автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка инструментальных средств отработки блоков информационно-измерительных и управляющих систем с использованием оптоэлектронных процессоров

На правах рукописи

Соловьёв Сергей Юрьевич

РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ОТРАБОТКИ БЛОКОВ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕССОРОВ

Специальности 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (авиационная и ракетно-космическая техника) и 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена на кафедре «Приборы и измерительно-вычислительные комплексы» Московского авиационного института (государственного технического университета).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Егоров Александр Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Хахулин Геннадий Фёдорович

кандидат технических наук Евстропов Герман Алексеевич

Ведущая организация:

ОАО «Концерн радиостроения «Вега»

Зашита диссертации состоится «_»_2005 г. в_час. на

заседании диссертационного Совета Д212.125.11 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, просьба направлять по адресу: 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.

Автореферат разослан «_» 2005 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

Ю.В. Горбачёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) характеризуется значительным ростом объёмов используемой информации и усложнением алгоритмов её обработки, что требует существенного повышения производительности входящих в их состав вычислительных устройств (ВУ). ВУ современных ИИУС строятся, как правило, на основе 16- и 32-разрядных микропроцессоров (МП). При разработке высокопроизводительных ИИУС реального времени (РВ), решающих такие сложные задачи, как обработка сигналов и изображений, распознавание образов, аэрокосмическая навигация и ряда других, их производительность зачастую является ограничительным фактором по отношению к характеристикам ИИУС в целом.

Одной из наиболее перспективных альтернатив электронным МП в ИИУС являются оптоэлектронные устройства обработки информации (УОИ), в терминологии вычислительной техники называемые оптоэлектронными процессорами (ОЭП). Современные ОЭП являются специализированными вычислителями. В высокопроизводительных ИИУС РВ наиболее востребованы оптоэлектронные линейно-алгебраические процессоры (ОЭЛАП), выполняющие такие операции линейной алгебры, как умножение вектора на матрицу, скалярное произведение, линейная комбинация векторов. Эти операции используются в таких алгоритмах, как преобразование Фурье, цифровая фильтрация, реализация многослойных нейронных сетей и др. Практическое воплощение ОЭЛАП позволяет достичь вычислительной производительности до 1013... 1015 оп/с уже при современном уровне технологии.

Несмотря на имеющиеся достижения, исследования в области построения ИИУС на основе оптоэлектронных УОИ, а также разработки их алгоритмического и аппаратного обеспечения носят разобщённый характер. Фундаментальные исследования посвящены физическим аспектам работы оптоэлектронных элементов (ОЭЭ) и узлов. Решены частные проблемы создания ряда специализированных оптоэлектронных УОИ, например, ОЭП радиосигналов, акустооп-

тических сигнальных процессоров, реализации оптоэлектронных нейронных сетей. Тем не менее, до настоящего времени не существует формализованных методик проектирования и комплексных инструментальных средств разработки оптоэлектронных УОИ как элементов высокопроизводительных ИИУС.

Первым шагом на пути к созданию инструментальных средств проектиро,-вания ОЭЛАП для высокопроизводительных ИИУС РВ является разработка математических моделей (ММ) ОЭЭ, т. к. исследование процессов обработки информации в ОЭЛАП не может быть проведено без учёта характеристик элементной базы. В таких моделях должны быть отражены статические, динамические и стохастические свойства элементов с точки зрения процессор преобразования информации и влияния на них условий функционирования и внешних факторов. Для обозначения этих ММ в диссертационной работе используется термин «математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств».

Моделирование процессов обработки информации в ОЭЛАП на основе ММ

ОЭЭ как информационных устройств позволяет выполнять сравнительный анализ различных алгоритмов обработки информации и подбор элементной базы для их реализации без необходимости изготовления дорогостоящих натурны,х макетов и тестовых интегральных оптоэлектронных микросхем. Полученные алгоритмические и аппаратные решения могут использоваться при проектировании ОЭЛАП в интегральном исполнении и их применении в ИИУС, Создание программно-аппаратных комплексов, способных поддерживать процессы моделирования с такими свойствами, является актуальной задачей, и именно её решению посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель диссертационной работы - разработка программно-алгоритмического обеспечения и методики моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП и создание программно-аппаратного комплекса, представляющего собой инструментальное средство поддержки методики моделирования.

Объектом исследования в данной работе являются высокопроизводительные ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП.

Предмет исследования - программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП, позволяющий в процессе проектирования ИИУС осуществлять комплексное моделирование работы ОЭЛАП по заданному алгоритму, аппаратную отработку алгоритмов на натурном стенде и выработку требований для реализации ОЭЛАП в интегральном исполнении.

Задачи диссертационной работы:

- разработка математических моделей ОЭЭ как информационных устройств;

- анализ алгоритмов векторно-матричного перемножения в ОЭЛАП и разработка моделей алгоритмов векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП;

- разработка методики моделирования процессов обработки информации в ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП;

- разработка программно-аппаратного комплекса для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП, являющегося инструментальным средством поддержки методики моделирования;

- разработка натурного стенда оптоэлектронного векторно-матричного перемножителя (ОВМП);

- экспериментальная проверка предложенной методики моделирования на основе натурных экспериментов.

Методы исследования, применённые в работе, базируются на методах математического моделирования сложных динамических систем, функционирующих в непрерывном и дискретном времени, методах анализа параллельных алгоритмов вычислений, методах теории алгоритмов, методах теории случайных процессов и методах экспериментальных исследований.

Научная новизна диссертационной работы в области информационно-измерительных и управляющих систем состоит в следующем

- разработаны математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств с учетом их стохастических свойств,

- предложена методика моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ОЭЛАП с использованием разработанных математических моделей,

- разработан алгоритм оценки влияния отклонении параметров работы оптоэлектронных элементов от номинальных значений на точностные характеристики ОЭЛАП

Научная новизна диссертационной работы в области элементов и устройств вычислительной техники и систем управпения систем состоит в разработке моделей алгоритмов вычислений в ОЭЛАП в форме информационных графов

Научные результаты выносимые на защит)

- математические модели оптоэлектронных элементов ОЭЛАП как информационных устройств с учетом их стохастических свойств,

модели алгоритмов векторно матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАН, в форме информационных графов,

- методика моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП, базирующаяся на использовании ММ оптоэлектронных элементов как информационных устройств и моделей алгоритмов обработки информации

- структура программно-аппаратного комплекса для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП

Практическое значение полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем

- создано программное обеспечение реализующее разработанные математические модели и предложенную методику моделирования, позволяющее

автоматизировать проектирование ОЭЛАП для высокопроизводительных ИИУС РВ;

- создан программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП;

- с использованием созданного программно-аппаратного комплекса проведена отработка ОВМП, работающего по алгоритму цифрового перемножения путём аналогового преобразования DMAC (Digital Multiplication via Analog Convolution);

- создано аппаратное и программное обеспечение электронной части натурного макета ОВМП.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением математического аппарата и экспериментальной проверкой адекватности предложенных моделей и эффективности методики моделирования, выполненной на натурном макете ОВМП, работающего по алгоритму DMAC.

Внедрения и реализация в промышленности. Основные результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ в ОАО «Концерн радиостроения «Вега», о чём имеется соответствующий акт о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на XI и XII международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (2002 г., 2003 г.), 11-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2004» и VII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (2004 г.), а также обсуждались на заседаниях кафедры «Приборы и измерительно-вычислительные комплексы» Московского авиационного института.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы полностью отражены в 2 статьях, 5 трудах и тезисах докладов международных и всероссийских конференций и семинаров, а также 8 отчётах о НИР.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и четырёх приложений. Общий объём работы составляет 223 страницы, включая 89 рисунков и 21 таблицу. Список использованных источников содержит 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даётся общая характеристика работы, сформулированы основные цели и вытекающие из них задачи исследования, указаны объект, предмет и методы исследования, приведён обзор исследований по рассматриваемой тематике, отражены актуальность, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу состояния вопроса моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП, для чего рассмотрены характеристики, классификация и конструктивно-технологические особенности ОЭП и исследованы возможности использования различных видов и схем моделирования.

Обобщённая структурная схема ОЭП приведена на рис. 1. В соответствии с видами информационных сигналов в составе ОЭП можно выделить две части - электронную и оптическую.

Электронная часть ОЭП представляет собой устройство управления и преобразования данных (УУПД), обеспечивающее ввод данных в оптическую часть ОЭП, вывод данных из оптической части ОЭП с последующим преобразованием к требуемому виду и обмен информацией с внешними устройствами. Взаимодействуя с элементами оптической части ОЭП, УУПД реализует заданный алгоритм вычислений.

Оптическая часть ОЭП представляет собой совокупность источников, пространственно-временных модуляторов и приёмников излучения, а также линзовых систем Источники и модуляторы излучения используются для ввода и преобразования информации Приёмники изучения служат для преобразования полученных результатов в электрические сигналы Линзовые системы обеспечивают формирование необходимых распределений излучения в плоскостях модулятора и приемников излучения

Рис. I. Обобщенная структурная схема ОЭП

В диссертационной работе исследовались ОЭП, выполняющие операции линейной алгебры - ОЭЛАП

Модель ОЭЛЛП может быть представлена в виде совокупности величин, описывающих процесс функционирования реального устройства и образующих следующие подмножества, совокупность входных воздействий

СОВОКУПНОСТЬ ВОЗДеЙСТВИЙ гг,рттт.т _

ут е V, т = 1, и, ,

совокупность внутренних (соб ' - к

Иг €//,/• = 1, п„

и совокупность выходных пер............ .

>,, е К, <7 = 1, Пу

Переменные х:, \т, Иг, и уч содержат как детерминированные, так и стохастические составляющие. При моделировании ОЭЛАП элементы векторов входных воздействий Х(/) = (.с, (1),х2 (/),... тх„1 (/)), воздействий внешней среды

и внутренних переменных модели являются независимыми переменными, элементы вектора выходных переменных = (у,(1),у2(!),..., V,, (О) зависимыми переменными. Процесс функционирования во времени описывается оператором F, который преобразует входные переменные в выходные:

и называется законом функционирования ОЭЛАП. Закон функционирования ОЭЛАП определяется его архитектурой, характеристиками элементов и используемым алгоритмом вычислений.

Проведённый анализ схем моделирования показал, что для моделирования алгоритмов обработки информации в ОЭЛАП целесообразно использовать комбинированные схемы, сочетающие непрерывно-стохастические аналитические ММ оптоэлектронных элементов и дискретно-детерминированное описание алгоритма вычислений в форме информационного графа.

Во второй главе диссертационной работы приведены разработанные ММ элементов ОЭЛАП: лазерных диодов (ЛД), пространственно-временных модуляторов света (ПВМС) и фотоприёмников (ФП), а также модели алгоритмов векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП.

Для представления свойств ОЭЭ при моделировании алгоритмов вычислений в ОЭЛАП предложено использовать ММ оптоэлектронных элементов как информационных устройств. ММ оптоэлектронного элемента как информационного устройства, осуществляющего преобразование информативного параметра входного сигнала в информативный параметр выходного сигнала, представляет собой совокупность статических S, динамических D и стохастических Р характеристик (рис. 2):

Рис. 2. Структура математический мобели оптоэлектронного элемента как информационного устройства

Статические характеристики ОЭЭ используются при верификации и отработке алгоритма обработки информации. Статические характеристики описываются алгебраическими уравнениями, связывающими информативные параметры входных и выходных информационных сигналов.

Динамические характеристики необходимы для определения максимального быстродействия и предельных точностных характеристик ОЭЛАП, ограниченных динамическими искажениями информационных сигналов. Динамические характеристики описываются передаточными функциями.

Стохастические характеристики учитывают наличие шумов и случайных флуктуации параметров элементов и служат для оценки их влияния на точностные характеристики ОЭЛАП. Шумы и флуктуации представляются случайными процессами, являющимися аддитивными составляющими информативных параметров выходных сигналов элементов и задаваемыми своими корреляционными функциями (спектральными плотностями мощности).

Модель алгоритма вычислений задаётся в форме детерминированного ациклического информационного графа, описывающего обработку информации на уровне элементарных операций с данными с учётом способа её кодирования. В диссертационной работе в виде информационных графов представлены алгоритмы векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП.

Операция векторно-матричного перемножения требует значительных вычислительных затрат. Для повышения скорости выполнения этой операции предложены различные алгоритмы. Последовательные алгоритмы (алгоритм Винограда, алгоритм Штрассена) основаны на возможности сокращения числа

операций умножения за счет увеличения количества операций сложения Параллельные алгоритмы используют принцип совмещения во времени различных вычислительных операций Для реализации в ОЭЛАП наиболее подходят параллельные алгоритмы векторно-матричного перемножнения

В базовой архитектуре оптоэлектронного векторно-матричного перемножителя (ОВМП) внутренний параллелизм операции векторно-матричного произведения учтен на уровне топологии связей между элементами оптической части процессора (рис 3)

Рис. 3. Базовая архитектура ОВМП

ОВМП базовой архитектуры состоит из линейки ЛД (ЛЛД), ПВМС, линейки ФП (ЛФП) и двух линзовых систем ЛЛД и ПВМС предназначены для ввода значений элементов матрицы и вектора или разрядов их кодовых представлений Результаты вычислений снимаются с ЛФП, составляющих фотоприемное устройство (ФПУ) С помощью линзовой системы ЛС1 каждый ЛД освещает соответствующую строку ПВМС Линзовая система ЛС2 осуществляет оптическое суммирование световых потоков в столбцах ПВМС и отображение полученного результата на соответствующий элемент ЛФП Информативным параметром оптического сигнала является интенсивность излучения

Основными алгоритмами вычислений для ОВМП базовой архитектуры являются:

- аналоговый алгоритм;

- алгоритм DMAC с временным интегрированием;

- алгоритм DMAC с пространственным интегрированием;

- алгоритм DMAC с частотным разделением каналов.

В аналоговом алгоритме используется аналоговое представление элементов матрицы и вектора. За счёт топологии информационных связей между каналами обработки данных в ОВМП базовой архитектуры при аналоговом представлении данных за один такт вычислений реализуется выполнение классического алгоритма перемножения матрицы и вектора.

Алгоритм DMA С состоит в получении дискретной свёртки последовательностей цифр, представляющих перемножаемые числа в некоторой системе счисления. Полученная последовательность интерпретируется как запись результата умножения в смешанном коде. В алгоритме DMAC с временным интегрированием на каждом такте работы сигналы ФП преобразуются в цифровой код и подвергаются временному и пространственному весовому суммированию. В алгоритме DMAC с пространственным интегрированием используется обратный порядок суммирования. В алгоритме DMAC с частотным разделением каналов за счёт использования многочастотных ПВМС,'ЛД и ФП количество тактов вычислений уменьшается в d раз, где d- количество частот ПВМС.

В третьей главе диссертационной работы приведено описание разработанной методики моделирования и программно-аппаратного комплекса для отработки алгоритмов обработки информации в ОЭЛАП, а также представлен анализ вычислительной производительности ОВМП.

Цель моделирования процессов обработки информации в ОЭЛАП состоит в определении характеристик процессора при реализации определённого алгоритма с учётом характеристик элементной базы и выработке требований для разработки ОЭЛАП исследуемой архитектуры в интегральном исполнении.

Наиболее важными характеристиками ОЭЛАП как элемента ИИУС являются вычислительная производительность и ошибки вычислений. Требования к реализации ОЭЛАП в интегральном исполнении выражаются в диапазонах допустимых значений параметров элементов, топологии связей между элементами по оптическим и электронным каналам и конфигурациях электронной части.

Методика моделирования алгоритмов вычислений в ОЭЛАП состоит в следующем.

1. Проводятся испытания ОЭЭ с помощью автоматизированного комплекса для исследования параметров оптоэлектронных элементов и узлов. По результатам испытаний выполняется идентификация параметров ММ ОЭЭ как информационных устройств.

2. Осуществляется математическое моделирование алгоритмов обработки информации в ОЭЛАП на базе комплексной ММ ОЭЛАП, включающей разработанные модели ОЭЭ, а также модели электронных устройств и модель алгоритма вычислений.

3. По результатам моделирования определяются характеристики ОЭЛАП и требования к аппаратным средствам ОЭЛАП.

4. В соответствии с выработанными требованиями к аппаратным средствам строится объёмный макет ОЭЛАП.

5. Проводятся натурные эксперименты с макетом ОЭЛАП, включённым в состав целевой ИИУС или её макета. Определяются характеристики ОЭЛАП по результатам натурного эксперимента, позволяющие оценить соответствие требованиям технического задания.

С помощью предложенной методики было произведено сравнение различных алгоритмов вычислений для ОЭЛАП одной архитектуры, а также сравнение различных архитектур ОЭЛАП. Основным критерием при сравнении различных алгоритмов является минимальное время выполнения вычислений при заданной величине допустимой ошибки. При этом ошибка вычислений с может быть оценена как

Е = £(/?,"-Л,О,

где V - набор тестовых данных; V, - /-я компонента набора тестовых данных;

/?," - результат вычислений ОЭЛАП; Л|' - точный результат вычислений.

Инструментальным средством поддержки методики моделирования является программно-аппаратный комплекс для отработки алгоритмов вычислений в ОЭЛАП, обеспечивающий исследование характеристик ОЭЭ, математическое моделирование алгоритмов обработки информации и натурные эксперименты с ОЭЛАП исследуемой архитектуры в объёмном варианте (рис. 4).

Рис. 4. Структура программно-аппаратного комплекса Оля отработки алгоритмов обработки информации в О ЭЛАП

Программно-аппаратный комплекс включает следующие элементы:

- автоматизированный комплекс для исследования параметров оптоэлек-тронных элементов и узлов;

- натурный стенд ОЭЛАП,

- инструментальную систему математического моделирования на основе пакета MATLAB, включающую модели ОЭЭ, модели электронных устройств и модели алгоритмов вычислений;

программное обеспечение для планирования испытаний оптоэлектрон-ных элементов, проведения измерений и обработки их результатов.

Программно-аппаратный комплекс является открытым, т. е. его содержательное наполнение может быть расширено путём введения новых ММ элементов и алгоритмов обработки информации при сохранении единой методики моделирования. Применение предложенной методики моделирования и программно-аппаратного комплекса позволяет сократить временные и материальные затраты на разработку ОЭЛАП для высокопроизводительных ИИУС РВ.

Анализ вычислительной производительности ОВМП показал, что для однотипной элементной базы минимальное время вычислений обеспечивает аналоговый алгоритм. Во всех алгоритмах значительной составляющей времени вычислений является длительность загрузки ПВМС. В алгоритмах DMAC существенное значение имеет организация обработки данных в электронной части устройства. Благодаря совершенствованию технологии производства ОЭЭ технически реализуемыми являются следующие параметры ОВМП: тактовая частота - до десятков гигагерц, размерность матрицы - до [1024x1024], размерность вектора-до 1024 элементов.

В четвёртой главе диссертационной работы представлены результаты экспериментальной проверки предложенной методики моделирования. Проверка проведена для случая перемножения матрицы размером [8x8] на вектор-столбец из 8 элементов на примере аналогового алгоритма, алгоритма DMAC с временным интегрированием и алгоритма DMAC с пространственным интегрировани-

ем. В качестве ПВМС используется многоканальный акусгооптический модулятор. Статические и динамические параметры математических моделей ОЭЭ определены по результатам их испытаний с помощью автоматизированного комплекса для исследования параметров оптоэлектронных элементов и узлов.

С использованием полученных значений параметров выполнено математическое моделирование алгоритмов обработки информации в ОВМП на базе комплексной ММ, включающей полученные модели ОЭЭ, а также модели электронных устройств и модель алгоритма вычислений. ММ ОВМП создана в среде пакета MATLAB версии 6.5 с использованием средства моделирования динамических систем Simulink. Моделирование случайных процессов осуществлено по методу формирующего фильтра с применением рекурсивного цифрового фильтра (БИХ-фильтра), задаваемого нулями и полюсами передаточной характеристики. Обработка результатов математического моделирования проводилась по методу независимых прогонов модели.

По результатам моделирования определены характеристики ОВМП и требования к его элементам. Установлено, что типичными факторами, которые приводят к ошибкам вычислений, являются отклонения параметров элементов от номинальных (расчётных) значений и шумы в различных элементах ОВМП. При этом алгоритмы DMAC менее чувствительны к отклонениям параметров электронных блоков и ОЭЭ от номинальных значений по сравнению с аналоговым алгоритмом. Это свойство алгоритмов DMАС обеспечивает коррекцию относительно малых температурных, временных и других флуктуации параметров элементов. Коррекция ошибок, вызванных погрешностями параметров элементов может также осуществляться путём подбора индивидуальных коэффициентов каналов управления элементами.

В соответствии с полученными резулыатами для практической реализации ОВМП выбран алгоритм DMAC. Натурный макет ОВМП, работающего по алгоритму DM АС, создан в рамках НИР «Решётка» для случая перемножения матрицы размером [8x8] на вектор-столбец, содержащий 8 элементов. Тактовая частота работы макета ОВМП - 20 МГц. Натурные испытания макета ОВМП подтвердили адекватность предложенных моделей и методики моделирования.

Таким образом, алгоритм DMAC может быть использован для построения ОВМП для высокопроизводительных ИИУС РВ, например, ИИУС фазированной антенной решётки. Точностные возможности такого УОИ ограничены шумами в оптической части и аналоговым характером операций в ней. Обязательным условием достижения приемлемых погрешностей является коррекция параметров элементов в процессе вычислений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе получены следующие основные выводы и результаты.

1. Разработаны ММ оптоэлектронных элементов как информационных устройств, представляющие собой совокупность статических, динамических и стохастических характеристик.

2. Проведена формализация алгоритмов векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП в форме детерминированного ациклического информационного графа, описывающего обработку информации на уровне элементарных операций с данными с учётом способа её кодирования.

3. Предложена методика отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с применением ОЭЛАП, основанная на использовании его дискретно-непрерывной детерминировано-стохастической ММ, включающей ММ ОЭЭ как информационных устройств, модели электронных блоков и модель алгоритма вычислений. Конкретизация ММ ОЭЭ производится на основе их испытаний, что позволяет учесть реальные характеристики элементной базы. Применение предложенной методики позволяет определить характеристики процессора и выработать требования для его реализации в интегральном исполнении.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП, являющийся инструментальным средством поддержки методики моделирования.

5. Проведена экспериментальная проверка предложенной методики для случая перемножения матрицы размером [8x8] на вектор-столбец размером [8x1]. Проверка показала, что алгоритмы DMАС наименее чувствительны к отклонениям параметров электронных блоков и ОЭЭ от номинальных значений. При этом вариант алгоритма DMAC с временным интегрированием является более предпочтительным, т к. при этом требуются меньшие объёмы памяти и достигается большая универсальность и вычислительная эффективность.

6. Сформировано описание аппаратно-алгоритмической конфигурации электронной части ОЭЛАП на языке VHDL, реализующее алгоритм DMAC с временным интегрированием. Описание может быть использовано для проектирования заказной БИС при реализации ОЭЛАП в интегральном исполнении.

7. Создан натурный макет ОВМП, работающего по алгоритму DMAC. Сравнение результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными с помощью макета ОВМП, подтверждают адекватность предложенной

'Методики моделирования. Исследования показали, что алгоритмы DMAC могут быть использованы для построения ОВМП для высокопроизводительных ИИУС РВ. Обязательным условием достижения требуемой точности является коррекция флуктуации параметров элементов в процессе вычислений по алгоритму DMAC

8. Применение предложенной методики моделирования позволяет сократить временные и материальные затраты на проектирование высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Егоров А.А., Павлова Н.В., Сардарян А.В., Соловьёв СЮ. Анализ вычислительного алгоритма и точностных характеристик оптоэлектронных процессоров на основе имитационного моделирования // Труды XI международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». - Алушта: МГАПИ, 2002. - с. 115-116.

2. Егоров А.А., Паппэ Г.Е., Соловьёв С Ю . Программно-аппаратная реализация электронной части оптоэлектронного процессора, работающего по алгоритму DMAC // Труды XI международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». - Алушта: МГАПИ, 2002. - с. 116-117.

3. Егоров А.А., Павлова Н.В., Сардарян А.В., Соловьёв СЮ. Применение современных программных пакетов при моделировании гибридных вычислительных устройств // Труды XII международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». - Алушта: МГАПИ, 2003. - с. 342-343.

4. Паппэ Г.Е., Егоров А.А., Соловьёв С.Ю., Сардарян А.В. Имитационное моделирование вычислительного алгоритма оптоэлектронного процессора // Авиакосмическое приборостроение. - № 9. - 2003. - с. 2-10.

5. Егоров А.А., Соловьёв СЮ. Программирование оптоэлектронных век-торно-матричных процессоров с использованием языков описания аппаратуры // Тезисы докладов 11-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2004». - М.: МИЭТ, 2004.

6. Паппэ Г.Е., Радоминов О.А., Егоров А.А., Парамонов В.В., Соловьёв СЮ. Аппаратно-программная реализация макета оптоэлектронного процес-

сора, работающего по алгоритму БМЛС // Авиакосмическое приборостроение. -№7. -2004. - с. 16-23.

7. Соловьёв СЮ. Моделирующий комплекс для отработки алгоритмов вычислений в оптоэлектронных линейно-алгебраических процессорах // Тезисы докладов VII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». -- Сочи: МГАПИ, 2004.

Формат 30x42 Бумага типографская № 1. Печать офсетная. Печ. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ 26 125080, Москва, Волоколамское ш., 11 Издательский комплекс МГУПП

(£</2-сЖ/А

Перечень сокращений.

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1. Оптоэлектронные устройства обработки информации как элементы информационно-измерительных и управляющих систем.

1.1.1. Анализ алгоритмов обработки информации в информационно-измерительных и управляющих системах и средств их реализации.

1.1.2. Характеристика оптоэлектронных процессоров.

1.1.3. Классификация оптоэлектронных процессоров.

1.1.4. Конструктивно-технологические особенности процессоров.

1.1.5. Средства программирования оптоэлектронных процессоров в информационно-измерительных и управляющих системах.

1.2. Анализ методов и средств моделирования процессов обработки информации с использованием оптоэлектронных линейно-алгебраических процессоров.

1.2.1. Виды моделирования.

1.2.2. Обобщённое описание модели оптоэлектронного линейно-алгебраического процессора.

1.2.3. Типовые схемы моделирования.

1.2.4. Способы описания алгоритмов.

1.2.5. Выбор способа моделирования.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ И АЛГОРИТМОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЛИНЕЙНО-АЛГЕБРАИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОРАХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

2.1. Структура математических моделей оптоэлектронных элементов как информационных устройств.

2.2. Математическая модель полупроводниковых лазерных диодов.

2.2.1. Физические основы работы полупроводниковых лазерных диодов.

2.2.2. Модель полупроводниковых лазерных диодов, учитывающая статические свойства.

2.2.3. Модель полупроводниковых лазерных диодов, учитывающая динамические свойства.

2.2.4. Модель полупроводниковых лазерных диодов, учитывающая стохастические свойства.

23. Математическая модель пространственно-временных модуляторов света.

2.3.1. Физические основы работы пространственно-временных модуляторов света.

2.3.2. Модель пространственно-временных модуляторов света, учитывающая статические свойства.

2.3.3. Модель пространственно-временных модуляторов света, учитывающая динамические свойства.

2.3.4. Модель пространственно-временных модуляторов света, учитывающая стохастические свойства.

2.4. Математическая модель приёмников излучения.

2.4.1. Физические основы работы приёмников излучения.

2.4.2. Модель приёмников излучения, учитывающая статические свойства.

2.4.3. Модель приёмников излучения, учитывающая динамические свойства.

2.4.4. Модель приёмников излучения, учитывающая стохастические свойства.

2.5. Модели электронных устройств оптоэлектронных линейно-алгебраических процессоров.

2.5.1. Аналого-цифровые преобразователи.

2.5.2. Цифро-аналоговые преобразователи.

2.5.3. Цифровые вычислительные устройства.

2.6. Анализ операции векторно-матричного перемножения.

2.6.1. Математическое описание операции векторно-матричного перемножения.

2.6.2. Последовательные алгоритмы матричного перемножения.

2.6.3. Параллельные алгоритмы матричного перемножения.

2.7. Алгоритмы векторно-матричного перемножения в оптоэлектронных линейно-алгебраических процессорах.

2.7.1. Базовая архитектура оптоэлектронного векторно-матричного перемножителя.

2.7.2. Представление данных в оптоэлектронных векторно-матричных перемножителях.

2.7.3. Аналоговый алгоритм.

2.7.4. Алгоритм DMAC с временным интегрированием.

2.7.5. Алгоритм DMAC с пространственным интегрированием.

2.7.6. Алгоритм DMAC с частотным разделением каналов.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЛИНЕЙНО-АЛГЕБРАИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОРАХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

3.1. Методика моделирования процессов обработки информации в оптоэлектронных линейно-алгебраических процессорах информационноизмерительных и управляющих систем.

3.1.1. Формальное описание методики моделирования.

3.1.2. Критерии сравнения алгоритмов вычислений в оптоэлектронных линейно-алгебраических процессорах.

3.1.3. Алгоритм оценки влияния отклонений параметров оптоэлектронных элементов от номинальных значений на точность вычислений.

3.2. Программно-аппаратный комплекс для отработки алгоритмов обработки информации в оптоэлектронных линейно-алгебраических процессорах.

3.2.1. Структура программно-аппаратного комплекса.

3.2.2. Автоматизированный комплекс для исследования характеристик оптоэлектронных элементов и узлов.

3.2.3. Инструментальная система математического моделирования.

3.2.4. Натурный стенд.

3.3. Анализ вычислительной производительности оптоэлектронных векторно-матричных перемножителей.

3.3.1. Подходы к оценке вычислительной производительности оптоэлектронных векторно-матричных перемножителей.

3.3.2. Вычислительная производительность оптоэлектронных векторно-матричных перемножителей, работающих по аналоговому алгоритму и алгоритму DMAC.

3.3.3. Сравнение вычислительной производительности оптоэлектронных векторно-матричных перемножителей и электронных микропроцессоров при вычислении произведения вектора и матрицы.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЛИНЕЙНО-АЛГЕБРАИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОРОВ

4.1. План моделирования.

4.2. Испытания оптоэлектронных элементов.

4.2.1. Исследуемые параметры оптоэлектронных элементов.

4.2.2. Идентификация статических и динамических параметров математических моделей оптоэлектронных элементов.

4.3. Математическое моделирование алгоритмов вычислений в опто-электронном векторно-матричном перемножителе.

4.3.1. Структура и функционирование математической модели.

4.3.2. Формирование случайных процессов.

4.3.3. Отладка и тестирование разработанных моделей.

4.3.4. План математического моделирования.

4.3.5. Исследование влияния изменения коэффициента передачи канала управления током накачки лазерных диодов на точность вычислений при моделировании без динамических искажений и шумов.

4.3.6. Исследование влияния изменения тока смещения лазерных диодов на точность вычислений при моделировании без динамических искажений и шумов.

4.3.7. Исследование влияния изменения дифференциальной квантовой эффективности лазерных диодов на точность вычислений при моделировании без динамических искажений и шумов.

4.3.8. Исследование влияния изменения порогового тока лазерных диодов на точность вычислений при моделировании без динамических искажений и шумов.

4.3.9. Исследование влияния изменения коэффициента передачи канала управления напряжением смещения модулятора на точность вычислений при моделировании без динамических искажений и шумов.

4.3.10. Исследование влияния изменения коэффициента преобразования информационного потока в ячейке модулятора на точность вычислений при моделировании без динамических искажений и шумов.

4.3.11. Исследование влияния изменения спектральной чувствительности фотоприёмников на точность вычислений при моделировании без динамических искажений и шумов.

4.3.12. Исследование влияния изменения темнового тока фотоприёмников на точность вычислений при моделировании без динамических искажений и шумов.

4.3.13. Исследование влияния динамических характеристик оптоэлек-тронных элементов процессора на точность и время вычислений.

4.3.14. Исследование влияния шумов оптоэлектронных элементов процессора на точность вычислений.

4.4. Натурная отработка оптоэлектронного векторно-матричного перемножителя.

4.4.1. Структура натурного стенда.

4.4.2. Исполнение оптической части макета.

4.4.3. Исполнение электронной части макета.

4.4.4. Результаты макетирования и перспективы развития.

4.4.5. Проверка адекватности методики моделирования.

4.5. Анализ результатов программно-аппаратной отработки.

4.6. Требования к параметрам оптоэлектронных элементов и электронных блоков.

Выводы по главе 4.

Развитие информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) характеризуется значительным ростом объёмов используемой информации и усложнением алгоритмов её обработки, что требует существенного повышения производительности входящих в их состав вычислительных устройств (ВУ). Основными направлениями совершенствования ВУ в настоящее время являются модернизация архитектуры и технологии, а также поиск эффективных альтернатив электронным вычислителям.

Обработка информации в современных ИИУС производится, как правило, с помощью 16- и 32-разрядных микропроцессоров, выполненных на основе интегральной полупроводниковой технологии. Наращивание вычислительной мощности на уровне элементной базы достигается повышением разрядности и тактовой частоты, а также использованием параллелизма выполнения операций, а на уровне системы - построением многопроцессорных централизованных и распределённых ИИУС. Однако при разработке высокопроизводительных ИИУС реального времени, решающих такие сложные задачи, как обработка сигналов и изображений, распознавание образов, аэрокосмическая навигация и ряда других, производительность вычислительных блоков ИИУС зачастую является ограничительным фактором по отношению к характеристикам ИИУС в целом. Одной из наиболее перспективных альтернатив электронным микропроцессорам в ИИУС являются оптоэлектрон-ные устройства обработки информации (УОИ), сочетающие электронные и оптические средства обработки информации [56].

Оптические методы обработки информации известны относительно давно [78]. Наиболее проработаны аналоговые методы, находящие применение при построении оптических фильтров, корреляторов, анализаторов законов распределения вероятностей и оптической реализации преобразования Фурье [42]. В этих устройствах используются такие свойства оптических систем, как возможность параллельной передачи и обработки информации по многим каналам без материальных проводников; высокое быстродействие, обусловленное высокой несущей частотой оптического излучения; естественное выполнение преобразования Фурье сферическими линзами [67]. Однако аналоговым оптическим системам обработки информации свойственны следующие недостатки: низкая точность вычислений, связанная с влиянием шумов и помех; сложность интеграции с существующими цифровыми электронными микропроцессорами [66].

Большие надежды на преодоление указанных недостатков связываются с разработкой цифровых методов оптической обработки информации [49]. Перспективность развития этого направления состоит в возможности создания универсальных оптических ВУ. Предложены различные способы построения цифровых оптических устройств, одним из наиболее проработанных элементов которых является трансфазор [2]. Трансфазор представляет собой оптически бистабильный элемент, способный переключаться в одно из двух чётко различимых состояний за время порядка нескольких пикосекунд. На трансфазоре может быть реализована функционально полная система логических элементов, пригодная для построения любых логических схем и узлов вычислительных машин.

Несмотря на большие возможности оптических УОИ, их техническое воплощение сопряжено со многими сложностями как технологического, так и конструктивного характера. В этой связи наиболее перспективным в настоящее время представляется применение возможностей оптических средств обработки информации в совокупности с отработанными электронными ВУ. Именно использование преимуществ такого сочетания - высокоскоростной передачи информации, обеспечиваемой оптическими средствами, и простой реализации переключательных функций электронными элементами - и является основной идеей создания оптоэлектронных УОИ [54], в терминологии вычислительной техники называемых оптоэлектронными процессорами (ОЭП).

Современные ОЭП являются специализированными вычислителями. Наиболее широкую сферу применения имеют оптоэлектронные линейно-алгебраические процессоры (ОЭЛАП), выполняющие типичные операции линейной алгебры (умножение вектора на вектор, умножение вектора на матрицу, умножение матрицы на матрицу, скалярное произведение, линейная комбинация векторов) [43]. Эти операции используются во многих алгоритмах обработки информации, применяемых в ИРГУ С: преобразование Фурье, преобразование Адамара, цифровая фильтрация [35], реализация многослойных нейронных сетей [86] и др. Практическое воплощение таких УОИ позволяет достичь рекордной вычислительной производительности. Например, разработанный фирмой Lenslet (Израиль) оптоэлектронный векторно-матричный перемножитель (ОВМП) EnLight256, выполненный в виде интегральной микросхемы и предназначенный для решения задач цифровой об

1 ? работки сигналов (ЦОС), обеспечивает выполнение 8-10 операций умножения чисел с фиксированной точкой в секунду [95].

Таким образом, уже на сегодняшний день технологически реализуемые ОЭЛАП превосходят по своим характеристикам известные процессоры ЦОС. С учётом возможности интегрального исполнения [28] ОЭЛАП могут применяться в качестве центральных процессоров и сопроцессоров в ИИУС для выполнения критичных ко времени обработки задач, в том числе в составе бортового оборудования летательных аппаратов [61]. Например, разработка и исследование ОЭЛАП весьма актуальны для решения задачи повышения точностных характеристик и быстродействия ИИУС фазированных антенных решёток (ФАР) бортового и наземного базирования [39], основную часть обработки информации в которых составляют операции векторно-матричного перемножения.

Несмотря на имеющиеся достижения, исследования в области построения ИИУС на основе оптоэлектронных УОИ, а также разработки их алгоритмического и аппаратного обеспечения носят разобщённый характер. Фундаментальные исследования посвящены физическим аспектам работы оптоэлектронных элементов и узлов [6, 40, 45, 70, 75, 101]. Исследованы вопросы построения параллельных алгоритмов для реализации в ОЭЛАП [7, 59, 60, 63, 83]. Решены частные проблемы создания ряда специализированных оптоэлектронных ВУ, например, ОЭП радиосигналов [16, 23, 48], акустооптиче-ских сигнальных процессоров [55]. Опубликованы научные работы, в которых решены вопросы реализации оптоэлектронных нейронных сетей [29, 90]. Тем не менее, до настоящего времени не существует формализованных методик проектирования и комплексных инструментальных средств разработки оптоэлектронных УОИ как элементов высокопроизводительных ИИУС. Представляется, что именно эта причина сдерживает применение оптоэлектронных УОИ (и в частности ОЭЛАП) в ИИУС.

Первым шагом на пути к созданию инструментальных средств проектирования ОЭЛАП для высокопроизводительных ИИУС является разработка математических моделей (ММ) оптоэлектронных элементов и узлов ОЭЛАП, т. к. исследование процессов обработки информации в них не может быть проведено без учёта свойств и характеристик элементной базы. Поскольку характеристиками оптоэлектронных элементов во многом определяются как функциональные возможности ОЭЛАП, так и требования к сопрягаемым электронным элементам, в таких моделях должны быть отражены их статические, динамические и стохастические свойства. Наиболее полно свойства оптоэлектронных элементов отражают ММ, основанные на рассмотрении физики протекающих в них процессов. Эти модели описывают связи между различными характеристиками оптоэлектронных элементов и параметрами внешней среды с точки зрения целостности и непротиворечивости физической картины. В отличие от них, в математических моделях оптоэлектронных элементов для целей проектирования ОЭЛАП основной акцент должен быть сделан на процессы преобразования информации и влияние на них параметров функционирования элементов и параметров внешней среды. Для обозначения таких математических моделей в диссертационной работе используется термин «математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств».

Моделирование процессов обработки информации в ОЭЛАП на основе математических моделей оптоэлектронных элементов как информационных устройств позволяет выполнять сравнительный анализ различных алгоритмов обработки информации и подбор элементной базы для их реализации без необходимости изготовления дорогостоящих натурных макетов и тестовых интегральных оптоэлектронных микросхем. Полученные алгоритмические и аппаратные решения могут использоваться при проектировании ОЭЛАП в интегральном исполнении и их применении в ИИУС. Создание программно-аппаратных комплексов, способных поддерживать процессы моделирования с такими свойствами, является актуальной задачей, и именно её решению посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель диссертационной работы - разработка программно-алгоритмического обеспечения и методики моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП и создание программно-аппаратного комплекса, представляющего собой инструментальное средство под держки методики моделирования.

Объектом исследования в данной работе являются высокопроизводительные информационно-измерительные и управляющие системы реального времени с использованием оптоэлектронных линейно-алгебраических процессоров.

Предмет исследования - программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП, позволяющий в процессе проектирования ИИУС осуществлять комплексное моделирование работы ОЭЛАП по заданному алгоритму, аппаратную отработку алгоритмов на натурном стенде и выработку требований для реализации ОЭЛАП в интегральном исполнении.

Задачи диссертационной работы:

- разработка математических моделей оптоэлектронных элементов как информационных устройств;

- анализ алгоритмов векторно-матричного перемножения в ОЭЛАП и формализация алгоритмов векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП;

- разработка методики моделирования процессов обработки информации в ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП;

- разработка программно-аппаратного комплекса для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП, являющегося инструментальным средством поддержки методики моделирования;

- разработка натурного стенда ОВМП;

- экспериментальная проверка предложенной методики моделирования на основе натурных экспериментов.

Методы исследования, применённые в работе, базируются на методах математического моделирования сложных динамических систем, функционирующих в непрерывном и дискретном времени, методах анализа параллельных алгоритмов вычислений, методах теории алгоритмов, методах теории случайных процессов и методах экспериментальных исследований.

Научная новизна диссертационной работы в области информационно-измерительных и управляющих систем состоит в следующем:

- разработаны математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств с учётом их стохастических свойств;

- предложена методика моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ОЭЛАП с использованием разработанных математических моделей;

- разработан алгоритм оценки влияния отклонений параметров работы оптоэлектронных элементов от номинальных значений на точностные характеристики ОЭЛАП.

Научная новизна диссертационной работы в области элементов и устройств вычислительной техники и систем управления систем состоит в формализации алгоритмов вычислений в ОЭЛАП в виде информационных графов.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- структура программно-аппаратного комплекса для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП;

- математические модели оптоэлектронных элементов ОЭЛАП как информационных устройств с учётом их стохастических свойств;

- описания алгоритмов векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП, в форме информационных графов;

- методика моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП, базирующаяся на использовании математических моделей оптоэлектронных элементов ОЭЛАП как информационных устройств и моделей алгоритмов обработки информации.

Практическое значение полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:

- создано программное обеспечение, реализующее разработанные математические модели и предлагаемую методику моделирования и позволяющее автоматизировать проектирование ОЭЛАП для высокопроизводительных ИИУС реального времени;

- создан программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП;

- с использованием созданного программно-аппаратного комплекса проведена отработка ОВМП, работающего по алгоритму DMAC (Digital Multiplication via Analog Convolution);

- создано аппаратное и программное обеспечение электронной части натурного макета ОВМП.

Основные результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ в ОАО «Концерн радиостроения «Вега» и внедрены в учебный процесс Московского авиационного института (государственного технического университета).

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением математического аппарата и экспериментальной проверкой адекватности предложенных моделей и эффективности методики моделирования, выполненной на аппаратном макете оптоэлектронного векторно-матричного перемножителя, работающего по алгоритму DMAC, и подтверждается сравнением полученных результатов моделирования с данными натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на XI и XII международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (2002 г., 2003 г.), 11-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2004» и VII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (2004 г.), а также обсуждались на заседаниях кафедры «Приборы и измерительно-вычислительные комплексы» Московского авиационного института (государственного технического университета).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы полностью отражены в 2 статьях, 5 тезисах докладов и трудах международных и всероссийских конференций и семинаров, а также 8 отчётах о НИР.

Диссертационная работа имеет следующую структуру.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу состояния вопроса моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП, для чего рассмотрены характеристики, классификация и конструктивно-технологические особенности оптоэлектронных УОИ и исследованы возможности использования различных видов и схем моделирования.

Во второй главе диссертационной работы рассмотрены математические модели элементов ОЭЛАП и алгоритмы векторно-матричного перемножения, применимые для реализации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП.

В третьей главе диссертационной работы приведено описание разработанной методики моделирования и программно-аппаратного комплекса для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП, а также представлен анализ вычислительной производительности ОВМП.

В четвёртой главе диссертационной работы приведены результаты экспериментальной проверки предложенной методики моделирования.

Выводы по главе 4

Экспериментальная проверка методики моделирования алгоритмов вычислений в ОЭЛАП позволяет сделать следующие выводы.

1. Разработанная методика моделирования может использоваться для моделирования алгоритмов обработки информации в ОЭЛАП с целью отработки алгоритмического и аппаратного обеспечения таких устройств обработки информации.

2. Использование математических моделей ОЭЭ как информационных устройств позволяет с достаточной для поставленной цели степенью адекватности отразить физические свойства оптоэлектронных узлов ОЭЛАП.

3. Конкретизация обобщённых математических моделей оптоэлектронных элементов как информационных устройств на основе результатов их испытаний даёт возможность использовать при моделировании реальные характеристики элементной базы.

4. Установлено, что операции, выполняемые в оптической части ОВМП, обладают низкой устойчивостью по отношению к возмущающим факторам, т. к. носят аналоговый характер. Типичными факторами, которые приводят к ошибкам вычислений, являются отклонения параметров элементов от номинальных значений и шумы в различных элементах ОВМП.

5. Алгоритмы DMAC менее чувствительны к отклонениям параметров электронных блоков и оптоэлектронных элементов от номинальных значений по сравнению с аналоговым алгоритмом, что связано с меньшим динамическим диапазоном АЦП БПД ФПУ. Это свойство алгоритмов DMAC обеспечивает коррекцию относительно малых температурных, временных и других флуктуаций параметров элементов ОВМП.

6. Алгоритмы DMAC позволяют обеспечить большую точность вычислений за счёт цифрового представления данных на входе; однако это приводит к увеличению времени вычислений по сравнению с аналоговым алгоритмом. Вариант алгоритма DMAC с временным интегрированием является более предпочтительным, т. к. при этом необходимы меньшие объёмы памяти и достигается большая универсальность и вычислительная эффективность.

7. Полученное при отработке алгоритма описание конфигурации электронной части ОЭЛАП может быть использовано для последующей реализации в ПЛИС при построении объёмного макета или заказной БИС при реализации ОЭЛАП в интегральном исполнении.

8. Показано, что алгоритмы DMAC могут быть использованы для построения ОВМП для высокопроизводительных ИИУС, в том числе реального времени (например, для обработки радиолокационной информации). Точностные возможности такого ОВМП ограничены шумами и помехами в оптической части. Обязательным условием достижения требуемой точности является коррекция параметров элементов в процессе вычислений по алгоритму DMAC.

9. Применение предложенной методики моделирования позволяет сократить сроки и стоимость разработки ОЭЛАП для ИИУС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные выводы и результаты.

1. Разработаны математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств, представляющие собой совокупность статических, динамических и стохастических характеристик.

2. Проведена формализация алгоритмов векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП в форме детерминированного ациклического информационного графа, описывающего параллельную обработку информации на уровне элементарных операций с данными с учётом способа её кодирования.

3. Предложена методика моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС с применением ОЭЛАП, основанная на использовании комплексной дискретно-непрерывной детерминирова-но-стохастической модели процессора, включающей математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств, модели электронных блоков процессора и модель алгоритма вычислений. Конкретизация математических моделей производится на основе испытаний элементов процессора, что позволяет учесть реальные характеристики элементной базы. Применение предложенной методики моделирования позволяет определить характеристики процессора и выработать требования для разработки ОЭЛАП исследуемой архитектуры в интегральном исполнении.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС с использованием ОЭЛАП, что обеспечивает исследование характеристик оптоэлектронных элементов, и натурное моделирование ОЭЛАП исследуемой архитектуры в объёмном варианте. Применение комплекса позволяет сократить сроки и стоимость разработки ИИУС с использованием ОЭЛАП.

5. Проведена экспериментальная проверка предложенной методики для случая перемножения матрицы размером [8x8] на вектор-столбец размером

8x1] на примере аналогового алгоритма, алгоритма DMAC с временным интегрированием и алгоритма DMAC с пространственным интегрированием. Эта проверка показала, что алгоритмы DMAC наименее чувствительны к отклонениям параметров электронных блоков и оптоэлектронных элементов процессора от номинальных значений по сравнению с аналоговым алгоритмом, что связано с меньшим динамическим диапазоном АЦП БПД ФПУ. При этом вариант алгоритма DMAC с временным интегрированием является более предпочтительным, т. к. при этом требуются меньшие объёмы памяти и достигается большая универсальность и вычислительная эффективность.

6. Сформировано описание аппаратно-алгоритмической конфигурации электронной части ОЭЛАП на языке VHDL, реализующее алгоритм DMAC с временным интегрированием. Описание может быть использовано для проектирования заказной БИС при реализации ОЭЛАП в интегральном исполнении.

7. Создан натурный макет ОВМП, работающего по алгоритму DMAC. Сравнение результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными с помощью макета ОВМП, подтверждают адекватность предложенной методики моделирования. Исследования показали, что алгоритмы DMAC могут быть использованы для построения ОВМП для высокопроизводительных ИИУС РВ. Обязательным условием достижения требуемой точности является коррекция флуктуаций параметров элементов в процессе вычислений по алгоритму DMAC.

8. Применение предложенной методики моделирования позволяет сократить временные и материальные затраты на проектирование высокопроизводительных ИИУС с использованием ОЭЛАП.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского авиационного института (государственного технического университета) и использованы при выполнении научно-исследовательских работ в ОАО «Концерн радиостроения «Вега», о чём имеются соответствующие акты.

Проведённая с помощью разработанного моделирующего комплекса отработка оптоэлектронного векторно-матричного перемножителя, работающего по алгоритму DMAC, позволила обеспечить заданные временные и точностные характеристики прототипа ИИУС для обработки сигналов и управления диаграммой направленности ФАР, а также сократить материальные затраты и сроки её проектирования.

1. Агеев В.М., Павлова Н.В. Приборные комплексы летательных аппаратов и их проектирование. М.: Машиностроение, 1990. - 432 с.

2. Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М.: Высшая школа, 1988. - 237 с.

3. Андрушко Л.М., Гроднев И.И., Панфилов И.П. Волоконно-оптические линии связи: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1985. - 136 с.

4. Артамонов Г.Т., Брехов О.М. Аналитические вероятностные модели функционирования ЭВМ. М.: Энергия, 1978. - 368 с.

5. Бакалов В.П. Цифровое моделирование случайных процессов: Учеб. пособие для вузов. М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. - 88 с.

6. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985. - 279 с.

7. Белан С.Н. Разработка методов параллельной обработки информации и их техническая реализация в оптоэлектронных логиковременных средах: Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. техн. наук. Винница, 1990. - 18 с.

8. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов: Пер. с англ. М.: Мир, 1974. - 464 с.

9. Бендат Дж., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа: Пер. с англ. М.: Мир, 1983. - 312 с.

10. Бондаренко B.C., Зоренко В.П., Чкалова В.В. Акустооптические модуляторы света. М.: Радио и связь. - 136 с.

11. Н.Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. 2-е изд., пере-раб. - М.: Наука, 1978. - 399 с.

12. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. М.: Советское радио, 1971. - 328 с.

13. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфёнов А.В. Пространственные модуляторы света. М.: Радио и связь, 1987. - 320 с.

14. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и её инженерные приложения: Учебное пособие для втузов / 2-е изд., стер. М.: Высшая школа, 2000. - 383 с.

15. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 608 с.

16. Воскресенский Д.И. Антенны с обработкой сигнала: Учеб. пособие для вузов. М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. - 80 с.

17. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц / 4-е изд. М.: Наука, 1988. - 552 с.

18. Гихман И.И., Скороход А.В. Введение в теорию случайных процессов. М.: Наука, 1977. - 568 с.

19. Гольденберг JI.M., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 256 с.

20. Гринёв А.Ю. Основы радиооптики: Учебное пособие. М.: САИНС-ПРЕСС, 2003. - 80 с.

21. Гультяев А.К. MatLab 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. СПб.: КОРОНА принт, 1999. - 288 с.

22. Гультяев А.К. Визуальное моделирование в среде MATLAB: Учебный курс. СПБ.: Питер, 2000. - 432 с.

23. Гусев О.Б., Кулаков С.В., Разживин Б.П., Тигин Д.В. Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени / Под ред. С.В. Кулакова. М.: Радио и связь, 1989. - 136 с.

24. Дианова Р.С. Моделирование инженерных задач на ЭВМ. М.: МАИ, 1982.-58 с.

25. Дьяконов В.П. MATLAB 6: Учебный курс. СПб.: Питер, 2002. - 592 с.

26. Дьяконов В.П. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 528 с.

27. Дьяконов В., Круглое В. Математические пакеты расширения , MATLAB: Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. - 480 с.

28. Евтихиев Н.Н., Есепкина Н.А. Оптоэлектронный процессор в виде » гибридной микросхемы // Квантовая электроника. 1995. - № 10.

29. Евтихиев Н.Н., Оныкий Б.Н., Перепелица В.В., Щербаков И.Б.

30. Математические модели и оптические реализации многослойных и полиномиальных нейронных сетей. М.: МИФИ, 1994. - 32 с.

31. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука, 1983.-294 с.

32. Ерофеев А.А., Ковалёв B.C., Ульянов И.С. Сигнальные процессоры. М.: Знание, 1991. - 64 с.

33. Захаров И.С. Пространственно-временные модуляторы света. — Томск, Издательство томского университета, 1983. 264 с.

34. Ивахненко А.Г., Юрачковский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. М.: Радио и связь, 1987. - 120 с.

35. Ишанин Г.Г. Приёмники излучения оптических и оптико-электронных приборов. JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. - 175 с.

36. Канащенков А.И., Меркулов В.И., Самарин О.Ф. Облик перспективных бортовых радиолокационных систем. Возможности и ограничения. -М.: ИПРЖР, 2002.- 176 с.

37. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике: 2-е изд., испр. и доп. М.: Наука, 1988. - 334 с.

38. Карпов Ю.Г. Теория автоматов. СПб.: Питер, 2002. -224 с.

39. Карпушко Ф.В. Оптические компьютеры // Физическая энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. - Т. 3. — с. 445-447.

40. Кейсесент Д. Акустооптические процессоры для операций линейной алгебры: Архитектура, алгоритмы, применение // ТИИЭР. 1984. - т. 72. -с. 92-113.

41. Киселёв Г.Л. Приборы квантовой электроники. М.: Высшая школа, 1980.-237 с.

42. Клышко Д.Н. Физические основы квантовой электроники / Под ред. А.А. Рухадзе. М.: Наука, 1986. - 292 с.

43. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: построение и анализ. М.: МЦНМО, 2000. - 960 с.

44. Лазарев Ю.Ф. MatLAB 5.x. К.: Издательская группаВНУ, 2000. - 384 с.

45. Лавров А.П. Оптоэлектронные процессоры радиосигналов с использованием сканирующих ПЗС-фотоприемников: Автореферат диссертации на соискание учёной степени д-ра физ.-мат. наук. СПб, 1999. - 32 с.

46. Левшин В. Вычисления со скоростью света // Computerworld Россия. 1996.-№ 4.

47. Мазанько И.П., Швец Ю.И. Принципы преобразования и детектирования оптических сигналов / Под ред. И.П. Мазанько. М.: Изд. МФТИ, 2001.- 144 с.

48. Макконелл Дж. Анализ алгоритмов. Вводный курс. М.: Техносфера, 2002. - 304 с.

49. Микаэлян A.JI. Оптические методы в информатике. М.: Наука, 1990.-232 с.

50. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.-488 с.

51. Мокрышев В., Мокрышев С. Оптоэлектронный процессор. Новые принципы обработки оптической информации // Электроника-НТБ. 1999. -№ 4. - с. 24-28.

52. Наумов К.П., Ушаков В.Н. Акустооптические сигнальные процессоры: Учеб. пособие для вузов. М.: САЙИНС-ПРЕСС, 2002. - 80 с.

53. Новые физические принципы оптической обработки информации: Сборник статей / С.П. Апанасевич, С.А. Ахманов, Н.Н. Ахмедиев и др.; под ред. С.А. Ахманова. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.

54. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника / 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989.-360 с.

55. Одинокое С.Б., Петров А.В. Анализ точностных параметров оптико-электронного матрично-векторного процессора обработки цифровой информации // Квантовая электроника. 1995. - № 22 (10).

56. Организация оптоэлектронных некогерентных процессоров ЦВМ / Натрошвили О.Г., Кожемяко В.П., Саникидзе Д.О. Тбилиси: Ганатлеба, 1989.-510 с.

57. Оптико-электронные матричные процессоры для логической обработки цифровой информации. Ч. 1: Архитектура и конфигурация логических оптико-электронных процессоров. М.: Изд-во МГТУ, 1993. - 36 с.

58. Оптическая обработка информации. Применения / Под ред. Д. Кей-сесента / Пер. с англ. под ред. С.Б. Гуревича М.: Мир, 1980. - 349 с.

59. Оптическая скамья // Физическая энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. - Т. 3. - С. 442.

60. Оптоэлектронные матричные процессоры. М: Радио и связь, 1986. -112 с.

61. Паппэ Г.Е., Егоров А.А., Соловьёв С.Ю., Сардарян А.В. Имитационное моделирование вычислительного алгоритма оптоэлектронного процессора // Авиакосмическое приборостроение. № 9. - 2003. - с. 2-10.

62. Паппэ Г.Е., Радоминов О.А., Егоров А.А., Парамонов В.В., Соловьёв С.Ю. Аппаратно-программная реализация макета оптоэлектронного процессора, работающего по алгоритму DMAC // Авиакосмическое приборостроение. № 7. - 2004. - с. 16-23.

63. Парыгин В.Н. Оптическая обработка информации // Физическая энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. - Т. 3. - с. 437.

64. Парыгин В.Н., Балакший В.И. Оптическая обработка информации. М.: Изд. Московского университета, 1987. - 142 с.

65. Пешель М. Моделирование сигналов и систем: Пер. с нем. М.: Мир, 1981.-302 с.j, 69.Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем: Пер. сангл. М.: Мир, 1984. - 264 с.

66. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. — М.: Высшаяшкола, 2001.-573 с.

67. Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция, спектры: Пер. с англ. / Под ред. У. Тсанга. М.: Радио и связь, 1990. - 320 с.

68. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Пер. с англ. М.: Мир, 1978. - 848 с.

69. Романовский И.В. Дискретный анализ / 3-е изд., перераб. и доп. -СПб.: Невский Диалект; БХВ-Петербург, 2003. 320 с.

70. Росин М.Ф. Статистическая динамика и теория эффективности систем управления. М.: Машиностроение, 1970. -336 с.

71. Руденок И.П. Физико-технические основы элементной базы оптоэлектронных информационных систем: Автореферат диссертации на соискание учёной степени д-ра техн. наук. М., 1995. - 47 с.

72. Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование. Теория и технологии. СПб.: КОРОНА принт; М.: Альтекс-А, 2004. - 384 с.

73. Самойленко В.И., Пузырев В.А., Грубрин И.В. Техническая кибернетика: Учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ, 1994. - 280 с.

74. Свет В.Д. Оптические методы обработки сигналов. М.: Энергия, 1971.- 104 с.

75. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2003.-604 с.

76. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. 3-е изд, пере-раб. и доп. — М.: Высшая школа, 2001. - 343 с.

77. Солонина А. И., Улахович Д. А., Яковлев JI. А. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 464 с.

78. Стариков Р.С. Методы построения и разработки оптических линейно-алгебраических процессоров для параллельных вычислительных систем: Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. физ.-мат. наук. М., 1997.-19 с.

79. Тагиров Э.А. Фотон // Физическая энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - Т. 5. - С. 354.

80. Тришенков М.А. Фотоприёмные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. М.: Радио и связь, 1992. — 400 с.

81. Уоссерман Ф. Нейрокомпьютерная техника. Теория и практика / Пер. с англ. Ю.А. Зуева и В.А. Точенова / Под ред. А.А.Галушкина. М.: Мир, 1992.-240 с.

82. Хахулин Г.Ф. Многоуровневый метод имитационного моделирования сложных систем. М.: Изд-во МАИ, 1988. - 36 с.

83. Хахулин Г.Ф. Основы конструирования имитационных моделей: Учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. - М.: НПК «Поток», 2002. - 228 с.

84. Черняев Ю.С. Оптическое излучение // Физическая энциклопедия. -М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. Т. 3. - С. 459.

85. Щербаков И.Б. Эмуляция оптоэлектронных нейронных сетей: Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. техн. наук. М., 1995.-20 с.

86. Эйбрэхэм А., Ситон К.Т., Смит С.Д. Оптический компьютер / В сб. науч.-попул. статей «Современный компьютер»; Пер. с англ. / Под ред. В.М. Курочкина. М.: Мир, 1986. - С. 187-201.

87. Яблонский С.В. Введение в дискретную математику: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд, перераб. и доп. - М.: Наука, 1986. - 384 с.

88. Ярив А. Введение в оптическую электронику / Пер. с англ. М.: Высшая школа, 1983. - 400 с.

89. Aslam-Siddiqi A., Brockherde W., Hosticka B.J. А 16x16 Nonvolatile Programmable Analog Vector-Matrix Multiplier // IEEE Journal Of Solid-state Circuits. -Vol. 33, No. 10. 1998.

90. EnLight256 8000 Giga MAC/sec fixed point DSP. Lenslet Ltd, 2003. - 5 p.

91. Feitelson D.G. Optical computing: A survey for computer scientists. -Cambridge: MIT Press, 1989.

92. Gary C.K. Comparison of optics and electronics for calculation of matrix-vector products // Proc. SPIE. Vol. 1704. - 1992.

93. Gary C.K. Matrix-vector multiplication using digital partitioning for more accurate optical computing // Applied Optics. Vol. 31, No. 29. - 1992. - pp. 6205-6211.

94. Gruber M., Jahns J., Sinzinger S. Planar-Integrated Optical System for Vector-Matrix-Multiplication. 1998. - 1 p.

95. Optical Information Technology. Fiber Optic Components. SIEMENS, 1995.-266 p.

96. Wang J. Fundamental Principles of Lasers and Ultrafast Optics. -2000.- 116 p.