автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование высокопродуктивных систем пространственной обработки с регулярной структурой

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ

Конфидсмрйно Екз. № ____

Черкасов Дмитро Іванович

УДК 519.716

РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ВИСОКОПРОДУКТИВНИХ СИСТЕМ ПРОСТОРОВОЇ ОБРОБКИ З РЕГУЛЯРНОЮ СТРУКТУРОЮ

Спеціальність 05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступіню кандидата технічних наук

Дисертацією с рукопис.

Работа виконана в Київському НДІ гідроприборів ІІВО “Славутич”.

Науковий керівник: кандидат технічних наук

Крамськой Володимир Володимирович,

НДІ “Квант-Навигація”,

перший замісник директора, головний інженер

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Годлсвськиіі Віталій Станіславович,

Інститут проблем моделювання в енергетиці НАН України, завідуючий відділом

доктор технічних наук Калюжний Олександр Якович,

Інститут гідромеханики НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна організація: Національний Технічний Університет України “Київський Політехнічний Інститут”, кафедра спеціалізованих комп’ютерних систем, Міносвіти, Київ

Захист відбудеться ” Сб_______________1998 р. в 0 : год. на засіданні

спеціалізованої вченої ради К26.185.02 при Інституті проблем моделювання в енергетиці НАН України за адресою: Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України.

Автореферат розісланий “/ г » Од_______________ 1998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К26.185.02,

кандидат технічних наук **" Е.П.Семагіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність темп. Сучасний етап характеризується подальшим ускладненням обчислювальних систем (ОС) обробки гідроакустичних сигналів, а також необхідністю скорочення циклів проектування систем, підвищення їх надійності та універсальності.

В останнє десятиріччя зросла кількість наукових публікацій, присвячених формальному проектуванню архитектур ОС сигнальної обробки. Але різноманітність елементів, що використовуються, веде до того, що одержувані теоретичні результати можуть застосовуватися головним чином при використані будь яких конкретних елементів та систем вузького класу архитектур. Постійне поновлення електроних компонентів, а також зростання масштабів вирішуваних задачобумовлює необхідність розробки нових методів проектування засобів цифрової обробки сигналів (ЦОС).

Актуальність вказаної проблеми посилюється завдяки підвищенню інтеграції та швидкодії компонентів, підвищенню їх функціональності,

зростанню загальної кількості компонентів системи, що створює передумови для виробки загальних підходів до проектування систем, які с інваріантними до елементної бази, що використовується.

Метою роботи є розробка та дослідження методів формального проектування ОС обробки гідроакустичних сигналів на прикладі систем просторової обробки, а також реалізація цих систем.

Основні задачі дослідження:

- аналіз відомих алгоритмів просторової обробки та особливостей їх реалізації в ОС;

- розробка інженерної методики відображення алгоритмів обробки

гідроакустичних сигналів на структури ОС, що їх реалізують, на основі цифрових процесорів сигналів (ЦПС), що враховує особливості

обчисленнь в реальному часі, та орієнтованої на високопродуктивні багатопроцесорні системи з однорідним складом компонентів та регулярною топологією ліній зв’язку;

- оптимізація структур систем, яка забезпечує мінімальну кількість компонентів, оптимальну завантаженість процесорів та ліній зв’язку;

- організація управління процесорами системи, яке забезпечує гнучкість, оперативність, надійність та можливість багаторежимпої роботи;

- розробка архитектури багатопроцесорової ОС ЦОС гідроакустичного комплексу, яка включає до себе підсистему просторової обробки.

Методи дослідження. Під час розробки ОС обробки гідроакустичних сигналів використовуються ЦПС. Під час синтезу структур ОС

використовується формальне відображення алгоритма обробки на структуру системи. Системи, що проектуються, оптимізуються для досягнення максимального рівня однорідності та регулярності.

На захист виносяться:

1. Підходи до побудови архитектур багатопроцесорових ОС обробки гідроакустичних сигналів з регулярною структурою на основі ЦПС типа ТМ8320.

2. Методика інженерного синтезу структур ОС просторової обробки гідроакустичних сигналів, яка враховує особливості обчислень в реальному часі (обсяги та часові характеристики даних, що обробляються) та архитектуру ЦПС, що використовуються (продуктивність, пропускна здатність каналів обміну, час доступу до оперативної пам’яті та її організацію).

3. Реалізація механізмів міжпроцесорної взаємодії в ОС обробки гідроакустичних сигналів на основі буферизованого обміну даними (для взаємодії обчислювальних процесів реального часу з детермінованою часовою діаграмою в основних режимах функціонування систем) та небуферизованого обміну (для задач управління та контролю).

4. Спосіб управління багатопроцесоровими ОС обробки гідроакустичних сигналів (ініціалізація, налаштування на режим функціонування) па основі поліморфного протоколу з використанням інкапсуляції механізму інтерпретації управляючої інформації в процесорах системи.

5. Технічні критерії однорідності та реіулярності, які дозволяють кількісно оцінити складність існуючих систем та тих, що проектуються.

Наукова новизна результатів, що одержані в роботі, нолягас в тому, що:

з

- запропоновані підходи до побудови архитектур багатопроцесорових ОС обробки гідроакустичних сигналів з регулярною структурою на основі ЦПС типа ТМ8320;

- запропонована методика інженерного синтезу структур ОС просторової обробки гідроакустичних сигналів, яка враховує особливості обчислень в реальному часі та архитектуру ЦПС, що використовуються;

- розроблена реалізація механізмів міжпроцесорної взаємодії в ОС просторової обробки гідроакустичних сигналів на основі буферизованого та пебуферизованого обміну даними;

- запропонований метод управління багатопроцссоровими ОС обробки гідроакустичних сигналів на основі поліморфного протоколу з використанням інкапсуляції механізма інтерпретації управляючої інформації в процесорах системи;

- запропоновані технічні критерії однорідності та регулярності, які дозволяють кількісно оцінити складність існуючих систем та тих, що проектуються.

Практична цінність роботи полягає в створенні основи для розробки ряду ОС просторової обробки. Результати, які були одержані при проектуванні ОС обробки гідроакустичних сигналів на основі ЦПС типа ТМ8320С25, створили базис для швидкої розробки ряду систем з різними алгоритмами обробки, структурами та технічними характеристиками.

Реалізація результатів. Основні результати дисертаційної роботи були використані в Київському НДІ гідроприборів під час проектування ряду ОС обробки гідроакустичної інформації.

Запропонована інженерна методика проектування ОС обробки гідроакустичних сигнаїів, яка включає до ссбс анализ алгоритму обробки, обрання елементної бази, відображення алгоритму обробки на структуру системи, забезпечила оптимальне планування процесів розробки ОС та контроль достовірності проміжних результатів по ряду науково-дослідницьких та досвідно-конструкторських робіт (НДДКР).

Базові вузли багатопроцесорової ОС обробки гідроакустичних сигналів на основі ЦПС ТМ8320С25 виготовлені та випробовані у вигляді досвідних

зразків. Конструкторська документація на ОС передана на завод дій серійного виготовлення.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на науково-технічних конференціях та семінарах: “Застосування мікроконтролерів на базі ОМ ЄОМ, БМК, ПЛІС в народному господарстві” (м. Київ, 1993 р.), “Інформаційні технології та системи” (м. Львів, 1993 р.), “Однорідні обчислювальні середовища та сістолічні структури” (м. Львів, 1993 р.), “Контроль та управління в технічних системах” (м. Вінниця, 1993 р.), “Проблеми та перспективи розвитку суднобудування в Україні” (м. Миколаїв, 1994 р.), “Автоматика-95” (м. Львів, 1995 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 4 наукових роботи, в тому числі одне авторське свідоцтво. В роботі [1] автору належить оптимізація інтерполяційного алгоритму для реалізації в ОС, в роботі [2] автору належить розробка вузла оперативного запам’ятовуючого пристрою, що забезпечує контролездатність накопичувача контрольних коефіциєнтів, в роботі [3] автору належить розробка архитектури багатопроцесорової системи обробки сигналів на основі ЦПС, в роботі [4] автору належить розробка концепції об’єктно-орієнтованого проектування багатопроцесорових обчислювальних систем.

Результати роботи також викладені в технічних звітах по НДДКР та технічних описах виробів за тематикою Київського НДІ гідроприборів.

Сруктура та обсяг роботи. Робота складається з введення, чотирьох розділів, заключения, переліку літератури та додатків. Матеріал викладено на 128 стор. друкованого тексту, містить в собі 40 малюнків, 23 таблиці, перелік літератури в кількості 116 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обгрунтована актуальність теми, сформульована мета роботи, показана новизна отриманих наукових результатів, а також основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі наведено скорочений опис основних макрооперацій просторової обробки. До таких макрооперацій відносяться:

- формування спрямовапності;

- стабілізація просторової орієнтації діаграм спрямованості, що формуються;

- подавления локальних завад.

Формування спрямовапності базується на вирівнюванні фазового фронту хвилі сигналу, що поступає на антену с заданого напрямку. Основні відмінності між різними методами формування спрямовапності зумовлені відмінностями методів вирівнювання фазового фронту. Формування у часовій області базується на внесенні затримок в сигнали датчиків гідроакустичної антени, що компенсують різницю часів надходження до датчиків фазового фронту хвилі.

В загальному випадку вираз для сигнала на виході діаграми спрямовапності (ДС), що формується, під час формування у часовій області має вигляд:

де *(£,<?,„) - вихідний сигнал датчика, який знаходиться в точці простору з радиус-вектором ат, в момент часу Г;

т(г,ат) - часова затримка вихідного сигналу датчика в точці простору з радиус-вектором а т , під час формування ДС, ориентованої в напрямку вектора

А{г,а^) - коефіцієнт затенення для датчика в точці простору з радиус-вектором а „, під час формування ДС, ориентованої в напрямку вектора 7, який враховує конструктивні особливості антени;

у(і,7) - сигнал на виході ДС, ориентованої в напрямку вектора 7, в момент часу І;

М - загальна кількість датчиків антени.

Для систем сигнальної обробки, які використовують дискретизовані по часу сигнали, вираз (1) може бути переписаний у вигляді:

м

(І)

г ;

у(п ■ Аі,г) = ^л(г,ат) ■ х(п ■ М - т{г,ат),ат)

(2)

де х(п ■ Аг,дт) - відлік вихідного сигнала датчика в точці простору з радиус-вектором а т , в момент часу п ■ Ді;

у(п ■ Дг, г) - сигнал на виході ДС, ориентованої а напрямку вектора г , в момент часу п- М.

Відміни між методами формування спрямованності у часовій області пов’язані з особливостями внесення затримок в дискретазовані вихідні сигнали датчиків антени. Серед методів формування спрямованості у часовій області практично використовуються:

1) метод найближчого відліку;

2) метод линійної інтерполяції; •

3) метод нелинійної інтерполяції;

4) інтерполяційний метод Придема-Муччі;

5) фазочасовий метод.

Завдяки задовільній точності та невисокої складності реалізації методи нелинійної інтерполяції та фазочасовий методи отримали найбільше поширення. Викладенню цих методів присвячені два підрозділи першого розділу.

Дискретне перетворення Гильберту (ДПГ), яке використовується у фазочасовому методі, є поширеною макрооперацією, яка реалізується в системах просторової обробки. Опис ДПГ також ввійшов в перший розділ.

Для систем просторової обробки, які розміщені на пересувних носіях та функціонують в умовах дії завад невід’ємними процедурами просторової обробки є стабілізація просторової ориентації ДС, що формуються та подавления шумових сигналів, які мають неоднорідне розподілення по просторовим координатам - локальних завад.

В залежності від етапу обробки методи стабілізації підрозділяються на:

1) методи стабілізації в просторі датчиків;

2) методи стабілізації в просторі ДС;

3) методи стабілізації в процесі формування спрямованності.

Існує два основні принципи просторової стабілізації ДС:

1) інтерполяція по просторовим координатам;

2) компенсація змін відносних затримок приходу сигналів по заданим напрямкам на різні датчики, зумовлені пересувами антени.

Інтерполяція по просторовим координатам найбільш підходить для стабілізації в просторі датчиків або в просторі ДС, а компенсація змін відносних затримок приходу сигналів на датчики, добре узгоджується з стабілізацією в процесі формування спрямованості.

Для подавления локальних завад під час формування спрямованості використовуються два основні методи:

1) адаптивне формування спрямованності [31,55, 56];

2) адаптивна компенсація завад [86]. .

При використанні антен з великою кількістю датчиків для реалізації адаптивного формування спрямованності використовується модифікований алгоритм Фроста, згідно якого ДС формуються у два етапи:

1) формування наборів парціальних ДС;

2) формування результуючих ДС у вигляді сум зважених сигналів на виходах парціальних ДС.

Адаптивна компенсація полягає в вилучені з сигналу на виході ДС складової, зумовленої дією локальних завад. Для виділення складової завади використовується адаптивна фільтрація сигналів ДС, обраних як опорні, або формуються режектуючі ДС, ориєнтовані в напрямку локальних завад.

Другий розділ присвячений викладенню підходів до побудови архитектур багатопроцесорових ОС ЦОС. Основним результатом досліджень, викладених в цьому розділі, є інженерна методика проектування архитектуры ОС ЦОС, яка реалізує заданий алгоритм обробки сигналів. Методика включає поетапно виконувані дії по синтезу архитектури ОС:

1) аналіз алгоритму обробки та визначення технічних вимог до ОС;

2) відображення алгоритму обробки на структуру ОС;

3) обрання принципів міжпроцесорних взаємодій;

4) реалізація керування обчисленнями в ОС;

5) оптимізація архитектури ОС за рахунок підвищення її однорідності та регулярності;

6) порівняльний аналіз різних архитектур ОС для визначення найбільш оптимальної відповідно обранної моделі аналізу.

Ісходними даними для аналізу є математичний опис алгоритму обробки, структур даних та часові характеристики процесу обробки. В результаті аналізу алгоритму обробки визначаються основні вимоги до ОС:

1) потрібна продуктивність, Р ,

2) потрібний обсяг пам’яті даних, V,

3) потрібна пропускна здатність для передачі даних, 5.

Потрібна продуктивність визначається за формулою:

Р = Ы-РЛ (3)

де N - кількість операцій, виконання якого необхідно для обрабки даних в одному інтервалі дискретизації Аг;

РА - частота дискретизації даних, що обробляються, РА = 1 / Аг.

Визначення потрібної продуктивності виконується по різним типам операцій. Для конкретних типів злементів можливо отримання інтегральної потрібної продуктивності за формулою:

Р потр = ^ ^ 1 Гі, (4)

І

де Рпотр - інтегральная потрібна продуктивність в еквивалентних елементарних операціях;

РІ - потрібна продуктивність по і -му типу операцій;

п: — кількість елементарних операцій, виконання яких за складністю еквивалентно виконанню однієї операції і -го типу.

Значення пі визначаються особливостями конкретних елементів.

Потрібний обсяг пам’яті даних визначається як сума:

V “V цх+У пр+У КОИСТ^^ ВИХ (V

де Увх— обсяг пам’яті, необхідний для зберігання вхідних даних;

УПР - обсяг пам’яти, необхідний для зберігання проміжних результатів;

Укоист - обсяг пам’яти, необхідний для зберігання констант;

Увих- обсяг пам’яти, необхідний для зберігання результатів обчислень.

Особливістю организації обчислень в ОС ЦОС с циклічне виконанім однотипних дій над элементами даних в різних інтервалах дискетизації. Згідно з цим Квд Кя, визначаються відповідно необхідності зберігання даних в одному інтервалі дискретизації.

Потрібна пропускна здатність Б є обсяг даних, що пересилаються в одиницю часу по лініях зв’язку, які з’єднують елементи системи, і представляє собою суму двох компонентів:

Вхідними даними для відображення алгоритму обробки на структуру ОС є опис алгоритму та характеристики елементів, що використовуються. Згідно з методикою, що пропонується, в граф алгоритму окрім вершин, які відповідають операціям, вводяться вершини, які відповідають даним, що обробляються.

Граф алгоритму обробки завжди с спрямований. Кожна його вершина-операція Р/ має як надходячі, так і виходячі дуги. Кожна вершина-дапні О/ має одну надходячу дугу та одну або декілька виходячих. Вєршини-данні, які відповідають вхідним даним та константам обробки, мають тільки виходячі дуги. Кожна вершина-данні, що відповідає результатам обробки, має одну надходячу дугу та жодної виходячої. Кожна дуга графу, що з’єднує

вершину-данні И] та вершину-операцію ^ та спрямована в бік вершини К/, задає використання даних Dj у якості аргументів операції Кожна дуга графу, що з’єднує вершину-данні Dj та вершину-операцію ^ та спрямована в бік вершини Лу, задає одержання даних Dj у якості результатів операції /г/. Граф алгоритму є двудольним, тобто будь-яка його вершина-операція є з’єднаною лише з вершинами-даними, а будь-яка вершнна-данні - лише з вершинами-операціями.

(6)

де 5Вх - пропускна здатність, необхідна для пересилки вхідних даних; Звих — пропускна здатність, необхідна для пересилки вихідних даних. Для визначення та ЯИих використовуються формули:

О)

Граф алгоритму описуєотримання результатів для деякого п-го інтервалу дискретизації, причому у якості вхідних даних використовуються вхідні данні алгоритму обробки для п-го та більш ранніх інтервалів дискретизацій', а також результати обробки, які були отримані в (п-І)-ь та більш ранніх інтервалах; .

де Х(п) - множина вхідних даних алгоритму в п-м інтервалі дискретизації;

ї(п) - множина результатів алгоритму в п-и інтервалі дискретизації; .

Р(...) - оператор перетворення вхідних даних в результати обробки згідно заданому алгоритму.

Кожній вершині-операції Рі ставляться у відповідністьпотрібна продуктивністьдля її реалізації - Р(Р[). Кожній вершині-даним Dj ставляться у відповідністьобсяг відповідних даних, які передаються в одному періоді обробки - У(0^, та потрібна пропускна здатність для передачі ціх даних $(Ор.

Граф алгоритму відображується на граф структури ОС в три етапи:

1) граф алгоритму приводиться до форми, яка узгоджується з характеристиками обробляючих вузлів (ОВ), що використовуються;

2) граф алгоритму перетворюється в граф структури ОС;

3) граф структури ОС оптимізується.

Граф алгоритму є узгодженим з характеристиками ОВ, якщо він задовольняє таким умовам:

1) для кожної вершини-операції і*/ виконується:

1) для вершин-даних Dj, які з’єднані з однією вершиною-операцією Fj виконується:

Y(n)=I (X(n)> X(n-1)......Y(n-l), Y(n-2),...)

(8)

Р(^)<Рои

(9)

X S(Dj) < Sob

і

де Ров - продуктивність, яку забезпечує одші ОВ; Sob - пропускна здатність, яку забезпечує один ОВ.

Приведения графа алгоритма до форми, узгодженої з характеристиками ОВ, відноситься до класу задач лінійного програмування. В залежності від конкретних умов проектувати ОС оптимальним рішенням цієї задачі є графи з мінімальною. кількістю вершин-ОВ, вершип-ЛЗ - (ліній зв’язку), загальної кількості вершин або які відповідають іншим вимогам. Узгодження графа алгоритму з характеристиками ОВ забезпечується за допомогою еквивалентних _ перетворень графу.

Під час перетворення графу алгоритму в граф структури ОС кожній вершині-операції /•’/ графу алгоритму ставиться у відповідають вершина-ОВ ОВ\ -графу структури ОС, а кожній вершині-даним Ну графу ачгоритму ставится у відповідність вершина-ВПД (вузол пам’яті даних) BПДj графа структури ОС. Крім того до графу структури ОС вводяться вершиии-ЛЗ ЛЗ^, які з’єднані дугами з вершинами-ОВ та вершинами-ВПД. Кожній вершині ОВі графу структури ОС, якій на графі алгоритму відповідає вершина і'’/, з’єднана з вершинами-даними й], ставляться у відповідність продуктивність Роя, та пропускна здатність /, причому

Ро*і = Р(Р0

Щ) 01)

і

Кожній вершині Л3]с, з’єднаній з вершиною ВПД/, якій на графі алгоритму відповідає вершина-данні /^, ставиться у відповідність пропускна здатність ^(773^, яка дорівіпоє $(Ор. Кожній вершині ВПДр якій на графі алгоритму відповідає вершина Ор ставиться у відповідністьобсяг даних, що зберігаються У(ВІЩ), який дорівнює У(Ор.

Після визначення структури засобів, які реалізують обробку, проектуються засоби управління обчисленнями в системі.

Для налаштування процесорів системи на узгоджене функціонування відповідно з заданим алгоритмом обробки необхідна, по-перше, інтерпретація управляючої інформації, по-друге, її поширення всім процесорам. Існує два основних варіанти організації вирішення ціх задач:

1) централізована інтерпретація управляючої інформації та наступна передача її всім процесорам, що налаштовуються;

2) інкапсуляція інтерпретації в процесорах системи.

Інкапсуляція інтерпретації управляючої інформації в процесорах системи, яка забезпечує більш високу надійність та гнучкість, реалізується при використанні кожним процесором інформації про місце його установки в системі для вибору з ПЗП погрібних пограм. При цьому реалізується єдиний алгоритм управління процесорами незалежно від задачі, яку вони вирішують в системі, що є сутгєвістю поліморфного протоколу управління.

Підвищення однорідності та регулярності структури ОС представляє собою оптимізацію структури системи, яка була одержана в результаті відображення алгоритму обробки па структуру ОС та визначення методів та засобів управління обчисленнями в системі. Для оцінки рівня однорідності ОС використовується коефіцієнт однорідності, який визначається по формулі:

гк

Ко.т= (12)

Ле

де І-загальна кількість типів компонентів системи;

Мі - кількість компонентів і'-го типу, які використовуються в системі;

Мі— загальна кількість компонентів в системі.

Оцінка рівня регулярності систем здійснюється за допомогою коефіцієнта регулярності, який визначається по формулі:

Кра— д, (13)

де /Уд - кількість базових фрагментів в структурі системи.

Доцільність оптимізації системи для підвищення однорідності та регулярності її структури слідує з того, що системи, які характеризуються більшими однорідністю та регулярністю, забезпечують меншу працемісткість та коштовність розробки, виготовлення та експлуатації, більш високі універсальність та надійність.

В третьому розділі представлені результати проектування ОС просторової обробки (ПО) на основі різних елементів та які реалізують різні алгоритми обробки. Серед розглянутах систем:

- ОС ПО з векторно-конвейєрною архитектурою на основі засобів з мікропрограмним управлінням;

- систолічна ОС ПО на основі засобів з мікропрограмним управлінням;

- систолічна ОС ПО на основі однорідного обчислювального середовища (ООС);

- ОС ПО на основі ЦПС.

Для побудови обробляючих вузлів векторно-конвейєрної ОС ПО в якості елементної бази були використані вузько-спеціалізовані елементи, які реалізують базові операції обробки (помножувачі, АЛП), а також елементи для створення мікропрограмованих систем (пристрої мікропрограмного управління). Реалізація базового обробляючого вузла на основі ВІС 1518ВЖЗ (помножувач-накопичувач) та 1804ВС1 (АЛП) визначає його пикову продуктивність на рівні 5 млн. операцій/с та пикову пропускну здатність на рівні 5 млн. слів/с.

В ОС ПО використовується поєднання распаралельовання по операціях (конвейєрізація) та по результатах обчислень (векторизація). В системі реалізуються обміни даними через буферні ОЗП з підтримкою на рівні мікропрограмного управління. Передача даних, що обробляються, здійснюється по магістральних лініях зв’язку.

До складу систолічної ОС ПО на основі засобів з мікропрограмним управлінням надходять 8 процесорів, ОЗП та пристрій управління (ПУ). Кожний з процесорів містить в собі блок мікропрограмного управління, обробляючий вузел та два вузли пам’яті даних. Процесори систолічної ОС ПО реалізовані з використанням тієї ж самої елементної бази, що і обробляючі вузли векторно-конвейєрної ОС ПО (ВІС помножувача-накопичувача 1518ВЖЗ, АЛП 1804ВС1), що зумовлює їх східні технічні характеристики. Внутрішня структура процесорів забезпечує можливість побудови на їх базі ОС ЦОС широкого класу архитектур, які містять будь-яку кількість процесорів. Важливою особливістю процесорів є спроможність кожного з них одночасно виконувати обробку даних,

які зберігаються во внутрішніх вузлах пам’яті даних, та здійснювати обмін даними з зовнішніми пристроями.

Елементною базою для систолічної ОС ПО на основі ООС є ВІС однородного обчислювального середовища (ООС) “Райта-5” та ВІС однородного запам’ятовуючого середовища (ОЗС) “Райта-6”. Незважаючи на високу однорідність та регулярність, завдяки невеликої швидкодії використаних елементів (тактова частота не більш ніж 2,5 МГц), а також завдяки складності програмування ООС та ОЗС данна система поступається по технічним характеристикам ОС ПО, які реалізовані на іншій елементній базі.

Під час проектування ОС ПО на основі ЦПС були розглянуті варіанти реалізації на базі ЦПС типа ТМ8320С25 та ТМ8320С40. При використанні ЦПС типа ТМ8320С25 в якості основних структурних компонентів були використані вузли двох типів: обробляючі вузли (ОВ), кожен з которих містить один ЦПС, та вузли двовходових запам’ятовуючих пристроїв (ЗП), до складу кожного з яких надходять ОЗП та ПЗП. ОС ПО на основі ЦПС типа ТМ8320С25 характеризується високим ступенем однорідності вузлів, які надходять до її складу, та використаних інтерфейсів ліній передачі інформації. Індивідуальне програмування кожного ОВ, а також розвинута система команд ЦПС забезпечують універсальність системи та можливість реалізації в ній широкого класу обчислювальних алгоритмів.

За рахунок більш високої продуктивності (25 млн. операцій/с проти 10 млн. операцій/с) та функціональності ЦПС типа ТМ8320С40 ОС ПО на їх базі мають менші масо-габаритні характеристики та більш високу однорідність.

В четвертому розділі представлені результати проектування ОС обробки гідроакустичних сигналів, орієнтованої на використання у складі комплексу, розташованого на рухомому носії, та реалізує комплексну обробку сигналів, які поступають від гідроакустичної антени, в тому числі і просторову обробку.

В склад пристрою ЦОС, який надходить до системи, надходять 25 ідентичних ОВ на основі ЦПС типа ТМ8320С25 та 5 двовходових ЗП, кожен з яких містить в собі ОЗП та ПЗП.Розроблено спеціфікації інтерфейсів передачі даних та управляючої інформації, а також укрупнений алгоритм функціонування системи.

Відомості, наведені в четвертому розділі, відповідають технічним рішенням, які були закладені під час робочого проектування реальної ОС ЦОС та достовірність яких підтверджується моделюванням та макетуванням.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Запропоновано иідходи до побудови архитектур багатопроцесорових ОС обробки гідроакустичних сигналів з регулярною структурою на основі ЦПС типа ТМ8320.

2. Запропоновано методику інженерного синтезу структур ОС просторової обробки гідроакустичних сигналів, яка враховує особливості обчислень в реальному часі (осяги та часові характеристики даних, що обробляються) та архитектуру ЦПС, що використовуються (продуктивність, пропускну здатність каналів обміну, час доступу до оперативної пам’яті та її організацію), яка включає до себе аналіз алгоритму обробки, формули для розрахунку потрібної продуктивності, обсягу пам’яті даних та пропускної здатності для обчислювальних засобів, та відображення алгоритму на структуру обчислювальної системи, яка його реалізує.

3. Розроблено реалізацію механізмів міжпроцесорної взаємодії в ОС обробки гідроакустичних сигналів на основі буферизованого обміну даними (для взаємодії обчислювальних процесів реального часу з детермінованою часовою діаграмою в основних режимах функціонування систем) та небуферизованого обміну (для задач управління та контролю).

4. Запропоновано метод управління багатопроцссоровими ОС обробки гідроакустичних сигналів (ініціалізація, налаштування на режим функціонування) на основі поліморфного протоколу з використанням інкапсуляції механізму інтерпретації управляючої іяформації в процесорах системи.

5. Запропоновано технічні критерії однорідності та регулярності, які дозволяють кількісно оцінити складність існуючих систем та тих, що проектуються.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Барицкий А.К., Глазьев В.И., Зацерковский Р.А., Черкасов Д.И. Методы интерполяции в задачах пространственной обработки сигналов. -Судостоительная промышленность, сер. Радиолокация, 1991, вып. 29с. ■

2. Галка В.И., Крамской В.В., ХоменкоП.Г., Черкасов Д.И. ОЗУ с исправлением ошибок. - А. с. 1674269 СССР. Заявлено: 14.11.88; опубл. 1.05.91.

3. В.В.Крамской, Д.И.Черкасов, В.И.Галка, П.Г.Хоменко. Многопроцессорная система обработки информации на основе однокристальных ЦПС. Применение микроконтроллеров на базе ОМ ЭВМ, БМК, ПЛИС в народном хозяйстве. Тезисы докладов семинара, 20-21 апреля 1993 года, г. Киев. ■ •'

4. Крамской В.В., Иванов М.Ю., Черкасов Д.И. Управление вычислениями в многопроцессорных системах. - Друга Українська Конференція з автоматичного керування “Автоматика-95”. 26-30 вересня 1995 р. Праці. Том 1. с. 26-27.

Черкасов Д.И. Разработка и исследование высокопроизводительных систем пространственной обработки с регулярной структурой (рукопись).

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии, Институт проблем моделирования в энергетике, ИЛИ Украины, Киев, 1998 г.

Разработаны подходы к проектированию многопроцессорных систем пространственной обработки реального времени, включающие формальное отображение графа алгоритма обработки в іраф структуры системы.

Предложены пути организации управления многопроцессорной системой на основе ЦПС, межпроцессорного взаимодействия, обмена обрабатываемыми данными. Представлены количественные критерии для оценки уровня регулярности и однородности систем.

Ключевые слова: пространственная обработка, системы обработки

сигналов, системы реального времени, многопроцессорные системы,

однородность, регулярность.

Черкасов Д.І. Розробка та дослідження високопродуктивних систем просторової обробки з регулярною структурою

Дисертація на зпоіпукання вченого ступіню кандидата технічних наук з спеціальності 05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології, Інститут проблем моделювання в енергетиці, ІіАН України, Київ, 1998 р.

Розроблено підходи до проектування многопроцесорних систем

просторової обробки реального часу, які включають до себе формальне відображення графу алгоритму обробки в граф структури системи.

Запропоновано шляхи організації управління багатопроцесоровою системою на основі ЦПС, міжпроцесорної взаємодії, обміну даними, що обробляються. Представлені кількісні критерії для оцінки рівня регулярності та однорідності систем.

Ключові слова: просторова обробка, системи обробки сигналів, системи реального часу, багатопроцесороиі системи, однорідність, регулярність.

Cherkasov D.I. Development and investigation of the high-performance beamforming systems with a regular structure (manuscript).

Dissertation for candidate degree of technical sciences by speciality 05.13.06 -control systems and advanced information technologies, Institute of Simulation Problems in Power Engineering, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1998.

Methods for the developing of the real-time multiprocessor beamforming systems are presented, including formal conversion of the graph of procession algorithm into the graph of the system’s structure. Ways for system control, interprocessor communication, data being processed exchange are offered. Numerical criteria for system regularity and homogenity evaluating are presented.

Keywords: beamforming, digital signal processing systems, real-time systems, multi-processor systems, homogenity, regularity.