CC BY
40
УДК 681.3:004.4'273
Ф.И. Кузнецов
КОНВЕЙЕРИЗАЦИЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДАТЧИКОВ
Рассматривается влияние конвейерной обработки в системах сбора и обработки информации датчиков при последовательной организации решений задач. Описывается принцип крупноблочной конвейерной обработки информации датчиков. Оценивается производительность микрокомпьютерной системы при конвейерной обработке и без конвейерной. Определяется динамическая погрешность, связанная с временными затратами на реализацию вычислительных процессов, в обоих случаях. Приводится результат моделирования организации решения задач сбора и обработки информации датчиков с конвейерной обработкой и без конвейерной.
Микрокомпьютер; конвейеризация; динамическая погрешность.
F.I. Kuznetsov
PIPELINING SOLUTION TASKS DATA ACQUISITION AND PROCESSING
SENSORS
In this article examines the impact of pipelining in data acquisition and processing sensors in sequential organization tasks on the tiers. Describe the principle of large-block pipelining. Estimate the microcomputer system performance in pipelined processing and the pipeline without. Determined by the dynamic error associated with the implementation of time-consuming computational processes, in both cases. Solution tasks in data acquisition and processing sensors in pipelined and the pipeline without of computer modeling, are presented.
Microcomputer; pipeline; dynamic error.
Распределенная система мониторинга и/или управления представляет собой множество разнесенных в пространстве микрокомпьютеров (персональных компьютеров различных классов, контроллеров, программируемых логических контроллеров и т.д.) и сопряженных с датчиками и/или исполнительными механизмами микропроцессорных модулей ввода и/или вывода, регуляторов и др., объединенных в единую систему, реализующую общую целевую функцию, коммуникационной (промышленной, полевой и т.п.) сетью и операционной системой реаль-.
, ,
[1]. На ярусе 1 (Я1) решаются задачи Z1d аналоговой обработки (АО) и аналогоцифровых преобразований (АЦП), на ярусе 2 (Я2) - задачи Z2d первичной цифровой обработки (ПЦО) сигналов датчиков физических величин. На ярусе 3 (Я3) решаются задачи Z3d первого уровня вторичной цифровой обработки (1ВЦО), к которым отнесены измерения значений физических величин в соответствующих единицах, определения состояний физических величин и их оценки и т.д.
На четвертом ярусе (Я4) решаются задачи Z4, условно обозначенные как за-
(2 ). 2 -: , -рий изменения состояния, оценок текущего и прогнозируемого состояний объекта, формирования информационного объекта и посылки его на более высокий уровень информационной микрокомпьютерной системы.
В рамках статьи рассматривается последовательная схема процесса сбора и обработки информации датчиков (СОИД) при организации вычислений с конвейеризацией и без конвейеризации.
4- S1 . 1.
сигналы датчиков
. 1. S1
Z1-Z4
передачу данных по сетевым каналам между ярусами.
j Zjd,
время TZjd = const (d = 1, D), время решения задач ZrZ4 по последовательной схеме S1 составит
з
TS1 = D(TZ1d + Tz2d + TZ3d) + Z j' + Tz4 . (1)
j=1
Временная диаграмма решения задач без конвейеризации представлена на . 2.
Ярус 1 Канал 1
Ярус 2 Канал 2 Ярус 3 Канал 3 Ярус 4
к Ти .
I
і 1-І 1 ‘ 1 *
I 1 - 1
і 1-І |—
і 1-І
і 1-І
! 1 - г
Задачи СОИД выполняются последовательно. Решение задач на (+1)-м шаге начинается после выполнения всех задач на i-м шаге. При таком подходе шаг дискретизации не должен превышать время решения всех задач
T > T T -lsv
Динамическая погрешность, связанная с временными затратами на реализацию вычислительных процессов (от момента оцифровки значения с датчика, до
момента выдачи результата в сеть и/или формирования управляющего воздейст-),
е#\ = max| u(t; + TSi) - u(t;)|, (2)
, -
руема, где u(t) - значение переменной в момент времени t.
Временная диаграмма решения задач с конвейеризацией Sic представлена на рис. 3.
Рассматриваемый конвейер может находиться в одной из трех фаз: накачки, стабильного функционирования (потоковая обработка) и завершения (останова). Необходимость накачки обусловлена тем, что данные на входе 4-го яруса могут быть получены только тогда, когда будет завершена их последовательная во времени обработка на всех трех предыдущих ярусах. Следовательно, при тех же значениях временных затрат на организацию вычислений на ярусах и передачу данных между ними конвейер выдаст свои первые результаты через то же время Т51,
что и в случае структуры Б1.
Фаза стабильного функционирования конвейера характеризуется тем, что когда на 7-й ступени конвейера решается совокупность из Б задач /'-го яруса /-го шага дискретизации - , то одновременно на (/+1)-м ярусе будет выполняться
множество из Б задач Z(/+1 0-1)-го шага дискретизации, а на (/-1)-м ярусе
будет выполняться множество Б задач ^ . л.,. (/+1)-го шага. Таким образом,
II 7 1 >а к+1
в случае максимальной загрузки конвейера одновременно и параллельно будут решаться / ярусов задач СОИД, каждый из которых обрабатывает разные потоки данных, соответствующие своему шагу дискретизации.
Фаза завершения конвейера характеризуется постепенным высвобождением ресурсов по окончании выполнения в нем каждого очередного яруса задач СОИД.
Раздел III. Алгоритмическое и программное обеспечение
Тогда, общее время получения на всех М значений в результате выполнения М циклов решения задач СОИД составит:
Т(мС) =ТВ1 + (М -1) * т(В1с),
где т(В1с) - длительность шага дискретизации аналогового сигнала по каждому из
Б каналов датчиков для структуры Б1с. Причем, если длительность решения задач -]й) Для каждого шага на ]-ш ярусе остается постоянной и независящей от номера (0 шага дискретизации, то значение длительности самого шага дискретизации т(В:1с) определяется как
Т( В1с) = тах
ТТ ,тах 74 1=1,3
в
У т7 + т(В1)
^ 71Л к1 Л =1 1
(3)
Как и в случае Б1, приведенное выше в скобках выражение V т + Т(В 1)03
71 к.
начает, что на каждом ярусе выполняются последовательно В процессов реализации задач 71Л, после завершения которых вновь полученные результаты формируются в пакеты и отправляются на следующий верхний ярус с целью дальнейшей .
Пусть на ярусе 1 задачи выполняются за одно и тоже время т7л , равное сотц
(Л = 1,В) при (1 = 1,3). Кроме того, пусть справедливо неравенство:
(в*Т7 + т^1;)<(в*Т7 + т(В1;)<(в*Т7 + т^1;)<т7 .
' 71Л К1 ' ' 7 2Л К 2 ' ' 7 3Л К 3 ' 4
Тогда для худшего случая значение ^.станет равным 4т .
В 1 74
В результате М циклов решения задач СОИД выполнится за Т(м51с) = (М + 3 )тх 4.
Следовательно, производительность при замене последовательной схемы Б1 сбора и обработки данных на крупноблочную конвейерную Б1с возрастет в ц раз, где ц определяется выражением:
и = 1м^ = 4 М . (4)
т(МВ1с) (м + 3)
Время решения всех задач при конвейерной обработки остается прежним т51с = тв1 и, следовательно, динамическая погрешность остается неизменной
£уВ1с = ^уВУ
На рис. 4 приведен результат моделирования оценки времени решения задач СОИД. Исходные данные для моделирования:
♦ N = 16 - данные в битах, на j=1, 2 каналах и N =32 на 3 канале;
♦ V = 0,2 ... 1 Мбит/с - скорость передачи между ярусами;
♦ В = 16 - число датчиков;
♦ ти — 50 мкс, т71 — 200 мкс, т71 — 500 мкс, т71 — 1 мс — времена решения В задач на ярусах.
При конвейеризации шаг дискретизации равен времени решения самого длительного процесса, а именно при скорости межъярусного обмена V = [0,2; 0,6) Мбит/с наиболее длительным процессом является передача в сетевой канал тК4. При скоростях межъярусного обмена V > 0,6 Мбит/с наиболее длительным про-
4.
Скорость межярусной передачи, Мбит/с Рис. 4. Период выдачи информации без конвейеризации Тд и с конвейеризацией t(S1c)
В заключении отметим, что конвейеризация решения задач СОИД позволяет увеличить частоту выдачи вычисленной информации по сравнению с решением без совмещения (3). При этом время решения всех задач TS1 остается без изменения (1) и следовательно динамическая погрешность не меняется.
,
увеличению количества цифровых отчетов, что позволяет увеличить порядок цифрового фильтра [2] и, следовательно, уменьшить помехи. В свою очередь, уменьшение помех позволяет увеличить точность экстраполяции для подавления динамической погрешности [3].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пъявч енко ОН. Особенности архитектур локальных информационных микроконтроллер-ных систем сбора и обработки информации датчиков физических переменных // Известия
- . -семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы». В 3-х кн. - Таганрог. Изд-во ТТИ ЮФУ. Кн. 2. - 2010. - № 10. - С. 198-204.
2. Walt Kester. Mixed Signal and DSP Design Techniques, 2003.
3. Пъявч енко ОН., Кузнецов Ф.И. Применение формул экстр аполяции значений перемен-
//
применение. - Вып. XII - 1. - М., 2010. - C. 285-288.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор А.Е. Панич.
Кузнецов Филипп Игоревич - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ГСП-17А; тел.: +78634371656; кафедра микропроцессорных систем; аспирант.
Kuznetsov Filipp Igorevich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: [email protected]; GSP-17A, 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371656; the department of microprocessor systems; postgraduate student.
