CC BY
53
УДК 004.383.3
А.Л. Переверзев, канд. техн. наук, доц., (903) 715-22-04, apereverzev@gmail .com (Россия, Москва, МИЭТ), М.Г. Попов, асп., ассист., (985)976-78-52, [email protected] (Россия, Москва, МИЭТ)
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ БОРТОВЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МАСШТАБИРУЕМОЙ АРХИТЕКТУРЫ
Предложена концептуальная модель бортовых информационно-вычислительных систем на основе масштабируемой архитектуры, обеспечивающая построение эффективных систем на основе программируемых, полузаказных или заказных интегральных схемах, а также существенное сокращение времени проектирования.
Ключевые слова: бортовая информационно-вычислительная система, масштабируемая архитектура.
Одним из способов наращивания производительности и совершенствования массогабаритных и энергетических характеристик бортовых информационно-вычислительных систем является повышение их степени интеграции. Тенденция к повышению степени интеграции специализированных систем подтверждается появлением новых типов интегральных схем с программируемой структурой, содержащих различные интерфейсы передачи данных, процессорные ядра, модули ОЗУ и ПЗУ и т. д. Однако применение таких схем в отечественных устройствах нецелесообразно, поскольку язык описания аппаратуры высокого уровня не обеспечивает платформонезависимость проекта.
В настоящей работе предложено создавать бортовые информационно-вычислительные системы на основе масштабируемой архитектуры, обеспечивающей построение систем на базе программируемых, полузаказных и заказных интегральных схем. Таким образом обеспечивается повышение степени интеграции цифровой части системы, что дает прирост производительности, улучшение энергетических и массогабаритных характеристик по сравнению с системами на дискретных компонентах [1]. Помимо этого, унификация научно-технических решений в рамках единой масштабируемой архитектуры обеспечивает сокращение времени проектирования по сравнению с традиционным подходом.
В соответствии с принципами системного проектирования, предлагаемая масштабируемая архитектура информационно-вычислительной системы обладает следующими характерными системными особенностями [2]:
- автономность отдельных управляемых подсистем, т. е. каждая подсистема любого уровня иерархии может выполнить свою функции при необходимом количестве входной информации;
- управление подсистемами при неполной информации, т. е. подсистеме более высокого уровня могут быть неизвестны цели и ограничения нижестоящих подсистем, например, решающее устройство принимает команды управления независимо от того, каким образом они были получены;
- обобщение информации при движении вверх по иерархии, в качестве примера можно привести высокоскоростную первичную обработку командного сигнала и на несколько порядков меньший темп выдачи дешифрированных команд;
- наличие частных целей управления для каждой подсистемы и общей цели для всей системы.
Основной особенностью предложенной масштабируемой архитектуры является применение однотипных контроллеров ввода/вывода и обработки информации (рис. 1). Все контроллеры имеют идентичную архитектуру и характеризуются высокой степенью интеграции: практически вся цифровая часть контроллера реализована на одном программируемом или полузаказном кристалле, количество логических вентилей в котором зависит от характера решаемой им задачи.
Общая магистраль с резервированием на основе САК, или мультиплексного
Рис. 1. Масштабируемая архитектура бортовой информационно-вычислительной системы
На рис. 2 приведено иерархическое представление масштабируемой архитектуры информационно-вычислительной системы. Аппаратную часть системы предложено разделить на три составляющие:
- управляющая вычислительная машина, наличие которой целесообразно в системах с централизованным управлением оператором;
- универсальные решающие устройства, осуществляющее обработку входных сигналов системы и формирование управляющих и телеметрических сигналов;
- специализированная подсистема ввода/вывода информации, учитывающая особенности конкретных датчиков информации, или оконечных устройств.
\
Управляющая вычислительная машина Устройства отображения информации Устройства хранения информации Устройство управления
V У
Модульное программное обеспечение
Универсальный модуль формирования и обработки информации
АЦП
Специализированный модуль ввода'вывода
Решающее устройство на основе программируемого или полузаказного кристалла
Блок масштабирования входных сигналов
Контроллеры ввода/вывода и обработки информации
С
ЦАП
Блок формирования выходных сигналов
Универсальные и спецналнзнрованые модули аппаратуры н программного обеспечения встраиваемого процессорного ядра
JTAG, интерфейсы передачи данных (CAN, мультиплексный канал и т д )
Объект управления, наземные устройства, средства отладки
J
Рис. 2. Иерархическое представление масштабируемой архитектуры бортовой информационно-вычислительной системы
Многообразие характеристик конкретных систем реализуется за счет специализированных аппаратных модулей ввода/вывода и коррекции программного обеспечения, имеющего модульную структуру, а также внутренней структуры модуля формирования и обработки информации.
Для разработки синтезируемых описаний аппаратуры предложено использовать второй уровень абстракции Уеп^-КГОЬ - уровень потока данных. Исследования показывают, что именно при таком уровне абстракции обеспечивается оптимальное сочетание эффективного синтеза схем, читаемости и легкости последующей модификации КГОЬ-кода. Другой важной особенностью разработанных Уеп^-описаний является их плат-формонезависимость, что позволяет строить системы на различной компонентной базе вплоть до БМК или других типов полузаказных ИС.
Сокращение времени проектирования достигается за счет упрощения, либо исключения некоторых ресурсоемких этапов, например, концептуального проектирования, или разработки частных алгоритмов, а также за счет применения методики сопряженного проектирования [3].
Универсальный модуль формирования и обработки информации (рис. 3) построен на основе Гарвардской архитектуры: два независимых модуля памяти используются для хранения программы и констант с данными. Программно управляемая часть контроллера представлена Ы8С-ядрами различной разрядности. В большинстве случаев предлагается использовать одно ядро, либо строить однородную структуру из идентичных ядер. Недостатком смешанной системы является неудобство и сложность отладки и тестирования.
Поскольку система команд и структура ЛКС-ядер достаточно проста, то для повышения производительности системы в ряде случаев могут потребоваться аппаратные вычисления элементарных функций. Как правило, аппаратные сопроцессоры реализуют различные итерационные алгоритмы «цифра за цифрой».
Память Память таблиц
программ и данных
8-, 16-. 32-разрядные RISC-ядра
X
Контроллер
Контроллер прямого доступа к памяти
Аппаратные сопроцессоры
Программируемый или полузаказной кристалл
Модули первичней обработки и дешифрации сигналов от бортовых датчиков
Средства отладки, тестирования. JTAG
Модули формирования исполнительных сигналов
Модули формирования телеметрической информации
Логический уровень интерфейсов передачи
Модуль формирования и обработки информации
АЦП
ЦАП
Аналоговые схемы масштабирования и фильтрация сигналов от бортовых датчиков
Аналоговые схемы масштабирования и фильтрация исполнительных
интерфейсов передачи данных
Моду ль ввода 'вывода
II 1!
П
и
s a s
181
Рис. 3.Масштабируемая архитектура интегрированного контроллера ввода/вывода и обработки информации
При помощи контроллера прямого доступа к памяти и системной шины реализуются пересылки больших объемов данных между процессорными ядрами и аппаратными блоками. При таком подходе необходимо контролировать временное разделение памяти между несколькими устройствами, что решается жесткой синхронизацией, обусловленной специали-зированностью системы и цикличностью выполняемых алгоритмов.
Стандартным средством внутрисистемного контроля сложных ИС является интерфейс JTAG. Помимо стандартных средств отладки и тестирования, реализуемых производителем программируемых кристаллов, возможно построение специализированных систем контроля. Введение аппаратной и/или программной избыточности обусловлено высокими динамическими характеристиками, контролируемых сигналов, необходимостью проводить тестирование в режиме реального времени и т.п.
На рисунке 4 приведен пример использования предложенной архитектуры универсального модуля формирования и обработки информации для реализации информационно-вычислительной системы радиолокационного дальномера специального назначения, работающего по принципу непрерывной частотной модуляции зондирующего сигнала.
С целью упрощения аналоговых фильтров предложено использовать передискретизацию входного сигнала с последующей низкочастотной фильтрацией и децимацией при помощи гребенчатого или так называемого CIC-фильтра. На жесткой логике реализованы блоки фильтрации, умножения на окно Блэкмана и быстрого преобразования Фурье. Коррекция спектра, обусловленная особенностями АЧХ гребенчатого фильтра, а также алгоритмы адаптивного к мощности фонового шума обнаружения объекта наблюдения реализованы программно на основе 32-разрядного RISC ядра. Помимо этого на программно управляемую часть системы возложены задачи отсчета задержек, организации обмена по последовательным каналам и другие вспомогательные задачи.
Для всех блоков, представленных на рис. 4, разработаны парамет-ризируемые Уеп^-описания, позволяющие перенести проект с ПЛИС на БМК или заказную ИС. Для реализации на основе ПЛИС требуется порядка 300 конфигурируемых логических блоков.
Рис. 4. Цифровая часть информационно-вычислительной системы
радиолокационного дальномера на основе масштабируемой архитектуры
Предложенный подход к построению бортовых информационно -вычислительных систем на основе масштабируемой архитектуры обладает рядом преимуществ перед системами, выполненными на стандартных дискретных компонентах с применением традиционной методики проектирования:
при модернизации существующих или разработке новых систем нет необходимости изменять концептуально-архитектурные решения;
изменение структуры системы не приводит к полному повторению цикла проектирования;
этапы разработки аппаратной и программной части системы выполняются параллельно с применением методики сопряженного проектирования, что сокращает общее время выполнения работы;
минимизировано использование стандартных дискретных компонентов, что существенно упрощает решение задачи повышения производительности, минимизации массогабаритных и энергетических показателей.
Таким образом, использование предложенной масштабируемой архитектуры позволяет сократить время разработки и перейти на следующий за дискретным уровень разработки: создание информационно -вычислительных систем на программируемых или заказных кристаллах.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (грант Президента РФ для поддержки молодых Российских ученых - кандидатов наук МК-4737.2012.10).
Список литературы
1. Немудров В., Мартин Г. Системы-на-кристалле. Проектирование и развитие. М.: Техносфера, 2004. 216 с.
2. Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой. СПб.: БВХ-Петербург, 2006. 736 с.
3. Переверзев А.Л. Концептуальная модель и методика проектирования интегрированных информационно-вычислительных систем на основе масштабируемой архитектуры // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. М.: ФГУП «ВИМИ», 2013. № 1.
A.L. Pereverzev, M.G. Popov
CONCEPTUAL MODEL OF ONBOARD INFORMATION SYSTEMS ON THE BASIS OF SCALABLE ARCHITECTURE
The conceptual model of onboard information systems on the basis of the scalable architecture, providing creation of effective systems on the basis of programmable, semicus-tom or custom integrated circuits, and also essential abbreviation of design time is offered.
Key words: onboard information system, scalable architecture.
Получено 17.10.12
УДК 623.442
В.А. Власов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-18-69 (Россия, Тула, ТулГУ), Н.В. Линьков, ассист., (4872) 35-18-69, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭРГОНОМИКИ ПОМПОВЫХ РУЖЕЙ
Рассмотрены особенности взаимодействия системы «стрелок-помповое ружье». Дана характеристика критериев системы «стрелок-помповое ружье», влияющих на её эргономические показатели. Приводятся результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова: эргономика, биомеханика, система «стрелок-помповое ружье».
Если говорить об эргономике гражданского оружия в нашей стране, то стоит отметить тот печальный факт, что она до сих пор находится в зачаточном состоянии. Столь медленное её развитие, возможно, является следствием пережитков командной экономики на оборонных предприятиях, ко-
