CC BY
132
МАЖОРИТИРОВАНИЕ ЛОГИКО-АРИФМЕТИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ НА НИЗКОМ АППАРАТНОМ УРОВНЕ В РЕКОНФИГУРИРУЕМОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Савкин Леонид Васильевич
аспирант, Федеральное государственное унитарное предприятие
«НПО им. С.А. Лавочкина», РФ, г. Химки E-mail: android4.1 @mail.ru
THE MAJORITY OWNED OF LOGIC ARITHMETICAL OPERATION AT LOW HARDWARE LEVEL IN RECONFIGURABLE DIAGNOSTIC MODEL OF THE ONBOARD COMPLEX TO CONTROL OF SPACECRAFT
Savkin Leonid
post-graduate student, Federal Enterprise «Lavochkin Association»,
Russia, Khimki
АННОТАЦИЯ
Рассматривается возможность проведения процедуры мажоритирования логико-арифметических операций на низком аппаратном уровне для диагностической системы бортового комплекса управления космического аппарата, построенной на базе встроенных реконфигурируемых вычислительных структур. Приведен пример структурной организации второго аппаратного уровня диагностической модели, построенной на базе элементов первого аппаратного уровня с мажоритарными органами.
ABSTRACT
Possibility of carrying procedure of a majorityowned of logic arithmetical operations at low hardware level for the reconfigurable diagnostic system of onboard
Савкин Л.В. Мажоритирование логико-арифметических операций на низком аппаратном уровне в реконфигурируемой диагностической модели бортового комплекса управления космического аппарата // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2014. № 12 (13) .
URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/1832
complex to control of spacecraft is considered. The example of the structural organization of the second hardware level of the diagnostic model constructed on the basis of elements of the first hardware level with majority organs is given.
Ключевые слова: бортовой комплекс управления, диагностическая модель, мажоритирование, коммутируемый логический блок, реконфигурация.
Keywords: onboard complex to control, diagnostic model, majorityowned, the switched logic block, reconfiguration.
Качество диагностического обеспечения бортового комплекса управления (БКУ) космического аппарата (КА) определяется не только эффективностью диагностических алгоритмов, реализующих диагностику функционирования аппаратно-программных составляющих БКУ в процессе эксплуатации КА. Немаловажную роль в оценке качества диагностического обеспечения играют методы и средства, направленные на повешение надежности самих диагностических средств. С этой целью аппаратно-программные средства диагностического обеспечения БКУ резервируются, что, в свою очередь, подразумевает введение избыточности как в аппаратные составляющие средств диагностики БКУ, так и в программные. Резервирование может охватывать широкий спектр вычислительных средств, начиная от высокого аппаратного уровня бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ), когда резервируются целые вычислительные подсистемы, и заканчивая низким аппаратным уровнем, когда избыточность вводится на уровне базовых логикоарифметических элементов, размещаемых на одном кристалле микросхемы высокой степени интеграции, число логических вентилей в которых сегодня может достигать значения в несколько миллионов единиц (для программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) типа FPGA).
Кроме того, в БЦВМ БКУ уже сравнительно давно применяются коды с обнаружением и исправлением ошибок. Данные методы повышения
надежности ЭВМ в [4, с. 28—29] относят к так называемому резервированию на уровне кодов и оценивают надежность подобных устройств как надежность резервированных систем со скользящим резервом.
В [4, с. 42—43] также упоминается о так называемом мажоритарном резервировании, которое сегодня активно применяется в большинстве известных на сегодняшний день БЦВМ и представляет собой эффективный аппаратный или программный (в зависимости от способа реализации) инструмент, позволяющий повысить не только надежность вычислительной системы, но и достоверность результатов вычислительных операций.
В [7] было предложено построение бортовой системы контроля и диагностики (СКД) по принципу встроенного контроля на базе реконфигурируемых вычислительных структур (РВС). Там же приводилась структурная схема реконфигурируемой СКД с возможным вариантом распределения ресурсов реконфигурируемого вычислительного поля (РВП).
В [8] была рассмотрена возможность повышения гибкости алгоритмов диагностики и контроля за счет многоуровневой аппаратной реконфигурации диагностических моделей, которой, в свою очередь, предлагалось достичь, используя принцип матричного вложения элементов коммутируемых логических блоков (КЛБ) в РВП, образующих диагностические модели БКУ. Данную структуру было предложено реализовать аппаратно посредством ПЛИС типа FPGA.
Здесь предлагается рассмотреть возможность реализации процедуры мажоритирования логико-арифметических операций на низком аппаратном уровне в реконфигурируемой диагностической модели БКУ КА. Важное значение успешной практической реализации данной возможности заключается в повышении достоверности результатов вычислительных операций при решении задач диагностики БКУ КА и увеличении надежности реконфигурируемой СКД в целом.
Сам принцип мажоритарного резервирования (мажоритирования) представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. Принцип мажоритарного резервирования
На данном рисунке изображены идентичные КЛБ, на входы которых поступают одинаковые сигналы xt, i = 1, n. Из идентичности КЛБ следует, что на их выходах должны наблюдаться также одинаковые сигналы y, i = 1, n, полученные путем аналогичного логико-арифметического преобразования сигналов, поданных на вход. В случае возникновения сбоев и ошибок в работе КЛБ, на выходе мажоритарного органа у будет наблюдаться та информация, которая будет присутствовать на большинстве из выходов КЛБ.
Вероятность безотказной работы данной системы определяется тогда по формуле [4, с. 42]
n-1
2
Рм = Рмж Z су-- (1 - pi (1)
i=0
где: рмж, p — соответственно вероятности безотказной работы мажоритарного органа и каналов обработки информации; n — нечетное число.
В случае тройного мажоритирования (n = 3) выражение (1) будет принимать значение
Рм = Рмж (3Р2 - 2Р2) •
При реализации мажоритарного органа на базе первого аппаратного уровня СКД, вероятность его безотказной работы будет определяться в основном конфигурацией последовательно-параллельных связей (рисунок 2) между соседними КЛБ, образующими мажоритарный орган.
Рисунок 2. Первый аппаратный уровень реконфигурируемой СКД БКУ
При этом подразумевается, что все идентичные КЛБ первого аппаратного (базового) уровня будут иметь одинаковую вероятность безотказной работы, т. е.
Ре 1 = Pi = ••• = Pm = COnSt ,
S1 S2 Sn
где: S[, l = 1, m, h = 1, n — логико-арифметическая функция КЛБ; m — номер КЛБ в строке РВП; n — номер КЛБ в столбце РВП; верхний индекс в скобке при A указывает на номер аппаратного уровня q матричной конфигурации диагностической модели БКУ (в данном случае q=1).
Можно обобщить выражение (1), если все элементы второго аппаратного уровня реализовать на базе элементов первого уровня с мажоритарными органами.
Если учесть, что каждый элемент второго аппаратного уровня реконфигурируемой СКД будет содержать n каналов логико-арифметических преобразований и мажоритарный орган, при этом мажоритарный орган будет
образован теми же КЛБ, то вероятность безотказной работы элемента второго аппаратного уровня можно описать зависимостью
Р(2) = f (р(\ Род , K(l, h)) ,
где: p^1 — вероятность безотказной работы идентичных КЛБ, участвующих в образовании второго аппаратного уровня диагностической модели БКУ; род — вероятность безотказной работы каналов обмена данными между КЛБ,
учитывающая также и качество коммутационных средств; K (l, h)— конфигурационная функция матричного набора КЛБ, учитывающая последовательно-параллельные связи между элементами матрицы первого аппаратного уровня и задействование (либо не задействование) элемента матрицы в вычислительном процессе.
На рисунке 3 представлен принцип организации элемента второго аппаратного уровня реконфигурируемой СКД.
Рисунок 3. Второй аппаратный уровень реконфигурируемой СКД
Здесь показано, что второй аппаратный уровень образуется за счет групповых комбинаций матричных наборов первого аппаратного уровня
(л(1) лО) л(1)\
\Al ? ^12 3 • • ■ 3 ^тп ) *
Аппаратная организация реконфигурируемых вычислительных структур СКД, реализованная по принципу вложенных матриц, упрощает процедуры самоконтроля и самовосстановления на всех аппаратных уровнях диагностической модели БКУ. Кроме того, в процессе адаптации диагностической модели к сложным видам неисправности и отказов БКУ, многоуровневая реконфигурация позволяет производить глобальную перестройку диагностической модели, тем самым придавая свойство «гибкости» алгоритмам диагностики и контроля подсистем БКУ.
Таким образом, любой процесс корректировки диагностической модели сводится либо к реконфигурации модели на высших аппаратных уровня (q>2), либо к глобальному перестроению модели на самом первом уровне, т. е. уровне базовых конфигураций КЛБ (q=1).
Теперь, после введения мажоритарного органа в каждый из элементов первого аппаратного уровня диагностической модели, элементы первого уровня будут иметь структуру, представленную на рисунке 4.
Рисунок 4. Элемент первого аппаратного уровня реконфигурируемой СКД
с мажоритарным органом
В данном случае мажоритарный орган будет образован КЛБ, идентичными тем, над которыми он проводит процедуру мажоритирования. Из выражения (1) видно, что вероятность безотказной работы элемента первого аппаратного уровня рм не может быть больше вероятности безотказной работы
мажоритарного органа рмж. В некоторых случаях это устраняют
резервированием еще и мажоритарного органа.
Исходя из определившейся структуры элементов первого аппаратного, можно условно представить организацию второго аппаратного уровня реконфигурируемой СКД, как это показано на рисунке 5.
Рисунок 5. Организация второго аппаратного уровня реконфигурируемой СКД с мажоритированием элементов первого аппаратного уровня
Здесь на выходе каждого элемента матрицы первого аппаратного уровня присутствует мажоритарный орган. При этом, не зависимо от сложности элементов первого аппаратного уровня, все логико-арифметические операции проходят процедуру мажоритирования на низком аппаратном уровне. Т. о., в зависимости от числа задействованных элементов диагностической
модели первого аппаратного уровня, сложность всей диагностической модели будет определяться характеристиками каждой ПЛИС и их общего числа, на котором будет реализовано РВП.
Выводы:
1. Современная номенклатура ПЛИС типа FPGA позволяет создавать диагностические системы с многоуровневой реконфигурацией, что особенно важно при решении задач бортового диагностирования БКУ КА в процессе идентификации сложных типов неисправностей и отказов.
2. Единый унифицированный подход в построении диагностического обеспечения БКУ КА на базе РВС позволит осуществлять процедуры мажоритирования логико-арифметических операций на низком аппаратном уровне. Это, в свою очередь, позволит обеспечить высокую достоверность промежуточных результатов вычислительных операций в процессе диагностирования БКУ и увеличить надежность диагностического обеспечения в целом.
3. Число КЛБ, участвующих в мажоритировании вычислительного процесса, должно определяться еще на начальных этапах проектирования реконфигурируемой СКД БКУ параллельно с анализом подходящей номенклатуры ПЛИС, на которой будет реализована данная система.
Данный вопрос остается по-прежнему чрезвычайно актуальным ввиду крайне узкой номенклатуры ПЛИС (в особенности на отечественном рынке), способной практически реализовать вышеописанные функциональные возможности СКД БКУ.
Список литературы:
1. Алексеев А.А., Кораблев Ю.А., Шестопалов М.Ю. Идентификация
и диагностика систем. — М.: Издательский центр «Академия», 2009. —
352 с.
2. Евреинов Э.В. Однородные вычислительные системы, структуры и среды. — М.: Радио и связь, 1981. — 208 с.
3. Евреинов Э.В., Хорошевский В.Г. Однородные вычислительные системы. — Новосибирск: Наука, 1978. —319 с.
4. Иыуду К.А. Надежность, контроль и диагностика вычислительных машин и систем: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». —М.: Высш. Шк., 1989. —216 с.
5. Каляев А.В. Многопроцессорные системы с программируемой
архитектурой. — М.: Радио и связь, 1984. — 240 с.
6. Каляев И.А., Левин И.И., Семерников Е.А. и др. Реконфигурируемые мультиконвейерные вычислительные структуры. —Ростов-на-Дону: ЮНЦ РАН, 2008. — 397 с.
7. Савкин Л.В., Клочко О.С., Макаров А.С. Реализация алгоритмов
распознавания сложных видов неисправностей и отказов бортовой аппаратуры космических аппаратов на основе встроенных
реконфигурируемых диагностических систем // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. — 2014. — № 11 (12) / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL:
http://7universum.com/ru/tech/archive/item/1756 (дата обращения:
07.12.2014).
8. Савкин Л.В., Новичков В.М., Ширшаков А.Е. Многоуровневая
реконфигурация моделей диагностических систем как средство повышения гибкости алгоритмов диагностики и контроля бортовых систем космических аппаратов // Наукоемкие технологии в приборо-
и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе:
материалы Всероссийской научно-технической конференции, 25—27 ноября 2014 г. — Т. 2. —М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. — С. 296—299.
