Основы бортовых вычислительных машин
 Скачать 3.2 Mb.
|
|
S зр Т Т T η + = (3.12) Поэтому для достижения существенного выигрыша в быстро- действии параллельного сумматора следует уменьшить время зр T , то есть применять особые способы ускорения переноса. Быстродействие параллельного сумматора обеспечивается в ос- новном за счет увеличения аппаратурных затрат. Для снижения этих аппаратурных затрат при сохранении высокого быстродействия ис- пользуют последовательно-параллельный способ суммирования. Идея этого способа основана на том, что в параллельных сумматорах в процессе последовательного формирования цифры переноса сумма- торы младших разрядов простаивают, причем время простоя увели- чивается с уменьшением номера разряда, поэтому имеется возмож- ность использования освободившихся сумматоров для определения суммы цифр последующих разрядов. "0" SM a b P SM a b P SM a b P 0 a 0 b 0 S 0 P 1 a 1 b 0 S 1 P 2 a 2 b 2 S 2 P 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. 135 В принципе АВМ может быть реализована на различных физи- ческих переменных: пневматических, гидравлических, электромеха- нических, электронных и т.д. Достоинством электронных ЭВМ явля- ется их высокая надежность и точность, легкость сопряжения блоков между собой, удобство управления и регистрации решений. По назначению АВМ делятся на специализированные АВМ, ориентированные на решение нескольких или даже одной задачи, и АВМ общего назначения, ориентированные на решение широкого круга задач. Специализированные АВМ чаще всего используют в ка- честве управляющих. Такими, например, являлись АВМ коллиматор- ных прицелов самолетов МиГ 23, Су 15 и т.д. В управляющих АВМ соединение решающих блоков фиксировано. АВМ общего назначе- ния и сейчас используют для учебных и научно-исследовательских целей. В таких АВМ для удобства коммутации блоков между собой применяется коммутационное (наборное) поле. Системы дифференциальных уравнений содержат в основном операции умножения на константу, сложения, интегрирования и дифференцирования. Реализация этих операций обеспечивается пре- цизионным операционным усилителем с различными вариантами об- ратных связей и внешних элементов. На рисунке 4.2 представлены схемы операционных блоков АВМ, выполняющих базовые операции. Достоинством АВМ является высокое быстродействие, доста- точно высокая точность, возможность построения сравнительно не- дорогих полунатурных моделей без дорогостоящих многоканальных аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей. По сравне- нию с цифровыми аналоговые ЭВМ не универсальны, их возможно- сти ограничены количеством и типом операционных и функциональ- ных блоков, а точность ограничена точностью электрических пара- метров этих блоков. Кроме того, операционные блоки подвержены влиянию внешних факторов, таких, например, как нагрев. Поэтому цифровые ЭВМ находят в настоящее время более широкое примене- ние. В основу построения ЦВМ положен принцип программного управления. Рассмотрим основные положения этого принципа. |