Файл: Основы бортовых вычислительных машин.pdf

125 цифры
1 2
,
S P . Далее обработка информации будет производиться так же, как в первом цикле.
Таким образом, весь цикл суммирования занимает n тактов, ре- зультат суммирования записывается в RGA . Результат сложения бу- дет верным, если число разрядов суммы не превышает разрядность регистра RGA . Если же указанное условие не выполняется, то будет иметь место искажения результата, вызванного переполнением раз- рядной сетки.
Результат сложения
S
A
B
= +
(3.9) может быть записан в специальный регистр суммы.
Быстродействие последовательного сумматора определяется временем сложения
(
)
т
сл
S
T
n T
Т
=
+
,
(3.10) где п - число разрядов в регистрах; т
T - время сдвига кода в регист- рах;
S
Т - время образования суммы в сумматоре.
3.5.3 Многоразрядный параллельный сумматор
Функциональная схема трехразрядного комбинационного сум- матора параллельного действия показана на рисунке 3.35. В его со- став входят 3 одноразрядных сумматоров (в общем случае число од- норазрядных сумматоров равно числу n разрядов суммируемых слов).
Дополнительно используются три регистра: регистр числа A ( RGA ), регистр числа B ( RGB ) и регистр суммы ( RGS ). Для выполнения суммирования цифры всех разрядов чисел A и B подаются на входы сумматоров одновременно. С этого момента начинается процесс сло- жения, продолжающийся до завершения всех переносов и образова- ния суммы в старшем разряде. Поскольку значение суммы цифр и пе- реноса в i -м разряде зависят от результатов вычисления переноса в
(
i -1)-м разряде, значения цифр суммы на выходах одноразрядных сумматоров образуются последовательно. При неблагоприятных со- четаниях цифра переноса может распространяться через все разряды.
Поэтому наибольшее время сложения двух n разрядных чисел в па- раллельном сумматоре определяется как
(
1)
сл наиб
зр
S
зр
Т
п
Т
Т
nT
= −
+
≈
,
(3.11) где
зр
T - время задержки цифры переноса Р .

126
Рисунок 3.35
Анализ выражений (3.10) и (3.11) показывает, что параллельный сумматор по сравнению с последовательным выполняет сложение быстрее в
η
-раз, где т

127 3.5.4 Способы ускорения переноса в сумматорах
Быстродействие сумматоров в основном зависит от времени пе- реноса цифры в старшие разряды (см. выражение 3.11). Поэтому по- вышение быстродействия сумматоров в основном может быть обес- печено за счет его уменьшения.
Для повышения скорости работы параллельных сумматоров применяют различные приемы, сокращающие время прохождения сигнала переноса через группу одноразрядных сумматоров. Значение суммы S и переноса
i
P в
i -м разряде, задаваемые выражениями (3.3) и (3.4), можно записать в виде
(
)
(
)
1 1
1 1
i
i i
i i
i
i i
i i
i
i i
i i
S
a b
a b P
a b
a b P
R P
R P
−
−
−
−
=
∨
∨
∨
=
∨
(3.13)
(
)
1 1
i
i i
i i
i i
i
i
i i
P
a b
a b
a b P
C
R P
−
−
=
∨
∨
=
∨
,
(3.14) где
,
i
i i
i i
i
i i
R
a b
a b
C
a b

=
∨

=

(3.15)
Из выражения (3.14) следует, что появление единицы переноса в
i -м разряде вызывается двумя причинами: во-первых, перенос может возникнуть внутри одноразрядного сумматора при
1
i
i
a
b
= =
; во-вторых, перенос может быть выработан в связи с возникно- вением единицы переноса в предыдущем разряде (сквозной перенос).
Переносы первого типа образуются во всех разрядах одновре- менно с поступлением на входы сумматора слагаемых. Переносы второго типа формируются последовательно от младших разрядов к старшим. Основная задача заключается в уменьшении времени рас- пространения сигнала сквозного переноса.
Эта задача решается путем создания схем, где в формировании переноса i -го разряда участвует перенос из (
i
k
−
)-го разряда. Для этого в старшем (
i
-м) разряде необходимо анализировать не только цифры
i
a
и
i
b
, но и цифры младших разрядов
1 1
2 2
,
,
,
,...,
,
i
i
i
i
i k
i k
a
b
a
b
a
b
−
−
−
−
−
−
. Схемы, построенные для обработки этих цифр, должны срабатывать до поступления единицы переноса из младших разрядов и тем самым ускорять распространение сквозного переноса. То есть, используя (3.14), можно записать, что

128 1
1 0
2 2
2 1 2
2 1 2 1 0 3
3 3 2 3
3 2 3 2 1 3 2 1 0 1
1 1
2 1
2 1 1
2 1 0
,
,
,
i
i
i
i i
i
i i
i i
i
i i
i i
P
C
R P
P
C
R P
C
R C
R R P
P
C
R P
C
R C
R R C
R R R P
P
C
R P
C
R C
R R
C
R R
R C
R R
R R P
−
−
−
−
−
−
=
∨
=
∨
=
∨
∨
=
∨
=
∨
∨
∨
=
∨
=
∨
∨
∨
∨
∨
(3.16)
Сумматоры, схема которых реализует (3.16) называют суммато- рами с параллельным переносом.

129
Раздел 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
МАШИН
Глава 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАЗНАЧЕНИИ И
ПРИНЦИПАХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
4.1 Назначение, характеристики и классификация БВМ
4.1.1 Роль и место БВМ в составе авиационного радиоэлектрон- ного комплекса
Современный летательный аппарат представляет собой ком- плекс технических средств, функционально-связанных между собой в процессе выполнения поставленных перед ним задач. Успешное вы- полнение каждым ЛА (истребителем) своих задач зависит от летно- технических и тактико-технических данных самолета, опыта летчика, а также умелых действий наземных служб, в том числе и специали- стов радиоэлектронного оборудования (РЭО). Поэтому к авиацион- ному комплексу следует относить сложную человеко-машинную сис- тему, состоящую из ЛА совместно с системой наземных технических средств с управляющими ими людьми.
Выполнение любой задачи состоит из сбора информации об об- становке; обработке данной информации по алгоритмам, соответст- вующим состоянию объекта, среды и условиями применения ЛА; вы- работки сигналов управления и собственно процесса управления.
В соответствии с этим определяется необходимый состав основ- ных средств авиационного комплекса: информационные средства – источники первичной информации; линии передачи информации; средства обработки информации, принятия решений и формиро- вания команд управления; исполнительных средств (объекта управления).
Центральное место занимают средства обработки информации, принятия решений и формирования команд управления. Эти средства представляют собой совокупность вычислительных устройств раз- личного функционального назначения, не связанных или связанных

130 между собой и составляющих вычислительную систему (ВС).
Таким образом, под ВС будем понимать совокупность взаимо- связанных и согласованно действующих аппаратно-программных средств передачи хранения и переработки цифровой информации, предназначенных для преобразования входных данных в выходные в соответствии с заданными целями.
Основным средством уничтожения воздушных целей являются сверхзвуковые высокоманевренные истребители, главным видом бое- вых действий которых считается воздушный бой. Современный воз- душный бой характеризуется высокими скоростями, интенсивным маневрированием, большой информационной насыщенностью, что в совокупности обуславливает высокие психофизические нагрузки, воздействующие на экипаж. В этих условиях, несмотря на совершен- ствование качества подготовки летчиков, они не всегда обеспечивают безопасность пилотирования и не в полной мере используют потен- циальные возможности самолетов.
Выходом из этого положения является автоматизация обработки информации и управления истребителем с помощью БВМ. Обобщен- ная структурная схема такой автоматизированной системы представ- лена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1

131
В состав структурнойсхемы входят датчики информации о це- ли, о состоянии оборудования истребителя и параметрах его движе- ния. В общем случае это могут быть как отдельные устройства, на- пример, датчик угла атаки, так и целые системы. Примером послед- них может быть бортовая РЛС. Так как не всегда форма представле- ния информации является приемлемой для обработки цифровой ЭВМ, т.е. не имеет вид двоичных кодов, то для согласования вида инфор- мации и скорости ее поступления служит устройство ввода-вывода
(УВВ). В некоторых вариантах конструктивного исполнения УВВ может входить непосредственно в состав БВМ.
В общем случае боевая задача истребителя заключается в пора- жении воздушного объекта. Для решения этой задачи необходимо обнаружить объект, распознать его как цель, определить параметры, необходимые для подготовки средств поражения (СП), и организо- вать применение одного или нескольких СП. Для всех перечисленных этапов в составе математического обеспечения БВМ есть соответст- вующие программы. Информация, полученная в результате работы этих программ, поступает на систему индикации летчику, в систему управления оружием и в датчики для изменения режимов их функ- ционирования.
Летчик, с помощью соответствующих органов управления, зада- ет необходимые режимы работы всех систем радиоэлектронного ком- плекса (РЭК), а также управляет вычислительным процессом в БВМ.
Характерными особенностями работы БВМ в контуре управле- ния истребителем являются: сопряжение БВМ с аппаратурой иного физического характера; многократное повторение алгоритма; реаль- ный масштаб времени; ограничение реализации алгоритмов во вре- мени; повышенная надежность.
Первая характерная особенность состоит в том, что измеряемые датчиками физические величины по своей природе являются непре- рывными, вследствие чего для ввода их в БВМ необходимо преобра- зование их в цифровую форму. Такое преобразование может осуще- ствляться непосредственно датчикамиили преобразователями.
Как известно, большинство исполнительных устройств работает от непрерывных сигналов. Поэтому дискретные результаты из БВМ должны быть преобразованы в аналоговые величины для последую- щего их использования. Различный физический характер информации приводит к значительному усложнению всей системы, увеличению ее

132 массы, габаритов и стоимости. Кроме того, создание преобразовате- лей, обладающих высокой точностью, представляет определенную проблему.
Вторая особенность работы БВМ в контуре управления истреби- телем заключается в том, что алгоритмы решаемых задач, описанные на машинном языке, не изменяются в процессе всего периода экс- плуатации ЛА и должны храниться в постоянном запоминающем уст- ройстве. Исполнение любого алгоритма происходит путем много- кратного его повторения. При каждом повторении алгоритма меня- ются лишь исходные данные. Частота повторения того или иного ал- горитма зависит от скорости изменения исходных данных, допусти- мой дискретности выдачи результатов в соответствующие подсисте- мы РЭК и условийприменения.
Третья особенность состоит в реализации реального масштаба времени. Эта особенность заключается в том, что необходимо обес- печить при дискретном характере выходной информации непрерыв- ность управления подсистемами РЭК при сохранении требуемой точ- ности решения задачи. При этом получение результата вычислений должно произойти не позднее,чем ощутимо изменятся (устареют) ис- ходные для работы алгоритма данные.
Четвертая особенность, заключающаяся в представлении тре- буемого интервала времени для реализации каждого алгоритма, опре- деляет цикл работы БВМ и подсистем РЭК. Ограничение по времени осуществляется из соображения точности решения задач и непрерыв- ности управления.
Пятая особенность подчеркивает важность такой характеристи- ки, как надежность. В данном случае понимается не только техниче- ская надежность, определяемая надежностью элементов и технологи- ей изготовления БВМ, но и надежность программного обеспечения.
Надежность последнего определяется следующей совокупностью факторов: выбором устойчивых методоврешения задач; эффективно- стью программной защиты алгоритмов; степенью развитости про- граммных методов контроля правильности реализации алгоритмов и т.д. Перечисленные особенности работы БВМ, круг решаемых ее за- дач и роль БВМ в составе радиоэлектронного комплекса предъявляют специфические требования к основным характеристикам вычисли- тельной системы и составу ее программного и аппаратурного обеспе- чения.

133 4.1.2 Классификация БВМ
В зависимости от формы представления информации вычисли- тельные машины делятся на два класса: аналоговые и цифровые (дис- кретные). Первые БВМ представляли собой аналоговые вычислители
(решающие устройства). В настоящее время все более широкое при- менение в авиационном РЭО (в системах связи, радиолокации, при обработке речевых сигналов, изображений и др.) находят цифровые
ЭВМ, имеющие ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми: более высокая надежность; стабильность параметров при воздействии дес- табилизирующих факторов; высокая точность обработки информа- ции; значительное сокращение трудоемкости и упрощение операций регулировкии настройки; возможность создания микросхем с очень высокой степенью интеграции. Тем не менее, необходимо рассмот- реть и принципы построения аналоговых вычислительных машин, так как они имеют некоторые положительные характеристики.
4.2 Общие сведения об аналоговых вычислительных машинах
В природе существует большое количество процессов имеющих разную физическую природу, но описываемых однотипными диффе- ренциальными уравнениями. Такие аналогии можно использовать для выполнения моделирования одних процессов другими, более доступ- ными и управляемыми. Такой принцип функционирования использу- ется в аналоговых БВМ.
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) удобны для вос- произведения решений дифференциальных уравнений, например уравнений динамики полета самолета, и для моделирования различ- ных систем регулирования и управления, работа которых описывает- ся дифференциальными уравнениями.
Машинные переменные, с которыми оперируют электронные
АВМ, представляют собой непрерывно изменяющиеся во времени напряжения и токи. Им соответствуют физические или математиче- ские переменные исследуемого процесса или решаемой задачи. Со- отношения между физическими и машинными переменными опреде- ляют масштабные коэффициенты:
;
,
y
y
m
t
U
m y
t
m t
=
=

134 где
, ;
, ;
,
,
y
m
y
t
U t
y t
m m соответственно, машинные переменные, фи- зические переменные, масштабные коэффициенты.
Коэффициенты могут быть вычислены по формуле: max max
y
U
m
y
=
, где через max
U
и max
y
обозначены max
y
U и max y соответственно.
Коэффициент
t
m выбирают исходя из назначения АВМ или из требований к устройству регистрации напряжений. Длительные фи- зические процессы, например изменение климатических условий на
Земле за последние тысячелетия, целесообразно моделировать с ус- корением (
m
t
t
<
, откуда
1
t
m
<
), а быстропротекающие процессы, на- пример процессы в ядерных реакторах, - с замедлением (
m
t
t
>
, отку- да
1
t
m
>
). Для управляющих АВМ реальных физических систем, на- пример боевого самолета, должен быть обеспечен режим реального масштаба времени (
m
t
t
=
, т.е.
1
t
m
=
), в противном случае управ- ляющие воздействия от АВМ на объект управления будут поступать либо с опозданием, либо с опережением и цель управления не будет достигнута.
Первые АВМ являлись механическими устройствами и были разработаны в конце 19 начале 20 веков (братья Томпсон, 1876 год и академик Крылов 1903 год). АВМ на электронных лампах появились в 40-х годах прошлого столетия. Затем был освоен выпуск АВМ на полупроводниковых приборах, а с 70-х годов и на интегральных микросхемах.
Основу АВМ составляют операционные (решающие) блоки
(ОБ), выполненные на базе решающих усилителей - дифференциаль- ных усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиле- ния. Каждый блок выполняет одну математическую операцию, блоки соединяют между собой в соответствии с аналитической зависимо- стью решаемой задачи. Параметры решаемой задачи как функции времени можно снимать с выходов всех блоков одновременно.
Таким образом, структура АВМ непостоянна и определяется решаемой задачей. АВМ – неалгоритмическая система, решающая за- дачу на множестве ОБ одновременно, а не пооперационно и последо- вательно во времени.