'назначения.
Основные научно-методические разработки, представленные в- диссертации, внедрены на предприятиях Ю-9317, А-1586. ККО БНЦ ГОИ им. СИ. Вавилова и в ЛИТМО.
На защиту выносятся:
- унифицированный способ конвейеризации вычислений од
номерных, многомерных и быстрых ортогональных преобразований
к процедур матричной алгебры на основе принципа покомпонент
но-независимого нормирования результата;
'- принцип единой структурной организации высокопроизво-
дительных конвейерных и систолических устройств для выполнения одномерных, одномерных многоканальных, многомерных и быстрых дискретных ортогональных преобразований в Фурье-подобных базисах, включая преобразования Фурье, Хартли, Уол-ша-Адау.ара, а также для решения задач линейной фильтрации и матричной алгебры - умножения и обращения матриц, решения систем линейных алгебраических уравнений;
способ конвейеризации и унификации процедур линейной и ранговой фильтрации на основе разрядно-срезозой обработки и последовательного подсуммирования результата;
конвейерные и систолические структуры устройств для спектральных преобразований, линейной алгебры и нелинейной фильтрации, а также структурные и схемотехнические решения их основных вычислительных элементов.
-.структуры универсальных устройств линейной и нелинейной фильтрации, реализующих унифицированные разрядно-срезо-вые конвейерные процедуры;
экспериментальные результаты моделирования процедур ЦПОС, положенных в основу структурной организации разработанных устройств;
полученные оценки производительности й объема аппаратурных затрат предлагаемых конвейерных структур;
принципы построения проблемно-ориентированных иерархических систем на перспективной элементной базе типа сигнальных транспьютеров.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на II Всесоюзной конференции "Методы и средства обработки сложной графической информации"(Горький, 1985), III и IV Всесоюзных конференциях "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов" (Рига, 1986 ио 1989), VI Всесоюзной школе-семинаре "Распараллеливание обработки информации" (Львов, 1987), I Всесоюзной конференции "Проблемы создания суперЭВМ, суперсистем и эффективность их применения" (Минск, 1987), II Всесоюзном совещании "Высокопроизводительные вычислительные системы" (Таллинн, 1988), III Всесоюзном совещании "Конвейерные вычислительные системы" (Киев, 1988), IV Всесоюзной конференции "Математические ме-
тоды распознавания образов" (Рига, 1989), I Всесоюзной конференции "Однородные среды и систолические структуры" (Львов, 1990), II Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (Фрунзе. 1990). II Региональной конференции "Распределенная обработка информации" (Новосибирск, 1987), Отраслевой юбилейной конференции во ЕНИИ "Альтаир' (Москва. 1985). научных семинарах ЛИТМО. ВНИИ "Альтаир" и ЦНИИ "Мор- физприбор" (Ленинград).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 34 работах, включая 1 книгу и 10 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы/ Она содержит 277 страниц машинописного текста, 71 рисунок и 1І таблиц. Список литературы включает 168 наименований.
