Перспективы развития индустрии производства программного обеспечения в России

     Реализация  этих технологий, обеспечивающих повышение  точности управления объектами в  условиях возмущений не менее 5-10 раз  и создание  сети сверхточных  телескопов позволит создать основу для решения важнейших проблем  астрофизики и космонавтики, в  том числе в интересах обеспечения  Международной безопасности и безопасности России от возможных падений на Землю  опасных космических объектов (астероидов, комет и межпланетных станций  в нештатных ситуациях при  гравитационных маневрах вблизи Земли). 
 
 

К вопросу проектирования высокопроизводительных устройств цифровой обработки сигналов 

А.В. Зайченок, ОАО «НИИВК им. М.А. Карцева» 
 

     В данной статье рассматриваются базовые  алгоритмы первичной обработки  гидроакустического сигнала и методы их реализации. Анализируются особенности  проектирования устройств обработки  сигналов на основе ПЛИС-технологии, с  использованием  семейства Altera Flex10K и семейства Altera Stratix.

     Весь  процесс обработки гидроакустической  информации можно условно разделить  на три этапа. Первый этап – частотная  обработка, второй – пространственная обработка и третий – межкадровая  обработка. В основе частотной обработки  лежит операция быстрого преобразования Фурье над каждым источником данных с определенной частотой дискретизации  и последующей весовой обработкой. Пространственная обработка позволяет  получить пространственно-частотный  спектр сигнала и основывается на операции «умножение с накоплением» (МАС) над заданными частотами  определенной группы источников данных. Межкадровая обработка устанавливает  корреляцию между результатами пространственной обработки разных временных кадров.

           Алгоритм пространственной обработки гидроакустической информации от прямоугольной антенны, состоящей  из k_v приборов по вертикали и k_h приборов по горизонтали, можно описать формулой:

      где R_n - один из конечных результатов пространственной обработки, A - значение спектра сигнала от прибора на определенной частоте, W - фазирующий коэффициент, m_f - номер частоты, m_v - номер обсчитываемого направления по вертикали, m_h - номер обсчитываемого направления по горизонтали, n_v - номер прибора по вертикали, n_h - номер прибора по горизонтали. Базовый модуль представляет собой вычислительное устройство с параллельной обработкой данных класса SIMD. Организация вычислительного процесса реализуется устройством управления.

           При построении модуля учитывалось условие, что для  пятнадцати соседних частотных срезов алгоритм пространственной обработки  одинаков вплоть до значений фазирующих коэффициентов. Частотный срез –  это массив отсчетов результатов  БПФ от всех приборов на одинаковой частоте. Таким образом, в модуле реализовано пятнадцать абсолютно  идентичных конвейерных арифметических устройств, выполняющих операции умножения, сложения и нормализации над комплексными числами, представленных  в формате  с блочно-плавающей точкой. В данном формате представления комплексных  чисел существует три части: общий  порядок, ограниченный снизу и сверху, действительная часть, и мнимая часть. Разрядность числа составляет тридцать два бита. Комплексное число будет  нормализованным, если хотя бы одна из частей (действительная или мнимая) будет нормализована. Структура  базового модуля приведена на рисунке 1.

           Так как для выполнения пространственной обработки значения одного и того же частотного среза  могут повторяться неопределенное количество раз, то весь вычислительный процесс ориентирован на последовательную обработку частотных срезов. То есть формируются результаты пространственной обработки последовательно для  всех частот от всего набора приборов антенны. Для этого в модуле предусмотрена  буферная память для каждого из арифметических устройств, куда устройство управления последовательно загружает значения частотных срезов. После того как  все частотные срезы загружены, устройство управления начинает выдавать код операции, адрес операнда и  адрес коэффициента. А так как  буферная память является двухпортовой, то в то же самое время из устройства управления поступают значения следующих частотных срезов. 

Рис.1. Структура базового модуля. 

      Для реализации базового  модуля на основе ПЛИС Altera Flex10K, с учетом особенностей данной серии (табл.1), необходимо десять ПЛИС Flex10K100A и шестнадцать микросхем статической двухпортовой памяти фирмы Cypress размером 8Kx36. Память условно разделяется на две половины, чтобы обеспечить функцию push-pull. Функцию местного устройства управления реализуют две ПЛИС и одна микросхема памяти, а в каждой из оставшихся восьми ПЛИС размещено по два АЛУ.

      Устройство  на основе ПЛИС Altera Flex10K разработано, изготовлено и проходит испытания. 

Таблица 1. Характеристики ПЛИС Altera. 

      После выхода ПЛИС серии Altera Stratix и его поддержки со стороны САПР Quartus II был выполнен проект базового модуля, который уместился в одном ПЛИС EP1S80. При этом было занято чуть больше половины логических элементов и ровно половина внутренней двухпортовой памяти ПЛИС. В данном проекте не использовались встроенные умножители, так как при разрядности данных в тридцать два бита их не хватает на все пятнадцать АЛУ.

Таким образом, целая многослойная печатная плата с двадцати шестью микросхемами двух типов уместилась в одной  ПЛИС. Но основные преимущества были раскрыты позднее на этапе наладки устройства. Дело в том, что фирма Altera заложила ряд программно-аппаратных средств, которые существенным образом облегчают процесс разработки и наладки устройств на базе серии Stratix. К таким средствам относятся технологии LogicLock, SignalTap II Logic Analyser и In-System Memory Content Editor.

      Технология  LogicLock позволяет разбить один большой проект на несколько более мелких и привязать каждый такой проект к конкретному размещению в ПЛИС. Этим достигается независимость разработки, а также обеспечивается высокая производительность, как отдельных проектов, так и целого проекта после соединения.

      SignalTap II представляет из себя встроенный логический анализатор. На этапе наладки происходит компиляция проекта вместе с блоком SignalTap, и через стандартный интерфейс JTAG данные выводятся из ПЛИС и отображаются в САПРе Quartus II. При этом в качестве буферной памяти хранения отсчетов используется свободная память самой ПЛИС, поэтому количество снимаемых точек и глубина их выборки целиком зависит от свободных ресурсов проекта. В САПР для запуска логического анализатора возможно создать сколь угодно сложную схему.

      Очень часто возникает необходимость  оперативно поменять какую-нибудь константу, записанную в память ПЛИС. И если раньше для этого требовалась  перекомпиляция проекта, то с помощью  технологии In-System Memory Content Editor это возможно сделать «на лету». В качестве интерфейса используется JTAG.

      Конечно, серии Flex10K и Stratix находятся в разных «весовых» и ценовых категориях, но когда необходимо реализовать сложное устройство, которое поместится либо в десять ПЛИС Flex10K, либо в один Stratix, то преимущества последнего очевидны. И помимо сокращения корпусов (что должно отразиться как на мощности, так и на надежности) более важным преимуществом является удобство отладки. Ведь в таком случае кроме самого устройства, САПРа и интерфейса JTAG больше ничего не требуется. 
 
 

     Бортовые  авиационные регистраторы усталостных разрушений планера самолета 

     В.Н.Лобанов, ОАО «НИИ вычислительных комплексов им. М.А.Карцева» 
 

     В настоящее время отечественная  авиация переживает не самые свои лучшие дни. Большинство самолетов, принадлежащих различным авиакомпаниям, летают еще с советских времен, и ресурс эксплуатации этих самолетов, скорее всего, будет исчерпан в ближайшие  годы. В то же время далеко не все  авиакомпании в состоянии закупать новую технику, поскольку стоимость  изготовления нового самолета очень  высока. Наряду с этим количество перевозок  воздушным путем год от года возрастает, что со временем непременно приведет к серьезным проблемам, связанным  с безопасностью полетов.

     Повысить  безопасность полетов на самолетах  можно, используя методы достоверного определения степени износа узлов  и деталей каждого летательного аппарата (ЛА). Износ — естественный процесс, вызываемый механическими  нагрузками, которые ЛА испытывает в процессе эксплуатации. Для каждого  типа самолета существует определенный порог изношенности, при достижении которого ЛА должен быть отправлен  в капитальный ремонт или снят с эксплуатации. Объективный контроль степени изношенности планера самолета представляет собой довольно сложную  техническую задачу, поэтому в  современной практике решение о  прекращении эксплуатации самолета принимается, как правило, на основе подсчета времени, проведенного самолетом  в полете. При проектировании самолета, теоретически зная параметры возможных  режимов полета, рассчитывают максимальное увеличение изношенности планера за единицу полетного времени. Исходя из этого, определяют ресурс планера  — количество полетных часов, за которые  может быть достигнута максимальная степень изношенности, еще допускающая  эксплуатацию. Как только самолет  выработает назначенный таким образом  ресурс, эксплуатация должна быть прекращена. На практике к этому моменту фактическая  степень изношенности, в зависимости от реальных условий эксплуатации, может быть как ниже, так и выше критической. В первом случае возникают неоправданные затраты, связанные с ремонтом или снятием самолета с эксплуатации, во втором создается угроза безопасности полетов. Для объективного определения степени изношенности планера самолета могут быть применены методы, основанные на измерении механических нагрузок,  действующих на планер самолета при его эксплуатации.

     Поскольку самолеты разных типов в силу разницы  в условиях эксплуатации основные механические нагрузки испытывают в различных  ситуациях, то и методы определения  степени износа планера самолета будут существенно различаться. Так, например, самолеты маневренного типа основные механические нагрузки испытывают во время полета при исполнении сложных фигур высшего пилотажа. А грузовые и пассажирские самолеты, вообще не предназначенные для высшего  пилотажа, основные нагрузки испытывают во время касания и движения по взлетно-посадочной полосе, при этом нагрузка на планер передается через  стойки шасси. Несмотря на то, что основные механические нагрузки на самолеты разных типов действуют на различных  стадиях полета, методы определения  степени износа планера самолета сходны тем, что в качестве входных  параметров используют ускорение, измеренное в течение некоторого интервала  времени. Для определения степени  изношенности планера маневренного самолета используется метод, основанный на измерении перегрузки вдоль оси  Y в центре масс самолета в течение полета, а для определения степени изношенности планера пассажирского или грузового самолета используется метод, основанный на измерении ускорения вдоль трех осей на каждой стойке шасси при движении по взлетно-посадочной полосе.

     В связи с необходимостью решения  проблемы достоверного определения  степени износа планера самолета в НИИВК им. М. А. Карцева разрабатываются бортовой регистратор полетных перегрузок, предназначенный для использования на самолетах маневренного типа, и бортовой регистратор взлетно-посадочных перегрузок для применения на самолетах пассажирского или грузового типа. При разработке этих регистраторов учитывались следующие требования:

     - небольшие габаритные размеры  и масса устройства;

     - малая потребляемая мощность  устройства;

     - относительно невысокая стоимость.

     Разрабатываемые регистраторы состоят из подсистемы сбора данных со встроенными датчиками, обеспечивающей непрерывный поток  данных во время эксплуатации, и  подсистемы накопления данных, которая  обеспечивает запись и сохранение собранной  информации.

     В подсистеме сбора данных применены  датчики ускорений фирмы Analog Devices, представляющие собой микроэлектромеханические устройства (MEMS). Выбор этих акселерометров не случаен и обоснован вышеизложенными требованиями к разработке бортовых авиационных регистраторов. Данные акселерометры представляют собой обыкновенные микросхемы, в которых чувствительным элементом является вытравленная на кремниевой подложке конденсаторная структура, образующая 2 конденсатора переменной емкости. Под воздействием приложенного ускорения происходит увеличение емкости одного конденсатора и одновременное уменьшение емкости другого, что влечет изменение сигнала на выходе. Акселерометры могут устанавливаться непосредственно на печатную плату вместе с остальными компонентами. Недостаток этих акселерометров, заключающийся в большой чувствительности к колебаниям температуры окружающей среды, которая снижает точность показаний акселерометров, можно устранить, используя метод программной термокомпенсации.