Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

УДК 681.325

ФУНКЦІОНАЛЬНО-ОРІЄНТОВАНІ ПРОЦЕСОРИ ДЛЯ БОРТОВИХ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ТА ОПРАЦЮВАННЯ ІНФОРМАЦІЇ

Спеціальність: 05.13.03 - системи та процеси керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВАВРУК Євгеній Ярославович

ЛЬВІВ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Автоматизовані системи управління“ Державного університету ”Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент РАШКЕВИЧ Юрій Михайлович, Державний університет Львівська політехніка”, проректор, завідувач кафедри АСУ

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, доцент, САМОТИЙ Володимир Васильович, Державний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри “Автоматика і телемеханіка”;

- кандидат технічних наук, с.н.с., ОПОТЯК Юрій Володимирович, Державний науково-дослідний інститут інформаційної інфраструктури, старший науковий співробітник.

Провідна установа - Інститут кібернетики ім. В.М.Глушкова НАН України, відділ керуючих машин і систем, м. Київ

Захист відбудеться “31” жовтня 2000 р. о 16 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 35.052.014 у Державному університеті ”Львівська політехніка” в ауд.226 головного корпусу (79646, Львів-13, вул. С. Бандери,12).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету ”Львівська політехніка” (79646, Львів-13, вул. Професорська,1)

Автореферат розісланий “30 ” вересня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Батюк А.Є.



АНОТАЦІЇ

Ваврук Є.Я. Функціонально-орієнтовані процесори для бортових систем керування та опрацювання інформації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 - системи та процеси керування. Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.

Дисертація присвячена розробленню структур та алгоритмів роботи функціонально-орієнтованих процесорів для бортових систем керування та опрацювання інформації. процесорний мікроконтролер бортовий адреса

Розроблено нові структури базових процесорів, процесорних ядер на базі однокристальних мікроконтролерів та процесорів опрацювання сигналів з вмонтованими вузлами діагностики та обміну інформацією. Запропонована процедура обміну між процесорами, що базується на використанні методу аналізу стану шини адреси та організація процесу діагностики шляхом перевірки виконання комплексного алгоритму роботи процесора в режимі реального часу. Вдосконалено алгоритми виконання базових операцій: піднесення до степеня, сортування чисел, обчислення модуля комплексного числа, на основі яких розроблені нові структури апаратних вузлів розширення функцій. Основні результати роботи впроваджені у виробництво і захищені авторськими свідоцтвами на винаходи. Їх застосування покращує технічні характеристики, зменшує час і вартість проектування систем і процесорів керування та опрацювання інформації.

Ключові слова: алгоритм, бортова система опрацювання інформації, діагностика, процесорне ядро, функціонально-орієнтований процесор.



Ваврук Е.Я. Функционально-ориентированные процессоры для бортовых систем управления и обработки информации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 - системы и процессы управления. Государственный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2000.

Диссертация посвящена разработке структур и алгоритмов работы функционально-ориентированных процессоров для бортовых систем управления и обработки информации.

Разработаны новые структуры базовых процессоров, процессорных ядер на базе однокристальных микроконтроллеров и процессоров обработки сигналов с вмонтированными узлами диагностики и обмена информацией. Предложена процедура обмена между процессорами на основании использования метода анализа состояния шины адреса и организация процесса диагностики путем проверки выполнения комплексного алгоритма работы процессора в масштабе реального времени. Усовершенствованы алгоритмы выполнения базовых операций: возведения в степень, сортировки чисел, вычисление модуля комплексного числа, на основании которых разработаны новые структуры аппаратных узлов расширения функций. Основные результаты работы внедрены в производство и защищены авторскими свидетельствами на изобретения. Их применение улучшает технические характеристики, сокращает время и стоимость проектирования систем и процессоров управления и обработки информации.

Ключевые слова: алгоритм, бортовая система обработки информации, диагностика, процессорное ядро, функционально-ориентированный процессор.



Vavruk Ye. Functionally-Oriented Processors for On-Board Control and Data Processing Systems. - Manuscript.

This is a Thesis challenged to earning an academic title of Candidate's Degree of Science in the specialty 05.13.03 - Systems and Processes of Control. The State University “Lvivska Polytechnika”, Lviv, 2000.

This Thesis is devoted to the cause of the elaboration of the principles of design and algorithms of work for functionally-oriented processors (FOP) designated for on-board control and data processing systems, and to the synthesis on the FOP basis of structures of functionally-oriented processors, hardware for broadening functions (HBF) which increases the number of functions, intelligence exchange and diagnosis units with a high capacity, regular structures and a possibility of adaptation to new tasks.

This Thesis analyses the peculiarities of tasks, algorithms, structures of control and data processing systems, specifies the requirements to FOPs, the ways of the perfection of their characteristics, basic set of operations for carrying out the main tasks. The Thesis substantiates the necessity of the creation of basic processors and processor centers, organizing interfaces; it provides the principles, based on the analysis of the state of the address bus (ASAB) and the structure of the outer monitoring equipment (ME) which is laid upon the structures of generators of functions, for the mentioned creation of basic processors and processor centers. The application of the ASAB method allows to reduce the time needed to perform the macro operations at the expense of decreasing the time for data input-output. This Paper provides a version of the realization of the diagnostics method, this version is illustrated with the example of checking digital filters with the analysis of their amplitude-frequency response. When using modern elements the volume of the additional hardware expenditure makes approximately 2%.

The Author has proposed to evaluate the characteristics of FOPs in accordance with the structural complexity, the hardware expenditure and the speed of response. It has been stressed out that the reduction of the structural complexity is especially effective when designing the FOP and HBF on the basis of the programmable logic devices (PLDs). On the basis of the developed method the structures of FOPs have been synthesized using processor centers (PC), data exchange and diagnosis units. It has been proposed two variants of the realization of processor centers: for the solution of control tasks - on the basis of a 16-bit controller MSC-196 with built-in processors of events; for the solution of calculation tasks - on the basis of a digital signal processor of the ADSP21xx Family.

There has been reached an improvement in the algorithms of raising to a power, sorting numbers, extracting square root from the sum of squared numbers. For executing the basic operations it has been designed the structures of the following devices: multiplication and division of complex numbers, determination of the sum of pair multipliers, raising to a power, sorting, extracting square roots from the sum of squared numbers, coordinate transformation, calculation of trigonometric functions with the use of the improved algorithms and tabular algorithm method. There has been realized the quantitative and qualitative estimations of the structures, determined the possibility of their realization and developed the methods of their realization with the use of the PLDs. The possibility of the reduction of the structural complexity of FOPs when using units of the same type in their structure has been grounded.

There has been developed the projects of the realization of the units for calculations of trigonometric functions, multiplication of complex numbers, extracting square roots, sorting by the inset and “bubbles” method with a PLDs of the firm Altera. The outcomes of the simulation displays that the design of production line units for sorting is more effective when building recursive structures that leads to the decrease of the frequency of PLDs work.

There has been designed the modems for the data transfer equipment (package radio communication, telephone lines specified, combined). During the development there has been used the building-in block principle of design, the functional and constructive units of which are the processor center and the data transfer channel. In the capacity of the processor center the single crystal controller is used, the main component of the intelligence transfer unit is the PLDs. The design of many a modem corroborates the conception of the FOP design, this concept has been presented in this Paper, too. The basic unit for processing the radar intelligence has been developed. This unit ensures the initial and final processing of intelligence. The sub-units of the initial processing have been designed as the FOP and HBF and fulfill the operations of the convolution of signals, the coherence and not coherence processing, the selection of moving targets, the Fourier transform. The control in the unit is carried out by build-in monitoring equipment, the exchange of the information between the FOPs is executed by the means of the equipment ASAB.

The Thesis states out the dependence of the capacity of the processing means when using the hardware for broadening functions (increasing the number of functions) and the ASAB method in systems for processing radar intelligence, control systems and data transfer systems.

The basic results of this research have been applied in industry and supported by the Author's Certificates of Invention. The use of these outcomes improves the technical characteristics, reduces the time and cost of design of systems and processors for control and intelligence processing.

Key words: algorithm, on-board system of intelligence processing, diagnostics, processor center, functionally-oriented processor.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи.

Жорсткі умови експлуатації, робота в режимі реального часу (РРЧ), складність обчислювальних алгоритмів, необхідність забезпечення взаємовиключних вимог, таких, як висока надійність, продуктивність, багатоканальність надходження вхідних потоків інформації та обмеження щодо габаритів, ваги, споживаної потужності обладнання ускладнюють проблему створення високоефективних надійних бортових систем керування та опрацювання інформації (СКОІ). Універсальні обчислювальні засоби, зокрема процесори опрацювання сигналів (ПОС) з послідовними і паралельними принципами обчислень не завжди задовольняють ці вимоги. В багатьох випадках недоцільність їх застосування визначається високою вартістю, необхідністю використання складних інструментальних засобів або вузькоспеціалізованих каналів введення-виведення інформації.

Одним з оптимальних шляхів вирішення зазначених проблем є проектування бортових СКОІ на базі функціонально-орієнтованих процесорів (ФОП). Більшість відомих структур ФОП є об'єднанням процесорного ядра (ПЯ) і апаратних розширювачів функцій (АР), що покращує їх функціональні можливості і підвищує продуктивність. Однак мала кількість і часові обмеження каналів введення-виведення, відсутність вбудованих засобів діагностики, неможливість оперативного переналаштування ФОП до виконання нових задач не дозволяє ефективно використовувати їх в бортових СКОІ. З іншого боку, вимоги до продуктивності обчислювальних засобів і швидкості розв'язання задач зумовлюють необхідність роботи елементів на високій частоті, що загострює проблему внутрішньокристальних та міжкристальних з'єднань, відведення тепла від елементів та контролездатності систем і процесорів. Під час розв'язання комплексних задач використовуються алгоритми різної складності, що передбачає, насамперед, різну швидкодію апаратних засобів і приводить до необхідності використання різнотипних структур (програмованих і на жорсткій логіці). Тому активно ведеться пошук нових принципів організаціі обчислювальних структур для систем і комплексів опрацювання інформації в РРЧ.

При цьому існують першочергові проблеми, які необхідно вирішити, зокрема:

- уніфікація алгоритмічних, програмних і апаратних засобів на рівні процесорів і функціональних вузлів;

- організація взаємодії між елементами системи ;

- вибір способу опрацювання інформаціі у ФОП;

- забезпечення діагностики і контролю систем на базі ФОП у РРЧ.

Шляхами вирішення таких проблем є:

- адаптація обчислювальних структур до специфіки розв'язуваних задач;

- оптимальне поєднання властивостей універсальності і спеціалізаціі, програмних та апаратних засобів, паралельних та конвеєрних обчислювальних структур, що забезпечується на основі просторового та часового паралелізму.

Усе зазначене вище зумовлює актуальність дисертаційних досліджень, які пов'язані з розробкою способів, алгоритмів та відповідних структур, що дозволяють вирішити вказані проблеми. Поряд з цим необхідно відзначити актуальність досліджень в аспекті побудови відповідних структур на надвеликих інтегральних схемах (НВІС), що має прикладне значення для підвищення якості та скорочення термінів розроблення і зниження ціни проекту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами.

Дисертаційна робота відповідає напрямку Державної науково-технічної програми Державного Комітету України в справах науки і технології за номером 06.05. - “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку”. Основні результати отримані при виконанні НДР і ДКР, зокрема у Львівському науково-дослідному радіотехнічному інституті - це теми “Екотом-П” - “Дослідження шляхів створення і принципів побудови багатоцільового комп'ютерного томографа”, реєстраційний номер - 0193U007166, 1992-1996 р.р.; “Зубр”- “Малогабаритна екологічно чиста РЛС для цілодобового контролю місцевості при різних погодних умовах”, реєстраційний номер - UА0202799Р, 1992-1995р.р.; у ДУ “Львівська політехніка” - тема “Швидкість” - “Паралельно - потокові системи з організацією зв'язків через багатопортову пам'ять для обробки інтенсивних потоків інформації”, реєстраційний номер - 06.05/077792, 1997-1999 р.р

У всіх темах автор брав безпосереднью участь як основний виконавець в частині розроблення концепції побудови і реалізації апаратних засобів обчислювальної техніки.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення базових структур і компонентів функціонально-орієнтованих процесорів бортових систем керування та опрацювання інформації, вдосконалення алгоритмів роботи та синтез структур, апаратних розширювачів функцій, вузлів інформаційного обміну та діагностики, що характеризуються високою продуктивністю та можливістю адаптації до нових задач.

Згідно з поставленою метою задачами дослідження є:

- аналіз задач, алгоритмів, структур засобів керування та опрацювання інформації з метою визначення базового набору операцій для їх реалізації;

- розроблення методики синтезу, формування вимог до технічних параметрів, вибір принципів побудови, синтез структур ФОП, процесорних ядер, пристроїв інформаційного обміну та діагностики, визначення критеріїв та оцінка основних параметрів структур;

- синтез вузлів для виконання базових операцій з вищою продуктивністю та регулярністю структури, проектування варіантів їх реалізації на перспективній елементній базі;

- перевірка запропонованих алгоритмічних та структурних принципів проектування вузлів шляхом побудови макетів та зразків, проведення їх випробовувань.

Об'єктом дослідження є обчислювальні процеси та системи для бортових комплексів керування та опрацювання інформації.

Предметом дослідження є структури функціонально-орієнтованих процесорів, процесорних ядер, алгоритми та структури апаратних розширювачів функцій, пристроїв інформаційного обміну та діагностики.

Методи досліджень. В дисертаційній роботі використовувались: теоретичні основи проектування обчислювальних систем та ЕОМ - для визначення методики синтезу, синтезу ФОП, ПЯ, пристроїв інформаційного обміну та діагностики; елементи теорії графів - для розроблення алгоритмів обчислення і структур розширювачів функцій, організації процедури обміну; методи цифрового опрацювання сигналів - для розроблення алгоритмів роботи розширювачів функцій та пристроїв діагностики; методи моделювання цифрових вузлів - для розроблення функціональних вузлів на програмованих логічних інтегральних схемах (ПЛІС); елементи теорії точності - для визначення точності обчислення при використанні наближених формул; методи контролю і діагностики - для розроблення способу діагностики процесорів керування та опрацювання інформації.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вдосконалено структури функціонально-орієнтованих процесорів та їх ядер, які відрізняються від відомих наявністю вмонтованих вузлів діагностики і обміну, що розширює сферу їх використання;

- запропоновано підхід до діагностики СКОІ, який базується на перевірці виконання комплексного алгоритму в РРЧ, що забезпечує можливість перевірки працездатності в реальних умовах експлуатації і виявлення відмов з точністю до функціонального вузла. Наведено варіант організації діагностики на прикладі перевірки цифрових фільтрів шляхом аналізу їх амплітудно-частотної характеристики (АЧХ);

- вдосконалено процедуру обміну між ФОП, яка базується на використанні методу аналізу стану шини адреси процесора, що забезпечує підвищення продуктивності СКОІ;

- розроблено нові структури розширювачів функцій - вузлів керування, обміну, сортування, пристроїв множення і ділення комплексних чисел, перетворення координат, виявлення та генерування сигналів, обчислення суми парних добутків, тригонометричних функцій, модуля комплексного числа, що відрізняються від відомих більшою продуктивністю та розширеними функціональними можливостями і базуються на використанні вдосконалених автором алгоритмів обчислення і функціонування;

- отримано аналітичні вирази для оцінки структурної складності, швидкодії, витрат обладнання ФОП, основних модулів і вузлів, що дозволяє оцінити ефективність їх використання.

Практичне значення одержаних результатів.

Практичну цінність роботи становлять:

- структури ФОП на базі універсальних контролерів і НВІС, які забезпечують оперативне переналаштовування процесорів під поставлені задачі і можуть використовуватись при створенні високопродуктивних комплексів;

- структури розширювачів функцій на базі яких можна проектувати бортові процесори і системи керування та опрацювання інформації різного призначення;

- структури пристроїв інформаційного обміну, які забезпечують ефективну взаємодію ФОП в системах;

- методика діагностики і контролю систем і процесорів опрацювання інформації;

- вдосконалені алгоритми сортування чисел, обчислення модуля комплексного числа і квадратного кореня з суми квадратів чисел, апаратна реалізація яких дозволяє підвищити швидкодію і ефективність використання обладнання.

Із застосуванням запропонованих алгоритмів та структур розроблено:

- систему керування та реконструкції томографічних зображень, тема “Екотом-П”;

- пристрій обміну, тема “Швидкість”;

- систему опрацювання радіолокаційної інформації, тема “Зубр”.

Основні технічні рішення, що використано у розроблених і впроваджених виробах, захищені авторськими свідоцтвами на винаходи.

Практична цінність результатів роботи підтверджується актами про впровадження результатів дисертації в НДР і ДКР, дослідною експлуатацією розроблених пристроїв.

Особистий внесок. Основний зміст роботи, теоретичні та практичні розробки, висновки і рекомендації виконані і розроблені автором особисто на основі досліджень, що були проведені у ЛНДРТІ і на кафедрі АСУ Державного університету “Львівська політехніка”. В основних працях, опублікованих у співавторстві, автору належать: базова структура [3,5,6,10,16], структура апаратного розширювача [12], алгоритм реалізації [8], концепція побудови [2,4,6,10], вдосконалення окремих технічних рішень [7,13,14,18,19].

Апробація роботи.

Основні результати дисертаційних досліджень обговорювались на конференціях та семінарах:

- Межотраслевая научно-техническая конференция "Радиотехнические системы " Научно-технического объединения "Старт", Тула,1989г.;

- Семинар "Микропроцессоры в измерительных системах", НИИ микроприборов, ППО ЭЛАС, Москва, 1989г;

- Міжнародна науково-технічна конференція "Інформаційні системи та технології", Державний університет "Львівська політехніка", Львів, 1999р.;

- на засіданнях Науково-технічної Ради ЛНДРТІ (1989р.,1992р.,1995р., 1999р.);

- на щорічних конференціях ДУ “Львівська політехніка” (1997-1999р.р).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 44 друковані праці, в тому числі 5 статей в фахових наукових журналах та збірниках, отримано 39 авторських свідоцтв на винаходи. 13 робіт виконані без співавторів.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 118 найменувань, 4 додатків. Повний обсяг дисертації -180 с., ілюстрацій - 64, таблиць -19.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено оцінку сучасного стану проблеми, що досліджується в дисертації, обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, основні задачі і методи досліджень, показана новизна отриманих результатів, практична цінність і реалізація результатів роботи.

У першому розділі визначено характерні особливості основних типів задач, алгоритми і типи базових операцій, що використовуються для їх розв'язання в задачах СКОІ. Відзначається необхідність розпаралелення процесу опрацювання як у часі так і у просторі, пошуку нових алгоритмів, особливо в частині цифрового опрацювання сигналів (ЦОС). Проаналізовано структури і характеристики ФОП на основі програмованих і спеціалізованих процесорів, структури процесорних ядер, визначено основні недоліки їх застосування в бортових комплексах та сформульовані принципи покращання характеристик. Показано, що ефективність роботи ФОП в РРЧ залежить від організації обміну між вузлами і від можливостей засобів діагностики і контролю.

На основі здійсненого аналізу сформульовані напрямки проведення дисертаційних досліджень, які забезпечують покращання параметрів ФОП. На структурному рівні це:

- вдосконалення структурної і логічної організації ядер ФОП;

- забезпечення модульності і регулярності побудови;

- паралельне виконання операцій, зокрема макрофункцій;

- розширення функцій каналів введення-виведення.

На схемотехнічному рівні:

- широке застосування апаратних розширювачів функцій (АР);

- застосування НВІС для побудови основних вузлів;

- використання нових вузлів обміну на основі схем прискорення обміну;

- забезпечення можливості переналаштування структури ФОП при зміні алгоритму функціонування і параметрів сигналів введення-виведення;

- введення в структуру засобів контролю і діагностики.

У другому розділі вибрано форми представлення та засоби реалізації алгоритмів, сформульовано принципи побудови вузлів та здійснено оцінку їх основних характеристик. Основну увагу звернено на структурну складність, що дозволяє виявити вплив використання НВІС на характеристики ФОП. Розроблена методика синтезу ФОП та процесорних ядер.

Вибір зручної форми зображення алгоритму є важливою задачею знаходження способів його розпаралелення: в системі, всередині ФОП, всередині АР. В роботі для цього застосовується ярусно-паралельна форма відображення алгоритму, яка забезпечує знаходження просторово-часових співвідношень, що використовуються при виборі різних структур. Встановлено, що при побудові структур СКОІ необхідно враховувати такі особливості:

- структура системи визначається сукупністю її функцій, причому однаковий набір функцій може бути реалізований різними сукупностями багатофункціональних і спеціалізованих елементів;

- у процесі розвитку проходить інтеграція і диференціалізація функцій і структур систем, підсистем та елементів;

- зміна набору функцій, що реалізуються системою, приводить до відповідних змін її функціонально-структурної організації, які відбуваються і

при вдосконаленні технологій.

Виходячи з цього, в роботі запропоновані такі принципи побудови ФОП і АР:

- регулярності і модульності (заміна різнотипних елементів однотипними і багатофункціональними неоднорідних вузлів - стандартними вузлами з підвищеною регулярністю);

- конвеєризації та просторового паралелізму опрацювання даних;

- перекладання на апаратні засоби частини функцій програмного забезпечення;

- використання бібліотеки стандартних базових макроелементів;

- універсалізації зв'язків між вузлами ФОП;

- вмонтованості засобів діагностики і контролю.

Основну увагу приділено реалізації модульного принципу побудови, який сприяє стандартизації елементів і зменшенню витрат на проектування.

Автором вдосконалено оцінку параметрів ФОП за критеріями структурної складності і швидкодії. Підкреслено, що зниження структурної складності досягається у разі проектування ФОП і АР на ПЛІС. Питання оцінки швидкодії розглядається для випадків розпаралелення алгоритму задачі і процесу обчислень окремих процедур. Позначивши Т₁(n), T₂(n) - відповідно час розв'язання задачі на одному і системою з n процесорів, визначимо прискорення _p(n) часу розв'язання задачі як

_p(n)=Т₁(n)/T₂(n)= =t(n)/(t_p(n)+t_обм(n)+t_д)

де t_д - час, що необхідний для попередньої підготовки даних для організації паралельного обчислення, t_обм(n)- час обміну між процесорами; t_p(n), t(n)/p, t_p(n) - час роботи одного процесора при розпаралелюванні задачі; р - кількість процесорів. Зменшення значень t_p(n), t_обм(n) і t_д досягається забезпеченням максимального паралелізму при організації обчислень і при організації процедур обміну. Швидкодія ФОП визначається через час (Т) виконання задачі (макрофункції) згідно з відомим виразом (1)

де Т_об - час обчислення; Т_вв , Т_вив - час, відповідно, введення даних і виведення результатів опрацювання; l₁, l₂ - коефіцієнти врахування часового суміщення операцій з виконанням процесором основної програми роботи. Відзначається, що продуктивність ФОП в системах знижується у разі необхідності одночасного використання одного або групи операндів різними ФОП. Синтезовані процедури обміну з використанням запропонованого автором методу аналізу стану шини адреси (АСША). Даний метод дозволяє зменшити час виконання макрооперації за рахунок зменшення часу введення-виведення даних на величину T:

де T₁, T₂ , T₃ - час, відповідно, введення даних до ФОП_i, виведення даних з ФОП_i, під'єднання ФОП до системного процесора; p_1, p_2, p₃- ймовірності потреби, відповідно, завантаження буфера даних до ФОП_i, видачі результатів з ФОП_i, ймовірність завантаження буфера команд до ФОП_j, ji. Тоді (1) можна подати у вигляді

На основі аналізу методів синтезу структур встановлено таке: - представлення алгоритму розв'язання задачі в ярусно-паралельній формі дозволяє оцінити можливості його розпаралелювання, порівняти різні структурні рішення і знайти найефективніший варіант реалізації;

- модульний принцип побудови ФОП дозволяє значно діапазон застосувань, стандартизувати елементи і відсунути час морального старіння СКОІ;

- для зменшення часових втрат при обміні інформацією між ФОП через магістральну шину доцільно використовувати метод АСША;

- оцінка структурної складності дає можливість визначити ефективність використання ПЛІС в структурах ФОП.

У третьому розділі на основі запропонованої методики синтезовані структури ФОП, ПЯ, вузлів обміну даними та діагностики, наведені їх порівняльні параметри. До складу ФОП (рис.1) входять пристрої міжпроцесорного зв'язку (ПМЗ), зв'язку з зовнішніми пристроями (ПЗЗП), керування (ПК), вузол діагностики (ВД), розширювач портів введення-виведення (РПВВ); СШ - системна шина.

Розбиття обчислювального модуля на кілька функціонально-орієнтованих вузлів (ФОВ) дозволяє розв'язувати задачі як з повним паралелізмом надходження даних (режим монозадачі), так і з повним розпаралеленням виконання задач. Пристрої обміну (ПО₁-ПО_m) забезпечують зменшення часу t_д, t_обм(n) і Т_вв, Т_вив .

Схема ПЯ наведена на рис.2, де ВРФ і ВП вузли, відповідно, розподілу функцій і програмування НВІС. Процесорна шина (ПШ), шина програмування (ШП) НВІС і синхронний порт (СП) є елементами шини ПЯ. В ядрі не забезпечується режим багатоканальної обробки, а виведення на системну шину здійснюється через ПМЗ, що забезпечує інтегрованість ПЯ до СКОІ.

Відмінність структури запропонованого ПЯ від відомих - змінність його структури (на рівні виконання різних функцій на ПЛІС), наявність вузлів ПО, ВД і ВРФ. ПЯ розглядається як функціонально завершений вузол, складові частини якого реалізовані на ПЛІС, що дозволяє адаптувати дане ПЯ на роботу з різними за швидкодією і кількістю каналів введення-виведення пристроями.

Розроблено два варіанти процесорних ядер: для розв'язання задач керування - на основі сімейства 16 розрядних контролерів MSC-196, з вбудованими процесорами подій, для задач обчислення - на основі ПОС сімейства ADSP21хх.

Запропоновано базову структуру пристрою обміну (ПРО) інформацією (рис.3), де ВДНР - вузол дешифрації номера регістра, ВРГ- вузол регістрів, ВВІ - вузол виведення інформації. ПЯ керує роботою процесора, до складу якого входить і АР. Структура ВДНР орієнтована на "підслуховування" стану ША, тобто коли на ША буде адреса операнда даних для АР, то ВДНР формує сигнал запису даного операнда в один з регістрів ВРГ. Після підготовки всіх даних в АР видається ознака початку опрацювання макрооператора (з ПЯ або формується в ПРО), АР зчитує інформацію (через комутатори ВВІ) і виконує заданий алгоритм опрацювання даних.

Питання діагностики і контролю в аспекті поставленої мети розглядаються автором комплексно на основі ієрархічної архітектури, яка забезпечує перевірку правильності виконання комплексного алгоритму.

Запропоновано підхід до діагностики систем і процесорів керування та опрацювання інформації з представленням опису вхідного діагностичного сигналу у формалізованому вигляді. Наведено варіант реалізації підходу на прикладі діагностики системи спектрального аналізу сигналів, в якій задачі розв'язуються цифровими методами, зв'язаними з швидкими дискретними ортогональними перетвореннями, що представлені узагальненим класом швидких перетворень Фур'є з різними системами базисних функцій. Вони належать до класу лінійних ортогональних перетворень і зв'язані з обчисленням виразів вигляду



де Х=[Х(0), Х(1), ... , Х(L-1)]^Т, х=[х(0), х(1), ... , х(L-1)]^Т - вектори, відповідно, вихідних гармонік і початкових відліків; А - відтворююча ортогональна матриця розміром LxL; L - кількість початкових відліків. Для ФОП, що виконує обчислення виразу

де n - номер елемента віддалі, l - номер гармоніки, i-номер періода повторення в межах інтервалу обчисленняДПФ,,W(i) - ваговафункція,? визначено принципи формування і форму вхідного сигналу.

де А - амплітуда сигналу, S - кількість частотних діапазонів між сусідніми гармоніками l;

m,p - кількість гармонік, в діапазоні яких відносно l) перевіряється АЧХ. Автором розроблені вузли діагностики і розраховані апаратурні затрати на їх реалізацію. При використанні сучасної елементної бази об'єм додаткових апаратних затрат становить приблизно 2%. Для забезпечення контролю в РРЧ у реальних експлуатаційних умовах розроблені структури виявляча сигналів з вбудованим вузлом контролю, відмінністю якого є можливість діагностики параметрів і послідовності надходження вхідних сигналів; вузла обчислення модуля комплексного числа з контролем виконання операції по mod3; вузлів діагностики у структурах ПЯ і ФОП, де контроль здійснюється, відповідно, на рівні переходів мікрокоманд і шляхом формування масивів даних для перевірки СКОІ в РРЧ.

У четвертому розділі розроблені алгоритми і структури АР для виконання базових операцій, отримано аналітичні вирази для їх оцінки за швидкодією і витратами обладнання. Всі структури розглянених АР орієнтовані на реалізацію на ПЛІС і захищені авторськими свідоцтвами на винаходи.

Автор показує, що пристрої для обчислення тригонометричних функцій, виконання операцій перетворення координат та когерентного накопичення, в яких використовуються таблично-алгоритмічні методи обчислення відрізняються простотою реалізації і високою швидкодією. В роботі розглянуто два підходи до реалізації пристроїв ділення комплексних чисел: з використанням операцій ділення, множення, додавання та піднесення до квадрата і з використанням операцій додавання, інверсії та зсування. З використанням обидвох підходів розроблені структури одно- і багатофункціональних пристроїв для виконання операцій множення і ділення комплексних чисел. Показано, що обчислювальні операції над комплексними числами доцільно виконувати на багатофункціональному вузлі.

Детальніше аналізуються алгоритми і структури для обчислення квадратного кореня з суми квадратів чисел. Розроблено кілька варіантів використання наближених формул з різною кількістю інтервалів зміни операндів; проаналізовані значення похибок обчислень. Визначені вимоги до порядку опрацювання операндів і встановлено, що для забезпечення мінімальної похибки при обчисленні виразу

процес обчислення необхідно починати з менших значень . Основним елементом рекурсивного пристрою обчислення виразу (2) є вузол обчислення квадратного кореня з суми квадратів двох чисел (ВО), С - синхроімпульс (рис.4).

Розроблений конвеєрний пристрій для добування квадратного кореня, що базується на використанні ітераційних методів без відновлення остачі згідно з формулою (3) і забезпечує найбільшу швидкість обчислень серед подібних методів.

де 2R₀ = X, =1,

Для обчислення функції А^m запропоновано використовувати бінарні алгоритми зменшення кількості множень з послідовним аналізом розрядів показника степеня, яке досягається за рахунок одночасного аналізу l розрядів показника степеня, що дозволило зменшити кількість множень в l разів. Вдосконалено бінарний алгоритм обчислення функції А^m з послідовним аналізом показника степеня групами по l розрядів, починаючи із старших, має вигляд:

,

m_p1, m_p2,..., m_pl - значення числа, яке записане в p - й групі.

Сортування масивів чисел при паралельному і послідовному їх надходженні розглянуто на основі конвеєрних вузлів і структур на базі оперативної пам'яті (ОЗП). Проаналізовано переваги і недоліки кожного із способів сортування, визначені області їх використання. Встановлено, що вузли сортування чисел на елементах ОЗП при менших апаратних затратах не забезпечують роботу у режимі реального часу; серед конвеєрних пристроїв сортування швидшими є ті, в яких використовується метод сортування вставкою.

У п'ятому розділі описані пристрої, що розроблені з використанням результатів дисертаційної роботи.

Розроблено проекти реалізації вузлів обчислення тригонометричних функцій, перемноження комплексних чисел, добування квадратного кореня, сортування методом вставок і “бульбашок” на ПЛІС фірми Altera. Результати моделювання показують, що проектування конвеєрних вузлів сортування ефективніше при побудові рекурсивних структур, внаслідок чого можна зменшити частоту роботи ПЛІС.

Розроблено уніфіковані модеми для каналів зв'язку (радіоканал ультрахвильового діапазону, виділених телефонних ліній, широкосмуговий радіоканал з шумоподібним каналом) з використанням модульного принципу побудови, функціональними і конструктивними вузлами якого є процесорне ядро і канал передачі даних. Як ПЯ використовується однокристальний контролер, головною складовою вузла передачі інформації є ПЛІС. Канал передачі даних забезпечує підтримку протоколу АХ-25. Проведений аналіз складності реалізації алгоритмів на ПЛІС ЕРМ7ххх. Побудова ряду модемів підтверджує концепцію проектування ФОП, яка висунута в даній роботі.

Розроблено базовий блок первинного і вторинного опрацювання радіолокаційної інформації. Вузли первинного опрацювання реалізовані як ФОП та АР і виконують операції згортки сигналів, когерентного і некогерентного опрацювання, селекції рухомих цілей, перетворення Фур'є. Контроль в блоці здійснюється засобами вбудованої КДА, обмін інформацією між ФОП - засобами пристроїв АСША. Наведені алгоритми, структура і характеристики основних вузлів ШПФ. Основні технічні рішення захищені авторськими свідоцтвами на винаходи.

Результати експериментальних досліджень впроваджених автором пристроїв показують, що при використанні методу АСША час обміну інформацією зменшується на: 5% - для пристроїв опрацювання радіолокаційної інформації, 2,1% - для пристроїв керування, 1,01% - для пристроїв передачі даних.

У додатках наведено документи про впровадження результатів роботи, протоколи результатів проектування трактів передачі і приймання на ПЛІС типу EPM7160STC100-6 фірми Altera, формули і структури вузлів цифрового опрацювання радіолокаційної інформації, результати діагностики цифрового фільтра.



ВИСНОВКИ

В дисертації розв'язана актуальна наукова задача вдосконалення і розроблення алгоритмів роботи і структур бортових функціонально-орієнтованих процесорів та їх компонентів, що працюють в режимі реального часу.

1. Проаналізовано особливості задач, алгоритмів, структур СКОІ, визначено вимоги до ФОП, шляхи вдосконалення їх характеристик, базовий набір операцій для виконання основних задач. Показано, що інформація про стан об'єкта і процесу керування має просторово-часову організацію, що дає можливість використовувати при побудові ФОП представлення алгоритмів задач в ярустно-паралельній формі.

2. Обгрунтовано необхідність створення, запропоновано варіанти побудови:

- базових процесорів та процесорних ядер;

- організаціі інтерфейсів, що базуються на використанні методу аналізу стану шини адреси;

- структур зовнішньої контрольно-діагностичної апаратури, яка базується на структурах генераторів функцій.

3. Вдосконалена методика оцінки основних параметрів вузлів на основі критерію структурної складності та швидкодії, отримані аналітичні вирази для їх оцінки. На основі оцінки проведено порівняння структур та шляхи їх оптимізаціі.

4. Вдосконалено алгоритми виконання таких базових операцій:

- піднесення до степеня на базі операції множення, що відрізняється від відомих одночасним аналізом кількох розрядів показника степеня і меншою кількістю операцій множення;

- сортування чисел, що відрізняються від відомих простотою реалізації і скороченням часу сортування;

- обчислення квадратного кореня з суми квадратів чисел, що відрізняються від відомих простотою реалізації.

5. Розроблено структури процесорів та процесорних ядер для виконання задач керування та опрацювання інформації з вмонтованими вузлами діагностики та обміну, що дозволяє підвищити їх живучість та продуктивність роботи.

6. Для виконання базових операцій розроблено структури пристроїв: множення і ділення комплексних чисел, знаходження суми парних добутків, піднесення до степеня, сортування, добування квадратного кореня з суми квадратів чисел, перетворення координат, обчислення тригонометричних функцій з використанням вдосконалених алгоритмів і таблично-алгоритмічного методу. Проведена кількісна і якісна оцінка структур, визначена можливість та розроблені варіанти їх реалізації на ПЛІС.

7. Розроблено структури пристроїв обміну для різних варіантів застосування, що базуються на використанні методу аналізу стану шини адреси процесора і дозволяють зменшити час обміну інформацією на: 5% - для пристроїв опрацювання радіолокаційної інформації, 2,1% - для пристроїв керування, 1,01% - для пристроїв передачі даних.

8. На основі використання методу перевірки працездатності цифрових фільтрів шляхом аналізу їх АЧХ розроблені структури генераторів функцій для аналізу вузлів опрацювання інформації, використання яких скорочує час налагодження і діагностики систем і процесорів.

9. Ефективність основних теоретичних положень, підходів до побудови ФОП та запропонованих структур синтезованих вузлів підтверджена результатами розроблення блоків керування та опрацювання інформації в радіолокаційних системах, в системах промислової діагностики та зв'язку.



ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Ваврук Е.Я. Об оценке структуры системы первичной обработки информации. // Гибрид. вычисл. машины и комплексы. - 1992. - Вып.15.- с. 44-49.

2. Ваврук Є.Я., Рашкевич Ю.М., Цмоць І.Г. Підходи до побудови та вибору елементної бази процесорів управління та обробки сигналів/ Збірник наукових праць ІПМЕ НАНУ "Моделювання та інформаційні технології". - 1999-Вип.3.- с.160-168.

3. Ваврук Є.Я., Рашкевич Ю.М. Особливості реалізації пристроїв обміну інформацією в системах цифрової обробки сигналів/ Збірник наукових праць ІПМЕ НАНУ "Моделювання та інформаційні технології". - 1999 - Вип.4.- с.119-123.

4. Ваврук Є.Я, Рашкевич Ю.М., Цмоць І.Г. Оцінка основних характеристик процесорів управління та обробки інформації на НВІС/ Вісник ДУ "Львівська політехніка" "Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології". -1999. - № 386. - С.5-11.

5. Ваврук Є.Я, Рашкевич Ю.М., Цмоць І.Г. Вибір структури процесорного ядра для бортових систем керування та обробки інформації/ - Збірник наукових праць ІПМЕ НАНУ. - 2000. - № 9. - С. 169-176 .

6. Устройство для преобразования координат: А.с. 1236466 СССР, МКИ G06F 7/548/ Е.Я. Ваврук, Ю.М. Захарко, А.А. Мельник, И.Г. Цмоць (СССР). -№3817417/24-24; Заявлено 19.11.84;Опубл. 07.06.86, Бюл. № 21.

7. Устройство для вычисления тригонометрических функций: А.с. 1262486 СССР, МКИ G06F 7/548/ Е.Я. Ваврук, Ю.М. Захарко, А.А. Мельник, И.Г. Цмоць (СССР). - №38290117/24-24; Заявлено 19.12.84; Опубл. 07.10.86, Бюл. № 37.

8. Микропроцессор: А.с. 1273939 СССР, МКИ G06F 15/00, 11/00/ Е.Я. Ваврук (СССР). - №3946443/24-24; Заявлено 26.05.85; Опубл. 30.11.86, Бюл. № 44.

9. Цифровой генератор периодической функции: А.с. 1275412 СССР, МКИ G06F 1/02 / Е.Я. Ваврук (СССР). - №3878226/24-24; Заявлено 27.03.85; Опубл. 07.12.86, Бюл.№ 45.

10. Устройство для вычисления функций: А.с. 1280614 СССР, МКИ G06F 7/544 / Е.Я. Ваврук, Л.Б. Заячкивская, Р.С. Лабяк, В.М. Равский/ (СССР). - №3944320/24-24; Заявлено 16.08.85; Опубл. 30.12.86, Бюл. № 48.

11. Устройство для вычисления квадратного корня из суммы квадратов чисел: А.с. 1285466 СССР, МКИ G06F 7/552 / Е.Я. Ваврук (СССР). - №3878228/24-24; Заявлено 27.03.85; Опубл. 23.01.87, Бюл. № 3.

12. Устройство для сортировки чисел: А.с. 1341631 СССР, МКИ G06F 7/08/ Е.Я. Ваврук, В.М. Равский (СССР). - №4007494/24-24; Заявлено 10.01.86; Опубл. 30.09.87, Бюл. № 36.

13. Устройство для вычисления функции A^m : А.с. 1383343 СССР, МКИ G06F 7/552 / Е.Я. Ваврук, А.А. Мельник, И.Г. Цмоць (СССР). - №4128950/24-24; Заявлено 23.03.86; Опубл. 23.03.88, Бюл. № 11.

14. Устройство для умножения комплексних чисел: А.с. 1388851 СССР, МКИ G06F 7/49 / Е.Я. Ваврук, А.А. Мельник, И.Г Цмоць, М.Н. Яцимирский (СССР). - №4146383/24-24; Заявлено 14.11.86; Опубл. 15.04.88, Бюл. № 14.

15. Устройство для вычисления суммы произведений: А.с. 1509879 СССР, МКИ G06F 7/544 / Е.Я. Ваврук (СССР). - №4383839/24-24; Заявлено 05.01.88; Опубл. 23.09.89, Бюл. № 35.

16. Устройство для сопряжения ЭВМ с абонентами: А.с. 1520531 СССР, МКИ G06F 13/00 / Е.Я. Ваврук, С.Я. Перепичка (СССР). - №4415555/24-24; Заявлено 25.04.88; Опубл. 7.11.99, Бюл. № 41.

17. Устройство обмена данными: А.с. 1636847 СССР, МКИ G06F 15/16/ Е.Я. Ваврук (СССР). - №4650071/24; Заявлено 13.02.89; Опубл. 23.03.91, Бюл.№ 11.

18. Вычислительное устройство: А.с. 1705820 СССР, МКИ G06F 7/49/ Е.Я. Ваврук И.Г. Цмоць (СССР). - №4824823/24; Заявлено 14.05.90; Опубл. 15.01.92, Бюл. № 2.

19. Устройство для деления: А.с. 1711149 СССР, МКИ G06F 7/49/ Е.Я. Ваврук, И.Г. Цмоць (СССР). - №4800808/24; Заявлено 11.03.90; опубл. 07.02.92, Бюл. № 5.

Размещено на Allbest.ru

...