автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка процессоров быстрых спектральных преобразований для систем анализа геофизической информации

Введение

1. Методы и вычислительные средства для реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов.

1.1. Прогресс в области алгоритмов быстрого преобразования Фурье

1.2. Современное состояние и тенденции развития специализированных вычислительных средств обработки, использующих алгоритмы быстрых преобразований

1.3. Вопросы эффективного использования микропроцессорных комплектов в процессорах быстрых спектральных преобразований.

Стремительные темпы развития научно-технического прогресса являются характерной чертой нашего времени.

Этому способствует широкое внедрение автоматизации и средств вычислительной техники (СВТ) в процессы обработки больших объёмов информации в различных отраслях народного хозяйства в кратчайшие сроки.

Важнейшее значение приобретают задачи ускорения освоения природных богатств на базе новейших технических достижений, выносимые на обсуждение партийных съездов.

Победа мартовской революции 1963 года внесла коренные изменения в политическую, социальную и экономическую жизнь арабского народа Сирии.

С этого момента развернулась широкая программа по ликвидации засилья иностранных промышленных кампаний, прежде всего нефтяных, по их национализации. ХП съезд партии арабского социалистического возрождения, состоявшийся в 1978 году, рассматривал вопросы экономического развития страны и принял решение о широком внедрении СВТ в народное хозяйство и, в первую очередь, для увеличения добычи нефти и газа и ускорения процесса поиска новых месторождений. Для реализации этих задач был заключён договор с Советским Союзом об оказании технической помощи молодой развивающейся стране и подготовке научных кадров в отраслях, определяющих научно-технический прогресс.

Перед такой отраслью промышленности Сирийской Арабской республики, как нефтедобывающая, встают проблемы удешевления процессов переработки геофизической информации с помощью ЭВМ. Во многих странах эти процессы осуществляются с использованием больших ЭВМ, причём установлено, что производительности ЭВМ традиционной структуры недостаточно, и наблюдается переход к многопроцессорным вычислительным комплексам (МВК), достаточно сложным и дорогим. Альтернативой такому направлению является построение иерархических систем, включающих мини-ЭВМ и периферийные специализированные процессоры /71/, что при практически эквивалентной производительности делает вычисления более экономичными. Очевидно, нашей республике следует идти по второму пути, где успешному продвижению должны способствовать успехи в разработке перспективных изделий приборостроения, микроэлектроники в социалистических странах.

Задачи обработки сигналов возникают во многих областях научных и технических исследований. На первых этапах развития систем автоматизации научных экспериментов преобладало использование детерминистических моделей сред и сигналов и аналоговых методов анализа. В дальнейшем эти модели и методы перестали удовлетворять исследователей.

Требования совершенствования методов моделирования вызывают необходимость разработки специализированных вычислительных устройств и комплексов, позволяющих проводить исследования с минимальными затратами времени /47/.

С другой стороны, был достигнут значительный прогресс в области цифровой обработки сигналов (ЦОС), в технике цифровых ЭВМ, в принципах их структурной организации, в элементной базе, что привело к увеличению производительности при решении универсального круга задач.

Методы ЦОС успешно применяются в различных областях:

I. в технической диагностике для исследования вибрационных свойств конструкций;

2. в задачах распознавания образов;

3. в системах автоматизации обработки сейсморазведоч-ных данных в геофизике.

Характерным для данных сейсморазведки является наличие больших объёмов информации, вводимой для обработки в ЭВМ.

При длине записи в 3 с и б с и шага квантования по времени величиной 2 мс на каждой сейсмограмме (24 или 48 каналов) содержится более одного млн.бит информации или более 40000 бит на каждой трассе.

Этот длинный массив информации в дальнейшем подлежит быстрой обработке. Средний же по сложности комплекс обрабатывающих программ требует выполнение до 1000 операций на каждое слово сейсмической информации. Всё это накладывает некоторые особенности на характеристики процессоров и ЭВМ в целом, необходимые для обработки сейсмоданных. Поэтому в современных вычислительных комплексах желательно использовать несколько типов процессоров, одни из которых занимаются организацией всей работы комплекса, контролем, а другие занимаются задачами по обработке.

Перспективные пути ускорения обработки связаны с разработкой новых алгоритмов определения характеристик сигналов, с выбором параметров этих алгоритмов.

Так, в сейсморазведке производят большое число преобразований, основу которых составляют операции вычисления сумм парных произведений. Для таких расчётов предназначаются спецпроцессоры, выполняющие операции свёртки и БПФ, ориентированные на широкое использование цифровых средств.

Эти алгоритмы показали, что цифровые методы анализа могут оказаться экономичнее аналоговых. Специализированные устройства позволяют делать расчёт функций корреляции, проводить фильтрацию, расчитывать спектры трасс в очень короткое время.

Производительность таких устройств на один-два поряди-ка выше, чем у процессоров универсальных ЭВМ.

Наряду с традиционным базисом Фурье, использующим комплексные дискретные экспоненциальные функции (ДЭФ), находят широкое применение спектральные преобразования в обобщенных базисах, примерами которых являются преобразования Виленкина-Крестенсона, Уолша, Хаара.

Из числа этих базисов наибольшее техническое применение нашло преобразование Уолша вследствие простоты базисных функций, отсутствия операций над комплексными числами и простоты технической реализации устройств. В задачах, использующих функции Уолша, часто возникает проблема преобразования спектров. Это связано с тем, что спектр Уолша, легко получаемый при цифровых вычислениях, неудобен для практического использования с учётом общепринятой интерпретации результатов спектральной обработки сигналов. Исследователи из различных областей науки и техники привыкли иметь дело со спектрограммами, выраженными в тригонометрических базисах, поэтому разработчикам алгоритмов и вычислительных средств необходимо было установить взаимнооднозначное соответствие между спектрами Фурье и Уолша, что и было сделано в ряде работ.

Ввиду того, что геофизическая аппаратура выпускается небольшими сериями, имеет место проблема унификации как на уровне плат, блоков и конструктивов, так и в плане структурных схем и межблочных связей.

Существующие принципы управления и формирования информации на основе жесткой логики препятствуют развитию и мо-дефикации систем, усложняют и удорожают процесс обработки.

Накопленные объёмы сейсморазведочных данных во многих вычислительных центрах являются настолько большими, что их невозможно обработать программным способом в заданное время.

Ускорение обработки возможно только за счёт применения специализированных процессоров, но большинство использованных специализированных процессоров предназначены для выполнения узкого набора сравнительно простых в алгоритмическом отношении операций: свертки, димультиплексирования и других преобразований во временной области /18/. В настоящее время возникает необходимость в использовании в геофизических вычислительных комплексах(ГВК)многофункциональных специализированных процессоров с широким набором операций преобразования данных как во временной, так и в спектральной областях.

Решению ряда вопросов создания подобных специализированных процессоров и посвящена настоящая диссертация.

Известно, что алгоритм ЕПФ для многих дискретных базисов обладает потенциальными свойствами реализации с использованием принципов параллельной обработки, практическое использование которого становится возможным только при условии широкого распространения микропроцессорных СВТ.

Например, показано, что близкая топология графов в базисах ДЗФ, Уолша и др. обеспечивает возможность для использования нескольких базисов в одном вычислителе БПФ, структура которого, таким образом, становится программируемой и использует принципы параллельности, переменности и однородности.

Данная работа является частью комплексной программы министерства нефтяных и газовых разработок, выполняемой в области расширения и автоматизации процессов добычи нефти и газа, ускорения процессов анализа данных геофизических исследований с помощью GBT.

Основными целями исследований являются:

1. Разработка экономичных специализированных процессоров спектрально-корреляционных вычислений на базе микропроцессорных комплектов больших интегральных схемахСМПК БИС), являющихся периферийными по отношению к мини-ЭВМ и функционирующих на основе как традиционных, так и новых алгоритмов быстрых спектральных преобразований (БСП).

2. Выявление возможностей эффективного применения в процессорах БСП специализированных арифметических модулей и модулей памяти, разработанных электронной промышленностью.

3. Анализ возможностей использования высокопроизводительных СВТ в задачах разведочной и промысловой геофизики.

Главные пути решения проблем создания геофизических комплексов ведутся в использовании магистрального принципа обмена информации, в модульном построении и микропроцессорном управлении процессом сбора и обработки информации.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю профессору, доктору технических наук Плотникову A.B. и доценту кафедры ВТ ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина) Свиньи-ну С.Ф. за оказанную помощь в ходе выполнения работы.

I. МЕТОДЫ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработка процессоров быстрых спектральных преобразований велась с позиции улучшения их основных технико-экономических показателей, таких как отношение производительность/стоимость, коэффициент занятости оборудования. Предусмотрено максимально возможное использование специализированных арифметических модулей БИС - сумматоров, умножителей,

2. На основе алгоритмов БПФ классического типа и со встречной структурой разработаны принципы построения процессоров БПФ, использующих один или несколько операционных блоков. На основе специализированных арифметических модулей БИС и модулей сверхоперативной памяти бункерного типа.

3. Разработана структура кольцевого процессора БПФ, позволяющего увеличить быстродействие вдвое по сравнению с процессором, использующим, один операционный блок.

Исследован алгоритм вычисления арифметической АКФ через быстрое спектральное преобразование Уолша и дополнительный граф. Результаты рассчётов на конкретном экспериментальном материале показывают удовлетворительное совпадение результатов с оценками АКФ, полученными прямым методом.

5. Разработана структура быстродействующего процессора Уолша-Адамара кольцевого типа, отличающаяся высоким значением показателя производительность/сложность по сравнению с известными процессорами пирамидального и итеративного типа.

6. Предложено устройство, реализирующее алгоритм миграции, являющийся преобразованием временного разреза в глубинный, Это устройство использует нелинейный преобразователь функции двух переменных, процессор ЕПФ для выполнения двумерного преобразования Фурье над отсчётами сейсмической трассы,

7. Разработано устройство, выполняющее вычисления фазового спектра по методу Робинсона, в котором используется процессор ШФ для выполнения комплексного и синусного преобразований Фурье, а также функциональный преобразователь, вычисляющий логарифмическую зависимость.

- 188 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Балашов Е.П., Пузанков Д,В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы: Учеб. пособие для вузов/под ред. В.Б. Смолова. -М.: Радио и связь, 1981. -328 с.

2. Бахвалов Н.С. Численные методы, 4.1. -М.: Наука, 1973. -632 с.

3. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов: Пер. с англ. -М.: Мир, 1971. -408 с.

4. Березенко А.И., Корягин Л.Н., Назарьян А.Р. Мигфопро-цессорные комплекты повышенного быстродействия. -М.: Радио и связь, 1981. -168 с.

5. Вайда Ф., Чакань А. Микро-ЭВМ: Пер. с венг. -М.: Энергия, 1980. -360 с.

6. Голд Б., Раэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов: Пер. с англ. -М.: Сов. радио, 1973. -367 с.

7. Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигна- • лов и цепей: Учеб. пособие для радиотехн. специальностей вузов. -2-е изд., доп. ~М.: Выш. школа, 1975. -263 с.

8. Карцев М.А. Архитектура цифровых вычислительных машин. -М.: Наука, 1978. -296 с.

9. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа: (справочное руководство). -М.: Физматгиз, 1961. -524 с.

10. Микропроцессорные комплекты интегральных схем: Состав и структура: Справочник/ B.C. Борисов, A.A. Васенков, Б.М. Малашевич и др. ~М.: Радио и связь, 1982. -192 с.

11. Мирский Г.Я. Характеристики стохостической взаимосвязи и их измерения. -М.: Энергия, 1982. -320 с.

12. Никитюк Н.М. Микропроцессоры и микро-ЭВМ: Применение вприборостроении и в научных исследованиях. -М.: Энергия, 1981. -168 с.

13. Пелед А., Лиу Б. Цифровая обработка сигналов: Теория, проектирование, реализация: Пер. с англ. -Киев: Вища школа, 1979. -264 с.

14. Пойда В.Н. Спектральный анализ в ортогональных базисах. -Минск: Наука и техника, 1978. -136 с.

15. Полонников Р.И., Костюк В.И., Краскевич В.Е. Матричные методы обработки сигналов. -Киев: Техника, 1977. -136 с.

16. Прангишвили И,В., Стецюра Г.Г, Микропроцессорные системы. -М.: Наука, 1980. -326 с.

17. Рабинер Л., ГЪулд Б* Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. -М.: Мир, 1978. -848 с.

18. Рапопорт М.Б. Вычислительная техника в полевой геофизике. -М.: Недра, 1984. -264 с.

19. Самофалов К.Г., Луцкий Г,М. Основы построения конвейерных ЭВМ. -Киев: Вища школа, 1981. -224 с.

20. Сильвиа М.Т., Робинсон Э.А. Обратная фильтрация геофизических временных рядов при разведке на нефть и газ: Пер. с англ. -М.: Недра, 1983. -248 с.

21. Смолов В.Б. Диодные функциональные преобразователи, -Л.: Энергия, ленингр. отд-ние, 1967. -136 с.

22. Трахтман А.М., Трахтман В,А. Основы теории дискретных сигналов на конечных интервалах. -М.: Сов. радио, 1975. -208 с.

23. Фет Я.И. Параллельные процессоры для управляющих систем: Пер. с англ. -М.: Энергия, 1981, -160 с.

24. Харкевич A.A. Спектры и анализ, -изд. -4-е -М.: Физ-матгиз, 1962, -236 с.

25. Хармут Х.Ф. Передача информации ортоганальными функциями: Пер. с англ. -М.: Связь, 1975. -267 с.

26. Хилбурн Дж., Джулич Н. Микро-ЭВМ и микропроцессоры: Технические средства, программное обеспечение, применения: Пер. с англ. -М.: Мир, 1980. -463 с.

27. Цифровая обработка сейсмических данных/Еозлов Е.А., Гогоненков Г.й. и др. -М.: Недра, 1973. -312 с,

28. Эйби Дж.А. Землетрясения: Пер. с англ. -M. г Недра,1982. -264 с.

29. Аксенов В.П., Бочков C.B., Мошков A.A. Структура и характеристики высокопроизводительных ЭВМ и систем, 4.1. -Зарубежная радиоэлектроника, 1982. №3, с. 35-53.

30. Альховик A.C., Байков В,Д., Смолов В.Б. Матричное вычислительное устройства конвейерного типа для реализации элементарных функций. Автоматика и телемеханика, 1981, Р5, с, I81-184.

31. Альховик A.C., Долгодров В.Б. Процессор для выполнения быстрого преобразования Фурье. -В сб. Аппаратура для динамических характеристик объектов и систем анализа звука и вибрации. Л., ЛДНТП. 1979, с. 18-21.

32. Ахмед Н., Рао K.P., Абдиссатор Р. Преобразование Адама-ра. -Зарубежная радиоэлектроника, 1972, №4, с. 62-77.

33. Бахтиаров Г.Д., Зиняков Н.Л. Алгоритм Волдера и его применение в ВТ и ЦОС. -Зарубежная радиоэлектроника,1983, Ю, с. 3-24.

34. Бахтиаров Г.Д., Тищенко А.Ю. Реализация устройств цифровой обработки сигналов на основе алгоритма БПФ. -Зарубежная радиоэлектроника, 1975, с. 71-98.

35. Белов Э.Н. Тенденции развития цифровых вычислительных-19 3машин рекордной производительности. -Зарубежная радиоэлектроника, 1975, №8, с. 15-31.

36. Белый А,А., Бовбель Е.И., Микулович В.И. Алгоритмы быстрого преобразования Фурье и их свойства. -Зарубежная радиоэлектроника, 1979, $2, с. 3-29.

37. Бергланд Г.Д. Руководство к быстрому преобразованию Фурье. »-Зарубежная радиоэлектроника, 1971, Ю, с. 52-72.

38. Блаено Р. МОП-прибор, подключаемый к микропроцессору для обработки сигналов в реальном времени. -Электроника, 1979, $18, с. 38-50.

39. Всенков А.А., Коночкин Э.Й., Малашевич В.М., Шахнов

40. В.А. Терминология в технике микропроцессорных интегральных схем и микро-ЭВМ. -В сб.: Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. -М.: Сов. радио, 1979, вып.4, с. 17-29.

41. Вешняков В.Й., Кардащук М.Д., Коваль В.Ф. Комплексиро-вание цифровых БИС для ЕПФ-процессоров. -Управляющие системы и машины, 1983, №5, с. 12-17.

42. Вешняков В.И., Корнейчук В.И., Соломонов В.В, Синтез последовательного ЗУ бункерного типа. -Автоматика, 1979, »2, с. 65-69.

43. Вешняков В.Й., Кардащук М.Д. Структурно-схематическая реализация БИС бункерных ЗУ. -Микроэлектроника, 1982, вып.5, т.П, с. 430-440.

44. Джеймс С. Матричный процессор, работающий в реальном времени. -Электроника, 1979, №17, с. 54-64.

45. Джон Э. 64-разрядной коррелятор шаг вперёд в области ДОС. -Электроника, 1981, »14, с. 41-49.

46. Ирвинг Томэи. 16-разрядных микропроцессор с 8-разрядной информационной шиной. -Электроника, 1980, PI, с. 71-79.

47. Качурин В.Н. Алгоритмы автоматизации процессов статистического анализа и синтеза дискретных фильтров и систем на ЦВМ. -Известия выших учебных заведений (приборостроение), 1970, т.ХШ, $12, с. 43-48.

48. Качурин В.Н., Климкин И.А. Устройство для моделирования дискретных функций. -Известия выших учебных заведений (приборостроение), 1968, т.XI, №7, с. 77-82.

49. Клан I., 1Ъмец Г. Специализированный процессор для быстрого решения задач гармонического анализа. -Электроника, 1968, №8, с. 3-Ю.

50. Коган А.Л., Колосовский A.B., Лысь В,Д., Тарасов М#Л. БИС регистрового ЗУ К1002ИР1. -Электронная промышленность, 1982, И, с. 18-19.

51. Красюк В.И. Построение вычислителей быстрого преобразования Фурье в некоторых дискретных базисах. -Известия ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина) Л.: 1980, вып. 278,с. 13-17.

52. Логинов В.П. Функции Уолша и области их применение. -Зарубежная радиоэлектроника, 1973, №4, с. 73-102.

53. Майоров С.А., Матвеев Ю.Н., Очин Е.Ф. Анализ метода Виноград для вычисления БПФ-2-точечных последовательность. -Автоматика и вычислительная техника, 1982, »2, с. 77-81.

54. Макаревич 0*Б., Спиридонов Б.Г. Цифровые процессоры обработки сигналов на основе БИС. -Зарубежная электронная техника, 1983, И, с. 58-94.

55. Мальруни С. Микропрограммирование миникомпьютера для быстрой обработки сигналов. -Электроника, 1978, №6, с. 58-65.

56. Наумов Б.Н. Этапы развития системы малых ЭВМ. -Вычислительная техника социалистических стран, 1980, вып.8, с. 5-6.

57. Некоторые вопросы проектирования многопрограммных с ЦВМ./Смолов В.Б., Плотников A.B., Свиньин С.Ф. и др. -Известия ЛЭТИ им.В,И,Ульянова (Ленина), вып.102,с. 59-64.

58. Поляк Б.Т., Шрейдер Ю.А. Применение полиномов Уолша в приближенных вычислителях. В сб. Вопросы теории математических машин, вып.2, -М.: Физматгиз, 1962, с. 174-190.

59. Поса Дж. Цифровые процессоры аналоговых сигналов-новое направление интегральной техники. -Электроника, 1980, №4, с. 93-96.

60. Равенский В.М. Автоматизация структурного проектирования процессоров БПФ. -Управляющие системы и машины, 1981, $2, с. 77-81.

61. Ракошиц B.C., Козлов A.B., Можаев И.А., Беляев A.A. Специализированные микропроцессоры, реализующие быстрые преобразования. -В кн.: Цифровая обработка сигналов и её применения. -М.: Наука, 1981, с. 206-217.

62. Флин М.Дж. Сверх быстродействующие вычислительные системы. -ТИИЭР, 1966, т.54, №12, с. 311-320.

63. Хармут Х.Ф. Асинхронные фильтры и подвижная радиосвязь при использовании сигналов на функциях Уолша. -Зарубежная радиоэлектроника, 1972, №6, с. 25-39.

64. Хелвинд Р. Вычислительное оборудование, выполняющее преобразования Фурье в РМВ. -Зарубежная радиоэлектроника, 1969, №2, с. 58-61.

65. Хофф, Таунсенд. Однокристальный микрокомпьютер для обработки сигналов в реальном времени. -Электроника, 1979, №5, с. 23-31.

66. Шивели. Цифровая машина для получения спектра в РВМ, -Зарубежная радиоэлектроника, 1969, №2, с. 46-57.

67. Шкабардня М.С. Приборостроение к ХХУ1 съезду КПСС. -Приборы и системы управления, 1981, №2, с. 2-5.

68. Щетинин Ю.И., Березенко А.И., Базанов В,И., Марков Б. Л. Схемотехника микропроцессорного комплекта БИС ТТЛ с диодами Шоттки. -В сб.: Микроэлектроника и полупроводниковые приборы вып.4. -М.: 1979, с. 56-62.

69. Трапезников В.А., Прангишвили И.В. Экспедиционные геоР физические вычислительные комплексы на базе многопроцессорной ЭВМ ПС-2000. -Приборы и системы управления, 1981, №2, с. 29-31.

70. Cooley J.W.j Tukey J.W. An algorithm for the machine calculation of complex Fourier Series. Math.Comput. 1965, V.19» Ж 4,PP. 297 - 301.

71. Gentlemen W.M., Sande G. Past Fourier Transform for Fun. and profit. 1966 Fall jomt Computer Conf. AFIPS proc.

72. V. 29, Washingtion, D.O.: Spartan Boeks. pp. 563 578.

73. Karplus W.J. Peripheral processors for high speed simulation. Simulation, 1977, V.29, N 5, pp. 143 - 153.

74. Али Абдалла А,Д. Исследование принципов построения быстродействующих вычислительных устройств для быстрого преобразования Фурье, -Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, -Л,: 1983.

75. Альховик A.C. Исследование и разработка многофункциональных арифметических устройств для автоматизированных систем динамических испытаний. -Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. -Л.: 1982.

76. A.C. 809173 (СССР). Матричное вычислительное устройство/ Л.: ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина); авт. изобрет. Шумилов Л.А., Али Абдалла А.Д., Суейдан А,И., Коикин В.В. -заявл. 31.05.79. (21) 277I9II/I8-24; опубл. в1. Б.И., 1981, 18.

77. Микропрограммный автомат M60I0, руководство по эксплуатации 4.1., с. 72.