Процессорные информационно-измерительные системы с время-импульсным преобразованием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Комшилова, Кира Олеговна

• Комшилова, Кира Олеговна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Комшилова, Кира Олеговна

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Проблемы проектирования цифровых ИИС.

1.1 Принципы построения современных ИИС. ИИС с время-импульсным преобразованием.

1.2 Анализ быстродействия модулей процессорных ИИС.

1.2.1 Анализ методов и средств оценки производительности ВС как средств ЦОС.

1.2.2 Производительность шины PCI как межмодульного интерфейса передачи данных в ИИС.

1.3 Цифровая обработка сигналов.

1.4 Постановка задачи.

Выводы.

Глава 2. Погрешность результатов измерений ИИС с ВИП.

2.1 Анализ нормальной погрешности ВИП.

2.2 Анализ аномальной погрешности.

2.3 Оценка суммарной погрешности ВИП.

2.4 Погрешность ВИП при многократных измерениях.

2.5 Анализ алгоритмов цифровой фильтрации для обработки сигналов в ИИС с ВИП.

2.5.1.Погрешность ВИП при использовании цифровых согласованных фильтров.

2.5.2 Погрешность ВИП при использовании цифровых БИХ фильтров

2.5.3 Погрешность ВИП при использовании цифровых КИХ фильтров. 62 Выводы.

Глава 3. Определение быстродействия процессорных ИИС.

3.1 Выбор программного измерительного монитора.

3.2 Закон распределения времени записи данных на жесткий диск.

3.3 Оценка времени отображения информации.

3.4 Временные затраты на передачу данных.

3.4.1 Программное управление передачей данных и передача данных по прерыванию.

3.4.2 Передача данных по прямому доступу в память.

Выводы.

Глава 4. Разработка алгоритмов синтеза и анализа оптимальной структуры

ИИС с ВИП заданной точности.

4.1 Алгоритм выбора структуры ИИС при решении прямой задачи оценки производительности ИИС.

4.2 Алгоритм выбора структуры ИИС при решении обратной задачи оценки производительности ИИС.

4.3 Алгоритм решения прямой задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов СФ.

4.4 Алгоритм решения прямой задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов БИХ-фильтров.

4.5 Алгоритм решения прямой задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов КИХ-фильтров.

4.6 Алгоритм решения обратной задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов СФ.

4.7 Алгоритм решения обратной задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов БИХ-фильтров.

4.8 Алгоритм решения обратной задачи синтеза ИИС с аппаратно-программной ЦОС при использовании алгоритмов КИХ-фильтров.

4.9 Пример решения обратной задачи.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессорные информационно-измерительные системы с время-импульсным преобразованием»

Современное развитие вычислительной техники, которое в первую очередь связано с появлением быстродействующих процессорных систем, дает возможность создания информационно-измерительных систем (ИИС) на базе вычислительных систем (ВС) для обработки информации в научных исследованиях, для контроля в производственных технологических процессах и технологических испытаниях. При этом ИИС является аппаратно-программным комплексом, в котором задачи сбора, анализа и отображения информации распределены между аппаратными и программными модулями.

Системы, проектируемые на базе ВС, включают в себя три блока: сбор, анализ и отображения информации. Так как ИИС являются средствами измерений и предназначены для получения количественной информации об исследуемых параметрах, то важнейшем показателем при использовании этих систем, является точность, характеризуемая погрешностью результатов измерений. Погрешность ИИС с аппаратно-программной обработкой результатов измерений определяется скоростью работы каждого из перечисленных блоков. Поскольку в данной работе ИИС рассматривается как аппаратно-программный комплекс, то для определения погрешности ИИС необходимо решить вопрос оценки быстродействия каждого из перечисленных модулей. В частности, блок отображения и анализа информации может быть реализован программно в ВС. Тогда желательно оценить временные затраты на выполнение данных задач в ВС. Несмотря на то, что вопрос оценки производительности ВС неоднократно поднимался в литературе такими авторами как Д. Феррари, Г.Т. Артамонов, О.М. Брехов, Б.М. Каган, С.М. Майоров, Г.И. Новиков, Т.И. Алиев, Э.И. Махарев, Б.Д. Тимченко и др., на сегодняшний день не существует ни единого определения самого термина производительность ВС, ни метода оценки производительности, ни средства.

На точность измерений особо влияют параметры межмодульного интерфейса, в качестве которого сегодня при реализации ИИС на базе ВС используется высокоскоростная процессорная шина PCI, существенно ограничивающая в некоторых случаях скорость обработки данных в ИИС. Вопрос влияния задержек процессорной шины на точность измерений слабо исследован.

Модули анализа данных предназначены для реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) (например, БПФ, свертка). Каждый цифровой фильтр характеризуется не только амплитудно-частотными и фазо-частотными характеристиками, определяющими качество данного фильтра, но и алгоритмом реализации, который в свою очередь определяет временные затраты на выполнение модуля анализа. Вопрос взаимосвязи качества фильтрации и времени реализации цифровых фильтров является слабо изученным.

Таким образом, вопрос исследования взаимосвязи погрешности средства измерения и быстродействия аппаратно-программных модулей на сегодняшний день является открытым, а задача его решения актуальной.

Цель диссертационной работы - разработка метода и средства оценки потенциально реализуемой точности информационно-измерительной системы при аппаратно-программной реализации сбора и обработки измерительной информации на этапе проектирования ИИС с время-импульсным преобразованием (ВИЛ).

Для этой цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

• определить критерий оценки качества работы ИИС с ВИЛ;

• разработать метод и средство оценки быстродействия ВС для решения задач ИИС с ВИЛ;

• проанализировать и формализовать вопрос влияния быстродействия процессорной шины PCI на скорость обмена данными между модулями ИИС;

• проанализировать влияние параметров цифровых фильтров на качество измерений в ИИС с ВИЛ;

• разработать метод и средство оценки потенциальной погрешности ИИС с ВИЛ с аппаратно-программной реализацией на базе ВС при использовании цифровых фильтров;

• провести практическую апробацию разработанных теоретических подходов, методов и средств на реальных информационно-измерительных системах с ВИЛ.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Комшилова, Кира Олеговна

Основные результаты и выводы по работе

1. Получено замкнутое аналитическое выражение для оценки зависимости суммарной погрешности ВИП от отношения «сигнал/шум» и порога обнаружения для суммы видеоимпульса и нормального стационарного дифференцируемого процесса. В отличие от известных аналитических выражений для расчета суммарной погрешности, приведенное в работе выражение является обобщением полученных ранее результатов, поэтому его можно использовать для любых видов импульсных сигналов и помех с заданной корреляционной функцией. Также приведены аналитические выражения для определения оптимальных параметров ИИС ВИП с пороговым отбором (отношение «сигнал/шум», интервал измерения), минимизирующих суммарную погрешность средства измерения. Для случая многократных измерений определена зависимость суммарной среднеквадратической погрешности от числа измерений.

2. Разработано программное средство для получения оценок производительности ВС с целью реализации программной обработки данных. Для выделенного класса функции, реализуемых ИИС, определены вероятностные характеристики времени выполнения отдельных задач. В работе приведено обоснование выбора программного измерительного монитора для измерения скорости выполнения задач анализа и обработки данных и показано, что результаты измерения с помощью программного монитора соответствуют спецификациям процессоров, для которых проводилось тестирования. В связи с этим представляется возможным использование данного монитора для создания средств по оценке быстродействия микропроцессорных систем.

Определены аналитические выражения для расчета максимальной пропускной способности интерфейса передачи данных на примере процессорной шины PCI для трех вариантов механизма обмена данными: для прямого доступа в память, программного управления и управления по прерыванию. Получены аналитические выражения для расчета максимально реализуемой частоты дискретизации сигнала в зависимости от используемого механизма передачи данных.

3. Методом имитационного моделирования получены зависимости для расчета характеристик случайных процессов на выходе цифровых фильтров. В литературе приводятся алгоритмы расчета коэффициентов ЦФ для заданных передаточных функции фильтров, при этом опускается вопрос замкнутых аналитических выражений, например, для расчета суммы квадратов импульсной характеристики. В связи с этим для известных ЦФ, прототипом которых являются аналоговые фильтры Баттерворта, получены аналитические выражения для расчета суммы квадратов импульсной характеристики. Для цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой, синтезированных с помощью окон Хэмминга, получено выражение для расчета оптимального порядка фильтра, а также суммы квадратов импульсной характеристики. Для согласованных цифровых фильтров приведены аналитические выражения для расчета дисперсии белого шума на выходе ЦФ, а также приведены рекомендации по выбору уровней квантования сигнала.

4. Разработаны алгоритмы оценки требуемого быстродействия ИИС заданной точности и механизма распределения вычислительных задач на этапе проектирования. Поставлены прямая и обратная задачи. Решение прямой и обратной задач основано на экспериментальном определении индексов производительности системы и точности измерений на первом этапе. На основании аналитических выражений, приведенных в работе для расчета суммарной погрешности средства измерения, вычисляются параметры ЦФ. Предложенный в работе алгоритм распределения вычислительных задач, позволяет оценить возможность выбора оптимальной структуры измерительного комплекса.

По основным результатам работы было опубликовано 7 научных работ, из них - 3 статьи и 4 депонированных рукописи:

1. Комшилова К.О. Погрешность измерения телеизмерительных систем BUM// Приборостроение и информационно-измерительные системы. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2006.-С.51-58.

2. Комшилова К.О. Оценка быстродействия КИХ-фильтра с программной обработкой результатов измерений// Вестн. метрологич. академии. - СПб., 2006 - Вып. 17. -С.35-42.

3. Авдеев Б.Я., Комшилова К.О. Некоторые оценки производительности вычислительных средств для ИИС реального времени // Вестн. метрологич. академии. - СПб., 2006 - Вып.17. -С.78-83

4. Комшилова К.О. Оценка минимально реализуемой погрешности измерений для ИИС с программной обработкой информации с помощью БИХ-фильтров./ Комшилова К.О.; С.-Петербургск.гос.электротехн.ун-т.-СПб, 2006. - 7 с. - Библиогр.8 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №876-В2006.

5. Комшилова К.О. Оценка быстродействия БИХ-фильтров с программной обработкой результатов измерений/ Комшилова К.О.; С.-Петербургск. гос. электротехн. ун-т. - СПб., 2006. - 9 е.: ил. - Библиогр.8 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №875-В2006.

6. Комшилова К.О. Методы оценки быстродействия КИХ-фильтров для ИИС с программной обработкой результатов измерений/ Комшилова К.О.; С.-Петербургск. гос. электротехн. ун-т. - СПб., 2006. - 10 е.: ил. - Библиогр.8 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №877-В2006.

7. Комшилова К.О. Оценки минимально реализуемой погрешности измерений для ИИС с программной обработкой информации с помощью КИХ-фильтров/ Комшилова К.О.; С.-Петербургск.гос.электротехн.ун-т. -СПб., 2006. - 9с. - Библиогр.8 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 29.06.2006 №878-В2006.

Заключение

В диссертационной работе проведено исследование вопроса проектирования цифровых ИИС с время-импульсным преобразованием на базе ВС с аппаратно-программной обработкой информации и разработаны алгоритмы решения задачи определения потенциальных вычислительных возможностей ИИС с аппаратно-программной обработкой данных.

В результате исследования определены состав модулей устройств ИИС, выполняющих передачу и обработку данных, характеристики сигналов, которые необходимо учитывать при расчете показателей точности, и предложены алгоритмы расчета, позволяющие оценить точность и осуществить обоснованный выбор указанных модулей при проектировании реальных ИИС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Комшилова, Кира Олеговна, 2006 год

1. Основы метрологии и электрических измерений. Л.:Энергоатомиздат, 1987.

2. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы. М.: Энергия, 1974.

3. Авдеев Б.Я., Антонюк Е.М., Долинов С.М. и др. Адаптивные телеизмерительные системы. Л.: Энергоиздат, 1981.

4. Шастова Г.А. Кодирование и помехоустойчивость передачи телемеханической информации. М.: Энергия, 1966.

5. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1980.

6. Авдеев Б.Я., Белоусов В.В., Брусаков И.Ю., Кон Е.Л., Пыко С.М. и др. Цифровые адаптивные информационно-измерительные системы. Санкт-Петербург: Энергоатомиздат, 1997.

7. Авен О.И., Турин Н.Н., Коган А.Я. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. М.:Наука, 1982.

8. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. М.:Мир, 1981.

9. Артамонов Г.Т. Анализ производительности ЦВМ методами массового обслуживания. М.:Энергия, 1971.

10. Ю.Ларионов A.M. Вычислительные комплексы, системы и сети. М.'.Энергоатомиздат, 1987.

11. Летичевский А. А., Капитонова Ю.В. Математическая теория проектирования вычислительных систем. М.:Наука, 1988.

12. Драмон Д. Методы оценки и измерений дискретных вычислительных систем. М.:Мир, 1977.

13. З.Майоров С.А. основы теории вычислительных систем. М.:Высшая школа, 1978.

14. М.Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. М.:Энергоатомиздат, 1985.

15. Aaron В. Brown, Margo I.Seltzer Operating system benchmarking in the wake of Lmbench: A case study of the performance of NetBSD on the Intel x86 Architecture, Harward University.

16. Yasuhiro Endo, Zheng Wang, J. Bradley Chen, Margo I.Seltzer Using latency to evaluate interactive system performance. Harward University, Division of Engineering and Applied Sciences.

17. П.Головкин Б.А. Расчет характеристик и планирование параллельных вычислительных процессов. М.:Радио и Связь, 1983.

18. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. М.:Мир, 1986.

19. Лебедев А.Н., Чернявский Е.А. Вероятностные методы в вычислительной технике. М.:Высшая школа, 1986.

20. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. М.:Мир, 1978.

21. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган А .Я. Анализ очередей в вычислительных сетях. М.:Наука, 1989.

22. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. М.:Мир, 1978.

23. Ладенко И.С. Имитационные системы. М.:Наука, 1981.

24. Киндлер Е. Языки моделирования. М.:Энергоатомиздат, 1985.

25. Цапенко М.П. Измерительные информационная техника. М.: Энергоатомиздат, 1985.

26. Финогенов К.Г. Программирование измерительных систем реального времени. М.: Энергоатомиздат, 1990.

27. Володин А.Ю., Горбачев С.В., Шейнин Ю.Е. Шина PCI в высокопроизводительных микропроцессорных системах. Санкт-Петербург, 1999.

28. Т. Shanley, D.Anderson. PCI System Architecture. Mind Share, 1999.

29. Е. Finkelstein, S.Weiss Microprocessor system buses: A case study. Journal of System Architecture, 1999, №45.

30. E. Finkelstein, S.Weiss. A PCI bus simulation framework and some simulation results on PCI standard 2.1 latency limitations. Journal of System Architecture, 2002, №47.

31. PCI Local Bus Specification. Production Version Revision 2.1.

32. Рабинер P., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М: Мир, 1978.

33. Богнер Р., Константинидис А. Введение в цифровую фильтрацию. М:Мир, 1976.

34. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов. Санкт-Петербург:Политехника, 2000.

35. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. М.:Радио и связь, 1985.

36. Брюханов Ю.А., Приоров A.JI. Цифровые фильтры. Ярославль, 2002.

37. Цикин И.А. Радиотехнические системы передачи информации. Оптимальная обработка сигналов в радиосистемах. JL, 1975.

38. Лихарев В.А. Цифровые методы и устройства в радиолокации. М.:Сов.Радио, 1973.

39. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.:Радио и Связь, 1986.

40. Фремке А.В. Телеизмерения. М.:Высшая школа, 1975.

41. Мановцев А.П. Основы теории радиотелеметрии. М.: Энергия, 1973.

42. Престон Ж., Гарднер Р. Вопросы радиолокационной техники, Влияние шума на генераторы пусковых импульсов, 1954, № 4, с.31-38.

43. Тихонов В. И. Нелинейные преобразования случайных процессов. М.: Радио и связь, 1986.

44. Тутевич В. Н. Телемеханика. М.:Энергия, 1985.

45. Каширин В. А., Шастова Г. А. Помехоустойчивость телеизмерений. М.:Радио и связь, 1960.

46. Тихонов В. И. Выбросы случайных процессов. М.: Наука, 1966.

47. Нарышкин А.К., Дубянский А.С. Плотности вероятности перехода через ноль смеси сигнала/шум. Радиотехника, 1971, №9.

48. Гутник JI.C. Теория оптимальных методов приема при флуктуационных помехах. М., 1972.

49. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. М.:Сов.Радио, 1969.

50. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника, М.: Радио и связь, 1982.

51. Фомин Я.А. Теория выбросов случайных процессов. М.: Связь, 1980.

52. Крис Касперски. Техника оптимизации программ. СПб:БХВ-Петербург, 2004.

53. Agner Fog. How to optimize for the Pentium family of microprocessors. http://www.agner.org/assem/pentopt.pdf.

54. IA-32 Intel® Architecture Optimization Reference Manual, Order Number: 248966-012, June 2005.

55. Жданов А.А. Современный взгляд на ОС реального времени. Мир компьютерной автоматизации. 1999, №1.

56. Акулич И.Л. Математическое программирование в примерах и задачах. М.:Высшая школа, 1986.

57. Ашманов С.А., Тимохов А.В. Теория оптимизации в задачах и упражнениях. М.: Наука, 1991.

58. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1983.

59. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб:Питер, 2003.

60. Каппелини В., Константинидис А. Дж, Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение. М.: Энергоатомиздат, 1983.

61. Гамкрелидзе С.А., Завьялов А.В., Мальцев П.П., Соколов В.Г. Цифровая обработка информации на основе быстродействующих БИС. М.: Энергоатомиздат, 1988.

62. Шибаев С.В. Проблемы и методы повышения производительности цифровых сигнальных процессоров при решении задач цифровой обработки сигналов в реальном времени. Радиотехника, №9,2005.

63. Глинченко С.Г. Цифровая обработка сигналов. Красноярск, 2001.