автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Дисплейная система рабочей станции для контроля и управления электрофизическими установками

РГ6 од

И

Г! 1 Ф

1 В

щ Э

1НЕР й

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ

96-19 На правах рукописи

Дикий Владимир Михайлович

ДИСПЛЕЙНАЯ СИСТЕМА РАБОЧЕЙ СТАНЦИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ

05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Протвино 1996

М-24

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (Протвино).

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук В.Д.Юрпалов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Б.А.Уточкин (ИФВЭ, Протвино), кандидат физико-математических наук А.Ю.Сычев (ИТЭФ, Москва).

Ведущая организация - ИСП РАН (г. Москва).

Защита диссертации состоится "_" _ 1996 г. в

_ часов на заседании диссертационного совета К 034.02.01 при Институте физики высоких энергий (142284, г. Протвино Московской области.).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Автореферат разослан "____"______ 1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 034.02.01 В.Н.Ларин

©

Государственный научный центр

Российской Федерации

Институт физики высоких энергий, 1996

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задачи. Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) проводит исследования в области физики элементарных частиц. Основным инструментом исследований является ускорительный комплекс У-70, состоящий из линейного ускорителя — инжектора ЛУ-30, бустерного синхротрона У-1.5, кольцевого ускорителя У-70 с системами вывода пучка на экспериментальные установки. Системы контроля и управления (СКУ) электрофизическими установками У-70 содержат центральные и локальные пульты операторов. В настоящее время пульты представляют собой сложные, объемные и дорогостоящие аппаратно-программные комплексы, включающие одну или несколько ЭВМ, алфавитно-цифровые терминалы, графические дисплеи, газоразрядные индикаторы, всевозможные панели управления, осциллографы и т.п. Все эти средства призваны обеспечить взаимодействие операторов с СКУ для наблюдения, анализа и управления технологическим оборудованием установок.

От уровня технических и программных средств организации диалога в значительной мере зависит эффективность функционирования СКУ. Развиваемые с начала 80-х годов идеи создания принципиально нового многооконного графического человеко-машинного интерфейса, в основе которого лежит технология растровой графики и поддержка этой технологии аппаратурой, существенно изменили средства вычислительной техники. Указанные факторы привели к тому, что с середины 80-х годов в ведущих мировых физических центрах на замену разнообразным устройствам интерактивного взаимодействия оператора с СКУ приходят графические рабочие станции.

В условиях отставания отечественной промышленности в области производства аналогичных средств вычислительной техники решаемые в ИФВЭ задачи проектирования СКУ ускорительно-накопительного комплекса (УНК) и модернизации СКУ У-70 предопределили необходимость собственной разработки средств машинной графики, обладающих адекватными техническими характеристиками и функциональными возможностями.

Цель работы — разработка базовой архитектуры и создание на ее основе спектра дисплейных систем для применений в составе оборудования пультовых и управляющих ЭВМ СКУ У-70 и УНК ИФВЭ. В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:

о Разработаны и реализованы на отечественной элементной базе функциональные модули дисплейной системы: видеопамять, видеоконтроллер и специализированный графический (растровый) процессор.

в Разработан программный интерфейс растрового процессора, реализующий набор графических функций высокого уровня и функций управления курсорами.

в Разработаны и реализованы на микропрограммном уровне алгоритмы формирования изображений и поддержки составных графических курсоров.

Научная новизна вошедших в диссертацию работ:

1. На основе анализа современных концепций реализации интерфейса с пользователем и требований, выдвигаемых задачами контроля и управления к средствам машинной графики, разработана гибкая модульная архитектура дисплейной системы.

2. Разработан базовый набор унифицированных функциональных модулей, на основе которых строится спектр дисплейных систем, удовлетворяющих различным требованиям к разрешающей способности мониторов, цветовой палитре, объемам видеопамяти, скорости формирования и вывода графической информации.

3. Впервые в отечественной практике создан специализированный процессор, выполняющий растровые операции в их классической интерпретации.

4. Предложен способ формирования и сопровождения составных графических курсоров в многозадачном режиме работы. Разработан и реализован набор функций управления курсорами.

Практическая ценность:

1. В ИФВЭ освоено опытное производство трех типов модулей аппаратуры дисплейной системы: видеопамяти, видеоконтроллера и растрового процессора в конструктиве "Электроника 60" (системная шина МПЙ).

2. На базе разработанной дисплейной системы созданы 32-разрядные рабочие станции ВИТРАЖ. Станции использовались при исследованиях и разработке программных средств взаимодействия оператора с системой управления УНК ИФВЭ.

3. В рамках проекта "Модернизация системы управления комплекса УК-70 ИФВЭ" проведена разработка модулей дисплейной системы в конструктиве "Евромеханика" (системная шина Ви8-1). Модули предназначены для применений в составе локальных пультов управления технологическими подсистемами ускорителя У-70 и бустерного синхротрона.

4. Разработки автора также применялись в составе контрольно-измерительного оборудования ряда информационно-вычислительных комплексов, созданных во Всесоюзном научно-исследовательском институте радиоаппаратуры (ВНИИРА).

Достоверность полученных результатов подтверждена актом о внедрении и использовании проведенных в диссертации разработок.

Апробация и публикации. Рассмотренные в диссертации вопросы докладывались и обсуждались на IV Всесоюзной конференции ло проблемам машинной графики (Протвино, 1987), Межотраслевом совещании по проблемам САПР и СУБД (Протвино, 1990), I Национальной конференции пользователей DECUS, Россия (Протвино, 1992), II Международной конференции "Компьютерная графика в науке и искусстве" Графикон'92 (Москва, 1992) и научных семинарах ИФВЭ. Основные результаты опубликованы в работах [1-7].

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 96 страниц, включая 4 таблицы, 19 рисунков, 3 приложения и списка литературы из 73 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована и поставлена задача, приведено краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе проводится анализ и формулируются требования, выдвигаемые СКУ электрофизическими установками к графическим дисплейным системам (ДС). Приводятся сведения о современном состоянии элементной базы для создания ДС. Рассматривается архитектура разработанной ДС и даются примеры построения на ее основе спектра ДС различной конфигурации.

Необходимость реализации современных концепций пользовательского интерфейса поставила задачу разработки ДС, обеспечивающей растровую технологию формирования и обмена графической информацией. Анализ особенностей применения ДС в СКУ показал, что ДС должна легко настраиваться на такие параметры, как разрешающая способность мониторов, количество отображаемых цветов, скорость отработки графических функций. Широкий диапазон применений ДС на различных технологических уровнях СКУ выдвигает требование гибкости в адаптации ДС к различным конструктивам, системным шинам и типам ЭВМ при высокой степени взаимозаменяемости и надежности аппаратуры.

Указанные выше требования удовлетворяются за счет модульного принципа построения архитектуры ДС (рис.1.).

Рис. 1. Архитектура ДС.

Управляющая ЭВМ и ДС объединяются через системную шину. В ДС входят следующие функциональные модули:

в видеопамять (ВП) — до четырех модулей. Служит для хранения графической информации, представленной в битовых картах различного формата;

® адаптер шин (АШ) — один модуль. Служит для сопряжения ДС с системной шиной управляющей ЭВМ;

в видеоконтроллер (ВК) — один модуль. Осуществляет регенерацию экранного буфера ВП;

в растровый процессор (РП) — один или два модуля. Выполняет формирование изображений в битовых картах ВП и сопровождение графических курсоров по командам ЦП;

Для организации связей между модулями ДС введены две внутренние шины:

- шина дисплейной системы — ШДС (данные 16 бит, адрес 21 бит) с выходом на системную шину через АШ;

- параллельно-последовательная шина (ППШ) регенерации экранного буфера ВП.

Основная особенность данной архитектуры заключается в реализации ВП и организации взаимодействия между ЦП и спецпроцессорами ДС. В традиционных архитектурах графических систем ВП реализуется в виде внешнего по отношению к ЦП специализированного устройства, доступ к которому производится через аппаратуру формирования изображений. В данной архитектуре ВП имеет словный (16 бит/слово) доступ и реализована в едином адресном пространстве ЦП и РП. Взаимодействие между ЦП и РП производится через выделенную область ВП.

Модульность архитектуры ДС, применение ВП со словным доступом, введение двух внутренних специализированных шин с выходом на системную шину через АШ и наличие спецпроцессоров позволили обеспечить:

• высокую степень адаптивности ДС к различным конструктивам системных шин и типам ЦП, поскольку сопряжение с системной шиной производится на уровне АШ, что фактически не затрагивает внутреннюю структуру ДС;

• необходимую (250 Мбит/с.) скорость выборки и передачи графических данных из ВП в ВК независимо от пропускной способности системной шины;

• требуемую (до 8 Мбит/с.) скорость исполнения блочных операций, поскольку за один цикл доступа к ВП со стороны РП модифицируется до 16 бит информации;

• организацию обмена графической информацией (битовыми картами изображений) между ВП, оперативной памятью и внешними устройствами ЭВМ с помощью стандартных команд ЦП;

• возможность реализации специальных алгоритмов по формированию и обработке изображений в ВП непосредственно на ЦП;

• возможность расширения системных функций за счет подключения дополнительных функциональных модулей по мере их разработки, например, геометрического процессора (ГП).

Высокие показатели взаимозаменяемости и ремонтопригодности обеспечиваются за счет применения отечественной элементной базы и унификации модулей аппаратуры. Заложенный в архитектуре принцип "один функциональный модуль — одна плата" позволяет легко определить и заменить неисправный модуль.

На базе модулей реализуется спектр ДС с различными техническими характеристиками и функциональными возможностями — от сравнительно простых, состоящих из модулей ВП и ВК, до мультипроцессорных, дополнительно включающих до двух модулей РП, работающих параллельно.

На момент создания опытных образцов ДС (в 1988 г.) в качестве системной была выбрана шина МПИ ((^-Ьиз22), нашедшая широкое применение в промышленных и экспериментальных установках. Конструктивно каждый из модулей ДС выполнен в виде полной платы Э60. С целью уменьшения числа посадочных мест АШ был реализован на плате модуля ВК.

На базе разработанной ДС создан ряд 32-разрядных рабочих станций ВИТРАЖ. В качестве ЦП был выбран процессор Кронос-2.2, созданный в ВЦ СО АН СССР, хотя, в принципе, возможно использование любого процессора, реализующего протокол шины МПИ.

Во второй главе рассматриваются вопросы разработки модулей аппаратуры ДС: видеопамяти, видеоконтроллера и растрового процессора. Приводятся структурные схемы, особенности реализации, технические характеристики и функциональные возможности модулей.

При разработке модулей требовалось обеспечить их функциональную гибкость и приемлемые скоростные характеристики формирования и вывода графической информации.

Основные требования к аппаратуре ДС можно сформулировать следующим образом:

• реконфигурируемость ВП под различные требования к объему и количеству цветовых слоев;

в поддержка монохромных и цветных мониторов с разрешающей способностью от телевизионного стандарта до 1024x800;

• реализация переменного начального адреса регенерации экранного буфера ВП;

• программное управление цветояркостными соотношениями отображаемой на монитор информации;

• адекватная поставленным задачам скорость формирования и перемещения графической информации в ВП.

ВП представляет собой совокупность битовых слоев, состоящих из линейных областей 16-разрядных слов. Каждая такая линейная область, в свою очередь, состоит из области, отображаемой на экран монитора, и "заэкранной" области. Отображаемые на экран области по всем битовым слоям образуют экранный буфер, формат которого ("высота" и "ширина") однозначно соответствует растру используемого монитора и программируется в модуле ВК. ВП выполнена в виде унифицированных модулей емкостью 512 Кбайт (64 корпуса К565-РУ5) или 2 Мбайта (64 корпуса К565-РУ7) с возможностью установки режима работы в качестве одного, двух или четырех цветовых слоев и наращивания объемов до 4 Мбайт.

ВП — квазидвухпортовая. В режиме модификации содержимого ВП со стороны ЦП и/или РП используется порт произвольного доступа с выходом на ШДС.

В режиме регенерации экранного буфера используется порт с выходом на ППШ (при этом адресация производится через адресные линии ШДС). Регенерация экранного буфера производится с помощью параллельно-последовательного преобразования. По запросу от ВК в буферные регистры каждого модуля ВП считываются одновременно 64 бита данных. С выходов буферных регистров данные поступают на сдвиговые регистры и в зависимости от растра монитора (например, 1024x800, 768x576, 768x288) сдвигаются с частотой 15; 7,5; 3,75 МГц соответственно за 16; 8 или за 4 такта. Формирование видеопотока с выходов сдвиговых регистров, в зависимости от числа задействованных цветовых слоев осуществляется с помощью коммутирующих переключателей на плате модуля ВП. С выходов переключателей данные по ППШ поступают в ВК, где трансформируются в последовательные потоки битов.

Варианты использования модулей ВП приведены в табл.1.

Таблица 1.

Число Емкость Число Экран Размер Тип Тактовая

плат (Мбайт) слоев (МБайт) растра развертки частота (МГц)

1 0.5/РУ5 1 0.11 1024x800 Прогрес. 60

1 2.0/РУ7 2 0.11 768x576 Прогрес. 30

1 2.0/РУ7 4 0.11 768x288 Прогрес. 15

2 1.0/РУ5 2 0.22 1024x800 Прогрес. 60 -

2 4.0/РУ7 4 0.22 768x576 Прогрес. 30

3 1.5/РУ5 3 0.33 1024x800 Прогрес. 60

4 2.0/РУ5 4 0.44 1024x800 Прогрес. 60

Видеоконтроллер включает в себя: адаптер "системная шина — шина дисплейной системы" (АШ), арбитр шины дисплейной системы (АР), схему регенерации экранного буфера видеопамяти (СР), таблицу цветности (ТЦ) с выходными сдвиговыми регистрами и цифро-аналоговыми преобразователями, а также интерфейс с устройством графического ввода (ИВ). Структурная схема ВК приведена на рис.2.

<0

системная шина

г

ив

АШ

□У

с

7V

iz

АР

V

i>

СР

<7

О

ТЦ

stuc

I ' I

шина дисплейном системы

О

ПАРАЛЛКДЬНО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ 1ИНА

Рис. 2. Структурная схема видеоконтроллера.

АШ осуществляет сопряжение ШДС с системной шиной управляющей ЭВМ. АР производит арбитраж доступа к ВП по запросам, поступающим со стороны ЦП и спецпроцессоров ДС. Приоритет по доступу к ШДС (в порядке возрастания) установлен следующим образом: РП, ЦП, СР.

СР вырабатывает текущие адреса регенерации экранного буфера ВП, сигналы строчной и кадровой снхронизации, сигналы управления выходными Б,,С,В сдвиговыми регистрами ТЦ и гасящие импульсы. В зависимости от разрешающей способности мониторов длительность и частота указанных сигналов программируется в ППЗУ К573-РФ2. Программно-управляемый регистр начального адреса регенерации экранного буфера обеспечивает возможность реализации перемещения экранного буфера по всей ВП и двойного буферирования: в то время как один экранный буфер отображается на монитор, во втором (в "заэкранной" области) выполняется формирование изображения, после чего производится переключение графического вывода на начальный адрес регенерации второго экранного буфера.

ТЦ состоит из четырех двухпортовых ОЗУ, каждое из которых построено на трех микросхемах К531-РУ8 с организацией 16x4. Один порт служит для задания управляющих кодов цветовой палитры со стороны ЦП, а через второй порт поступают данные с ППШ. По индексу, задаваемому значениями данных, из ОЗУ извлекаются управляющие коды, которые подаются на К,С,В сдвиговые регистры и за 4 такта "выталкиваются" на ЦАП, формирующие уровни яркости. ТЦ дает возможность выбора до 16 цветов из палитры 4096.

ИВ содержит 16-битный регистр Х,У координат (8 бит на координату). Программно доступный регистр статуса (3 бита) отражает состояние трех кнопок управления устройства ввода.

Необходимость реализации высокоуровневых графических функций (в первую очередь, растровых) и высокие требования к быстродействию предопределили построение РП на микропроцессорных комплектах К1804, К1802. РП представляет собой микропрограммный автомат с однотактной отработкой 64-разрядных микрокоманд горизонтального типа. Структурная схема РП приведена на рис. 3.

Обмен данными между функциональными блоками РП производится по двум внутренним 16-разрядным шинам Б и У.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) с кварцевой стабилизацией на частоте 20 МГц управляется микропрограммно. Длительность системного синхроимпульса может задаваться кратной базовому периоду генератора (50 не) с коэффициентами 4; 5; 7.

Микропрограммная память (МП) с организацией 2Кх64 содержит микропрограммы формирования изображений, сопровождения курсоров, обслуживания внутренних прерываний и отработки ошибок в случае неправильно сформированной команды.

Микропрограммное устройство управления (МУУ) выполняет функции последовательной выборки и ветвлений микрокоманд, а также отработки внутренних прерываний. Выходы МУУ (сигналы А0-А10) подаются на вход МП.

Обрабатывающий тракт (ОТ) выполняет вычисления, связанные с адресацией и модификацией данных ВП. В ОТ входят: 16-разрядное АЛУ с мультиплексором кодов условий, ОЗУ с организацией 16x16 для расширения регистрового файла, ПЗУ алфавитно-цифровых символов внутреннего знакогенератора и параметрический сдвигатель (ПС). ПС собран на базе арифметического

расширителя К1802 и служит для ускорения формирования изображений в ВП.

МП

'МО-М63*

KP

'PLO-PLG3'

PL.

Г "PL" "ТАКТ"

гти

У:

PL

ОТ

PL"

11

Ш

И И А " D " У>

Л

АО—А10

^ ШИВА " Y

"TSTP""TRUH"

МУУ

Х/7 KB В \у "VO-V2"" SCO" "SUY"

РАП

РВВ

"ТУ

'LVK" "Адрес 21 бит " "Данные IG бит" "K/W CONTROL'

ШИНА ДИСПЛЕЙНОЙ СИСТЕМЫ

Рис. 3. Структурная схема растрового процессора.

Контроллер ввода-вывода (КВВ) реализует интерфейс ШДС (группа сигналов R/W CONTROL), управляет регистрами ввода-вывода (РВВ), схемой расширения адреса (РАП) и ГТИ, вырабатывая сигналы приостановки (TSTP) и запуска (TRUN) последнего во время операций чтения-записи данных ВП. РАП поддерживает адресацию до 4 Мбайт ВП банками по 8 Кбайт. Выход за пределы адресации текущего банка вызывает генерацию векторов внутренних прерываний (V0-V2) и сигналов (SCO и SQT), управляющих работой МУУ по переходу на микропрограммы менеджирования банков ВП. Время обработки прерывания составляет 3.8 мкс.

Конвейерный регистр (КР) обеспечивает синхронизацию всех функциональных блоков РП. С выхода КР снимаются сигналы (PL0-PL63), управляющие работой ОТ, МУУ и КВВ.

Взаимодействие между ЦП и РП осуществляется через выделенную область ВП (ВВП). Код выполняемой РП команды и сопровождающие ее параметры располагаются в таблице параметров, которая адресуется с помощью указателя, находящегося в фиксированной ячейке в ВВП.

При инициализации РП производится идентификация ВВП, поскольку ВП в каждом конкретном случае может иметь различную конфигурацию. Далее устанавливается флаг синхронизации работы с ЦП (фиксированная ячейка в ВВП) и вырабатывается запрос на прерывание ЦП (сигнал LWK), сообщающий о готовности РП к выполнению команды. Сброс флага синхронизации со стороны ЦП

вызывает переход на микропрограмму отработки команды, заданной в таблице параметров. Окончание отработки команды ведет к установке флага синхронизации в исходное состояние и выработке запроса на прерывание.

При применении в ДС двух РП для каждого из них с помощью переключателя на входе мультиплексора кодов условий микропрограммно формируются различные адреса флагов синхронизации и указателей таблиц параметров команд. Сигналы запросов на прерывания объединяются и обрабатываются логикой прерываний в модуле ВК.

В третьей главе рассматриваются вопросы разработки программного интерфейса растрового процессора. Формулируются требования к программному интерфейсу. Определяются элементарные графические и растровые операции. Дается спецификация набора команд формирования изображений РП. Приводятся способ формирования и сопровождения составных графических курсоров и набор функций управления курсорами.

Основные требования к программному интерфейсу РП можно сформулировать следующим образом:

1. Система команд РП должна предоставлять функционально полный набор графических примитивов вывода и атрибутов их отрисовки для реализации современных концепций многооконных графических систем;

2. Все команды должны сопровождаться модами записи (Мг), задающими одну из 16 возможных двоичных логических операций над битами источника [г] и назначения [¿} в процессе формирования изображений. Результат применения моды записи можно представить в виде выражения Мг([й], [¿]) =>

3. Для под дер иски системы менеджирования окон при выполнении растровых операций необходимо реализовать функцию отсечения. Отсечение же примитивов вывода для графических команд осуществляется на ЦП (либо на геометрическом процессоре) на стадии геометрических преобразований;

4. Для разгрузки ЦП от рутинных функций по формированию и сопровождению курсоров эти функции целесообразно возложить на РП.

При формировании изображений РП отрабатывает набор элементарных графических и растровых операций, выполняемых над однослойными битовыми картам (БК). БК, в которой формируется изображение, явлется битовой картой назначения БКн. Для модификации битов назначения [¿} БКн используются биты источника [а], которые могут быть либо битами битовой карты источника БКи, либо генерироваться РП в процессе формирования изображения. В качестве входных параметров каждая элементарная операция использует дескриптор битов назначения .Оезсг-^}, дескриптор битов источника Певсг{з}, моду записи М2 и код оператора растровой развертки (ОРп). 0Рп определяет тип функционально-растрового преобразования (ФРП), осуществляемого над Веэсг{(Г\ и 2)е5сг{б}, в результате которого определяются биты и [д], участвующие в формировании изображения. В общем виде

отработку элементарной операции можно представить в виде выражения

M2{OPn(Descr{d},Descr{s})} => [d].

Элементарными графическими операциями РД являются:

0Р\ : = PLLN — построение ломаной линии;

ОР2 '■ = DPLN — построение отдельных прямых;

ОР3 : = BSPL — построение гладкой кривой;

ОР^ : = DTAR — построение массива точек с произвольно заданными координатами.

Элементарными растровыми операциями РП являются:

ОР5 : = BBLT — перепись блока битов;

ОРв '■ = REPL — заполнение блока образцом битов;

О Pi : = TEXT — построение строки символов;

0Р& : = FILL — заполнение области, ограниченной полигональной линией и/или гладкой кривой, образцом битов.

На базе элементарных операций реализован набор команд, отличительной особенностью которых является возможность отработки до восьми однотипных элементарных операций за одно обращение к РП. Это позволило снизить нагрузку на ЦП и повысить скорость формирования изображений с комплексными атрибутами типа: "прозрачность", "цвет отрисовки", "цвет подложки", "отрисовка с маскированием" и т.п.

В многозадачном режиме возникает проблема поддержки графических курсоров. В этом случае необходимо синхронизировать процессы графического вывода и сопровождения курсоров, снимая курсор, если он попадает в зону вывода графического примитива и восстанавливая его после отрисовки примитива.

Предложенный способ формирования и сопровождения курсоров заключается в разделении функций между ЦП и РП. Функции управления курсорами возлагаются на ЦП и реализуются через таблицу параметров управления курсорами, которая располагается в доступной со стороны ЦП и РП области ВП. Поддержка курсоров в соответствии с управляющими функциями ЦП и синхронизация с процессами отработки графических примитивов вывода выполняется РП.

Отличительной особенностью реализации является возможность одновременной поддержки до 4 графических объектов (спрайтов) на экране монитора, из которых можно формировать составные курсоры. Каждый из спрайтов задается образцом битов [л]. Формирование курсоров осуществляется с помощью команды REPL с модой записи "исключающее ИЛИ" ([<f] := [s] XOR Щ), где [d] есть массив пикселов экранного буфера, попадающих под матрицу курсора. Данная команда выполняется РП "автоматически" в промежутках между отработкой команд формирования изображений.

Управляющие функции ЦП осуществляют:

• задание количества одновременно поддерживаемых курсоров на экране монитора;

« задание адресов таблиц параметров, определяющих битовые образцы, из которых формируются курсоры;

• задание для каждого из курсоров его новых координат на экране монитора;

• задание места положения и размеров прямоугольной области на экране, в пределах которой могут перемещаться курсоры;

• задание места положения и размеров прямоугольной зоны экрана, в которую производится вывод графического примитива;

• задание режима сопровождения курсоров (on/off) в соответствии со значениями указанных выше функций;

• задание процедуры снятия курсоров с экрана и/или установки новых курсоров.

Поскольку каждый из спрайтов формируется с помощью процедуры заполнения блока образцом битов, то появляется возможность формировать курсоры произвольного вида, например перекрестие на весь экран, перекрестие в заданном окне, "резиновый прямоугольник", различные стрелки и др. При необходимости формирования курсоров с более сложными атрибутами отрисовки (типа "прозрачность"), применяется команда BBLT, при этом режим сопровождения курсоров растровым процессором отключается.

В четвертой главе рассматриваются особенности микропрограммной реализации алгоритмов функционально-растровых преобразований на РП.

В ДС со словным доступом к ВП изображения состоят из "цепочек битов", произвольным образом смещенных относительно границ слов. Для достижения высокой скорости формирования изображений "цепочки битов" должны быть аппаратно поддерживаемыми типами данных. С этой целью в тракте обработки данных РП применяется параметрический сдвигатель, выполняющий сдвиги и слияние "цепочек битов" смежных слов ВП. Независимое функционирование сдвигателя и АЛУ в РП дает возможность распараллелить процессы вычисления адресов и модификации данных ВП, что повышает скорость отработки алгоритмов.

При формировании изображений над данными источника и назначения выполняются операции мод записи. Реализация этой операции в алгоритмах может быть различна. Если алгоритм реализуется в виде одной программы, то необходимо ввести в его внутренний цикл процедуру выбора одной из мод записи, что снижает производительность, так как во внутренних циклах алгоритма эта процедура будет повторяться очень часто. Альтернативным вариантом является использование отдельных микропрограмм для каждой требуемой моды записи, что ведет к многократном;/ увеличению объема микропрограммной памяти. Удовлетворительное решение этой проблемы достигнуто за счет функциональных особенностей устройства управления последовательностью выполнения микрокоманд К1804-ВУ4, используемого в РП. При входе в процедуру отработки алгоритма заданного ФРП

однократно вычисляется адрес подпрограммы, реализующей требуемую моду записи и заносится в регистр-счетчик микропрограммного устройства управления. Переход к требуемой подпрограмме затем выполняется с помощью безусловного перехода к подпрограмме по адресу из регистра-счетчика с последующим возвратом в точку вызова. Для выполнения мод записи "очистка" и "заливка" во всех алгоритмах реализованы отдельные ветви, поскольку в этих случаях выполняется только запись данных в битовую карту назначения.

Для графических команд (PLLN, DPLN, BSPL) используются инкрементные алгоритмы. Особенность реализации этих алгоритмов заключается в том, что в процессе их отработки производится формирование сегментов, представляющих собой "цепочки битов" в пределах обрабатываемого слова данных ВП. Эти сегменты формируются на внутренних регистрах РП при исполнении внутренних циклов алгоритмов. Сформированные сегменты затем "вставляются" на требуемое место слова ВП, оставшиеся биты слова при этом не меняются.

При построении отрезков и гладких кривых одиночной толщины реализован режим отрисовки конечных точек составляющих их "ступенек", применяемый для формирования битовой карты граничных признаков, которая используется в алгоритме заполнения области образцом битов.

Формирование атрибута "толщина линии" осуществляется путем повторения отрисовки сегментов требуемое число раз относительно аппроксимирующей линии.

Формирование атрибута "тип линии" производится путем "наложения" 16-битного произвольного образца в процессе отрисовки линии.

С целью ускорения отрисовки, для горизонтальных и верикальных отрезков, а также отрезков с углами наклона, кратными 45 градусам, реализованы отдельные ветви в алгоритме построения ломаной.

Команда формирования гладкой кривой (BSPL) сопровождается возвратными параметрами, определяющими координаты последней отрисованной точки в БК. Эти параметры необходимы прикладным программам ЦП, генерирующим последовательности сплайнов для коррекции. положения начальной точки следующего сплайна (например, при формировании окружностей и эллипсов).

При реализации алгоритмов растровых команд (BBLT, REPL, TEXT) возможны случаи, когда границы строк блоков источника и назначения сдвинуты на одинаковое число бит относительно границ слов видеопамяти (либо располагаются на границах слов). Для этих случаев предусмотрены отдельные ветви алгоритмов, поскольку отсутствует необходимость выполнения многократно повторяющихся операций сдвигов и слияния "цепочек битов" во внутренних циклах.

В алгоритме заполнения блока образцом битов (REPL) предложены дополнительные параметры, определяющие горизонтальную и вертикальную "прокрутку" образца. Это позволило использовать единственный образец, а не формировать его на ЦП каждый раз при восстановлении фактуры подложки (фона экрана) при манипуляциях с окнами.

Для удобства формирования алфавитно-цифровой информации в алгоритме построения строки символов (TEXT) реализован возвратный параметр, определяющий Х-координату последнего символа в строке.

Особенность алгоритма заполнения области образцом битов заключается в том, что для его реализации используются две области ВП: вспомогательная битовая карта граничных признаков (БКг) и БКн, в которой производится формирование заполняемой области. В БКг специальным образом формируется контур области (для этого используется режим отрисовки конечных точек "ступенек", ограничивающих область ломаных и/или кривых). Растровая развертка области выполняется с помощью команды FILL. В соответствии с критерием четности выполняется построчное сканирование БКг с одновременной растеризацией области в БКн.

При разработке микропрограммного обеспечения основной задачей являлось достижение максимально возможной для данной реализации аппаратных средств скорости отработки ФРП. Так как при микропрограммной реализации ФРП вероятность возникновения условных переходов очень высока, то для обеспечения преимуществ конвейерного управления широко используется метод возврата, заключающийся в формировании адреса наиболее вероятного из переходов (без тестирования еще не сформировавшегося условия). По готовности условия на очередном такте проверяется правильность перехода. Если переход оказался неверным, то формируется необходимый адрес микрокоманды, в противном случае исполнение микропрограммы продолжается по выбранной ветке.

Объем микропрограмм РП составляет 2029 64-разрядных микрокоманд горизонтального типа. Скорости отработки алгоритмов команд с учетом формирования атрибутов отрисовки и мод записи приведены в табл.2.

Таблица 2.

Команда DTAR PLLN DPLN BSPL BBLT REPL FILL

Скорость (Мбит /с.) 0.2 0.28 0.28 0.25 до 4 до 8 до 2.5

Скорость построения строки текста составляет до 30.000 символов/с. ("зашитый" в матрице 5x7 фонт внутреннего знакогенератора РП).

В заключении формулируются результаты, выносимые на защиту.

Основным результатом работы является разработка базовой архитектуры и создание на ее основе спектра графических дисплейных систем для применений в задачах контроля и управления экспериментальными научными и технологическими установками. Гибкость в адаптации дисплейной системы к конкретным требованиям и адекватные поставленным задачам качество и реактивность многооконного графического интерфейса с оператором обеспечиваются за счет модульной организации архитектуры и конвейеризации процессов формирования изображений.

В процессе разработки были получены результаты, представляющие самостоятельный интерес.

1. Разработаны и реализованы на отечественной элементной базе перенастраиваемые унифицированные модули аппаратуры для построения спектра дисплейных систем, способных функционировать с различными типами центральных процессоров и отличающихся скоростью формирования графической информации, цветовой палитрой и разрешающей способностью растровых мониторов.

2. Создан специализированный растровый процессор, реализующий функционально полный набор графических примитивов вывода международного стандарта GKS и набор растровых операций в их классической интерпретации. По ряду параметров и функциональных возможностей процессор не имеет аналогов в стране.

3. Сформулированы требования к программному интерфейсу растрового процессора. Введено понятие элементарных графических и растровых операций, определены входные параметры, дана спецификация и реализован высокоуровневый набор графических команд, особенностью которых является возможность отработки до восьми однотипных элементарных операций за одно обращение к растровому процессору.

4. Предложен и реализован эффективный механизм формирования и сопровождения составных графических курсоров, решающий проблему синхронизации процессов графического ввода и вывода в многозадачном режиме работы. Определен и специфицирован набор функций управления графическими курсорами.

5. Разработаны, оптимизированы по быстродействию и реализованы микропрограммно алгоритмы сопровождения курсоров и функционально-растровых преобразований для видеопамяти со словным доступом.

6. На базе разработанной дисплейной системы созданы 32-разрядные рабочие станции, успешно применяемые в составе технологического и контрольно-измерительного оборудования ряда информационно-вычислительных комплексов и систем.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Дикий В.М., Лукашевич В.М., C.B. Нелюбов C.B., Юрпалов В.Д. Архитектура растровой графической станции ВИТРАЖ. — В кн.: Материалы IV Всесоюзной конференции по проблемам машинной графики. — Серпухов, 1982, с. 52-53.

2. Дикий В.М., Лукашевич В.М., Нелюбов C.B., Юрпалов В.Д. Рабочая станция для управления технологическими процессами. — В кн.: Материалы II Международной конференции "Компьютерная графика в науке и искусстве" — Графикон-92. — Москва, 1992, с. 12-14.

3. Дикий В.М., Лукашевич В.М., Нелюбов C.B., Юрпалов В.Д. Растровая графическая рабочая станция ВИТРАЖ. — Препринт ИФВЭ 95-32, Протвино, 1995. .

4. Дикий В.М. Функциональный интерфейс растрового процессора рабочей станции ВИТРАЖ. Препринт ИФВЭ 95-33, Протвино, 1995.

5. Дикий В.M., Романовский В.Т., Юрпалов В.Д. Функционально-растровые преобразования в рабочей станции ВИТРАЖ. Препринт ИФВЭ 95-34, Протвино, 1995.

6. Дикий В.М., Лукашевич В.М. Архитектура растрового процессора рабочей станции ВИТРАЖ. Препринт ИФВЭ 95-35, Протвино, 1995.

7. Дикий В.М., Романовский В.Т., Нелюбов C.B., Юрпалов В.Д. Об одном способе реализации графических курсоров. Препринт ИФВЭ 95-36, Протвино, 1995.

Рукопись поступила 12 марта 1996 г.

В.М. Дикий.

Дисплейная система рабочей станции для контроля и управления электрофизическими установками.

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы ТДТ^Х. Редактор Н.В.Ежела.

Подписано к печати 12.03.96. Формат 60 X 84/8.

Офсетная печать. Печ.л. 2,00. Уч.-кзд.л. 1,5. Тираж 100. Заказ 608. Индекс 3649. ЛР №020498 06.04.92.

ГНЦ РФ Институт физики высоких энергий 142284, Протвино Московской обл.

Индекс 3649

\

АВТОРЕФЕРАТ 96-19, И Ф В Э, 1996