Файл: Основы бортовых вычислительных машин.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 06.12.2023

Просмотров: 474

Скачиваний: 5

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

268 развитая система технического обслуживания и ремонта, суще- ственно влияющая на уровень эксплуатационной надежности БЦВС; широкое разнообразие используемых вычислительных средств с различными уровнями надежности и видами отказов; зависимость общих критериальных показателей надежности
БЦВС от состава и структуры аппаратных и программных средств.
Создание высоконадежной вычислительной системы в этих ус- ловиях связано с определением вероятности корректной реализации системой заданного класса алгоритмов в реальном масштабе времени.
Эта вероятность определяется завершенностью, безошибочностью, точностью и своевременностью решения поставленных задач. При этом следует учитывать не только обеспечение требуемого уровня надежности БЦВС по отношению к устойчивым отказам, но и обес- печение надежности системы по отношению к неустойчивым, само- устраняющимся отказам - сбоям.
Если задать величину временного порога
ОТ
τ
, то определения для сбоя и отказа могут быть сформулированы следующим образом.
Сбой - событие, вызывающее временное нарушение реализации системой заданного класса алгоритмов, длительность которого не превышает временного порога
ОТ
τ
, а восстановление работоспособ- ного технического состояния не требует реконфигурации структуры
БЦВС.
Отказ - событие, приводящее к нарушению реализации заданно- го класса алгоритмов, длительность которого превышает временной порог
ОТ
τ
, а для восстановления работоспособного технического со- стояния необходима реконфигурация структуры БЦВС.
Результатом отказов в БЦВС являются систематические ошибки, приводящие к необходимости восстановления аппаратуры, а резуль- татом сбоев - случайные ошибки, вызывающие необходимость вос- становления информации, искаженной ошибкой.
На начальных этапах использования БЦВМ основное внимание уделялось вопросам обеспечения надежности аппаратных средств. По мере появления вычислительных систем чрезвычайно острой стала проблема повышения надежности программного обеспечения, по- скольку БЦВС, надежная для одного класса решаемых задач и одних условий эксплуатации, может оказаться недостаточно надежной для другого класса задач и других условий эксплуатации.

269
Вероятность устойчивости БЦВС к сбоям
C
У
P определяется как произведение вероятностей безошибочной работы
B
P и своевремен- ной реализации системой
C
P заданного класса алгоритмов, при усло- вии соблюдения точностных характеристик алгоритмов (максималь- ных абсолютных и относительных погрешностей результирующих и промежуточных величин, количества достоверных двоичных разря- дов, необходимых для представления промежуточных и результи- рующих величин, распределения операндных величин по количеству достоверных разрядов и т.п.):
C
У
P =
B
P

C
P .
Вероятность устойчивости БЦВС к отказам
O
У
P определяется как произведение вероятности пребывания БЦВС в работоспособном техническом состоянии
PC
P в начальный момент времени и веро- ятности проведения реконфигурации структуры системы
P
P при воз- никновении отказа в пределах заданного времени:
O
У
P =
PC
P

P
P .
В теории надежности разработано значительное количество ма- тематических моделей, использующихся для анализа уровня надеж- ности БЦВС. К числу наиболее распространенных законов распреде- ления, необходимых для анализа основных характеристик дискрет- ных и непрерывных случайных величин, характеризующих сбои и от- казы БЦВС, относятся следующие: ступенчатое распределение; экс- поненциальное распределение; распределение Вейбулла; гамма- распределение; нормальное распределение; логарифмически нор- мальное распределение.
Выбор закона распределения осуществляется или по статистиче- ским данным, полученным в процессе испытаний, или на основе ана- лиза физических процессов, вызывающих отказы. При построении математических моделей оценки уровня надежности БЦВС целесооб- разно учитывать два обстоятельства: во-первых, выбранная модель не должна противоречить экспериментальным данным; во-вторых, должно быть обеспечено простое формальное описание модели и удобство ее использования при количественной оценке уровня на- дежности БЦВС. В соответствии с выбранным законом распределе- ния осуществляется расчет временных и вероятностных характери- стик по известным формулам.


270 7.4 Повышение живучести системы за счет автоматической ре- конфигурации
Бортовые вычислительные системы, работающие в реальном времени в составе АРЭК, должны обеспечивать непрерывное дли- тельное функционирование, не допуская возникновения аварийных ситуаций или отказов РЭО при сбоях или отказах в оборудовании вы- числительной системы. Обычно функции (программы), реализуемые
БЦВС, неравнозначны, и временная утрата некоторых второстепен- ных функций при сохранении, основных жизненно важных допусти- ма. Поэтому, для БЦВС основной характеристикой надежности сле- дует считать не среднее время наработки на отказ, используемое для оценки надежности БЦВМ, а вероятность утраты на заданном интер- вале времени любой из основных функций вследствие отказов от- дельных, элементов системы. Эта вероятность может быть принята за меру живучести системы.
Повешение живучести системы обеспечивается введением избы- точного оборудования и специальной логической организацией, по- средством которой достигается автоматическая реконфигурация сис- темы для сохранения при возникновении отказов в оборудовании жизненно важных функций с, быть может, утратой второстепенных.
Основными принципами построения систем повышенной живу- чести на основе автоматической реконфигурации являются: много- устройственность (в том числе многопроцессорность); общие поля процессоров, оперативной памяти, каналов и периферийных уст- ройств; динамическое распределение функций между однотипными устройствами.
Многоустройственность предполагает, что система должна со- держать несколько экземпляров однотипных устройств (процессоров, модулей оперативной памяти (ОП), каналов и др.). При этом должна быть обеспечена избыточность устройств всех типов по отношению к минимальному набору, необходимому для выполнения жизненно важных функций (рисунок 7.13).

271
Рисунок 7.13 - БЦВС с общими полями памяти, процессоров, каналов, периферийных устройств
Под общим полем понимается равнодоступность устройств. Что в свою очередь предполагает, что все модули ОП доступны всем про- цессорам и каналам; все каналы идентичны и доступны любому про- цессору системы; все периферийные устройства доступны любому каналу.
Динамическое распределение функций означает, что программы не привязаны жестко к процессорам и могут выполняться на любом процессоре комплекса, а операции ввода-вывода не привязаны жестко к каналам и могут производиться любым каналом.
В случае динамического распределения функций заранее не из- вестно, какое из однотипных устройств будет выполнять данную


272 функцию. Более того, работа может быть начата на одном, продолже- на на другом и закончена на третьем устройстве.
Наличие общих полей и динамического распределения функций между однотипным оборудованием позволяет системе в принципе со- хранять работоспособность, пока имеется хотя бы по одному исправ- ному устройству каждого типа.
Для практической реализация вычислительных систем необхо- димо обеспечение следующих логических свойств: многосвязный ин- терфейс, неявную адресацию и динамическое распределение (диспет- чирование) программ. Эти свойства в совокупности обеспечивают ав- томатическое выполнение реконфигурации за минимальное время, сохранение наиболее важных функций, автоматическое восстановле- ние программ, прерванных сбоями и отказами.
Многосвязные интерфейсы (рисунок 7.14) позволяют устройст- вам связываться друг с другом по независимым шинам. В отличие от характерных для БЦВМ односвязных интерфейсов, в которых общие шины разделяются устройствами во времени, в многосвязном интер- фейсе исключается выход из строя межмашинного интерфейса при неисправности одной из шин. Это требует дополнительного оборудо- вания. Целесообразно строить интерфейс таким образом, чтобы каж- дое устройство имело одну выходную и несколько независимых входных систем шин.
Неявная адресация. Однотипные устройства, обслуживающие операцию ввода-вывода (каналы, блоки управления периферийными устройствами), имеют одинаковые логические номера и поэтому фак- тически командой ввода-вывода не адресуются. Запрос на выполне- ние операции ввода-вывода воспринимается первым по пути прохож- дения запроса исправным и свободным устройством данного типа.
Неявная адресация действует не только при операции начальной вы- борки, но и при селекторном и мультиплексном обслуживании пери- ферийного устройства. В разных сеансах мультиплексного обслужи- вания одной и той же операцией ввода-вывода могут использоваться разные каналы и блоки управления. Неявная адресация и многосвяз- ность интерфейсов обеспечивают автоматический выбор свободного и исправного пути от ОП к периферийному устройству.

273
Рисунок 7.14 - Многосвязный интерфейс
Динамическое распределение (диспетчирование) программ меж- ду процессорами.В ОП организуются очереди для программ, имею- щих различные уровни приоритета (рисунок 7.15). Очередь с более высоким номером соответствует более высокому приоритету. Про- граммы заносятся в очереди своего приоритета прерываниями или идущими на процессорах программами. Аппаратура выделяет среди процессоров кандидата на прерывание, которым является процессор, обрабатывающий программу наименьшего приоритета. Аппаратура непрерывно сравнивает приоритет программы процессора-кандидата на прерывание с приоритетом непустой очереди с наибольшим номе- ром. Если в очереди появляется программа большего приоритета, процессор-кандидат прерывает свою программу, заносит ее в очередь соответствующего приоритета и начинает выполнять программу из непустой очереди наибольшего приоритета. Обработка прерванной программы будет продолжена, причем не обязательно на том же про- цессоре, когда ее приоритет станет выше приоритета программы- кандидата на прерывание.


274
Рисунок 7.15 - Динамическое распределение программ
Описанный механизм позволяет достичь взаимной независимо- сти программ и процессоров и обеспечивает в каждый момент време- ни выполнение наиболее приоритетных программ на наличных ис- правных процессорах.

275 8 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ
СИГНАЛОВ
8.1 Общие принципы технической реализации алгоритмов цифро- вой обработки
Цифровая обработка сигналов широко используется в различных системах авиационного радиоэлектронного оборудования (РЭО) воен- ного назначения. Но наибольшее развитие цифровые методы обработки нашли в радиолокационных системах ввиду сложности и важности ре- шаемых ими задач.
Радиолокационные системы в виде бортовых РЛС (БРЛС) и РГС входят в состав РЭО практически всех самолетов, вертолетов и ракет.
Они представляют собой основное средство для получения информации о наземных, надводных, подводных и воздушных объектах (целях).
Для современных летательных аппаратов военного назначения ха- рактерно включение бортовых РЛС в состав обзорно-прицельного или прицельно-навигационного комплексов, применяемых на различных этапах выполнения боевой задачи.
Объединение в единый комплекс информационных подсистем и датчиков, функционально связанных через систему цифровой обработ- ки (БЦВМ), существенно расширяет боевые возможности комплекса.
Обобщенная структурная схема бортовой радиолокационной сис- темы показана на рисунке 8.1 /11/. В состав типовой радиолокационной системы входят: антенное устройство с элементами управления диа- граммой направленности и антенным переключателем; синхронизатор; задающий генератор и передатчик; аналоговый приемник; аналогово- цифровой преобразователь (АЦП); БЦВМ, включающая процессор об- работки сигналов (ПОС) и процессор обработки данных (ПОД); систе- ма индикации и управления РЛС, как правило, сопряжена с инерциаль- ной системой (ИНС) и системой управления вооружением (СУВ).
Антенное устройство обеспечивает формирование основной диа- граммы направленности требуемой формы и ее перемещение в про- странстве по заданному закону, а также диаграммы направленности компенсационного канала. Синхронизатор определяет (задает) времен- ной режим работы РЛС в целом и его отдельных составных частей (пе- редатчика, приемника и др.). Антенный переключатель служит для подключения антенной системы к передатчику во время излучения зон- дирующего сигнала и к приемнику по окончании излучения.


276
Аналоговый приемник осуществляет предварительное усиление на сверхвысокой частоте (СВЧ), преобразование частоты до промежуточ- ной, нормировку сигналов, синхронное детектирование сигналов, фор- мирование и усиление синфазной и квадратурной составляющих. АЦП выполняет преобразование сигналов в цифровую форму. Задающий ге- нератор формирует непрерывные высокочастотные сигналы стабильной частоты малой мощности для последующего их усиления и импульс- ной модуляции в передатчике, а также сигналы линейной частотной и фазовой модуляции. Передатчик обеспечивает формирование мощных радиолокационных зондирующих сигналов с ВЧП, СЧП и НЧП им- пульсов, а также генерирования непрерывных (прерывистых) высоко- частотных сигналов подсвета РГС УР класса «воздух-воздух».
Рисунок 8.1
Процессор обработки радиолокационных сигналов (ПОС) обеспе- чивает решение задач первичной обработки сигналов, в частности, уз- кополосной доплеровской фильтрации и сжатия сигналов, пороговой их обработки и амплитудного детектирования, определения первичных от- счетов дальности до цели, скорости сближения с ней и др. Процессор обработки данных (ПОД) осуществляет управление режимами РЛС, формой и положением диаграммы направленности антенной системы, реализует алгоритмы оценивания (фильтрации) координат и параметров движения целей в различных режимах работы, формирует данные для системы индикации и т.д. Принципиальных различий в технической

277
реализации процессоров обработки данных и сигналов нет. Основное отличие заключается в их программном обеспечении.
При создании современной радиоэлектронной аппаратуры исполь- зуются три основные подхода к технической реализации устройства цифровой обработки (УЦО): аппаратный, программный и программно- аппаратный. При аппаратном подходе получают УЦО с традиционной
«жесткой» логикой, что обеспечивает наибольшее быстродействие уст- ройств, но требует трудоемкой разработки индивидуальной структуры устройства (например, цифровой фильтр на дискретных элементах).
При программном подходе УЦО реализуется в виде программы для универсальной цифровой ЭВМ. Программно-аппаратный подход пред- полагает разработку как программных, так и аппаратных средств и ос- нован на применении встраиваемых микро-ЭВМ. Аппаратная часть та- кого УЦО содержит программируемое устройство обработки на основе микропроцессорной интегральной схемы, а также интегральные микро- схемы, обеспечивающие организацию информационного обмена про- цессора и внешних устройств. Программная часть представлена реали- зованными на одном из языков программирования алгоритмами ЦОС.
Этот вариант открывает широкие возможности для применения совре- менных больших интегральных схем (БИС) микропроцессорных уст- ройств и позволяет в наибольшей степени согласовать разрабатываемые программно-аппаратные средства с особенностями решаемых задач.
Современные микропроцессорные устройства развиваются по трем архитектурным направлениям: универсальные микропроцессоры, микроконтроллеры и цифровые сигнальные процессоры.
Микропроцессор (МП) представляет собой функционально закон- ченное цифровое устройство, выполненное в виде одной или несколь- ких БИС и предназначенное для выполнения операций по обработке информации и управлению процессом обработки в соответствии с хра- нимой в памяти программой /12/. Универсальный микропроцессор, пре- жде всего, разрабатывается для выполнения разнообразных задач в со- ставе цифровой ЭВМ или микропроцессорного вычислительного уст- ройства (МПВУ). В узком смысле МП совпадает с центральным про- цессорным элементом (ЦПЭ) вычислительного устройства, выполнен- ным на основе БИС. ЦПЭ обычно используется в качестве основного элемента микропроцессорного вычислительного устройства МПВУ, схема которого представлена на рисунке 8.2.
МПВУ минимальной конфигурации содержит ЦПЭ, блоки запо- минающих устройств (ПЗУ и ОЗУ), генератор тактовых импульсов