CC BY
97
УДК 519.95 / 629.7.05 / 62-50
Вестник СибГАУ Том 17, № 2. С. 276-288
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕЙРОСЕТЕВЫХ СТРУКТУР И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
В. М. Антимиров, А. Б. Уманский, А. С. Вдовин, И. В. Гришанова, Т. В. Рогачева*
АО «Научно-производственное объединение автоматики» имени академика Н. А. Семихатова» Российская Федерация, 620000, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 145 *E-mail: [email protected]
Приведены результаты реализации нескольких поколений бортовых цифровых вычислительных систем, создаваемых в НПО автоматики, с описанием особенностей применяемой элементной базы. Для каждого поколения рассматриваются основные принципы повышения точности вычислений структурными и схемотехническими методами, включая обеспечение высокой точности вычислений при жестких ограничениях на аппаратную шкалу обработки данных.
Рассмотрены резервированные однопроцессорные бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ) и проблемы, возникшие с их внедрением. Также описана архитектура первых БЦВМ и их отличия от существовавших на тот момент электронно-вычислительных машин общего назначения. Акцентировано внимание на логических элементах, созданных в НПО автоматики для цифровых блоков. Проведен анализ структуры резервированной БЦВМ и описаны проблемы, связанные с выбором этой структуры. Перечислены изменения в архитектуре БЦВМ, произошедшие во втором поколении.
Рассмотрены БЦВМ семейства «Малахит», реализующие принцип модульного построения системы, их архитектурные и структурные отличия от БЦВМ прошлого поколения. Данные отличия обусловливают превосходство БЦВМ «Малахит» по таким параметрам, как энергопотребление, масса, габариты, производительность и информативная емкость. Упомянута БЦВМ «Малахит-2» как попытка создания быстродействующей системы.
Описаны магистрально-модульные бортовые цифровые вычислительные системы (БЦВС), назначение и принцип взаимодействия их модулей. Предложено применение матричного нейровычислителя для решения задач преобразования систем координат. Рассмотрены принцип его работы и полученный выигрыш в скорости решения задачи.
Затронут вопрос о переходе от больших интегральных схем с программным управлением к сверхбольшим интегральным схемам (СБИС), реализующим нейросетевые вычисления, и создании БЦВС нового поколения «Малахит-7».
Сформулированы основные направления дальнейших работ по созданию вычислительных систем. Рассмотрены такие перспективные направления, как создание распределенных систем и создание систем на кристалле в виде СБИС.
В заключение отмечается, что применение нейросетевых структур можно рассматривать как один из способов существенного повышения производительности БЦВС.
Ключевые слова: система управления, цифровая вычислительная машина, устройство управления, нейро-процессор, система на кристалле.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 2, P. 276-288
APPLICATION FEATURES OF NEURAL NETWORK STRUCTURES AND THEIR ELEMENTS TO INCREASE PRODUCTIVITY OF ONBOARD DIGITAL
COMPUTING SYSTEMS
V. M. Antimirov, A. B. Umanskii, A. S. Vdovin, I. V. Grishanova, T. V. Rogacheva*
JSC "Scientific Production Association of Automatics" named after the academician N. A. Semikhatov" 145, Mamin-Sibiryak Str., Yekaterinburg, 620000, Russian Federation *E-mail: [email protected]
The article presents the results of several generations of onboard digital computing systems produced by SPA of automatics, describes the features of applied components. It examines the basic principles of improving the accuracy of structural calculations and circuit techniques including high precision calculations at tight constraints on the scale of the data processing hardware for each generation of the basic.
The redundant single-processor onboard digital computers (ODC) and the problems encountered during their implementation are considered. The article describes the first ODC architecture and how they differ from those that existed at the time of computers for general use. The author emphasizes attention to logic elements created by SPA of automatics for digital blocks. The structure of the redundant ODC is analyzed. The problems associated with the choice of the structure are described. The authors list the changes in the architecture of ODC that occurred in the second generation.
The authors examine "Malakhit" family ODC which implements the principle of modular construction systems, their architectural and structural differences from the ODC of the past generation. These differences cause the superiority of "Malakhit" ODC parameters as power consumption, weight, dimensions, performance and informative capacity. The authors refer to Malakhit-2 ODC as an attempt to create a high-speed system.
The article describes magistral and modular onboard digital computer system (ODCS), the purpose and principle of their interaction module. The authors offer the application of a matrix neural calculator for solving the transformation of coordinate systems. The principles of its operation and the resulting gain in speed of solving the problem are examined.
The authors touche upon the issue of the transition from large-scale integrated circuits with software control to the extra-large integrated circuits (VLSI), implementing neural network computation, and the creation of a new generation of Malakhit -7 ODC.
The basic directions for further work on the creation of computer systems are stated. The authors consider such promising areas as the creation of distributed systems and the creation of on-chip system in the form of VLSI.
In conclusion, it is noted that the use of neural network structures can be seen as one way to significantly improve the performance of digital computer systems.
Keywords: control system, digital computer, control unit, neuroprocessor, on-chip system.
Введение. Нейрон как простейший и основной элемент выработки и передачи электрических сигналов центральной и периферийных нервных систем человека к настоящему времени достаточно хорошо изучен биологами [1]. Принципами работы нейрона заинтересовано достаточно большое число ученых, занимающихся вопросами выработки и передачи информации. В первую очередь, началось создание математических моделей нейронов и их групп, образующих нейронную сеть.
Вначале модели нейронов были простейшие. В первых работах на эту тему авторов МакКаллока и Питтса нейрон имел только два пороговых значения («да» и «нет»), соответствующих логическому 0 и 1 цифровых устройств. Существенный вклад в создание математических моделей нейронов и их сетей внесли зарубежные, советские и российские ученые: Ф. Рохенб-дат, М. Минский, Б. Уидроу, Т. Кононов, Д. Холфирг, С. Гринберг, Н. Б. Гутип, А. С. Кузисев и Н. В. Позин.
Соответственно, и за рубежом, и у нас делались шаги по переходу от математических моделей к реализации принципов нейронных сетей в средствах вычислительной техники [2], но широкого распространения они пока не нашли.
В данной статье на основе работ, проведенных в НПО автоматики (НПОА), будут рассмотрены особенности применения элементов нейроструктур в бортовых цифровых вычислительных машинах (БЦВМ) различных поколений. При этом под нейронной сетью будем понимать совокупность параллельно работающих схем (процессоров), каждая из которых представляет собой аппаратную реализацию функции от одной переменной. Вся сеть реализуется в виде одного или нескольких нейровычислителей в составе БЦВМ.
Необходимо отметить, что становление и развитие уральской научно-практической школы, нацеленной на создание высоконадежных бортовых систем авто-
матического управления изделиями ракетно-космической техники и робототехнических комплексов, создаваемых НПОА, прошло долгий и сложный путь. За более чем 60 лет существования было создано несколько поколений БЦВМ [3], не уступающих в период своего создания и применения отечественным и зарубежным аналогам, а в большинстве реализаций превосходящих их по своим показателям, например, используемым в программе NASA Gemini GDC (Gemini Digital Computer), разработанным IBM [4; 5].
При разработке первых БЦВМ на предприятии, да и в стране не было опыта по введению цифровых вычислительных машин в состав систем управления (СУ) ракет-носителей (РН). СУ РН были в основном аналоговыми и состояли из двух контуров - контура управления стабилизацией и контура управления дальностью.
Необходимость введения в состав СУ цифровой вычислительной машины была вызвана объективными причинами: требованиями по введению режима самонаведения на движущуюся цель, которая обнаруживалась введенной системой пассивной радиолокации, по информации которой необходимо было провести расчет параметров движения и изменять траекторию; а также предъявленными повышенными требованиями по точности выведения полезной нагрузки в заданную точку. Для повышения точности путем компенсации ошибок, связанных со стартом с подвижного основания, а также ошибок бортовых гироскопических систем в состав СУ РН стали вводить астровизирующее устройство. В определенный, рассчитанный перед стартом момент времени астро-визирующим устройством определялись видимые угловые координаты навигационной звезды, по которым можно было определить ошибку фактического положения осей гиростабилизированной платформы (ГСП) относительно расчетного и ввести поправки в траекторию движения и модель ошибок ГСП для
дальнейшего учета и введения поправок в информацию датчиков ГСП.
Таким образом, необходимость введения БЦВМ была обусловлена требованиями проведения в процессе полета расчетов параметров движения по информации, полученной в процессе полета от дополнительных подсистем. С начала установки их на борт началась работа по повышению их производительности, которую оценивали как обратную величину времени решения задачи расчета параметров движения.
1. Резервированные однопроцессорные ЦВМ
К моменту начала разработки первых БЦВМ у разработчиков НПОА был опыт создания и внедрения в состав СУ цифровых устройств. В частности, в контуре управления дальностью был использован цифровой автомат, реализованный по принципам цифрового дифференциального анализатора, который назывался «счетно-решающий прибор автомата дальности» (СРПАД) и фактически был в сегодняшнем понимании нейровычислителем. При этом в контуре управления стабилизацией тоже работал автомат -устройство аналогового типа, называемое «счетно-решающий прибор автомата стабилизации» (СРПАС). Этот прибор, хоть и назывался счетно-решающим, был создан как аналоговое устройство. Необходимо отметить, что контур управления стабилизацией, несмотря на интенсивное развитие бортовых цифровых вычислительных устройств, достаточно длительное время оставался аналоговым. Причиной этого, помимо здравого консерватизма разработчиков алгоритмов управления, была также крайне плохая надежность первых электронных вычислительных машин общего назначения (ЭВМОН), ненадежность которых переносили и на БЦВМ.
БЦВМ внедрялись с большим недоверием к их работе, поскольку надежность первых ЭВМОН была совершенно неудовлетворительной, но Н. А. Семиха-тов сделал революционный шаг, и в бортовую систему управления изделием 4К-18 была внедрена ЦВМЗ -первая цифровая машина отрасли.
1.1. Структура и особенности первых БЦВМ (ЦВМ-3 и ЦВМ-4). При выборе архитектуры первой БЦВМ (1965-1970 гг.) использовались известные решения, выработанные создателями первых ЭВМОН, а также опыт и знания специалистов НПОА, приобретенные в процессе создания СРПАД.
В результате архитектура ЦВМ-3 заимствовала некоторые решения, примененные в ЭВМОН. Такими решениями было наличие запоминающего устройства, а также вычислительного устройства (процессора), реализующего программу, записанную в виде команд, размещенных в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Для обмена с внешними устройствами в систему команд процессора были введены специальные команды приема информации (ПИ) и выдачи (списывания информации (СИ)). Прием и списывание информации производились последовательным кодом, путем сдвига кода в арифметико-логическом устройстве процессора, который во время обмена с внешними устройствами не мог выполнять никаких других
операций. Основным отличием от ЭВМОН в реализации размещения команд было то, что они хранились не в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а в ПЗУ. Это отличие было обусловлено тем, что в процессе эксплуатации БЦВМ нет необходимости изменять программы. В наследство от СРПАД первой БЦВМ достался принцип построения устройства управления процессора на основе жесткой схемной логики, что, с одной стороны, обеспечило, как и в нейронных сетях (все делалось схемно), высокое быстродействие при выполнении команд, а с другой стороны, практически исключало развитие (расширение) системы команд процессора, так как для введения новых команд или совершенствования существующих требовалась существенная переработка аппаратуры из-за схемной реализации управления.
ЦВМ работали в 16-разрядной шкале, и обмен с внешними устройствами выполнялся также 16-разрядными словами последовательным кодом.
Особенностью создания первых БЦВМ было то, что базовые элементы для построения цифровых устройств разрабатывались на предприятии и изготавливались на собственном производстве на основе дискретных компонентов - диодов, конденсаторов, резисторов и транзисторов.
Для цифровых блоков были созданы два типа логических элементов:
1. Динамический триггер (ДТ), содержащий транзисторный усилитель, на входе которого усиливалась выполняющая роль элемента памяти линии задержки на ЬС-звеньях. Запитка триггера осуществлялась от импульсного напряжения, при котором на выходе триггера появлялась информация на время действия импульса. Эта информация перед записью в следующий триггер проходила логические преобразования диодно-резисторной логикой.
2. Ключевой усилитель (КУ), задачей которого являлось усиление сигналов, прошедших логическую обработку на диодно-резисторной логике. Этот усилитель выполнял одновременно функцию инвертирования сигнала.
Такая реализация триггера и элементов формирования логических сигналов обеспечивала высокое быстродействие и помехоустойчивость как относительно собственных наводок, так и относительно внешних импульсных электромагнитных излучений. Платой за этот высокий уровень быстродействия и помехоустойчивости были большие масса и габариты БЦВМ и громадное энергопотребление, которое было настолько большим, что аппаратура требовала принудительного охлаждения. Электронные узлы располагались в блоках, обдуваемых вентилятором. При этом поток воздуха проходил радиатор, через который перед началом работы на предстарте прокачивалась охлаждающая жидкость (хладоагент). Система уходила в работу с остатками хдадоагента. Для подготовки хладоагента и его прокачки через приборы в состав средств предстартовой подготовки входила холодильная установка.
Питание динамического триггера осуществлялось от синхронизирующих импульсов стабильной частоты, формируемой кварцевым задающим генератором
(КЗГ). Эти импульсы являлись тактовыми, шли с периодом около 4 мкс и проходили через все узлы в БЦВМ, как в нейросетях. Длительность периода определялась выбором кварцевого резонатора с частотой, кратной 2, для упрощения задачи деления частоты. Наиболее близким к требуемому значению оказался резонатор с номиналом частоты 256 кГц. Длительность периода являлась важным параметром, так как входила в расчет реального времени работы системы управления. Расчет времени как параметра велся путем подсчета программных циклов решения задач управления. Длительность цикла определялась по времени выполнения команд процессора БЦВМ, а длительность выполнения команд указывалась в количестве тактов. Таким образом, нестабильность работы КЗГ непосредственно входила в ошибку расчета одного из основных параметров - текущего времени работы системы управления, и, как следствие, нестабильность КЗГ входила составляющей в основную характеристику работы системы управления, ко-
торой является точность доставки полезной нагрузки в заданную точку или район.
Структура любого цифрового блока (рис. 1) содержала ДТ (рис. 2), диодно-резисторную логику (ДРЛ) - фактически нейронную сеть, и ключевой инвертирующий усилитель (КУ) (рис. 3).
Для запоминающих устройств использовались ферритовые сердечники: для ОЗУ - многоотверстиевые пластины, для ПЗУ - ферритовые кольца. Электроника ЗУ набиралась на дискретных элементах. Такое построение запоминающих устройств также обеспечивало высокий уровень помехоустойчивости, но дополнительно усугубляло и основные недостатки, т. е. увеличивало массу, габариты и энергопотребление.
Таким образом, основу электрорадиоизделий (ЭРИ) первых ЦВМ составляли дискретные элементы - диоды, транзисторы, резисторы и ферритовые сердечники различных конструктивных поколений, обеспечивающие возможность построения аппаратуры, устойчивой к внешним импульсным электромагнитным излучениям.
Импульсный строб
дт дрл <ку
Рис. 1. Пример структуры цифрового блока
Рис. 2. Динамический триггер
Рис. 3. Ключевой инвертирующий усилитель
Как уже отмечалось, введение БЦВМ происходило с большим недоверием к надежности их работы. Для выполнения одного из основных требований к надежности СУ - обеспечения работоспособности при одной возможной неисправности (ОВН) - было принято решение подключить выходы БЦВМ к исполнительным устройствам через узел мажоритации, для чего устанавливали три машины, работающие от единых синхроимпульсов. Структура резервированной БЦВС с мажоритацией выходных сигналов БЦВМ приведена на рис. 4.
Для организации такого принципа резервирования вместо одной БЦВМ, необходимой для решения функциональных задач, устанавливалось три БЦВМ. С целью минимизации затрат оборудования узел мажоритации (УМ) устанавливался в шине выдачи информации последовательным кодом на внешние устройства. Такое расположение сокращало количество схемных элементов, необходимых для построения узла мажоритации.
Однако для правильной работы узла мажоритации требовалась синхронная и синфазная работа всех трех БЦВМ. Для обеспечения такой работы на все БЦВМ подавались сфазированные синхроимпульсы, формируемые КЗГ. Поскольку синхроимпульсы вырабатывались в одном генераторе и поступали на выход через индивидуальные буферные усилители, идентичные для всех трех выходов, несинфазность синхроимпульсов всех БЦВМ составляла единицы наносекунд, что обеспечивало правильную работу устройства мажоритации, но выдвигало очередную проблему, которой явилась необходимость нейтрализовать одну возможную неисправность в общей части задающего генератора.
Таким образом, задача повышения надежности привела к необходимости перейти от однопроцессорной ЦВМ к вычислительной системе (БЦВС), содержащей функциональную часть - собственно ЦВМ и общесистемную часть в виде устройства мажоритации и КЗГ. Общесистемная часть никак не участвовала в решении функциональных задач, а обеспечивала только повышение надежности. Следует отметить, что КЗГ нес также и функциональную нагрузку, обеспечивая формирование бортового реального времени.
По мере развития СУ возрастали требования к производительности БЦВМ, поэтому шло непрерывное совершенствование как функциональной части для обеспечения решения непрерывно возрастающего объема задач, так и общесистемной части для решения задачи повышения надежности. При этом для повышения производительности в БЦВМ использовалась так называемая гарвардская архитектура, в которой по принципу нейронных сетей было распараллелено обращение за командами и данными, для чего и ПЗУ, и ОЗУ имели свои шины адреса и шины данных. Уже в процессе эксплуатации первых БЦВС возник вопрос о повышении полноты использования дополнительно введенной аппаратуры. По сути, дополнительными относительно минимально необходимой для решения задач аппаратуры были еще две
БЦВМ и общесистемное оборудование. Появилась задача максимально полно использовать введенную избыточность. С целью дальнейшего повышения надежности узел мажоритации был заменен на переключатель каналов (ПК) БЦВС. Команды на переключение подавались с устройства контроля (УК) [6], подключенного к выходным шинам БЦВМ. Структура резервированной БЦВС с переключением выходных шин БЦВМ приведена на рис. 5.
1.2. Особенности БЦВМ ЦВМ-6 (второе поколение). Особенностью этого поколения являлось применение логических элементов группы «И», «ИЛИ», «НЕ». Необходимо отметить, что была предпринята попытка по аналогии с предыдущим поколением создать собственную группу логических элементов. Эта работа проводилась следующим образом: на основе дискретных компонентов (диоды, транзисторы, конденсаторы и резисторы) собирались логические элементы «И», «ИЛИ», «НЕ», предназначенные для создания ЦВМ-5. Эта работа, к сожалению, оказалась неудачной, и ЦВМ-5 на логических элементах собственного производства так и не появилась. Для создания ЦВМ, сохранившей гарвардскую архитектуру, были использованы появившиеся первые твердотельные микросхемы (ТМС), в частности, это были ИС серии 106, изготавливаемые по технологии ТТЛ. На этих ИМС была впервые создана на предприятии БЦВМ, названная ЦВМ-6, которая успешно была запущена в серийное производство на радиозаводе в г. Бресте и использовалась в системах управления нескольких изделий в отличие от ЦВМ-3 и ЦВМ-4, каждая и которых была создана для своего комплекса. Для запоминающих устройств в ЦВМ-6 использовались те же компоненты, что и для БЦВМ первого поколения.
Архитектура БЦВС этого второго поколения в основных чертах также повторяла архитектуру предыдущего поколения. Для повышения надежности устанавливались три синхронно работающие БЦВМ, выходные шины которых переключались по сигналам устройства контроля, основанного на схемах сравнения. Новым было объединение системного оборудования (КЗГ и переключателя каналов со схемами сравнения) в отдельном приборе, получившем название диспетчирующего устройства комплекса (ДУК).
1.3. ЦВМ-7 - переход к модульной архитектуре. ЦВМ-7 («Малахит-1», 1965-1975 гг.) можно считать первой из машин семейства «Малахит», реализующих принцип модульного построения системы. Элементная база являлась естественным развитием элементов предыдущего поколения, при этом архитектура БЦВМ осталась гарвардской с большим количеством связей между процессором и запоминающими устройствами, что увеличивало массы и габариты приборов, но обеспечивало высокое быстродействие.
Для логических устройств использовались также твердотельные микросхемы с тем отличием, что были применены ИМС с меньшим энергопотреблением. Был осуществлен переход от ИС серии 106 к ИС серии 134, изготавливаемой также по технологии ТТЛ.
Рис. 4. Резервированная БЦВС с мажоритацией выходных сигналов БЦВМ
Рис. 5. Структура БЦВС с переключением резерва БЦВМ
Уменьшенное энергопотребление микросхем позволило сделать революционный шаг, а именно, перейти к применению бескорпусных ИС серии 734, устанавливаемых в микросборки. Поэтому для третьего поколения БЦВС помимо модульной архитектуры важной новой особенностью явилось применение бескорпусных интегральных микросхем, установленных в многокристальные сборки в общем корпусе (микросборки).
В элементной базе запоминающих устройств также произошли значительные изменения. Было разработано ОЗУ, выполненное на цилиндрических тонких магнитных пленках (ЦТМП) с электроникой, установленной в микросборки.
Было разработано ПЗУ, в котором впервые были применены П-образные ферритовые сердечники с «прошивкой» информации в виде жгутов. Электроника ПЗУ также была выполнена в виде микросборок. Такое сочетание бескорпусных ЭРИ, устанавливаемых в микросборки, применение ЦТМП и ПЗУ с малым энергопотреблением позволило получить высокие удельные характеристики этой БЦВМ. Кроме то-
го, наличие энергонезависимого ОЗУ на магнитных пленках позволило внедрить ряд новых решений, направленных на повышение устойчивости к внешним воздействиям. Одним из таких решений было введение ключевого шунтирования шины выборки данных из накопителя информации. Ключ был постоянно открыт и закрывался записью кода через дешифратор в управляющий формирователь сигнала снятия блокировки, который запирал ключ и разрешал обращение к накопителю (рис. 6). Сигнал с датчика внешнего воздействия поддерживал ключ в открытом состоянии и одновременно запускал устройство измерения интервала времени (УИВ), которое формировало сигнал на перезапуск процессора после окончания воздействия и восстановления параметров полупроводниковых элементов.
БЦВС 3-го поколения по совокупности параметров (энергопотребление, масса, габариты, производительность и информативная емкость) практически на порядок превосходила бортовые ЦВМ отечественного производства, созданные на предприятиях отрасли в г. Москве (НПОАП) и г. Харькове («Электроприбор»).
Принципиальным отличием от предыдущего поколения и особенностью структурной реализации БЦВС на основе ЦВМ-7 было модульное построение. Сформировавшиеся как функциональные модули уже в первых БЦВМ, процессор и запоминающие устройства здесь приобрели и конструктивную завершенность.
Впервые в практике создания БЦВМ структурно было выделено устройство обмена [7]. С процессора убрали задачу приема и выдачи данных в последовательном коде, возложив эту задачу на устройство обмена (УО), что существенно повысило производительность БЦВМ. Обмен между процессором и УО осуществлялся в параллельном коде с приемом данных через прерывание. УО получало команду управления, содержащую адрес и код частоты обмена с соответствующим внешним устройством, так как периферийные устройства имели различное быстродействие при обмене.
Для повышения надежности сформированные модули запоминающих устройств (ОЗУ, ПЗУ, процессор и УО) (рис. 7) были связаны через коммутаторы [8]. Коммутаторы имели два входа: первый от своего канала, второй - от выхода соседнего идентичного коммутатора. Выход коммутатора был подключен к входу другого функционального модуля своего канала и входу аналогичного коммутатора соседнего канала, что обеспечило каскадное наращивание резервирования модулей.
Важнейшим принципиальным решением было введение оперативного аппаратурного контроля работы каждого модуля. С этой целью в каждый модуль (процессор, ОЗУ, ПЗУ, УО) была введена избыточность в виде дополнительных разрядов и схем свертки, обеспечивающих контроль правильности преобразований данных по шоёЗ. Для фиксации сигналов неисправности в общесистемную часть был введен регистр состояний.
Рис. 6. Схема блокировки ОЗУ
Рис. 7. БЦВС с резервированием модулей
Обработка содержимого этого регистра производилась жесткой схемной логикой, формирующей сигналы на переключение модулей, записываемые предварительно на регистр состояний. В каждом канале были свои регистры, но схемная логика была выполнена так, что при чтении их состояния в процессор информация в разных каналах имела единое представление для программной обработки. Оба регистра были программно доступны. Появление любого разряда в регистре состояний формировало сигнал прерывания. Помимо аппаратурного контроля модулей были оставлены традиционные схемы сравнения выходной информации, сигналы которой также поступали в регистр состояний. По программе процессора можно было послать код в регистр управления и сформировать правильно работающую БЦВМ из исправных модулей разных каналов с помощью коммутаторов. При этом обнаружилась проблема, связанная с увеличением времени передачи информации между модулями из-за дополнительных задержек на элементах коммутаторов и связях при передаче информации из канала в канал, хотя в своем канале временная диаграмма была путем организации конвейера реализована таким образом, что наличие коммутатора не увеличивало время выполнения команд.
В связи с этим принципиально была изменена система формирования синхронизирующих импульсов. Вместо единого задающего генератора в каждом канале был собственный задающий генератор, а синхронность работы каналов обеспечивалась запуском сетки синхроимпульсов от стартовых импульсов, фазирование которых обеспечивалось отдельной схемой (блоком фазирования), работающей с использованием принципа «притормаживания» опережающего по фазе канала и мажоритации. Все это усложнило общесистемную часть, но позволило решить проблему ОВН для задающего генератора.
Кроме того, введение формирователя сетки синхроимпульсов индивидуально для каждого канала позволило решить проблему задержек на коммутаторах, для чего был введен режим понижения частоты работы, который был реализован простым делением частоты. Включение этого режима производилось по программе записью соответствующего разряда в регистр управления.
Введение индивидуального аппаратурного контроля, переключения модулей значительно увеличило дополнительные затраты аппаратуры, направленные на повышение надежности, но позволило принципиально решить задачу повышения гибкости использования общесистемного оборудования путем обеспечения программного доступа к общесистемной части аппаратуры.
С ЦВМ-7 началась эпоха использования помимо аппаратурных средств алгоритмов и программ повышения надежности, которые стали неотъемлемой частью БЦВС [4]. По аналогии с предыдущим поколением все общесистемное оборудование, кроме встроенных в модули коммутаторов, было вынесено в ДУК.
Принципиальным отличием БЦВС этого поколения явилось введение системных программ управления структурой через общесистемное оборудование,
размещенное в ДУК. Появилась и была реализована возможность использовать имеющийся состав ЦВМ для организации параллельного счета разных задач, что позволило расширить объем решаемых задач без разработки новой БЦВС [9]. Все это сделало структуру адаптивной к отказам и вычислительным перегрузкам и придало системе принципиально новое качество, но привнесло ряд новых проблем, связанных с необходимостью разработки алгоритмов и программ операционной системы, обеспечивающих адаптацию к отказам и вычислительным перегрузкам, в том числе при снижении быстродействия для сохранения работоспособности при деградации параметров комплектующих компонентов [10].
Необходимость создания алгоритмов и программ операционной системы вызывала на первых этапах внедрения ЦВМ-7 серьезные возражения со стороны разработчиков алгоритмов управления и особенно программистов, так как требовало глубокого понимания особенностей работы аппаратуры. В итоге это противостояние закончилось, так как появилась необходимость решить принципиально новую проблему.
Генеральным заказчиком была поставлена задача обеспечения работы СУ при активном противодействии в виде мощных проникающих импульсных электромагнитных и ионизирующих излучений.
В результате совместной работы разработчиков алгоритмов управления и разработчиков БЦВМ и БЦВС эта задача с опорой на новые возможности аппаратуры, и в частности магнитное запоминающее устройство с санкционированным доступом (ЗУСД) к шунтирующему ключу, была успешно решена [11].
С этого момента началась эпоха совместной разработки общесистемной аппаратуры и общесистемного программного обеспечения. Сложность отработки такой вычислительной системы и ее математического обеспечения потребовала создания комплекса стендовой отработки в виде моделирующих стендов для отработки алгоритмов и автоматизированных рабочих мест отработки программ.
1.4. «Малахит-2» - попытка создания быстродействующих систем. Особенностью этой БЦВМ был переход от 16-разрядной шкалы к 32-разрядной. Кроме того, для упрощения работ по созданию математического обеспечения был сделан некоторый шаг назад. Произошел отказ от направления создания адаптивных систем. Вместо коммутаторов и возможности организации параллельного счета между процессором и блоками памяти были установлены узлы мажоритации, введение которых привело к снижению быстродействия из-за необходимости учета межканальных фазовых сдвигов. Для компенсации потерь быстродействия вместо ИМС серии 734 с малым энергопотреблением разработчиками БЦВМ было принято решение «в лоб»: вместо ИМС серии 134 (734) были применены более быстродействующие, но, соответственно, имеющие существенно большее энергопотребление ИМС серий 533 и 1533. Переход на 32-разрядную шкалу, а также введение мажоритаров вместо коммутаторов упростили работу программистов по созданию математического обеспечения БЦВМ, но привели к существенному росту аппаратурных затрат
и особенно энергопотребления, что не позволило применить БЦВМ «Малахит-2» также широко, как были применены ЦВМ-6 и ЦВМ-7. БЦВМ «Малахит-2» с применением поузловой мажоритации развития не получила.
Однако мажоритированные структуры, несмотря на их недостатки, связанные с пониженным быстродействием и большими аппаратурными затратами, имели очевидное достоинство с точки зрения разработчиков математического обеспечения, так как нейтрализация возникающих в одном из каналов кратковременных отказов (сбоев) осуществлялась автоматически аппаратурными средствами и не требовала участия программ. В процессе эксплуатации проявился очевидный недостаток таких систем, который заключался в невозможности нейтрализовать отказы в самих узлах мажоритации. Все отмеченные недостатки, несмотря на ряд достоинств БЦВМ «Малахит 2», привели к тому, что эта БЦВМ нашла применение в системе управления только одного изделия и развития не получила.
2. Магистрально-модульные БЦВС
Существенное возрастание требований к производительности вычислительных средств, а также ужесточение требований по устойчивости к активному противодействию в виде мощного импульсного излучения при одновременном ужесточении традиционного требования сокращения массы и габаритов бортовой аппаратуры, потребовали применения принципиально новых архитектурных решений, а также применения появившихся и создаваемых по ТЗ НПОА больших интегральных микросхем (БИС).
В 1980 г. были созданы первые образцы вычислителей на основе БИС серии 1802 (ТТЛШ-БИС) и БИС серии 588 (КМОП-БИС). Вычислители на основе ТТЛ-БИС не нашли применения из-за большого энергопотребления. Развитие получили устройства на основе КМОП-БИС. В частности, можно отметить создание многопроцессорного вычислительного устройства на основе БИС серии 588, предназначенного для решения задач корреляционно-экстремальной обработки информации многолучевого высотомера [12].
Кроме того, на основе БИС серии 588 был разработан 16-разрядный вычислитель универсального применения, который получил свое развитие при переводе его на микромощные БИС серии Б1825 (технологии КМОП-КНС), особенностью которых являлось бескорпусное исполнение БИС, позволившее использовать уникальные возможности НПОА по созданию устройств на основе микросборок. На основе этого комплекта КМОП-КНС БИС серии Б1825, дополненного КМОП-КНС БИС запоминающих устройств серии Б1620, было создано несколько вычислительных модулей:
- 32-разрядный вычислитель (вычислительный модуль) универсального назначения для решения функциональных задач управления;
- 16-разрядный вычислитель для решения задач внешнего обмена (модуль связи);
- 16-разрядный вычислитель (системный модуль) для контроля и диспетчирования потоков информации внутри ЦВС.
Эти модули легли в основу принципиально нового поколения БЦВС в части архитектуры.
2.1. Семейство магистрально-модульных БЦВС «Малахит-3». Началось создание магистрально-модульных систем, получивших название модулей ЦВС «Малахит-3» (М3) (1975-1985 гг.). При создании модулей М3 были учтены достоинства и недостатки предыдущих поколений. Основная вычислительная нагрузка была возложена на 32-разрядные вычислительные модули (ВМ), не имевшие никаких системных средств между процессором и запоминающими устройствами, что обеспечило высокое быстродействие. С этих модулей, решающих основные функциональные задачи системы управления, были сняты все общесистемные задачи по контролю исправности и нейтрализации возникающих отказов. Для этих задач был разработан 16-разрядный системный модуль (СМ) [13].
Для обеспечения обмена с внешними подсистемами был разработан модуль связи (МС), включающий 16-разрядный процессор и запоминающие устройства. МС самостоятельно по своей программе производил все обмены с внешними подсистемами, включая контроль правильности передачи данных и повторение обменов при обнаружении ошибок. Все обмены МС вел без участия СМ и ВМ.
Для организации межмодульного обмена все модули были объединены через резервированную 16-разрядную внутрисистемную магистраль, управление которой осуществлял СМ. С целью повышения надежности СМ был реализован в трехканальном исполнении с мажоритацией связей между процессором и памятью, а также входов и выходов внутрисистемной магистрали. Применение мажоритации в данном случае, в отличие от БЦВМ «Малахит-2», было оправданно, так как она применялась для 16-разрядных связей и не влияла на производительность вычислительной системы, учитывая, что все функциональные задачи, требовавшие высокой производительности, решались ВМ.
Более того, в ВМ был внедрен ряд решений, обеспечивающих повышение производительности не путем увеличения быстродействия, а за счет усовершенствования структуры процессора. В частности, на основе анализа алгоритмов управления в систему команд ВМ были введены команды вычисления тригонометрических функций, широко применяемых при часто используемых в алгоритмах управления преоб-разованияй систем координат.
Кроме того, магистрально-модульная организация системы позволила решить задачу повышения производительности путем организации параллельных вычислений, для чего в состав системы устанавливалось необходимое количество ВМ. При этом была решена задача обеспечения скоростного обмена между модулями по общесистемной магистрали.
Организация параллельных вычислений требовала интенсивного межмодульного обмена. Для решения этой задачи в состав модулей ВМ и МС были введены
каналы прямого доступа со стороны магистрали к памяти модулей, подключаемые через узлы мажори-тации непосредственно к внутрисистемной магистрали и получившие название устройств связи по магистрали (УСМ). Каналы имели собственное микропрограммное устройство управления, работающее по командам, получаемым по магистрали от СМ. Все это позволило организовать и вести межмодульный обмен без участия процессоров функциональных модулей.
В магистрально-модульной структуре задача повышения надежности решается установкой необходимого числа модулей. Структура БЦВС с магистрально-модульной архитектурой приведена на рис. 8.
Задача контроля исправности модулей решается системным модулем. Например, контроль ВМ проводится путем сравнения по программе СМ результирующей информации нескольких модулей, решающих одну и ту же задачу в режиме резервного счета, а также периодическим переводом модулей в режим тестовых самопроверок, результат которых оценивает СМ. По сути, программными средствами реализован принцип мажоритации. Одиночные отказы в СМ и общесистемной магистрали нейтрализуются аппаратурными средствами (мажоритарами) и не требуют участия программистов функциональных задач. Для повышения производительности ВМ в его процессор функционально и конструктивно (в виде микросборок) были введены арифметический расширитель, обеспечивающий аппаратно операции умножения и деления, выполненный как нейропроцессор (рис. 9)
[14], и блок вычисления тригонометрических и алгебраических функций, реализованный на основе того же нейропроцессора.
Для решения задачи преобразования систем координат в состав модулей был введен матричный нейро-вычислитель, структура которого приведена на рис. 10. В состав вычислителя входят блок связи (БС), связанный магистральной линией с запоминающим устройством (ЗУ) и запоминающим устройством санкционированного доступа, блокирующий вход которого подключен к выходу датчика внешнего воздействия. Выходы БС подключены к блоку микропрограммного управления (БМУ) и установочному входу источника вторичного электропитания (ИВЭП). К магистральной линии подключены первый и второй блоки матричных нейропроцессоров (БНП), входы которых подключены к выходам БС, а их выходы подключены к операционному устройству (ОУ), содержащему последовательно включенные умножитель и сумматор. Каждый БНП содержит девять нейропроцессоров, образующих матрицу с размерностью 3x3. Выход ОУ подключен к ЗУ, хранящему результирующую матрицу вычислений, содержимое которой через БС может считываться БЦВМ, так как магистральный мультиплексный вход-выход БС является входом-выходом вычислителя, подключенным к БЦВМ. Выходы БМУ подключены к управляющим входам всех цифровых компонентов вычислителя. Кроме того, силовой вход ИВЭП является силовым входом вычислителя, а установочный вход ИВЭП подключен к установочному выходу БС.
Рис. 8. Структура БЦВС с магистрально-модульной архитектурой
111 1
БУФ РЕГ
УМ-1
УМ-2
УМ - к
ОЗУ
БМУ
тт
АЛ У
Рис. 9. Нейропроцессор
Рис. 10. Матричный нейровычислитель
Нейровычислитель работает следующим образом. Перед началом работы из БЦВМ верхнего уровня во все микропрограммные запоминающие устройства загружаются микропрограммы и «обучающие» коэффициенты, обеспечивающие вычисление требуемых функций и алгоритмов матричных преобразований. В модуль постоянного питания (МПП) и формирователь синхроимпульсов (ФСИ) источника вторичного электропитания вводятся уставки, соответствующие номинальным значениям питания и частоты следования синхроимпульсов. По результатам периодически проводимых по командам БЦВМ тестовых проверок, для чего загружаются соответствующие микропрограммы, производится определение фактического быстродействия цифровых узлов и вводятся уставки в МПП и ФСИ, соответствующие максимально возможному быстродействию, которое может изменяться при изменении температуры окружающей среды и снижаться при наборе заметной дозы (не менее 100 крад) или повышаться при начальном наборе дозы (до 10 крад).
Все результаты вычислений один раз в цикле (примерно один раз в 1 мс) записываются в несколько идентичных по составу данных зон ЗУСД, накопители которых блокируются от несанкционированного обращения. Блокировка поддерживается сигналом датчика внешнего воздействия (ДВВ) на время внешнего воздействия. После окончания воздействия формирователем сигнала ДВВ формируется сигнал обнуления/пуска, по которому вычислитель переходит к выполнению микропрограмм рестарта, записанных в постоянной памяти всех его БМУ, используя сохранившийся в ЗУСД массив результатов последнего перед сбоем цикла вычислений. Достоверный массив из нескольких резервных выбирается путем проверки его содержимого по его контрольной сумме, формируемой для каждого массива перед началом записи в ЗУСД.
Таким образом, при создании этого поколения БЦВС решены вопросы как повышения надежности, так и обеспечения требуемой для каждой новой системы управления производительности. Причем создание БЦВС для каждой новой СУ сводится к установке необходимого количества модулей ВМ и МС, а также разработке математического обеспечения СМ (операционной системы).
2.2. Семейство ЦВС «Малахит-7». Создание БЦВС этого поколения (1990-2005 гг.) велось с опорой на прогресс микроэлектроники. Разработка этих БЦВС является естественным развитием основных принципов, заложенных в основу модулей «Малахит-3» [15]. Основной особенностью нового поколения является переход от микропроцессорных БИС с микропрограммным управлением (серий 588 и 1825) к сверхбольшим интегральным микросхемам (СБИС) микропроцессоров со встроенной системой команд. Широкое применение нашли СБИС серии 1867, созданные в НИИЭТ (г. Воронеж). СБИС 1867 ВМ2 использовалась как для построения 16-разрядного модуля системного процессора, так и для реализации интеллектуальных модулей связи [15].
Реализация 32-разрядных ВМ была осуществлена основе СБИС 1867 ВМ3.
3. Цифровые встроенные вычислители: перспективные направления
Опыт применения СБИС микропроцессоров со встроенной системой команд позволил сформулировать направление дальнейших работ по созданию вычислительных систем. Это направление можно кратко сформулировать следующим образом: создание распределенных систем, когда вычислительные средства вместо создания централизованной БЦВС как основного ядра системы управления распределяются по подсистемам, в частности, вычислительными средствами оснащаются подсистемы [16]:
- инерциальной навигации;
- оптической коррекции;
- спутниковой коррекции.
Особо можно выделить подсистему преобразовательно-коммутационной аппаратуры, которая, получив функциональную завершенность, может устанавливаться как аппаратура автономного управления отдельными агрегатами или компонентами изделия (например, в РН «Союз-2» для управления автоматикой разгонных блоков).
При этом как перспективу развития можно выделить направление разработок на основе прошлого опыта, которое можно сформулировать как первый этап работ на пути к созданию функционально завершенных вычислительных устройств типа «система на кристалле» (СНК), причем создание на первом этапе функционально законченных систем в микросборке (система в корпусе). Эти вычислители могут стать основным строительным компонентом распределенных систем управления.
Заключение. Разработчики НПОА прошли большой путь от создания БЦВС на основе нескольких (менее 10) типов дискретных ЭРИ через повышение степени интеграции элементов к использованию ограниченной номенклатуры (менее 10 типов) больших и сверхбольших интегральных микросхем, которые, будучи упакованы в микросборки, позволили перейти к созданию устройств типа СНК.
В качестве одного из путей существенного повышения производительности БЦВС можно отметить применение нейросетевых структур в составе встроенных вычислителей. Оценки, проведенные специалистами НПОА, показали, что вычислитель реализуется в виде одной БИС на основе БМК серии 1537. При этом, например, время решения задачи навигации, содержащей большое количество вычислений тригонометрических функций и перемножение матриц, не превышает 1 мс.
С точки зрения развития структуры вычислительные средства, начиная от узкоспециализированных приборов и этапа создания мощных централизованных вычислительных систем, решающих все задачи системы управления, пришли к созданию миниатюрных специализированных вычислителей типа СНК, встраиваемых в подсистемы.
Таким образом, переход к системам на кристалле, которые могут стать элементной базой вновь создаваемых систем управления объектами ракетно-космической техники и робототехнических комплексов, выводит создание БЦВС на новый виток развития,
который может повторить весь вышерассмотренный путь развития.
Библиографические ссылки
1. Boeree C. G. The Neuron [Электронный ресурс]. URL: http://webspace.ship.edu/cgboer/theneuron.html (дата обращения: 22.08.2015).
2. Комарцова Л. Г., Максимов А. В. Нейрокомпьютеры : учеб. пособие для вузов. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 400 с.
3. Антимиров В. М., Трапезников М. Б. Поколения бортовых цифровых вычислительных систем // Вопросы атомной науки и техники. Сер. «Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру» / Научно-исследовательский институт приборов (Лыткарино). 2012. № 2. С. 38-46.
4. Eickhoff J. Onboard Computers, Onboard Software and Satellite Operations. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012. 281 pp.
5. Tomayko J. E. Computers in spaceflight: the NASA experience. Wichita State Uaiv., 1988. 401 p.
6. Пат. 71816 Российская Федерация, G 06 F. Устройство контроля / Антимиров В. М. Опубл. 04.02.1972.
7. Пат. 70553 Российская Федерация, G 06 F. Бортовой вычислительный комплекс / Антимиров В. М. Опубл. 04.02.1972.
8. Пат. 75145 Российская Федерация, G 06 F 15/46. Управляющая ЦВМ / Антимиров В. М., Трифонов В. Д., Зубарева Г. Н., Передерий В. К. Опубл. 05.06.1982.
9. Пат. 653614 Российская Федерация, G 06 F 9/00. Устройство управления ЦВМ / Антимиров В. М. Опубл. 06.12.1976.
10. Пат. 2450433 Российская Федерация, G 06 F. Формирователь синхроимпульсов / Антимиров В. М. Опубл. 20.05. 2012.
11. Антимиров В. М. Повышение устойчивости БЦВС к внешним воздействиям // Сб. РКТ. Сер. 11. 1975. Вып. 4. С. 96-107.
12. Антимиров В. М. Вопросы построения адаптивных специализированных вычислителей для задач навигации по картам местности // Материалы XIV межотраслевой конф. памяти Н. Н. Острякова. Л. : ЦНИИ «Румб», 1985. C. 164-165.
13. Антимиров В. М., Уманский А. Б., Шалимов Л. Н. Бортовые цифровые вычислительные системы семейства «Малахит» для работы в экстремальных условиях // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. ак. С. П. Королева (Национального исследовательского университета).
2013. № 4. С. 19-27.
14. Пат. 2473126 Российская Федерация. Нейро-процессор / Антимиров В. М. Опубл. 20.01.2013.
15. A new generation of fail-safe controlling digital computing systems for aerospace hardware / V. M. Anti-mirov [et al.] // Materials 21st Saint Petersburg Intern. Conf. on Integrated Navigation Systems. Saint Peterburg,
2014. Pp. 178-185.
16. Yatsuk G. E., Umanskii A. B., Esinovskii A. V. Onboard digital computing systems for operation in extreme conditions as part of control systems of small-size aircraft // Materials 21st Saint-Petersburg Intern.
Conf. on Integrated Navigation Systems. Saint Peterburg, 2014. Pp. 36-39.
References
1. Boeree C. G. The Neuron. Available at: URL: http://webspace.sMp.edu/cgboer/theneuron.htm (accessed 22.08.2015).
2. Komartsova L. G., Maksimov A. V. Neyro-komp'yutery [Neurocomputers]. Moscow, MSTU named after Bauman Publ., 2004, 400 p.
3. Antimirov V. M., Trapeznikov M. B. [Generations of Onboard Digital Computing Systems]. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya: fizika radiatsionnogo vozdeystviya na radioelektronnuyu apparaturu, 2012, No. 2, P. 38-46 (In Russ.).
4. Eickhoff J. Onboard Computers, Onboard Software and Satellite Operations. Springer-Verlag Berlin Heidelberg Publ., 2012, 281 p.
5. Tomayko J. E. Computers in Spaceflight: the NASA Experience. Wichita State Univ. Publ., 1988, 401 p.
6. Antimirov V. M. Ustroystvo kontrolya [Control Device]. Patent RF, No. 71816, 1972.
7. Antimirov V. M. Bortovoy vychislitel'nyy kompleks [Onboard Computational Facility]. Patent RF, No. 70553, 1972.
8. Antimirov V. M., Trifonov V. D., Zubareva G. N., Perederiy V. K. Upravlyayushchaya TsVM [Operating the digital computer]. Patent RF, No. 75145, 1982.
9. Antimirov V. M. Ustroistvo upravleniya TsVM [Control device for digital computer]. Patent RF, No. 653614, 1976.
10. Antimirov V. M. Formirovatel' sinkhroimpul'sov [Clock Driver]. Patent RF, No. 2450433, 2012.
11. Antimirov V. M. [Stabilization of Onboard Digital Computing System to External Influences]. Sb. RKT. 1975, Vol. 11, No. 4, P. 96-107 (In Russ.).
12. Antimirov V. M. [Questions of Construction of Adaptive Specialized Calculators for Navigation Problems According to the Field]. Materialy XIV mezhotraslevoy konferentsii pamyati N. N. Ostryakova [Proceedings of X IV Interdisciplinary Conference in memory of N. N. Ostryakov]. Leningrad, 1985, P. 164-165 (In Russ.).
13. Antimirov V. M., Umanskii A. B., Shalimov L. N. [Onboard digital computing systems of the Malakhit family for extreme conditions work]. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. Akademika S. P. Koroleva (Natsional'nogo issledova-tel'skogo universiteta). 2013, No. 4, P. 19-27 (In Russ.).
14. Antimirov V. M. Neiroprotsessor [Neuroproces-sor]. Patent RF, No. 2473126, 2013.
15. Antimirov V. M., Vagin A. Yu., Umanskii A. B., Shalimov L. N., Yatsuk G. H. A new generation of failsafe controlling digital computing systems for aerospace hardware. Proceedings of 21st Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. Saint Peterburg, 2014, P. 178-185.
16. Yatsuk G. E., Umanskii A. B., Esinovskii A. V. Onboard digital computing systems for operation in extreme conditions as part of control systems of small-size aircraft. Proceedings of 21st Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. Saint Peterburg, 2014. P. 36-39.
© Антимиров В. M., Уманский А. Б., Вдовин А. С., Гришанова И. В., Рогачева Т. В., 2016
