Проектирование высокопроизводительных систем цифровой обработки сигналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.15, кандидат технических наук Баранов, Лев Дмитриевич

• Баранов, Лев Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Баранов, Лев Дмитриевич

Введение.

Глава 1. Выбор архитектуры вычислительных средств с предельными характеристиками для задач ЦОС.

1.1. Современные суперЭВМ и процессоры ЦОС.

1.2. Вопросы системной интеграции.

1.3. Архитектура центрального процессора универсальной суперЭВМ с синхронным управлением многопроцессорным АЛУ.

1.4. Алгоритмы первичной обработки сигналов и методы их решения.

Выводы.

Глава 2. Проектирование малогабаритных высокопроизводительных систем ЦОС.

2.1. Выбор архитектуры и состава специализированного цифрового устройства селекции движущихся целей.

2.2. Проектирование высокопроизводительных специализированных цифровых устройств селекции движущихся целей.

2.3. Организация вычислительного процесса пространственной обработки сигнала ГАК.

2.4. Постановка и решение вопросов параллельного программирования и предварительной отладки программ.

Выводы.

Глава 3. Техническая реализация модулей высокопроизводительной системы обработки сигналов

3.1. Высокопроизводительная система первичной обработки для гидроакустических комплексов по технологии DSP.

3.2. Разработка модуля быстрого преобразования Фурье для систем с высокой производительностью.

3.3. Проектирование типового высокопроизводительного матричного устройства.

3.4. Особенности команд устройства управления параллельной архитектуры суперЭВМ Ml0.

3.5 Оценка производительности специализированных вычислительных устройств (СДЦ) и вычислительной системы ГАК.

Выводы.

Глава 4. Сопряжение вычислительных средств первичной обработки сигналов с приемной аппаратурой изделий.

4.1. Системы ввода-вывода для параллельных вычислительных комплексов.

4.2. Выбор архитектуры системы ввода-вывода и распределение

• функций между ее составными частями.

4.3. Обоснование выбора объема ОЗУ для буферизации информации абонентов и влияние организации связи внешних абонентских устройств с САБС на быстродействие ЦП. Ill

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проектирование высокопроизводительных систем цифровой обработки сигналов»

Проектирование процессоров и вычислительных систем обработки сигнальной информации уже многие годы является актуальной задачей. Традиционное применение радиолокации связано с решением задач для наблюдения и сопровождения движущихся объектов находящихся в воздухе, на море, на суше и в космосе с платформ расположенных также в воздухе, на море, на суше и в космосе.

Многие радиолокационные методы и устройства, разработанные первоначально для военных нужд, нашли свое применение в мирных областях техники как, например, наземная и спутниковая связь в СВЧ-диапазоне, навигационные системы, системы радиоэлектронного подавления, радиоастрономия, СВЧ-спектроскопия, медицина, метеорология. Вычислительные средства реального времени в радиолокационных комплексах 70-х годов определили развитие вычислительных систем сверхвысокой производительности.

В это время разработаны и внедрены вычислительные системы, находившиеся на уровне мировых проектов того времени.

Широко известные суперЭВМ отечественных разработок:

- серия "Эльбрус-1", "Эльбрус-2" - разработка ИТМ и ВТ им. С.А. Лебедева;

- серия ЕС 1060, ЕС 1062 - разработка НИЦЭВТ;

- серия Ml0, Ml3 - разработка НИИ ВК им. М.А. Карцева.

Эти разработки опирались на отечественную элементную базу.

Особое место в этом ряду занимает машины М10, М13, спроектированные для решения задач с естественным параллелизмом данных.

Требование максимальной производительности на элементной базе того времени заставило искать новые технические решения в организации вычислительного процесса и привело к созданию параллельных вычислительных машин, определивших направление вычислительной техники.

Разработка цифровых методов селекции движущихся целей (СДЦ) привело к революции в методах обработки радиолокационных сигналов. Цифровая обработка открыла возможность практического воплощения результатов теории радиолокации, которая ранее, когда доступны были одни лишь аналоговые методы, имела ограниченное применение.

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.

Проектирование систем ЦОС сталкивается с возросшим информационным потоком от различного типа абонентов реального времени. Переход к многомерной обработке сигналов существенно усложняет задачу.

Многомерная обработка сигнала требует организации и слежения за дополнительными информационными потоками, которые условно разбиваются на кадры и выборки. Организация приема информации, относящейся к одному кадру, определяется количеством каналов в системе. Обработка включает два этапа - первичн>тооб4^аботку и пространственную обработку. < При ограниченном количестве каналов икформациякадра-разбивается на от-""' дельные фрагменты. При приеме каждого фрагмента необходимо выполнить большой объем специализированных операций с высоким быстродействием (формирование аналитического сигнала, создание дальномерных каналов, динамическая реконструкция сигналов и периодов следования для борьбы со «слепыми скоростями», интерполяция данных, формирование фазового фронта).

Для решения задач первичной обработки сигналов в режиме многомерной обработки требуется организация высокоскоростного приема и далее высокопроизводительной обработки информации.

Прием кадров, его фрагментов, разбиение выборки на кадры, кадров на фрагменты выполняются путем мультиплексирования информационного входного потока данных, определяемого конкретной задачей.

Актуальность задачи определяется возрастающей потребностью в высокопроизводительных системах ЦОС для различных областей применения:

- радиолокации;

- гидроакустических систем;

- мобильных систем телекоммуникаций и других высокотехнологичных направлений науки и техники.

Достижения в области микроэлектроники определили два направления проектирования систем ЦОС:

- конструирование специального оборудования СБИС для задач ЦОС на основе средств проектирования ПЛИС ( программируемых логических интегральных схем) с использованием различных систем автоматизированного проектирования;

- проектирование высокопроизводительных систем на базе процессоров DSP с кластерной шиной обмена или организацией многопроцессорной архитектуры с многоканальными шинами обмена между процессорами DSP и памятью.

Выбор архитектуры вычислительных средств для задач ЦОС прежде всего диктуется динамическими параметрами сигналов. Современные микропроцессорные технологии допускают широкий выбор методов и средств их решения. 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-тыо разрядами и избыточность ресурсов процессора в плане высокоскоростного выполнения арифметических многоразрядных операций оказывается невостребованной.

Появление особой разновидности микропроцессоров - цифровых сигнальных процессоров (08Р)-является качественным скачком, который способствовал дальнейшему развитию и совершенствованию методов цифровой обработки. В DSP на одном кристалле удалось совместить собственно высокопроизводительную цифровую обработку на основе аппаратно реализованного умножителя-накопителя с возможностью обеспечения разнообразных интерфейсов и, самое главное, реализовать гибкое изменение алгоритмов с учетом меняющихся требований за счет их программируемое™ при сравнительно небольшой цене микросхем DSP.

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

Путем наращивания числа процессоров в системе можно реализовать достаточно сложную и быстродействующую систему цифровой обработки. Возможности программируемых логических интегральных схем ПЛИС для построения ЦОС практически не ограничены. 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.

Цель исследований диссертационной работы заключается в разработке вычислительных процессов многомерной пространственной обработки сигналов и построении на его основе высокопроизводительных вычислительных систем.

Исследования проводились по следующим направлениям.

1. Анализ архитектур высокопроизводительных вычислительных средств реального времени для решения задач ЦОС на основе:

- универсальных суперЭВМ;

- специализированных процессоров DSP;

- специализированных заказных средств проектирования на базе программируемой логики ПЛИС.

2. Исследование методов эффективного распараллеливания многопроцессорных систем для обслуживания специализированных абонентов реального времени с учетом накопленного опыта отечественных разработок.

3. Исследование методов многомерной цифровой обработки сигналов специализированных цифровых устройств СДЦ для ЛЧМ-сигнала РЛС кругового обзора, работающих в условиях сильных отражений от различных неподвижных предметов на основе алгоритма первичной обработки для ЛЧМ-сигнала. Определение состава и производительности узкоспециализированных процессоров.

4. Исследование информационных потоков многомерной обработки гидроакустических сигналов для выработки методов их цифровой реализации с учетом специфики потоков команд, потоков данных и адресных механизмов, что определило организацию высокопараллельного вычислительного процесса для ГАК, имеющего до 5000 источников информации.

На основе алгоритмов первичной обработки проведено определение плотности информационных потоков, их маршрутизация, оценены быстродействия методов их обработки, динамического редактирования, пространс-венно-временной-частотной фильтрации.

В работе отражены вопросы проектирования, связанные с организацией системы ввода/вывода для абонентов реального времени.

В системе первичной обработки сигналов возникает задача наращивания объектов ОЗУ, как в процессоре ввода/вывода, так и в процессоре обработки. Исполь'зуются оценки переполнения ОЗУ в предположении, что ОЗУ доступны всем абонентам, когда возникает вероятность переполнения.

Приводятся методы, определяющие зависимость быстродействия центрального процессора от интенсивности запросов абонентов.

Научная новизна работы заключается в разработке методик проектирования малогабаритных вычислительных систем ЦОС производительностью 20* 109 оп/с. для реализации задач пространственно-временной обработки сигналов.

Оценены основные информационные потоки источников сигналов и временные критерии их первичной обработки.

Выделены типовые вычислительные процессы цифровой реализации задач временной и пространственной фильтрации сигналов и определены требуемые производительности вычислительных средств для их решения.

Определены методы распараллеливания основных алгоритмов (многопроцессорность, конвееризация, фрагментирование).

Предложена специализированная многопроцессорная синхронная архитектура вычислительной системы, классифицированная с учетом потоков команд, потоков данных и адресных механизмов считывания данных.

Разработана технология реализации вычислительных систем ЦОС.

Работа проведена для двух вычислительных систем первичной обработки малогабаритной PJIC кругового обзора и гидроакустического комплекса.

Для PJIC кругового обзора разработана функциональная схема специализированного устройства селекции движущих целей (СДЦ) и определен состав его базовых модулей. Разработан метод быстрой цифровой реализации квазисогласованной фильтрации JI4M комплексных сигналов для каждого периода повторения PJ1C.

Создана процедура азимутальных фрагментов из 10 элементарных азимутальных направлений при круговом обзоре пространства. Введение процедуры азимутальных фрагментов уменьшает общее количество азимутальных направлений, подлежащих обработке, и сохраняет возможность точного измерения азимута.

Для устройства селекции движущихся целей на основе алгоритма подавления помех и выделения движущихся целей разработан быстрый цифровой метод его-реализации путем комбинации КИХ - фильтра 3-го порядка и процессора ДПФ, обеспечивающего фильтрацию доплеровских частот.

Для обнаружения движущихся целей разработан метод цифровой реализации на основе многоканального обнаружителя, выполняющего для каждого азимутального фрагмента и строба дальности в каждом доплеровском канале независимое обнаружение сигнала.

Для формирования порога обнаружения сигналов в устройстве селекции движущихся целей на основе алгоритма формирования усредненного значения помех в каждом элементе дальности для азимутальных фрагментов создан метод цифровой реализации с помощью цифрового фильтра нижних частот и рекурсивного цифрового фильтра.

Разработана вычислительная система первичной обработки для гидроакустического комплекса, приемная антенна которого содержит 5000 гидрофонов-приемников информации. Предложена и технически реализована архитектура универсальной реконфигурируемой системы цифровой обработки многомерных сигналов на основе потоковой многоканальной конвейерной обработки информации и разработаны методы цифровой реализации алгоритма многомерной обработки сигналов для абонентов ГАК.

Разработаны технические решения проектирования процессоров цифровой обработки сигналов на основе современных программируемых логических ПЛИС фирм Altera.

Результаты работы, выносимые на защиту:

Вычислительная система селекции движущихся целей (СДЦ), состав ее базовых модулей и обеспечение требуемой производительности узкоспециализированных процессоров:

- процессора цифровой обработки сигналов (ПЦОС) с быстродействием 2,64 О9 оп/с;

- процессора обработки пачечных сигналов (ПОПС) с быстродействием 20-106 оп/с;

- процессора обнаружения движущихся целей (ПОДЦ) с быстродействием 45' 106 оп/с;

- процессора формирования кода порога (ПФКП);

- процедура фрагментирования азимутальных направлений СДЦ.

Способ организации вычислительного процесса многопроцессорной высокопроизводительной синхронной системы обработки гидроакустических сигналов ГАК, с учетом специфики потоков команд, потоков данных и адресных механизмов считывания данных для многомерной обработки сигналов, обеспечивающих высокопроизводительную обработку многоканальных .потоков сигнальной информации.

Классификация и сравнительный анализ основных направлений аппаратной реализации высокопроизводительных устройств цифровой обработки сигналов.

Техническая реализация построения процессоров цифровой обработки сигналов на основе ПЛИС.

Основные результаты работы.

Основным результатом диссертационной работы является построение вычислительных процессов цифровой реализации алгоритмов первичной обработки сигналов и проектирование на основе этих решений высокопроизводительных вычислительных систем различного применения.

Предложена и реализована система цифровой обработки селекции движущихся целей для РЛС кругового обзора, состоящая из нескольких узкоспециализированных процессорных модулей.

Для ГАК, имеющего до 5000 источников информации, предложена и аппаратно реализована организация вычислительного процесса, в которой помимо распараллеливания на 48 каналов, включены средства адресации информационных и управляющих потоков. Такой процессор первичной обработки имеет производительность до 20Т0 оп/с для формирования пространственных характеристик сигналов и выполняет временную фильтрацию на основе алгоритма БПФ с производительностью 5" 109 оп/с.

Реализована параллельная синхронная многопроцессорная вычислительная архитектура для проектирования малогабаритных систем ЦОС производительностью 20" 109 оп/с.

При проектировании современных гидроакустических комплексов и цифровых устройств селекции движущихся целей использованы как ПЛИС технологии, так и процессоры DSP разработки фирм TI и AD.

Для выполнения этих задач были проведены исследования и получены следующие результаты:

- проанализированы архитектурные особенности синхронной многопроцессорной вычислительной системы, ориентированной на естественный параллелизм данных;

- предложена и реализована функциональная схема устройства селекции движущихся целей для РЛС кругового обзора;

- предложен и реализован сверхпараллельный способ организации вычислительного процесса для систем ГАК.

Результаты работы используются при проектировании современных высокопроизводительных систем ЦОС различного назначения в разработках ОАО НИИВК им. М.А. Карцева.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Практическая ценность результатов.

Разработанные при участии автора узлы устройства управления в составе суперЭВМ нашли применение в изделиях М10, 13М6-02 и созданных на их основе комплексах (63И6, 68И6 и др.).

Разработки специализированных процессоров проведены по темам:

- ОКР "Магнолия-ЦВК" - разработки и создания специализированных вычислительных процессоров СДЦ;

- в изделии Л-01 для стендового и опытного образца ЦВК обработки-гидроакустической информации;

- ОКР "МАТЭКС" при создании специальных СБИС и модулей обработки сигналов;

- ОКР "Образ" при создании специализированного вычислительного комплекса для обработки информации ультразвукового диагностического аппарата.

Внедрение результатов работы отражено в актах.

Заключение диссертации по теме «Вычислительные машины и системы», Баранов, Лев Дмитриевич

Результаты работы используются при проектировании современных £ высокопроизводительных систем ЦОС различного назначения в разработках

ОАО НИИВК им. М.А. Карцева.

Заключение.

Основным результатом диссертационной работы является определение методики проектирования систем ЦОС, которая включает построение вычислительных процессов цифровой реализации алгоритмов первичной обработки сигналов и проектирование на основе этих решений высокопроизводительных вычислительных систем многомерной обработки сигналов.

Разработана вычислительная система цифровой обработки СДЦ для РЛС кругового обзора, состоящая из узкоспециализированных процессорных модулей общей производительностью 2.6Т09 оп/с .

Для ГАК, имеющего до 5000 источников информации, предложена и реализована организация вычислительного процесса, в которой помимо распараллеливания на 48 каналов, включены средства адресации информационных и управляющих потоков. Такой процессор первичной обработки имеет производительность до 20Т09 оп/с для формирования пространственных характеристик сигналов и выполняет временную фильтрацию на основе алгоритма БПФ с производительностью 5 * 109 оп/с.

При проектировании современных гидроакустических комплексов и цифровых устройств селекции движущихся целей использованы как ПЛИС технологии, так и процессоры DSP разработки фирм TI и AD.

Для выполнения этих задач были проведены исследования и получены следующие результаты:

- проанализированы архитектурные особенности синхронной многопроцессорной вычислительной системы, ориентированной на естественный параллелизм данных;

- предло.жен и реализован сверхпараллельный способ организации вычислительного процесса для систем ГАК;

- предложена и реализована функциональная схема устройства селекции движущихся целей для РЛС кругового обзора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Баранов, Лев Дмитриевич, 2005 год

1. Гливенко Е.В. Параллельный процессор первичной обработки информации. - М.: Радио и связь, 1992.

2. Дорохин С.А. Высокопроизводительные процессоры цифровой обработки сигналов 2000 года. //Цифровая обработка сигналов. -1999. -№1.

3. Баранов Л.Д. и др. Вариант включения процессора серии TMS для решения задач ЦОС. //Вопросы радиоэлектроники. М., 2001. - Серия ЭВТ, вып. 1.

4. Баранов Л.Д. Некоторые особенности архитектуры процессоров цифровой обработки сигналов. //Вопросы радиоэлектроники. М., 2002. - Серия ЭВТ, вып. 1.

5. Карцев М.А., Баранов Л.Д., Миллер Л.Я. и др. Вычислительный комплекс 63Мб: техническое описание. /НИИВК, 1977. Фг1.701.003 ТО.

6. Златников В.М., Петрова Г.Н. Вариант организации машины реляционной базы данных на вычислительной системе ПАРС. //Вопросы радиоэлектроники. М., 1994. - Серия ЭВТ, вып.4.

7. Баранов Л.Д., Миллер Л.Я. и др. Изделие 13М6-02: техническое описа-¥ ние.-Том 1./НИИВК, 1984.-Фг1.700.004-02 ТО.

8. Баранов Л.Д. и др. Устройство управления ЭВМ Ml0.//Вопросы радиоэлектроники, -М., 1980.-Серия ЭВТ, вып.9, -С. 15-30.

9. Карцев М.А. Архитектура цифровых вычислительных машин. М.: Наука, 1978.

10. Брик В.А., Карцев М.А. Вычислительные системы и синхронная арифметика. -М.: Радио и связь, 1981.

11. Э. Иодан. Структурное проектирование и конструирование программ. Перевод с, английского. М.: Мир, 1979.

12. Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. -М.: Радио и связь, 1986.

13. Бахтиаров Г.Д., Баранов Л.Д., Златников В.М. Специализированное цифровое устройство селекции движущихся целей. //Вопросы радиоэлектроники. М., 2003. - Серия ЭВТ, вып.2.

14. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория применение цифровой обработки сигналов. Перевод с английского под редакцией Ю.Н. Александрова. М.: Мир, 1978.

15. Баранов Л.Д. Высокопроизводительная система цифровой обработки сигналов. //Вопросы радиоэлектроники. М.,2002. - Серия ЭВТ, вып.1.

16. THE TMS 320С6201/С6701 Peripherals Reference Guide (SPPU 190).

17. Дорохин С.А. К вопросу отладки многопроцессорных систем цифровой обработки сигналов (ЦОС). //Вопросы радиоэлектроники. -М., 2003. -Серия ЭВТ, вып.2.

18. Баранов Л.Д., Латышов А.А. Развитие средств ввода-вывода ЭВМ семейства «М». //Вопросы радиоэлектроники. М., 2003. - Серия ЭВТ, вып.2.

19. Бочин Б.И., Ильицкая Л.С., Латышов А.А., Мельник Ю.Н. и др. Устройство для управления каналами ввода-вывода. 1086422 СССР, МКИ 606 F3/04. -1984.

20. Венцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964.

21. Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1969.

22. Мухтарулин B.C. Основные направления создания устройств цифровой обработки сигналов. //Вопросы радиоэлектроники. М.,2000. - Серия ЭВТ, вып. 1.

23. Семёнов Ю.В., "FT8U245AM в интерфейсе USB", http://www.kulakov.ru/usb.htm.

24. ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Hardware Reference, Revision 0.2, Link Ports.

25. Virtex-II Platform FPGAs: Advance Product Specification, 2002.

26. FT8U245AM Preliminary Information Rev 0.9.

27. Баранов Л.Д., Бахтиаров Г.Д., Златников B.M. Цифровая обработка радиолокационных сигналов и DDC технологии. //Радио промышленность. -М., 2004.

28. Антонов-Антипов Ю.Н., Баранов Л.Д., Златников В.М. Унифицированное цифровое квадратурное преобразование сигналов ФМ-2 с реализацией на ПЛИС. //Вопросы радиоэлектроники. М.,2004. - Серия ЭВТ, вып.1.

29. Баранов Л.Д., Златников В.М., Кучернюк И.Н. Специализированный процессор диспетчеризации информационных потоков высокопроизводительной системы цифровой обработки сигналов. //Вопросы радиоэлектроники. М., 2004. - Серия ЭВТ, выпЛ.

30. DIGITAL SIGNAL PROCESSING. DATABOOK 1990г. CHAPTER 13, IMAGE PROCESSING WITH THE IMS A100.

31. Баранов Л.Д, Калинин М.И. Цифровой понижающий преобразователь-устройство цифровой обработки сигналов в системах связи. //Вопросы радиоэлектроники. М., 2005. - Серия ЭВТ, вып. 1.

32. Баранов Л.Д. Вопросы проектирования высокопроизводительных систем первичной обработки сигналов. VI Международный форум "Высокие технологии XXI века".- М., 2005.

33. Баранов Л.Д. Новые технологии проектирования высокопроизводительных систем ЦОС. VI Международная конференция "Кибернетика и высокие технологии XXI века".- Воронеж, 2005.