Опубликован: 03.04.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 310 / 11 | Длительность: 34:17:00
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 3:

Состояние и перспективы развития вычислительных систем и проектных технологий их создания

< Лекция 2 || Лекция 3: 12345 || Лекция 4 >

В систему можно добавить до восьми различных цифровых модулей обработки и дополнительные блоки питания. Модули процессоров обработки, как сигналов, так и данных, реализованы на базе коммерческого микропроцессора Motorola G4 PowerPC (MPC) [43, 44], выполненных по 128-битовой технологии AltiVec. Основные характеристики модельного ряда микропроцессоров Motorola G4 PowerPС 128-bit AltiVec представлены в табл. 2.2. Основу ряда образуют 32-битная RISC- архитектура. Процессоры изготовлены по технологии HiPerMOS и имеют 32 внутренних регистра по 128 бит каждый и кеш первого уровня размером 64 Кб (32 Кб инструкций и 32 Кб данных).

Производительность процессора MPC7410 с тактовой частотой 500 МГц при обработке данных составляет 8 млрд. оп/сек с фиксированной запятой и 2 млрд. оп/сек с плавающей запятой, а цикл инструкции составляет 2 наносекунды, причем за один цикл можно выполнить от 1 до 3 инструкций.

Модули видеопроцессоров реализуются на основе FPGA- матриц (программируемые пользователем вентильные матрицы) с использованием языка синтеза дискретных систем VHDL.

В ICP для работы с данными используется коммерческая операционная система (ОС) реального времени (РВ) фирмы Green Hills Software Integrity, для работы с сигналами коммерческая мультипроцессорная ОС фирмы Mercury Computer Systems. Суммарный объем программного обеспечения приблизительно оценивается в 4,5 миллиона строк кода.

Предварительная предпроцессорная обработка получаемых сигналов от датчиков производится внутри комплекса MIRFS системой ISS. То есть, например, радару очень сложно генерировать зондирующие сигналы и производить аналого-цифровое преобразование откликов для последующей их цифровой обработки. Поэтому радар оцифровывает и передает в ICP на обработку только данные о целях (расстояние до нее, азимут и т. п.), тем самым не загружая ICP лишней информацией.

Таблица 2.2. Основные характеристики микропроцессоров Motorola
Наименование чипа Рабочаячастота,МГц Частота шины, МГц Размер кеша Технологияизготовлениямикрон Формакомпоновки(CGBA) V Вольт WВатт
2-го уровня 3-го уровня
G4 (7400/ 7410/ Мах) 350 100 до 2 Мб отд. 0.18 360-pin 1.8 ?
400 100 до 2 Мб отд. 0.18 360-pin 1.8 11.5
450 100 до 2 Мб отд. 0.18 360-pin 1.8 ?
500 100 до 2 Мб отд. 0.18 360-pin 1.8 12.5
7441 (low-power) 600 100 до 2 Мб отд. 0.18 360-pin 1.5 ?
700 100 до 2 Мб отд. 0.18 360-pin 1.5 ?
G4e (7450/7451) 533 133 до 2 Мб отд. 0.18 360-pin 1.6 17
600 133 до 2 Мб отд. 0.18 360-pin 1.6 17.5
667 133 256 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.18 483-pin 1.6 19
733 133 256 Кб на чипе до 2 Мботд. 0.18 483-pin 1.6 ?
800 133 256 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.18 483-pin 1.6 ?
867 133 256 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.18 483-pin 1.6 ?
G4e(7455) 800 133 256 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.18 483-pin 1.6 ?
933 133 256 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.18 483-pin 1.6 ?
1000 133 256 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.18 483-pin 1.6 30
1250 166 256 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.18 483-pin 1.6 30
1425 166 256 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.18 483-pin 1.6 30
7447 1000 166 512 Кб на чипе 0.13 360-pin CGBA 1.3 ?
1250 166 512 Кб на чипе 0.13 360-pin 1.3 ?
1333 166 512 Кб на чипе 0.13 360-pin 1.3 ?
7457 1000 166 512 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.13 483-pin 1.3 ?
1250 166 512 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.13 483-pin 1.3 ?
1333 166 512 Кб на чипе до 2 Мб отд. 0.13 483-pin 1.3 ?

Радиолокационные данные обрабатываются вместе с данными от других бортовых и внешних систем, а затем передаются из ICP в систему индикации для отображения на дисплей, расположенный на приборной панели, и в нашлемную систему индикации.

Для связи интегрированного процессора обработки сигналов и данных ICP, датчиков самолета, интегрированной системы связи, навигации и опознавания (CNI) и дисплеев используется ВОЛС со скоростью приема/передачи сигналов и данных 2 Гб/с.

Для реализации функций системы управления полетом и силовой установкой (VMS) фирма BAE Systems разработала компьютер управления системами самолета (Vehicle Management Computer VMC). На борту самолета JSF будет размещаться три таких компьютера, связанных вместе шиной стандарта IEEE 1394B. Каждый компьютер содержит процессорный модуль, модуль ввода-вывода и блок питания. Все три компьютера VMS обрабатывают данные одновременно, постоянно сравнивая результаты и, тем самым, гарантируя целостность данных.

Для предоставления текущей информации от датчиков, оружия, состоянии самолета, полетной безопасности, тактической обстановке используется два многофункциональных микроактивных жидкокристаллических дисплея (LCD) на приборной доске размером 8?10 дюймов (20?25 см) с разрешающей способностью 1280?1024 точек. Вместе они составляют комбинированную дисплейную систему (MFDS), образуя единую панорамную область просмотра размером 8?20 дюймов (20?50 см). Каждая половина полностью функциональна и может продолжать работать, если откажет другая. Доступные функции на индикаторе активизируются прикосновением пальца. В каждый дисплей встроен дисплейный процессор для обработки данных и "проекционный двигатель" для отображения образов на экране.

Схема дисплейного процессора вместе с коммерческими процессорами, памятью и видеопроцессорами использована в компьютере управления нашлемной индикацией (DMC-H). Система нашлемной индикации (HMDS) использует комбинирование электрооптики, позиционирование головы и программные алгоритмы ориентационного слежения для представления информации на визир пилоту об окружающей обстановке, причем пилот управляет уровнем детализации интересующей его области в пространстве.

Основные требования к системе HMDS включают: проецирование на визир, бинокулярность, широкий угол зрения, отображение в (квази) реальном времени, эквивалентная точность положению головы, 24-часовое использование, комфорт и безопасность при катапультировании, вес и сбалансированность; ожидается, что вес шлема составит около 1,9 кг. Визир нашлемной системы представляет собой плоскую полупрозрачную панель

активной матицы LCD, которая обеспечивает бинокулярное зрение на 500 по ширине и 300 по высоте. Система HMDS автоматически включает подсветку или затемнение для ночных и дневных операций соответственно.

Первый полет версии самолета F-35 с обычным взлетом и посадкой ожидался в 2005 году.

Системотехнические выводы по лекции 2

  1. Военная доктрина США и вытекающая из нее военно-техническая политика ориентированы на противоборство с технически отсталым противником, который в условиях локального военного конфликта не способен владеть стратегической и оперативно-тактической ини циативой. На это указывают три фактора:
    • объединение военных и гражданских стандартов в области БЭО;
    • стратегия обеспечения живучести, базирующаяся на принципах и методах парирования одиночных отказов;
    • предполетная адаптация программно-аппаратного и информационного обеспечения БВС под конкретное полетное задание.

    Первые два фактора предполагают отсутствие у противника эффективных средств противодействия типа рентгеновских лазеров, мощных генераторов электромагнитных импульсов и т. п., способных вызвать в БЭО и БВС множественные отказы.

    Третий фактор предполагает развитие воздушной и боевой обстановки только по сценариям, заложенным в интеллектуальные и информационные базы БВС, то есть только по сценариям атакующей стороны.

  2. К принципиально новым моментам построения БЭО самолетов 5-го поколения можно отнести:
    • переход к директивным методам и средствам управления полетом и боевыми действиями, когда на экипаж возлагаются только функции выбора маневра, а не его реализация;
    • стратегию создания, которая объединяет в единый жизненный цикл этапы проектирования, изготовления и эксплуатации, что предполагает не только создание сквозной технологии прототи-пирования, но и единую технологию (сверх)гибкого производства многономенклатурного БЭО.
  3. 3.Стратегия развития БЭО и БВС указывает на то, что развертывание беспилотных группировок, скорее всего, будет проходить через промежуточный этап создания и использования смешанных группировок, в которых пилотируемые борта решают интеллектуальныезадачи выхода на цели, а атакующие действия выполняют сателлитные беспилотные группы, осуществляющие индивидуальные боевые маневры только в непосредственном боестолкновении.
  4. Целевая функция построения и работы БВС за последние 25-30 лет фактически не изменилась, и их разработчики по-прежнему ориентированы на создание открытых, многоуровневых, неоднородных, распределенных, (сверх)параллельных, защищенных от несанкционированного доступа БВС повышенной живучести. Тем не менее, принципиально новым моментом технологии прототипирования является активное участие не только летчика, но и постановщика задач в создании БВС ЛА 5-го поколения. При этом активно используются не только интеллектуальные программные оболочки, но и средства полунатурного моделирования критических компонент БВС на основе полузаказных СБИС.
  5. Методы и средства оценки качества, а с ними и классификация изделий вычислительной техники остаются неизменными и опираются в основном на показатели, характеризующие производительность, объемы оперативной и кеш-памяти, разрядность арифметики, скорости обмена информацией в системе.
  6. Вычислительные технологии перспективных БВС зарубежных боевых ЛА базируются на традиционных методах и средствах организации вычислений и поэтому не учитывают специфику работы перспективной нанометровой или супрамолекулярной элементной базы, для которой пока не найдены технологические решения, обеспечивающие требуемую по современным меркам отказоустойчивость и продолжительность "жизни" квантовых систем, используемых как "рабочее тело". Это указывает на то, что США приступят к промышленному освоению нанотехнологий только в том случае, когда они будут способны удовлетворить существующие требования по отказоустойчивости (Б)ВС.
  7. Военно-промышленный комплекс и созданная национальная авиационная корпорация РФ смогут обеспечить паритет в области БЭО ЛА только на основе комплексного использования интенсивных (архитектурных) и экстенсивных (технологических) факторов производства программно-аппаратных средств вычислительной техники. Это требует освоения отечественной промышленностью хотя бы субмикронных технологий производства СБИС и минимизации номенклатуры при комплектации всей БВС, что автоматически приводит к повышению роли вычислительных технологий с микрокомандным уровнем доступа.

Основные достоинства этой технологии:

  • высокая однородность программно-аппаратных средств субпроцессорных трактов, обеспечивающих сопряжение ядра БВС с контуром реального времени БЭО;
  • высокая структурно-функциональная гибкость, обеспечивающая достаточно быстрое макетирование узловых компонент субпроцессорных трактов в процессе полунатурного моделирования, а в процессе эксплуатации сверхвысокие коэффициенты распараллеливания вычислений и парирование в темпе близком к реальному времени множественных отказов аппаратуры при некратном (порядка 30 %) горячем резерве;
  • высокая вычислительная устойчивость и помехозащищенность, поддерживаемая последовательной конвейерной арифметикой с произвольно наращиваемой разрядностью, которая требует минимума параллельных гальванических связей, наиболее подверженных влиянию перекрестных электромагнитных помех, и демпфирует негативное влияние ограниченной разрядной сетки на точность вычислений;
  • адекватность условиям работы элементной базы нанометрового или супрамолекулярного диапазона практически на всех уровнях организации вычислений, начиная с физико-технического и заканчивая поток-операторным.

Именно последнее обстоятельство вынуждает проектировщиков БВС для ВВС США приступить к реализации подобной вычислительной технологии при решении критических задач обработки изображений в системах навигации и управления высокоточным оружием. Для решения этих задач используются аппаратные платформы, которые создаются методами и средствами программного конструирования специализированных видеопроцессоров на основе FPGA- матриц (программируемые пользователем вентильные матрицы) с использованием языка синтеза дискретных систем VHDL. Однако это только первый шаг на пути широкомасштабного использования в БВС вычислительных технологий со сверхмассовым параллелизмом в аппаратных платформах, работающих на предельных тактовых частотах гигагерцового диапазона или в начальной области терагерцового диапазона.

< Лекция 2 || Лекция 3: 12345 || Лекция 4 >
Виктор Бузмаков
Виктор Бузмаков
Россия, г. Москва
Юрий Самков
Юрий Самков
Россия