Научная статья на тему 'Гетерогенные вычислительные системы цифровой обработки сигналов'

Гетерогенные вычислительные системы цифровой обработки сигналов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
428
95
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ / ЧЕТЕРЫХПРОЦЕССОРНЫЙ ВК «ЭЛЬБРУС – 90 МИКРО» / ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ (ПЛИС) / ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ / ГЕТЕРОГЕННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Маликов С. Н., Сафонов В. Л., Чудинов С. М.

Краткое содержание: в материалах статьи излагаются научно-практические результаты по разработки и внедрению гетерогенных вычислительных систем цифровой обработки сигналов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Маликов С. Н., Сафонов В. Л., Чудинов С. М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Гетерогенные вычислительные системы цифровой обработки сигналов»

УДК 621.396

ГЕТЕРОГЕННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Краткое содержание: в материалах статьи излагаются научно-практические результаты по разработки и внедрению гетерогенных вычислительных систем цифровой обработки сигналов.

Ключевые слова: вычислительные системы и комплексы, четерыхпроцессорный ВК «Эльбрус - 90 микро», программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), вычислительные комплексы обработки сигналов, гетерогенные вычислительные системы цифровой обработки сигналов.

Вычислительные системы и комплексы (ВК), применяемые в системах для обработки радиолокационной и гидроакустической информации в режиме реального времени, должны удовлетворять ряду требований, которые обусловлены особенностями использования ВК и обеспечиваются специальными техническими решениями с учетом специфики выполняемых задач и условий эксплуатации. Например, цифровой вычислительный комплекс (ЦВК) [1] на базе использования высокопроизводительных ЭВМ «Эльбрус-90 микро» в составе гидроакустического комплекса (ГАК) обеспечивает обработку гидроакустических сигналов. Гидроакустические системы предъявляют наибольшие требования к ЦВК, которые реализуют решения следующих задач: формирование пространственно-частотных спектров сигналов, адаптивная корреляционная обработка, пороговая и траекторная обработка, идентификация и классификация наблюдаемых объектов, гидроакустические расчеты, отображение и регистрация результатов обработки, управление подсистемами ГАК.

Основные требованиями к ЦВК: производительность (десятки и даже сотни млрд. операций в секунду), емкость памяти и пропускная способность каналов, необходимые для решения задач в реальном времени; высокая надежность (среднее время безотказной работы не менее 20 тыс. часов); ограничение энергопотребление; малый объем аппаратуры; бесшумность работы; устойчивость к механическим воздействиям; простота обслуживания и ремонта; обеспечение условий для разработки сложного функционального программного обеспечения (ФПО); структура и состав аппаратуры ЦВК, выполняемые задачи показано на рисунке 1.

Надежность ЦВК можно повысить путем автоматического переключения на резервное устройство при отказе рабочего устройства, а высокое быстродействие при ограниченном энергопотреблении - за счет применения в составе ЦВК специализированных вычислителей (СВ), имеющих существенно более высокий, чем у универсальных ЭВМ, показатель «производительность/энергопотребление». Бесшумность и устойчивость к механическим воздействиям достигается применением кондуктивно -жидкостного охлаждения аппаратуры, простота обслуживания и ремонта - комплексом программноаппаратных средств определения места неисправности с точностью до модуля в составе запасного оборудования ГАК.

ЦВК проектируется из комплектующих изделий (КИ) отечественной разработки. Основным универсальным вычислительным средством ГАК был выбран четырехпроцессорный ВК «Эльбрус - 90 микро», а для реализации спецвычислителя на СБИС отечественной разработки использовались программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), как показано на рис. 1.

С.Н. МАЛИКОВ1

B.Л. САФОНОВ2

C.М. ЧУДИНОВ2

1>ОАО «НИИ Супер ЭВМ»

2)ОАО «НИИВКим. МА. Карцева», г. Москва

e-mail: myamlik@rambler.ru e-mail: safonovvl@yandex.ru e-mail: chud35@yandex.ru

ШП ЗДЧ

I......ГО......................Г............I

Ш

П

Б

М

И

О

Г

С

¥

Ш

П

Б

ШП ЗДЧ

ги.......ІГЇЇ "її.......Т].........її

М

И

С пецвычислитель ВКО Спецвычислитель

МПО-1 МПО-2

> к > г

УПМ0

01

т

и ІГ

Т

УПМ1

-01

X

УПМ1

-02

X

УПМ1

-03

УПМ1

-04

X

УПМ1

-05

УПМ1

-06

X

X

УПМ0

-02

УПМ1 УПМ1 УПМ1

-07 -08 -09

КМ

УПМ1 УПМ1 УПМ1

-10 -10 -10

ПМУ- 1

ТТТГ

ПМУ- 2

т

Канал связи с Канал связи с

абонентами абонентами

Рис. 1. Интегральные схемы

УПМ - универсальный процессорный модуль на основе ВК «Эльбрус - 90 микро»; ПМУ - процессорный модуль управления;

КМ - коммутатор ЛВС;

ВКОС - вычислительный комплекс обработки сигналов;

МПО - модуль предварительной обработки (спецвычислитель)

ВЫПОЛНЯЕМЫЕ ЗАДАЧИ АППАРАТУРА

Этап обработки______________Параметры ЦВК

Прием и накопление информации от систем Формирование пространственно-частотного спектра сигналов (ФПЧСС) 400 МБ/б 30 ОБЬОРб

Адаптивная пространственно - частотно - временная обработка Первичная обработка (ПО) Вторичная обработка (ВО) Гидроакустические расчеты (ГАР) 200 БРЕСГр95

Отображение, регистрация данных и управление системой (СОРД) 25

БРЕСГр95

шкаф ВКОС-1 шкаф ВКОС-2

Блок электропитания и инженерного управления Блок электропитания и инженерного управления

Специализированный вычислитель МПО Специализированный вычислитель МПО

Многомашинный универсальный вычислительный комплекс Многомашинный универсальный вычислительный комплекс

Блоки пультовых приборов

Универсальный ВК Универсальный ВК

Рис. 2. Структура и состав аппаратуры ЦВК, выполняемые задачи

ЦВК состоит из вычислительного комплекса обработки сигналов (ВКОС) и двух процессорных модулей управления (ПМУ), установленных в пультовые приборы ГАК.

ВКОС содержит два одинаковых спецвычислителя (СВ) и универсальную процессорную часть (УПЧ), имеющую 14 универсальных процессорных модуля (УПМо-2шт. и УПМ1-12 шт.) и два коммутатора (КМ) локальной вычислительной сети (ЛВС) с дублированными связями между КМ и устройствами УПМ0, УПМ1, ПМУ. Полная рабочая конфигурация ЦВК имеет 11 устройств УПМ1 и по одному устройству УПМо, СВ, КМ, ПМУ. Остальные устройства (по одному УПМо, УПМ1, КМ, ПМУ) составляют «горячий» резерв для автоматической замены отказавшего устройства рабочей конфигурации ЦВК на резервное с последующим восстановлением полного состава резервных устройств путем их замены.

Спецвычислитель обеспечивает предварительную обработку - формирование пространственно-частотных спектров сигналов (ФПЧСС). СВ построен на принципах параллельной и конвейерной обработки информации информации с встроенной аппаратной реализацией алгоритмов.

Локальное управление модулем МПО-1 осуществляется ячейкой МЛУ, которая также обеспечивает обмен информацией между УМПо и ячейками модуля МПО-1.

При работе ЦВК производится непрерывный контроль исправности аппаратуры, а также автоматическая реконфигурация комплекса, при которой отказавший модуль в составе ЦВК заменяется на резервный переключением соответствующих каналов связей. Непрерывный контроль работоспособности с указанием места неисправности осуществляется следующим образом. На входе спецвычислителя информация от устройства сопряжения ГАК дополняется контрольным сигналом-тестом, который обрабатывается СВ аналогично рабочим сигналам. На выходе каждой ячейки СВ вычисляется сигнатура результатов обработки сигнала теста и производится сличение вычисленной сигнатуры с эталонным значением, которое хранится в данной ячейке. Если вычисленная сигнатура не совпадает с эталонной, то в ячейке МЛУ формируется код неисправности ячеек СВ, в котором номер разряда соответствует номеру ячейки СВ, где появился признак неисправности. Из МЛУ код неисправности СВ передается в устройство УПМо. Анализ кода в универсальной процессорной части ЦВК позволяет определить адрес неисправной ячейки СВ. При этом производится переключение каналов во ВКОС, в результате которого неисправный СВ заменяется резервный в рабочей конфигурации ЦВК и передается на ремонт.

В большинстве случаев ремонт СВ сводится к замене неисправной ячейки по адресу, определенному в результате анализа кода неисправности СВ, на ячейку из состава запасного оборудования ГАК. В некоторых случаях оказывается необходимым провести дополнительный анализ с использованием специальных тестовых сигналов на входе СВ, которые обрабатываются аналогично рабочим сигналам.

ЦВК обладает комплексом программ технического обслуживания (КПТО), который обеспечивает более глубокий контроль аппаратуры ЦВК, чем это происходит в режиме непрерывного контроля одновременно с выполнением штатной обработки сигналов. КПТО имеет наглядное, удобное для операторов отображение результатов контроля на экранах пультовых приборов ГАК. Программы КПТО применяются при ремонте, отдельные программы КПТО включаются в состав функционального программного обеспечения ГАК для непрерывного контроля работоспособности ЦВК и ГАК, универсальной процессорной части ЦВК, пультовых приборов.

ЦВК построен с учетом того, что за время его эксплуатации может потребоваться модернизация для улучшения тактико-технических показателей и эксплуатационных характеристик ГАК.

Увеличение вычислительных ресурсов ЦВК (производительности, емкости памяти, пропускной способности каналов связи) достигается заменой примененных в ЦВК модификаций ЭВМ на новые, более совершенные модификации ЭВМ «Эльбрус-90 микро» ( с сохранением функционального ПО). Модернизация спецвычислителя может происходить в нескольких направлениях: перевод СБИС на основе ПЛИС в заказные СБИС; замена устаревших ПЛИС на перспективные; построение СВ на основе СБИС широкого применения - сигнальные микропроцессоры (МП), универсальные МП (многоядерные и др.).

P 2012. №7(126). Выпуск 22/1

АУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ Серия L ия. Политология. Зконимика. Инфирматика. 129

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5азработка модернизированного СВ с использованием архива документации и образцов ячеек и логических СБИС на ПЛИС позволит существенно сократить затраты времени и средств по отношению к разработке нового СВ без прототипа. При этом можно создать систему автоматизированного перевода СБИС и ячеек существующего прототипа в заказ- ные СБИС и микросхемы на новых типах ПЛИС.

В настоящее время указанный вычислительный комплекс проходит испытания. Ведутся работы по его совершенствованию, направленные на повышение надёжности, расширению функциональных возможностей, упрощение структуры связей, реализации адаптивного подхода к организации вычислительного процесса.

Дальнейшее развитие гетерогенных систем связано с преодолением противоречия между синхронным поступлением входных данных, синхронной многопоточной обработ- кой данных специализированными устройствами цифровой обработки сигналов на основе ПЛИС и СБИС и принципиально асинхронной обработкой данных вычислительными комплексами общего назначения. Очевидны разрешение данного противоречия на осно- ве буферизации данных в синхронных устройствах, но возможности подобных подходов

не безграничны. Работы по совершенствованию системы аппаратных прерываний оста- лось в прошлом: разработка уникальных вычислительных систем для

уникальных при- менений экономически не оправдано. Представляется, что уменьшение стоимости и повышение быстродействия асинхронных вычислительных устройств поможет найти ком- плексные подходы к решению указанной проблематики на основе распараллеливания приёма: создания динамического «горячего резерва» свободных устройств асинхронной обработки.

Литерату

Ра

1. Мухтарулин В.С., Нейман В.М., Новиков А.А., Новожилов В.А. Вычислительные комплексы обработки сигналов./Радиоэлектронная промышленность России-М.: ООО

«ИД «Военный парад», 2010 стр.270-273

2. Галушкин А.И. Тенденции развития разработки отечественных

суперкомпьютеров, 14-я Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и её

применение», DSPA’2012

3. Баранов Л.Д., Лапшин М.В., Маликов С.Н. Реализация цифровой обработки сигналов в медицине, Вопросы радиоэлектроники (ЭВТ), выпуск 2, 2012 стр.60-65

HETEROGENEOUS COMPUTING SYSTEMS OF DIGITAL PROCESSING OF SIGNALS

S.N. MALIKOV V.L. SAFONOV S.M. CHUDINOV

OAO «NIISUPER-EVM» OAO «NIIVK im. MA. Kartzeva», Moscow

e-mail: myamlik@rambler.ru safonovvl@yandex.ru chud35@yandex.ru

Summary: in materials of article scientific and practical results on development and to introduction of heterogeneous computing systems of digital processing of signals are stated.

Key words: computing systems and complexes, cheterykhprotses- sorny VK «Elbrus - 90 micro», programmed logic integrated schemes

(COTTON VELVET), computer systems of processing of signals, heterogeneous computing systems of digital processing of signals.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.