«ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ В.А. Костенко (МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Москва) Введение. Разработка новых архитектур комплексов бортового оборудована (КБО) и технологий их ...»

ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ СНИЖЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ КБО С АРХИТЕКТУРОЙ

ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ

В.А. Костенко

(МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Москва)

Введение. Разработка новых архитектур комплексов бортового оборудована (КБО) и технологий их построения направлены, прежде всего, на достижения следующих целей:

Сокращение аппаратных ресурсов КБО необходимых для выполнения функциональных задач (программ) в реальном времени.

Сокращения сроков и стоимости проектирования КБО.

Повышение надежности комплекса.

В работе на примере локационной системы рассмотрены проблемы, которые могут приводить к снижению эффективности использования аппаратных средств вычислительных и сетевых ресурсов КБО с архитектурой интегрированной модульной авионики (ИМА), а также проблема комплексирования систем КБО.

Проблема увеличения потока данных в бортовой сети обмена. В данном разделе рассмотрим насколько перенос функциональных программ с вычислителя локационной системы на единый бортовой вычислитель увеличивает поток данных в бортовой сети обмена. Основными этапами алгоритмов обработки данных в локационных системах с фазированным антенными решетками являются [1,2]:

1. Оцифровка и нормализация данных снимаемых с элементов фазированной антенной решетки.

2. Быстрое преобразование Фурье.

3. Получение оценки взаимно — спектральной матрицы (используется операция внешнего скалярного произведения векторов).

4. В зависимости от используемого метода: нахождение собственных значений и векторов или обращение взаимно — спектральной матрицы.

5. Нахождение угловых координат (используются операции скалярного произведения векторов).

В зависимости от характеристик локационной системы и размера антенной решетки для обработки данных в режиме реального времени требуется вычислитель с производительностью 1012–1015 оп/с [1,2]. В случае федеративной архитектуры все этапы обработки данных от фазированной антенной решетки выполняются на вычислителе локационной системы. Как правило вычислитель локационной системы построен на основе спецпроссеров или процессоров цифровой обработки сигналов (DSP). В бортовую сеть передаются лишь угловые координаты источников сигналов. Если система способна обнаруживать до M объектов, в бортовую сеть передаются 3M переменных с частотой nL/aB. Здесь — период опроса элементов антенной решетки, aB = 1/ (по теореме Котельникова a2.5), ( -B, B) — полоса частот принимаемых сигналов, — число анализируемых элементов разрешения по частоте, — требуемая спектральная разрешающая способность, n — количество выборок анализируемых сигналов. Количество выборок должно позволять оценивать статистики второго порядка анализируемых сигналов и его значения в локационных системах с фазированным антенными решетками всегда больше 100.

В случае использования архитектуры интегрированной модульной авионики в «чистом виде» этапы 2 — 5 обработки данных от фазированной антенной решетки выполняются на едином бортовом вычислителе, состоящем из универсальных вычислительных модулей. Сигналы сразу после нормализации должны передаваться через бортовую сеть в единый вычислитель. В бортовую сеть передаются K переменных с частотой 1/aB. Здесь K — число элементов антенной решетки. Поток данных от локационной системы в сети обмена КБО с архитектурой интегрированной модульной авионики по сравнению с федеративной архитектурой увеличивается в 103–105 раз в зависимости от характеристик локационной системы. То есть экономия аппаратных затрат на вычислительные ресурсы за счет разделения аппаратных ресурсов бортового вычислителя программами различных систем может быть меньше затрат на увеличение пропускной способности бортовой сети обмена.

Проблема унификации вычислительных ресурсов КБО. Второй проблемой использования архитектуры интегрированной модульной авионники в «чистом виде» является то, что очень часто спецпроцессоры превосходят универсальные процессоры по отношению «производительность/аппаратные затраты» в разы. Возможность применения эффективных спецпроцессоров объясняется тем, что во многих системах КБО используется цифровая обработка сигналов, алгоритмы которой характеризуются регулярной структурой и отсутствием ветвлений [3].

Добиться некоторого компромисса между спецпроцессорами и универсальными процессорами по критериям универсальность и «производительность/аппаратные затраты» позволяют сигнальные процессоры (DSP). Для программирования DSP процессоров обычно используют один из двух языков — ассемблер и Cи. При использовании языков высокого уровня, в частности, Cи, можно унифицировать и ускорить создание программ, но при этом ресурсы процессора будут использоваться менее эффективно, по сравнению с программой, написанной на ассемблере. Время выполнения программ, написанных на Си для типичных операций цифровой обработки сигналов увеличивается в 9 — 12 раз [4] по сравнению с временем выполнения программ, написанных на ассемблере.

Требование унификации аппаратных и программных средств обуславливают использование универсальных процессоров и языков программирования высокого уровня, что приводит к снижению эффективности вычислительных модулей бортового вычислителя по критерию «производительность/аппаратные затраты», кроме того перенос программ системы на единый бортовой вычислитель может существенно увеличивать поток данных в бортовой сети обмена.

Какие программы не следует переносить на единый бортовой вычислитель КБО. Из предыдущих разделов следует, что аппаратные затраты на построение КБО могут увеличиваться при переносе программ с вычислителя системы на бортовой вычислитель в следующих случаях:

Разница между временем выполнения программы на бортовом вычислителе и периодом ее выполнения мала. Период выполнения — интервал времени обратно пропорциональный требуемой частоте выполнения программы. Требования реального времени предполагаю, что программа должна выполняться один раз в каждом периоде.

Программа должна выполняться во всех режимах работы КБО.

Перенос программы на бортовой вычислитель приводит к значительному увеличению потока данных в бортовой сети обмена.

Первые два условия означают, что требуемые ресурсы бортового вычислителя должны выделяться программе монопольно для ее выполнения в режиме реального времени. Требование унификации аппаратных и программных средств КБО приводит к увеличению аппаратных ресурсов бортового вычислителя, используемых программой, как минимум на порядок по сравнению с локальным вычислителем подсистемы. То есть, в случае выполнение условий 1,2 при переносе программы на бортовой вычислитель аппаратные затраты на вычислительные ресурсы КБО возрастают.

Если первые два условия не выполняются, но перенос программы на бортовой вычислитель приводит к значительному увеличению потока данных в бортовой сети обмена, то экономия аппаратных затрат на вычислительные ресурсы за счет разделения аппаратных ресурсов бортового вычислителя программами различных систем может быть меньше аппаратных затрат на увеличение пропускной способности бортовой сети обмена.

Некоторое ослабление требований к унификации аппаратных и программных средств КБО может привести к повышению эффективности использования аппаратных средств вычислительных модулей бортового вычислителя. Например, во многих системах используется операция быстрого преобразования Фурье и частота выполнения (величина обратно пропорциональная периоду выполнения) этой операция высокая. В этом случае, целесообразно в едином бортовом вычислителе использовать специализированный вычислительный модуль для операции быстрого преобразования Фурье, который могут разделять программы различных систем КБО. Подход к разработке подобных модулей с унифицированными интерфейсами предложен в работе [5].

Проблема комплексирования систем КБО. При построении КБО с архитектурой ИМА значительно возрастает сложность этапа комплексирования систем КБО. Во многих КБО с федеративной архитектурой в качестве бортовой сети обмена используются магистральные каналы информационного обмена с централизованным управлением. Наиболее часто в КБО используются следующие каналы с централизованным управлением MIL STD—1553B (МКИО ГОСТ Р 52070 — 2003) [6], STANAG 3910 [7], FC—AE—1553 [8]. Канал обеспечивает обмен данными между устройствами, присоединёнными к нему (оконечные устройства). Обмен представляет собой последовательность передач прикладных и служебных данных между оконечными устройствами. Каждую передачу данных между оконечными устройствами будем называть сообщением. Время начала передачи каждого сообщения определяет расписание, которое строится заранее. Расписание исполняется контроллером канала, который является одним из оконечных устройств. Только контроллер канала может инициировать передачу сообщений. Другие оконечные устройства выполняют команды контроллера (схема ведущий — подчинённый), что гарантирует отсутствие коллизий и выполнение требований реального времени. Основной задачей, которая требовала разработки алгоритмов для автоматизации ее решения и соответствующих инструментальных средств, являлась задача построения расписания обменов по магистральным каналам КБО для исходно заданного набора сообщений, передаваемых между системами [9,10]. Структура каждого сообщения (состав и порядок слов данных в сообщении) так же задается в качестве исходных данных и в ходе комплексирования систем КБО изменение структуры сообщений не допускалось.

При построении комплексов БРЭО с архитектурой ИМА требуется решать задачи структурного синтеза бортового вычислителя (выбор минимально необходимого числа вычислительных модулей, количества процессоров и ядер в модуле), структурного синтеза бортовой сети обмена (выбор количества коммутаторов и топологии сети), построения согласованных расписаний выполнения функциональных задач и обменов данными [11]. Для коммутируемой бортовой сети обмена при построении согласованных расписаний требуется сформировать виртуальные каналы, определить значения их характеристик и построить для виртуальных каналов маршруты в бортовой сети обмена [12]. То есть для сокращения сроков и стоимости проектирования КБО с архитектурой ИМА, содержащим большое число систем и прикладных программ, требуется наличие соответствующих перечисленным выше задачам систем автоматизированного проектирования (САПР).

Заключение. Основными причинами, которые могут приводить к снижению эффективности использования аппаратных средств вычислительных и сетевых ресурсов КБО, являются:

использование в бортовом вычислителе универсальных процессоров,

использование только языков программирования высокого уровня,

увеличение потока данных в бортовой сети обмена при переносе функциональных программ с вычислителя подсистемы на единый бортовой вычислитель.

Кроме того, значительно возрастает сложность этапа комплексирования систем КБО с архитектурой ИМА. Это делает проблематичным сокращение сроков и стоимости проектирования КБО без использования на этапе комплексирования САПР.

БИБЛИОГРАФИЯ

Костенко В.А. Крупноблочный параллелизм в задачах обработки сигналов // Программирование – 1997. — № 2 — С.67 — 75.

Костенко В.А. Особенности параллельной численной реализации в реальном масштабе времени методов сверхразрешения// Радиотехника, 1995. — N 3 — С.32 — 36.

Сверхбольшие интегральные схемы и современная обработка сигналов/ Под ред. С. Гунна, Х. Уайтхауса, Т. Кайлата. – М.: Радио и связь, 1989. – 472с.

Балашов В.В., Капитонова А.П., Костенко В.А., Смелянский Р.Л., Ющенко Н.В. Метод и средства оценки времени выполнения оптимизированных программ // Программирование. – 1999. — №5 – С 52 — 61.

А. В. Шукалов, П. П. Парамонов, Е. В. Книга, И. О. Жаринов. Принципы построения вычислительных компонентов систем интегрированной модульной авионики // Информационно управляющие системы. – 2014. — №5 – С 64 — 71.

ГОСТ Р 52070–2003. Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей. – Введ. 01.01.2004 – М. : Изд — во стандартов, 2001. – 23 с.

Guide to Digital Interface Standards for Military Avionic Applications: Technical report ASSC/110/6/2 — ISSUE 3 // Avionics Systems Standardization Committee (ASSC). – UK, 2006. – 249 p.

Information technology – Fibre Channel – Part 312: Avionics environment upper layerprotocol MIL — STD — 1553B Notice 2 (FC — AE — 1553) : Technical Report TR 14165 — 312:2009 // International Organization for Standardization (ISO). – 2009. – 84 p.

Костенко В.А., Гурьянов Е.С. Алгоритм построения расписаний обменов по шине с централизованным управлением и исследование его эффективности // Программирование. — 2005. — №6 — С.67 — 76.

Р. Смелянский, В. Костенко, В. Балашов, В. Балаханов. Инструментальная система построения расписания обмена данными по каналу с централизованным управлением // Современные технологии автоматизации. — 2011. — № 3 — С.78 — 84.

Костенко В.А., Шестов П.Е. Жадный алгоритм совместного планирования вычислений и обменов в системах реального времени // Известия РАН. Теория и системы управления. — 2012. — № 5 — С.35 — 49.

Вдовин П.М., Костенко В.А. Исследование эффективности процедуры агрегации виртуальных каналов при построении бортовых коммутируемых сетей // Вестн. Моск. Ун— та. Сер. 15. Вычислительная математика и кибернетика. — 2015. — №. 4 — С. 32 — 40.