Перспективы развития индустрии производства программного обеспечения в России

     Метод программной термокомпенсации заключается  в том, что характеристики выходного  сигнала акселерометра исследуются  на всем диапазоне рабочих температур устройства и величина температурной  погрешности выходного сигнала  в виде соответствующего параметра сохраняется в энергонезависимой памяти микроконтроллера. В дальнейшем при поступлении данных в процессе регистрации происходит компенсация температурной погрешности выходного сигнала  акселерометра.

     Применение  данного метода несколько увеличит затраты на разработку программы, но при этом позволит обеспечить невысокую  потребляемую прибором мощность и готовность акселерометров к работе сразу после  включения.

     Использование регистраторов перегрузок для определения  усталостных повреждений планера  самолета позволит специалистам конструкторского бюро и эксплуатационных служб более  точно оценивать индивидуальное состояние каждого самолета и  своевременно принимать решение  о направлении его в ремонт или снятии с эксплуатации. Это  позволит существенно повысить экономическую  отдачу самолетного парка, а также  снизить риск аварий, вызванных преждевременным  износом. 
 

Вопросы проектирования высокопроизводительных систем первичной  обработки сигналов

Л. Д. Баранов, технический  директор

ОАО НИИ вычислительных  комплексов им. М.А.Карцева 
 

     Развитие  радиолокации и переход на цифровую обработку задачи селекции движущихся объектов резко повысило требования к производительности систем цифровой обработки сигналов (ЦОС). Возросли требования к системам ЦОС также  в связи с расширением условий  их эксплуатации, например, в системах морского применения, аэростатного базирования  и др. Круг потенциальных применений цифровой сигнальной обработки быстро развивается как в традиционных областях, таких как системы радиосвязи, радиолокации, гидролокации, вибродиагностики, обработки изображений, так и  в относительно новых направлениях таких как коммуникации и мониторинг промышленных условий. Решаемые задачи, на базе  систем цифровой обработки  многомерных сигналов, относятся  к приоритетным ключевым технологиям.

     Задачи, возлагаемые на вычислительные средства для обработки сигналов в реальном масштабе времени, весьма разнообразны по содержанию, а алгоритмы их реализации достаточно сложны и требуют от вычислительных средств высокой производительности. Такие средства могут быть узкоспециализированными, т.е. предназначенными для решения  частной конкретной задачи, либо универсальными проблемно – ориентированными,  т. е. для решения широкого класса задач. Создание строго специализированных средств для каждой отдельной  задачи требует разработки разнотипных  и сложных устройств, что оказывается  весьма неэкономичным, так как любое  усовершенствование или даже простое  исправление ошибки в первоначально  заложенных алгоритмах требует внесения существенных изменений в аппаратуру.

     Рассмотрим  основные  подходы аппаратной реализации устройств цифровой обработки сигналов:

     на  заказных СБИС под конкретное приложение;

     на  специализированных СБИС;

     на  универсальных процессорах;

     на  цифровых сигнальных процессорах (DSP).

     Заказные  СБИС, специфичные для конкретного  приложения отличаются максимальной производительностью, адаптацией под конкретный алгоритм обработки, предельно низкой стоимостью кристаллов в серийном производстве. Очевидно для мелкосерийных партий использование данного решения  нерентабельно, поскольку требует  больших капиталовложений для подготовительного  процесса.

       Специализированные СБИС обеспечивают  среднюю производительность, однако  имеют систему команд, оптимизированную  для операций ЦОС и достаточно  хорошую каскадируемость.

     Реализация  ЦОС на универсальных процессорах  в основном предпочтительна для  эмуляции ЦОС и при работе не в  реальном масштабе времени.  Стандартные  процессоры как правило имеют  аппаратный умножитель многоразрядных операндов. В то же время точность представления данных ЦОС ограничивается 8 – 16-тью разрядами и избыточность ресурсов процессора в плане высокоскоростного  выполнения арифметических многоразрядных операций оказывается невостребованной.

       Успехи микроэлектроники привели  к появлению особой разновидности  микропроцессоров – цифровых  сигнальных процессоров (DSP). Этот качественный скачок способствовал дальнейшему развитию и совершенствованию методов ЦОС.   Причина этого в том, что в DSP на одном кристалле удалось совместить собственно высокопроизводительную цифровую обработку на основе аппаратно реализованного умножителя-накопителя с возможностью обеспечения разнообразных интерфейсов и даже устройств аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования и, самое главное, реализовать гибкое изменение алгоритмов с учетом меняющихся требований за счет их программируемости при сравнительно небольшой цене микросхем DSP. На сегодняшний день различными фирмами в развитых странах мира производится очень широкий спектр DSP. Наиболее распространенная современная технология проектирования систем ЦОС с использованием стандартных вычислительных серий DSP:

     Texas Instruments: TMS320C6711,  TMS320C6416, TMS320C6201;

     Analog Devices: ADSP2062, TS101s, TS201s;

     ГУП НЦП “Элвис”: Мультикор (МС-12хх, МС24хх).

       Классифицировать и сравнивать различных представителей этого многообразия процессоров можно по различным признакам, например, по способу представления чисел -  с плавающей или с фиксированной точкой. Можно проводить классификацию по разрядности процессоров или по их производительности. Но при всем многообразии сигнальных процессоров, производимых такими ведущими фирмами, как TEXAS INSTRUMENTS,  MOTOROLA, AT&T, ANALOG DEVICES, ZILOG, область их применения ограниченна вследствие практически одинаковой Гарвардской архитектуры.

     Универсальные сигнальные процессоры имеют в своем  составе быстродействующий аппаратный умножитель – накопитель, однако, доступ к нему – то узкое место, которое  ограничивает результирующую производительность DSP.

     Путем наращивания числа процессоров  в системе можно реализовать  достаточно сложную и быстродействующую  ЦОС. Недостатком данного подхода  является то, что для полного использования  возможностей процессора программу  обработки необходимо писать не на С, а на ассемблере.

     Рассмотрим  возможности  программируемых логических интегральных схем ПЛИС для построения ЦОС. ПЛИС  на одном кристалле  позволяют построить достаточно большое число умножителей, работающих одновременно на достаточно высокой  частоте (до 200 МГц). Большое количество внешних выводов ПЛИС, развитая структура  быстродействующих межсоединений, повышенная скорость обмена между кристаллами ,в совокупности, позволяют построить  на основе ПЛИС законченный достаточно регулярный фрагмент ЦОС, а затем, осуществляя  каскадирование ПЛИС простым соединением  указанных для аппаратного каскадирования выводов, создавать ЦОС произвольной конфигурации и сложности.

     Для моделирования и построения ЦОС  более предпочтительными оказываются  специализированные процессоры цифровой обработки сигналов.

     Самая быстродействующая платформа С6000 фирмы Texas Instruments (TI) включает в себя две ветви 32-разрядных ЦСП – с фиксированной и с плавающей точкой. Семейство С62х – процессоры с фиксированной точкой, семейство С67х – устройства с плавающей точкой. Процессоры С67х – первое семейство ЦСП, преодолевшее барьер в 1 GFLOPS – один миллиард операций с плавающей точкой в секунду.

     Высокая производительность достигается за счет использования архитектуры  с длинным командным словом, новейших аппаратных решений и эффективных  средств разработки. Эту высокопроизводительную архитектуру имеют как процессоры с фиксированной точкой, так и  процессоры с плавающей точкой.

     Такая платформа создает новую концепцию  разработки систем, которая предполагает переход от аппаратно-ориентированной  среды разработки к программным  моделям, что делает процесс разработки более быстрым, дешевым и простым. Для поддержки этой новой концепции  средства разработки выполнены так, чтобы дать пользователю возможность  максимально использовать все преимущества новой параллельной архитектуры. Средства разработки создают, удобную для  работы среду, которая дает возможность  оптимизировать производительность устройств  и минимизирует технические проблемы при разработке аппаратного и  программного обеспечения. Среда разработки включает в себя эффективный С–компилятор, уникальный Оптимизатор Ассемблерного  Кода и отладчик. Примененные TI решения позволяют автоматически переводить написанные пользователем на языке высокого уровня алгоритмы в программный код, оптимизированный под параллельную структуру процессора. В большинстве случаев автоматический перевод является более правильным решением, так как избавляет разработчика от необходимости задумываться о тактах конвейера, загрузке модулей и других рутинных вещах. Автоматический компилятор отличается тем, что он не забывает о множестве правил написания кода для высоко-параллельных процессоров. В этом заключается концепция разработки устройств: дело разработчика – алгоритм, а укладка данного алгоритма в структуру процессора – задача программного обеспечения. Возможно такой подход имеет некоторые недостатки при выполнении простых программных модулей типа одного КИХ фильтра, но процессоры С6000 рассчитаны на сложные разветвленные алгоритмы, где такой подход себя оправдывает.

       Опыт создания специализированных  высокопроизводительных систем  обработки сигналов имеет НИИ  вычислительных комплексов имени  М. А. Карцева. В первом поколении  высокопроизводительных систем  цифровой обработки сигналов, созданных  в НИИВК в конце 80-х годов,  производительностью ~ 2 млрд. оп/с.  получено на основе векторно-конвейерного  спецвычислителя обработки комплекснозначных   чисел под управлением интерпретатора  с длинным командным словом.                             

     Предлагаемая  универсальная реконфигурируемая  система цифровой обработки многомерных  сигналов процессора представлена на рис. 1. Система построена на базе процессора  TMS 320C64X.  Характерности процессора TMS 320С64Х:  рабочая частота 700 Мгц, производительность до 1,5 Гфлоп/с. Производительность всей системы ~ 20 × 10⁹ оп/с.

     Система работает под управлением ПЭВМ –  РENTIUM, подключенной к процессорному модулю ввода/вывода через стандартную шину PCI.

     Максимальный  поток поступающей информации с  абонентов (АРВ ) оценивается ~200 Мбайт  с/с.

           I – уровень обработки выполняет временную фильтрацию кадров (БПФ) с производительностью ~ 3,5 × 10⁹  оп/сек.

           II – уровень выполняет пространственную  фильтрацию для абонентов и обеспечивает суммарную производительность ~ 20 × 10⁹  оп/с.

     Процессорный  Модуль Ввода/Вывода (ПМВВ) данных абонентов  реального времени (АРВ), предназначен для приема и буферизации данных АРВ с последующей пересылкой их в память каналов обработки  комплексной информации. Необходимость  буферизации входных данных вытекает из двух обстоятельств:

     источник  данных и приемник синхронизируются независимыми генераторами синхрочастот, т. е. существует необходимость согласования по опорным частотам;

     различная структура входных АРВ и в  канале обработки (КО) комплексной информации.

     Решение вопроса согласования опорных частот достигается за счет того, что прием  входных данных в буфер ПМВВ синхронизируется тактовой частотой источника, а вывод  данных из входного буфера для пересылки  в КО – внутренней частотой .

     Различие  структур данных абонентов и каналов  обработки комплексной информации заключается в следующем:

     данные  абонентов реального времени  представляют собой временные отсчеты  форматом 1, в одном сеансе передачи от абонента передается один временной  отсчет;

     канал обработки комплексной информации оперирует комплексным отсчетом форматом 2, который формируется  из двух последовательных временных  отсчетов абонента.