Розробка та дослідження високопродуктивних систем просторової обробки з регулярною структурою

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ

Спеціальність 05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття вченого ступіню кандидата технічних наук

Розробка та дослідження високопродуктивних систем просторової обробки з регулярною структурою

Черкасов Дмитро Іванович

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Работа виконана в Київському НДІ гідроприладів НВО “Славутич”.

Науковий керівник:кандидат технічних наук

Крамськой Володимир Володимирович,

НДІ “Квант-Навігація”, перший заступник директора, головний інженер

Офіційні опоненти:доктор технічних наук Годлевський Віталій Станіславович, Інститут проблем моделювання в енергетиці
НАН України, завідуючий відділом

доктор технічних наук Калюжний Олександр Якович, Науково-виробниче підприємство "Дельта",головний науковий співробітник

Провідна організація:Національний Технічний Університет України “Київський Політехнічний Інститут”, кафедра спеціалізованих комп'ютерних систем, Міносвіти, Київ

Захист відбудеться “8” червня 1999 р. в 10:00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.185.02 при Інституті проблем моделювання в енергетиці НАН України за адресою: Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України.

Автореферат розісланий “8” травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К26.185.02,
кандидат технічних наукЕ.П.Семагіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний етап характеризується подальшим ускладненням обчислювальних систем (ОС) обробки гідроакустичних сигналів, а також необхідністю скорочення циклів проектування систем, підвищення їх надійності та універсальності.

В останнє десятиріччя зросла кількість наукових публікацій, присвячених формальному проектуванню архітектур ОС сигнальної обробки. Але різноманітність елементів, що використовуються, веде до того, що одержувані теоретичні результати можуть застосовуватися головним чином при використанні будь-яких конкретних елементів та систем вузького класу архітектур. Постійне поновлення електронних компонентів, а також зростання масштабів вирішуваних задач обумовлює необхідність розробки нових методів проектування засобів цифрової обробки сигналів (ЦОС).

Актуальність вказаної проблеми посилюється завдяки підвищенню інтеграції та швидкодії компонентів, підвищенню їх функціональності, зростанню загальної кількості компонентів системи, що створює передумови для виробки загальних підходів до проектування систем, які є інваріантними до елементної бази, що використовується.

Метою роботи є розробка та дослідження методів формального проектування ОС обробки гідроакустичних сигналів на прикладі систем просторової обробки, а також реалізація цих систем.

Основні задачі дослідження:

аналіз відомих алгоритмів просторової обробки та особливостей їх реалізації в ОС;

розробка інженерної методики відображення алгоритмів обробки гідроакустичних сигналів на структури ОС, що їх реалізують, на основі цифрових процесорів сигналів (ЦПС), що враховує особливості обчислень в реальному часі, та орієнтованої на високопродуктивні багатопроцесорні системи з однорідним складом компонентів та регулярною топологією ліній зв'язку;

оптимізація структур систем, яка забезпечує мінімальну кількість компонентів, оптимальну завантаженість процесорів та ліній зв'язку;

організація управління процесорами системи, яке забезпечує гнучкість, оперативність, надійність та можливість багаторежимної роботи;

розробка архітектури багатопроцесорової ОС ЦОС гідроакустичного комплексу, яка включає до себе підсистему просторової обробки.

Методи дослідження. Під час розробки ОС обробки гідроакустичних сигналів використовуються ЦПС. Під час синтезу структур ОС використовується формальне відображення алгоритма обробки на структуру системи. Системи, що проектуються, оптимізуються для досягнення максимального рівня однорідності та регулярності.

На захист виносяться:

Підходи до побудови архітектур багатопроцесорових ОС обробки гідроакустичних сигналів з регулярною структурою на основі ЦПС типа TMS320.

Методика інженерного синтезу структур ОС просторової обробки гідроакустичних сигналів, яка враховує особливості обчислень в реальному часі (обсяги та часові характеристики даних, що обробляються) та архітектуру ЦПС, що використовуються (продуктивність, пропускна здатність каналів обміну, час доступу до оперативної пам'яті та її організацію).

Реалізація механізмів міжпроцесорної взаємодії в ОС обробки гідроакустичних сигналів на основі буферизованого обміну даними (для взаємодїї обчислювальних процесів реального часу з детермінованою часовою діаграмою в основних режимах функціонування систем) та небуферизованого обміну (для задач управління та контролю).

Спосіб управління багатопроцесоровими ОС обробки гідроакустичних сигналів (ініціалізація, налаштування на режим функціонування) на основі поліморфного протоколу з використанням інкапсуляції механізму інтерпретації управляючої інформації в процесорах системи.

Технічні критерії однорідності та регулярності, які дозволяють кількісно оцінити складність існуючих систем та тих, що проектуються.

Наукова новизна результатів, що одержані в роботі, полягає в тому, що:

запропоновані підходи до побудови архітектур багатопроцесорових ОС обробки гідроакустичних сигналів з регулярною структурою на основі ЦПС типа TMS320;

запропонована методика інженерного синтезу структур ОС просторової обробки гідроакустичних сигналів, яка враховує особливості обчислень в реальному часі та архітектуру ЦПС, що використовуються;

розроблена реалізація механізмів міжпроцесорної взаємодії в ОС просторової обробки гідроакустичних сигналів на основі буферизованого та небуферизованого обміну даними;

запропонований метод управління багатопроцесоровими ОС обробки гідроакустичних сигналів на основі поліморфного протоколу з використанням інкапсуляції механізма інтерпретації управляючої інформації в процесорах системи;

запропоновані технічні критерії однорідності та регулярності, які дозволяють кількісно оцінити складність існуючих систем та тих, що проектуються.

Практична цінність роботи полягає в створенні основи для розробки ряду ОС просторової обробки. Результати, які були одержані при проектуванні ОС обробки гідроакустичних сигналів на основі ЦПС типа TMS320C25, створили базис для швидкої розробки ряду систем з різними алгоритмами обробки, структурами та технічними характеристиками.

Реалізація результатів. Основні результати дисертаційної роботи були використані в Київському НДІ гідроприборів під час проектування ряду ОС обробки гідроакустичної інформації.

Запропонована інженерна методика проектування ОС обробки гідроакустичних сигналів, яка включає до себе анализ алгоритму обробки, обрання елементної бази, відображення алгоритму обробки на структуру системи, забезпечила оптимальне планування процесів розробки ОС та контроль достовірності проміжних результатів по ряду науково-дослідницьких та дослідно-конструкторських робіт (НДДКР).

Базові вузли багатопроцесорової ОС обробки гідроакустичних сигналів на основі ЦПС TMS320C25 виготовлені та випробовані у вигляді дослідних зразків. Конструкторська документація на ОС передана на завод для серійного виготовлення.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на науково-технічних конференціях та семінарах: “Застосування мікроконтролерів на базі ОМ ЄОМ, БМК, ПЛІС в народному господарстві” (м. Київ, 1993 р.), “Інформаційні технології та системи” (м. Львів, 1993 р.), “Однорідні обчислювальні середовища та сістолічні структури” (м. Львів, 1993 р.), “Контроль та управління в технічних системах” (м. Вінниця, 1993 р.), “Проблеми та перспективи розвитку суднобудування в Україні” (м. Миколаїв, 1994 р.), “Автоматика-95” (м. Львів, 1995 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 4 наукових роботи, в тому числі одне авторське свідоцтво. В роботі [1] автору належить оптимізація інтерполяційного алгоритму для реалізації в ОС, в роботі [2] автору належить розробка принципів та основних положень методу формального проектування обчислювальних систем обробки сигналів, в роботі [3] автору належить розробка методу управління багатопроцесоровими ОС обробки сигналів на основі ЦПС, в роботі [4] автору належить розробка оперативного запам'ятовуючого пристрою, що забезпечує контролездатність накопичувача контрольних коефіциєнтів.

Результати роботи також викладені в технічних звітах по НДДКР та технічних описах виробів за тематикою Київського НДІ гідроприборів.

Сруктура та обсяг роботи. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку літератури та додатків. Матеріал викладено на 128 стор. друкованого тексту, містить в собі 40 малюнків, 23 таблиці, перелік літератури в кількості 116 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обгрунтована актуальність теми, сформульована мета роботи, показана новизна отриманих наукових результатів, а також основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі наведено скорочений опис основних макрооперацій просторової обробки. До таких макрооперацій відносяться:

формування спрямованості;

стабілізація просторової орієнтації діаграм спрямованості, що формуються;

подавлення локальних завад.

Формування спрямованості базується на вирівнюванні фазового фронту хвилі сигналу, що поступає на антену с заданого напрямку. Основні відмінності між різними методами формування спрямованості зумовлені відмінностями методів вирівнювання фазового фронту. Формування у часовій області базується на внесенні затримок в сигнали датчиків гідроакустичної антени, що компенсують різницю часів надходження до датчиків фазового фронту хвилі.

В загальному випадку вираз для сигнала на виході діаграми спрямованості (ДС), що формується, під час формування у часовій області має вигляд:

(1)

де - вихідний сигнал датчика, який знаходиться в точці простору з радіус-вектором , в момент часу ;

- часова затримка вихідного сигналу датчика в точці простору з радіус-вектором , під час формування ДС, орієнтованої в напрямку вектора ;

- коефіцієнт затенення для датчика в точці простору з радіус-вектором , під час формування ДС, орієнтованої в напрямку вектора , який враховує конструктивні особливості антени;

- сигнал на виході ДС, орієнтованої в напрямку вектора , в момент часу ;

- загальна кількість датчиків антени.

Для систем сигнальної обробки, які використовують дискретизовані по часу сигнали, вираз (1) може бути переписаний у вигляді:

(2)

де - відлік вихідного сигнала датчика в точці простору з радіус-вектором , в момент часу ;

- сигнал на виході ДС, орієнтованої в напрямку вектора , в момент часу .

Відміни між методами формування спрямованості у часовій області пов'язані з особливостями внесення затримок в дискретизовані вихідні сигнали датчиків антени. Серед методів формування спрямованості у часовій області практично використовуються:

1) метод найближчого відліку;

2) метод линійної інтерполяції;

3) метод нелинійної інтерполяції;

4) інтерполяційний метод Придема-Муччі;

5) фазочасовий метод.

Завдяки задовільній точності та невисокої складності реалізації методи нелинійної інтерполяції та фазочасовий метод отримали найбільше поширення. Викладенню цих методів присвячені два підрозділи першого розділу.

Дискретне перетворення Гильберта (ДПГ), яке використовується у фазочасовому методі, є поширеною макрооперацією, яка реалізується в системах просторової обробки. Опис ДПГ також ввійшов в перший розділ.

Для систем просторової обробки, які розміщені на пересувних носіях та функціонують в умовах дії завад, невід'ємними процедурами просторової обробки є стабілізація просторової орієнтації ДС, що формуються та подавлення шумових сигналів, які мають неоднорідне розподілення по просторовим координатам - локальних завад.

В залежності від етапу обробки методи стабілізації підрозділяються на:

1) методи стабілізації в просторі датчиків;

2) методи стабілізації в просторі ДС;

3) методи стабілізації в процесі формування спрямованості.

Існує два основні принципи просторової стабілізації ДС:

1) інтерполяція по просторовим координатам;

2) компенсація змін відносних затримок приходу сигналів по заданим напрямкам на різні датчики, зумовлені пересувами антени.

Інтерполяція по просторовим координатам найбільш підходить для стабілізації в просторі датчиків або в просторі ДС, а компенсація змін відносних затримок приходу сигналів на датчики, добре узгоджується з стабілізацією в процесі формування спрямованості.

Для подавлення локальних завад під час формування спрямованості використовуються два основні методи:

1) адаптивне формування спрямованості [31, 55, 56];

2) адаптивна компенсація завад [86].

При використанні антен з великою кількістю датчиків для реалізації адаптивного формування спрямованості використовується модифікований алгоритм Фроста, згідно якого ДС формуються у два етапи:

1) формування наборів парціальних ДС;

2) формування результуючих ДС у вигляді сум зважених сигналів на виходах парціальних ДС.

Адаптивна компенсація полягає в вилученні з сигналу на виході ДС складової, зумовленої дією локальних завад. Для виділення складової завади використовується адаптивна фільтрація сигналів ДС, обраних як опорні, або формуються режектуючі ДС, орієнтовані в напрямку локальних завад.

Другий розділ присвячений викладенню підходів до побудови архітектур багатопроцесорових ОС ЦОС. Основним результатом досліджень, викладених в цьому розділі, є інженерна методика пpоектування аpхітектуpи ОС ЦОС, яка pеалізує заданий алгоpитм обpобки сигналів. Методика включає поетапне виконання дій по синтезу аpхітектуpи ОС:

1) аналіз алгоpитму обpобки та визначення технічних вимог до ОС;

2) відобpаження алгоpитму обpобки на стpуктуpу ОС;

3) обрання пpинципів міжпpоцесоpних взаємодій;

4) pеалізація керування обчисленнями в ОС;

5) оптимізація аpхитектуpи ОС за рахунок підвищення її одноpідності та pегулярності;

6) порівняльний аналіз pізних аpхитектуp ОС для визначення найбільш оптимальної відповідно обpаної моделі аналізу.

Вхідними даними для аналізу є математичний опис алгоритму обробки, структур даних та часові характеристики процесу обробки. В результаті аналізу алгоритму обробки визначаються основні вимоги до ОС:

1) потрібна продуктивність, ,

2) потрібний обсяг пам'яті даних, ,

3) потрібна пропускна здатність для передачі даних, .

Потрібна продуктивність визначається за формулою:

(3)

де - кількість операцій, виконання якого необхідно для обробки даних в одному інтервалі дискретизації ;

- частота дискретизації даних, що обробляються, .

Визначення потрібної продуктивності виконується по різним типам операцій. Для конкретних типів элементів можливо отримання інтегральної потрібної продуктивності за формулою:

PПОТР = (4)

де PПОТР - інтегральная потрібна продуктивність в еквівалентних елементарних операціях;

- потрібна продуктивність по -му типу операцій;

- кількість елементарних операцій, виконання яких за складністю еквівалентно виконанню однієї операції -го типу.

Значення визначаються особливостями конкретних елементів.

Потрібний обсяг пам'яті даних визначається як сума:

V=VВХ+VПР+VКОНСТ+VВИХ(5)

де VВХ - обсяг пам'яті, необхідний для зберігання вхідних даних;

VПР - обсяг пам'яті, необхідний для зберігання проміжних результатів;

VКОНСТ - обсяг пам'яті, необхідний для зберігання констант;

VВИХ - обсяг пам'яті, необхідний для зберігання результатів обчислень.

Особливістю організації обчислень в ОС ЦОС є циклічне виконання однотипних дій над элементами даних в різних інтервалах дискретизації. Згідно з цим VВЫХ, VВХ, VПР визначаються відповідно необхідності зберігання даних в одному інтервалі дискретизації.

Потрібна пропускна здатність S є обсяг даних, що пересилаються в одиницю часу по лініях зв'язку, які з'єднують елементи системи, і представляє собою суму двох компонентів:

S=SВХ+SВИХ(6)

де SВХ - пропускна здатність, необхідна для пересилки вхідних даних;

SВИХ - пропускна здатність, необхідна для пересилки вихідних даних.

Для визначення SВХ та SВИХ використовуються формули:

SВХ=VВХFД SВИХ=VВИХFД(7)

Вхідними даними для відображення алгоритму обробки на структуру ОС є опис алгоритму та характеристики елементів, що використовуються. Згідно з методикою, що пропонується, в граф алгоритму окрім вершин, які відповідають операціям, вводяться вершини, які відповідають даним, що обробляються.

Граф алгоритму обробки завжди є спрямований. Кожна його вершина-операція Fi має як надходячі, так і виходячі дуги. Кожна вершина-дані Di має одну надходячу дугу та одну або декілька виходячих. Вершини-дані, які відповідають вхідним даним та константам обробки, мають тільки виходячі дуги. Кожна вершина-дані, що відповідає результатам обробки, має одну надходячу дугу та жодної виходячої. Кожна дуга (Fi,Dj) графу, що з'єднує вершину-дані Dj та вершину-операцію Fi та спрямована в бік вершини Fi, задає використання даних Dj у якості аргументів операції Fi. Кожна дуга (Fi,Dj) графу, що з'єднує вершину-дані Dj та вершину-операцію Fi та спрямована в бік вершини Dj, задає одержання даних Dj у якості результатів операції Fi. Граф алгоритму є двудольним, тобто будь-яка його вершина-операція є з'єднаною лише з вершинами-даними, а будь-яка вершина-дані - лише з вершинами-операціями.

Граф алгоритму описує отримання результатів для деякого n-го інтервалу дискретизації, причому у якості вхідних даних використовуються вхідні дані алгоритму обробки для n-го та більш ранніх інтервалів дискретизаціїї, а також результати обробки, які були отримані в (n-1)-м та більш ранніх інтервалах:

Y(n)=F(X(n), X(n-1),…, Y(n-1), Y(n-2), … )(8)

де X(n) - множина вхідних даних алгоритму в n-м інтервалі дискретизації;

Y(n) - множина результатів алгоритму в n-м інтервалі дискретизації;

F(…) - оператор перетворення вхідних даних в результати обробки згідно заданому алгоритму.

Кожній вершині-операції Fi ставляться у відповідністьпотрібна продуктивність для її реалізації - P(Fi). Кожній вершині-даним Dj ставляться у відповідність обсяг відповідних даних, які передаються в одному періоді обробки - V(Dj), та потрібна пропускна здатність для передачі цих даних S(Dj).

Граф алгоритму відображується на граф структури ОС в три етапи:

граф алгоритму приводиться до форми, яка узгоджується з характеристиками обробляючих вузлів (ОВ), що використовуються;

граф алгоритму перетворюється в граф структури ОС;

граф структури ОС оптимізується.

Граф алгоритму є узгодженим з характеристиками ОВ, якщо він задовольняє таким умовам:

для кожної вершини-операції Fi виконується:

P(Fi) PОВ(9)

для вершин-даних Di, які з'єднані з однією вершиною-операцією Fi виконується:

S(Dj) SОВ(10)

де PОВ - продуктивність, яку забезпечує один ОВ;

SОВ - пропускна здатність, яку забезпечує один ОВ.

Приведення графа алгоритма до форми, узгодженої з характеристиками ОВ, відноситься до класу задач лінійного програмування. В залежності від конкретних умов проектування ОС оптимальним рішенням цієї задачі є графи з мінімальною кількістю вершин-ОВ, вершин-ЛЗ (ліній зв'язку), загальної кількості вершин або які відповідають іншим вимогам. Узгодження графа алгоритму з характеристиками ОВ забезпечується за допомогою еквівалентних перетворень графу.

Під час перетворення графу алгоритму в граф структури ОС кожній вершині-операції Fi графу алгоритму ставиться у відповідність вершина-ОВ ОВi графу структури ОС, а кожній вершині-даним Dj графу алгоритму ставится у відповідність вершина-ВПД (вузол пам'яті даних) ВПДj графа структури ОС. Крім того до графу структури ОС вводяться вершини-ЛЗ ЛЗk, які з'єднані дугами з вершинами-ОВ та вершинами-ВПД. Кожній вершині ОВi графу структури ОС, якій на графі алгоритму відповідає вершина Fi, з'єднана з вершинами-даними Dj, ставляться у відповідність продуктивність PОВ i та пропускна здатність SОВ i, причому

PОВ i = P(Fi)

SОВ i = S(Dj)(11)

Кожній вершині ЛЗk, з'єднаній з вершиною ВПДj, якій на графі алгоритму відповідає вершина-дані Dj, ставиться у відповідність пропускна здатність S(ЛЗk), яка дорівнює S(Dj). Кожній вершині ВПДj, якій на графі алгоритму відповідає вершина Dj, ставиться у відповідність обсяг даних, що зберігаються V(ВПДj), який дорівнює V(Dj).

Після визначення структури засобів, які реалізують обробку, проектуються засоби управління обчисленнями в системі.

Для налаштування процесорів системи на узгоджене функціонування відповідно з заданим алгоритмом обробки необхідна, по-перше, інтерпретація управляючої інформації, по-друге, її поширення всім процесорам. Існує два основних варіанти організації вирішення ціх задач:

централізована інтерпретація управляючої інформації та наступна передача її всім процесорам, що налаштовуються;

інкапсуляція інтерпретації в процесорах системи.

Інкапсуляція інтерпретації управляючої інформації в процесорах системи, яка забезпечує більш високу надійність та гнучкість, реалізується при використанні кожним процесором інформації про місце його установки в системі для вибору з ПЗП потрібних пограм. При цьому реалізується єдиний алгоритм управління процесорами незалежно від задачі, яку вони вирішують в системі, що є суттєвістю поліморфного протоколу управління.

Підвищення однорідності та регулярності структури ОС представляє собою оптимізацію структури системи, яка була одержана в результаті відображення алгоритму обробки на структуру ОС та визначення методів та засобів управління обчисленнями в системі. Для оцінки рівня однорідності ОС використовується коефіцієнт однорідності, який визначається по формулі:

KОДН = (12)

де I - загальна кількість типів компонентів системи;

Ni - кількість компонентів i-го типу, які використовуються в системі;

N - загальна кількість компонентів в системі.

Оцінка рівня регулярності систем здійснюється за допомогою коефіцієнта регулярності, який визначається по формулі:

KРЕГ = (13)

де NB - кількість базових фрагментів в структурі системи.

Доцільність оптимізації системи для підвищення однорідності та регулярності її структури слідує з того, що системи, які характеризуються більшими однорідністю та регулярністю, забезпечують меншу працемісткість та коштовність розробки, виготовлення та експлуатації, більш високі універсальність та надійність.

В третьому розділі представлені результати проектування ОС просторової обробки (ПО) на основі різних елементів та які реалізують різні алгоритми обробки. Серед розглянутих систем:

ОС ПО з векторно-конвейєрною архітектурою на основі засобів з мікропрограмним управлінням;

систолічна ОС ПО на основі засобів з мікропрограмним управлінням;

систолічна ОС ПО на основі однорідного обчислювального середовища (ООС);

ОС ПО на основі ЦПС.

Для побудови обробляючих вузлів векторно-конвейєрної ОС ПО в якості елементної бази були використані вузько-спеціалізовані елементи, які реалізують базові операції обробки (помножувачі, АЛП), а також елементи для створення мікропрограмованих систем (пристрої мікропрограмного управління). Реалізація базового обробляючого вузла на основі ВІС 1518ВЖ3 (помножувач-накопичувач) та 1804ВС1 (АЛП) визначає його пикову продуктивність на рівні 5 млн. операцій/с та пикову пропускну здатність на рівні 5 млн. слів/с.

В ОС ПО використовується поєднання розпаралелювання по операціях (конвейєрізація) та по результатах обчислень (векторизація). В системі реалізуються обміни даними через буферні ОЗП з підтримкою на рівні мікропрограмного управління. Передача даних, що обробляються, здійснюється по магістральних лініях зв'язку.

До складу систолічної ОС ПО на основі засобів з мікропрограмним управлінням надходять 8 процесорів, ОЗП та пристрій управління (ПУ). Кожний з процесорів містить в собі блок мікропрограмного управління, обробляючий вузел та два вузли пам'яті даних. Процесори систолічної ОС ПО реалізовані з використанням тієї ж самої елементної бази, що і обробляючі вузли векторно-конвейєрної ОС ПО (ВІС помножувача-накопичувача 1518ВЖ3, АЛП 1804ВС1), що зумовлює їх східні технічні характеристики. Внутрішня структура процесорів забезпечує можливість побудови на їх базі ОС ЦОС широкого класу архітектур, які містять будь-яку кількість процесорів. Важливою особливістю процесорів є спроможність кожного з них одночасно виконувати обробку даних, які зберігаються во внутрішніх вузлах пам'яті даних, та здійснювати обмін даними з зовнішніми пристроями.

Елементною базою для систолічної ОС ПО на основі ООС є ВІС однородного обчислювального середовища (ООС) “Райта-5” та ВІС однородного запам'ятовуючого середовища (ОЗС) “Райта-6”. Незважаючи на високу однорідність та регулярність, завдяки невеликої швидкодії використаних елементів (тактова частота не більш ніж 2,5 МГц), а також завдяки складності програмування ООС та ОЗС дана система поступається по технічним характеристикам ОС ПО, які реалізовані на іншій елементній базі.

Під час проектування ОС ПО на основі ЦПС були розглянуті варіанти реалізації на базі ЦПС типа TMS320C25 та TMS320C40. При використанні ЦПС типа TMS320C25 в якості основних структурних компонентів були використані вузли двох типів: обробляючі вузли (ОВ), кожен з которих містить один ЦПС, та вузли двовходових запам'ятовуючих пристроїв (ЗП), до складу кожного з яких надходять ОЗП та ПЗП. ОС ПО на основі ЦПС типа TMS320C25 характеризується високим ступенем однорідності вузлів, які надходять до її складу, та використаних інтерфейсів ліній передачі інформації. Індивідуальне програмування кожного ОВ, а також розвинута система команд ЦПС забезпечують універсальність системи та можливість реалізації в ній широкого класу обчислювальних алгоритмів.

За рахунок більш високої продуктивності (25 млн. операцій/с проти 10 млн. операцій/с) та функціональності ЦПС типа TMS320C40 ОС ПО на їх базі мають менші масо-габаритні характеристики та більш високу однорідність.

В четвертому розділі представлені результати проектування ОС обробки гідроакустичних сигналів, орієнтованої на використання у складі комплексу, розташованого на рухомому носії, та реалізує комплексну обробку сигналів, які поступають від гідроакустичної антени, в тому числі і просторову обробку.

В склад пристрою ЦОС, який надходить до системи, надходять 25 ідентичних ОВ на основі ЦПС типа TMS320C25 та 5 двовходових ЗП, кожен з яких містить в собі ОЗП та ПЗП.Розроблено спеціфікації інтерфейсів передачі даних та управляючої інформації, а також укрупнений алгоритм функціонування системи.

Відомості, наведені в четвертому розділі, відповідають технічним рішенням, які були закладені під час робочого проектування реальної ОС ЦОС та достовірність яких підтверджується моделюванням та макетуванням.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

Запропоновано підходи до побудови архітектур багатопроцесорових ОС обробки гідроакустичних сигналів з регулярною структурою на основі ЦПС типа TMS320.

Запропоновано методику інженерного синтезу структур ОС просторової обробки гідроакустичних сигналів, яка враховує особливості обчислень в реальному часі (обсяги та часові характеристики даних, що обробляються) та архітектуру ЦПС, що використовуються (продуктивність, пропускну здатність каналів обміну, час доступу до оперативної пам'яті та її організацію), яка включає до себе аналіз алгоритму обробки, формули для розрахунку потрібної продуктивності, обсягу пам'яті даних та пропускної здатності для обчислювальних засобів, та відображення алгоритму на структуру обчислювальної системи, яка його реалізує.

Розроблено реалізацію механізмів міжпроцесорної взаємодії в ОС обробки гідроакустичних сигналів на основі буферизованого обміну даними (для взаємодії обчислювальних процесів реального часу з детермінованою часовою діаграмою в основних режимах функціонування систем) та небуферизованого обміну (для задач управління та контролю).

Запропоновано метод управління багатопроцесоровими ОС обробки гідроакустичних сигналів (ініціалізація, налаштування на режим функціонування) на основі поліморфного протоколу з використанням інкапсуляції механізму інтерпретації управляючої інформації в процесорах системи.

Запропоновано технічні критерії однорідності та регулярності, які дозволяють кількісно оцінити складність існуючих систем та тих, що проектуються.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Барицкий А.К., Глазьев В.И., Зацерковский Р.А., Черкасов Д.И. Методы интерполяции в задачах пространственной обработки сигналов. - Судостоительная промышленность, сер. Радиолокация, 1991 г., вып. 29, с. 64-67.

Крамской В.В., Черкасов Д.И. Синтез структур вычислительных систем ЦОС по заданному алгоритму обработки. - Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці. Випуск 6. Видавництво ІУБ: Черкаси, 1998 г., с. 130-138.

Крамской В.В., Черкасов Д.И. Управление вычислениями во встроенных многопроцессорных системах ЦОС мобильных комплексов. Управляющие системы и машины, № 6, 1998 г., с. 53-56.

А. с. 1674269 СССР. МКИ5 G 11 C 29/00. ОЗУ с исправлением ошибок. Галка В.И., Крамской В.В., Хоменко П.Г., Черкасов Д.И.-Заявлено: 14.11.88; опубл. 30.08.91. Бюл. № 32.

АНОТАЦІЇ

Черкасов Д.І. Розробка та дослідження високопродуктивних систем просторової обробки з регулярною структурою

Дисертація на пошукання вченого ступіню кандидата технічних наук з спеціальності 05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології, Інститут проблем моделювання в енергетиці, НАН України, Київ, 1998 р.

Розроблено підходи до проектування многопроцесорних систем просторової обробки реального часу, які включають до себе формальне відображення графу алгоритму обробки в граф структури системи. Запропоновано шляхи організації управління багатопроцесоровою системою на основі ЦПС, міжпроцесорної взаємодії, обміну даними, що обробляються. Представлені кількісні критерії для оцінки рівня регулярності та однорідності систем.

Ключові слова: просторова обробка, системи обробки сигналів, системи реального часу, багатопроцесорові системи, однорідність, регулярність.

Черкасов Д.И. Разработка и исследование высокопроизводительных систем пространственной обработки с регулярной структурой (рукопись).

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии, Институт проблем моделирования в энергетике, НАН Украины, Киев, 1998 г.

Работа посвящена разработке и исследованиям методов формального проектирования вычислительных систем (ВС) обработки гидроакустических сигналов на примере систем пространственной обработки, а также реализации этих систем. Целями работы являются анализ известных алгоритмов пространственной обработки и особенностей их реализации, разработка инженерной методики отображения вычислительных алгоритмов на структуры вычислительных систем, оптимизация структур систем и организация управления вычислениями в многопроцессорных системах.

Результатами работы являются:

подходы к построению архітектур многопроцессорных ВС гидроакустических сигналов с регулярной структурой на основе цифровых процессоров сигналов (ЦПС) типа TMS320;

методика инженерного синтеза структур ВС пространственной обработки гидроакустических сигналов, учитывающая особенности вычислений в реальном времени и архітектуру используемых ЦПС;

реализация механизмов межпроцессорного взаимодействия в ВС обработки гидроакустических сигналов;

метод управления многопроцессорными ВС обработки гидроакустических сигналов на основе полиморфного протокола с использованием инкапсуляции механизма интерпретации управляющей информации в процессорах системы;

технические критерии однородности и регулярности, позволяющие количественно оценить сложность существующих и вновь проектируемых систем.

Практическая полезность работы состоит в создании основы для разработки ряда ВС пространственной обработки. Результаты, полученные при проектировании ВС обработки гидроакустических сигналов на основе ЦПС типа TMS320C25, создали базис для быстрой разработки ряда систем с различными алгоритмами обработки, структурами и техническими характеристиками.

Результаты диссертационной работы использованы при проектировании реальных ВС обработки гидроакустической информации, находящихся в серийном производстве.

Ключевые слова: пространственная обработка, системы обработки сигналов, системы реального времени, многопроцессорные системы, однородность, регулярность.

Cherkasov D.I. Development and investigation of the high-performance beamforming systems with a regular structure (manuscript).

Dissertation for candidate degree of technical sciences by speciality 05.13.06 - control systems and advanced information technologies, Institute of Simulation Problems in Power Engineering, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1998. просторова обробка гідроакустичний сигнал

Methods for the developing of the real-time multiprocessor beamforming systems are presented, including formal conversion of the graph of procession algorithm into the graph of the system's structure. Ways for system control, interprocessor communication, data being processed exchange are offered. Numerical criteria for system regularity and homogenity evaluating are presented.

Keywords: beamforming, digital signal processing systems, real-time systems, multi-processor systems, homogenity, regularity.

Размещено на Allbest.ru