Выбор аппаратной платформы для реализации спецвычислителя гидроакустического комплекса

Скачать 118.54 Kb.

Название	Выбор аппаратной платформы для реализации спецвычислителя гидроакустического комплекса
Тип	Документы

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Документы

Ю.М. СКОРОДУМОВ, П.В. ЮХТА, А.В. ШАФРАНЮК

(ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», С.-Петербург)
ВЫБОР АППАРАТНОЙ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПЕЦВЫЧИСЛИТЕЛЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Рассматривается проблема выбора аппаратной платформы для реализации спецпроцессорной части центрального вычислительного комплекса для гидроакустического комплекса широкополосной пеленгации, отличительной особенностью которого является реализация в нем адаптивных алгоритмов пространственной обработки сигналов. Приводится общая структура вычислительной системы комплекса и представлены задачи, решаемые в его спецпроцессорной части, а так же требования, предъявляемые к ее реализации.
Введение

В настоящей работе рассматриваются некоторые вопросы реализации вычислительной системы, входящей в состав гидроакустического комплекса широкополосной пеленгации. В этом комплексе для повышения дальности и вероятности обнаружения в море слабошумящих источников применяются адаптивные алгоритмы обработки информации, позволяющих оценить выборочные матрицы корреляций помехи и полезных сигналов, в особенности при наличии сильных мешающих целей. Эти алгоритмы характеризуются высокой вычислительной сложностью вследствие следующих причин: работа с матрицами (обращение, вычисление собственных векторов и чисел), а также нахождение большого числа откликов в пространственных каналах [1]. В целом данные системы отличаются большими объемами однотипных операций, выполняемых в рамках линейных алгоритмов.

В статье приведен анализ аппаратных платформ, наиболее подходящих для реализации одной из составных частей вычислительной системы комплекса – спецвычислителя, и пояснен их выбор. Статья имеет следующую структуру. В первом разделе представлена обобщенная структурная схема ГАК, обозначены входные и выходные данные, выполняемые спецвычислителем функции, а также приведены требования к его вычислительной мощности (в части быстродействия и объемов памяти). Во втором разделе представлен обзор рассматриваемых платформ, а также их достоинства и недостатки с точки зрения реализации спецвычислителя.
1. Обобщенная структура ГАК

Обобщенная структурная схема гидроакустического комплекса (ГАК) представлена на рис. 1. Прямоугольниками обозначены основные блоки, а стрелками – функциональные связи внутри ГАК. Входная информация в виде последовательного кода поступает с спецвычислитель с выходов антенной решетки, состоящей из гидроакустических приемников. После выполнения расчетов в спецвычислителе выходная информация поступает на дальнейшую обработку в универсальный центральный вычислительный комплекс (универсальный ЦВК), с которого осуществляется управляющая обратная связь (как правило, по порогам обнаружения) в сторону спецвычислителя. Универсальный ЦВК выдает информацию для представления пользователю на автоматизированное рабочее место (АРМ), откуда так же осуществляется обратная связь со спецвычислителем и универсальным ЦВК. Параметры ГАК, определяющие величину входного и выходного потоков данных, а также сложность вычислений приведены в таблице 1.

Входной информацией спецвычислителя является:

Рис. 1. Обобщенная структурная схема ГАК

цифровые сигналы с выхода каждого элемента антенны;
поступающие из универсального ЦВК данные для реализации адаптивной пространственной обработки – сигналы сильных локальных источников;
сигналы управления, поступающие с автоматизированного рабочего места.

Таблица 1.

Название параметра	Значение
Количество элементов в АР	20 000
Разрядность АЦП на выходах ЧЭ АР	16
Частотный диапазон, кГц	0,4…8,0
Частота дискретизации, кГц	18
Количество входных точек БПФ	8192
Длительность реализации, мс	454
Полоса спектрального анализа, Гц	2,2
Количество формируемых БХН (на всех частотах), тыс:	622 600
Размерность обращаемых матриц смеси сигнала и помехи при АПО	15
Поток входных данных, Мбайт/с	720,1
Поток выходных данных, Мбайт/с	2,53

Как видно из таблицы 1, поток входных данных составляет 720,1 Мбайт/с (5,76 Гбит/с).

Спецвычислитель предполагает модульное построение и предназначен для выполнения следующих задач:

распределение по вычислительным модулям и БПФ цифровых сигналов, поступающих с выходов антенной решетки ГАК;
формирование базовых характеристик направленности;
адаптивная пространственная обработка – подавление сильных локальных источников;
формирование пеленгационной характеристики.

Таким образом, выходной информацией спецвычислителя является:

последовательность комплексных спектров сигналов с выхода каждого элемента АР (формирование частотных спектров сигналов);
последовательность комплексных пространственно-частотных спектров сигналов с (базовых характеристик направленности);
последовательность комплексных спектров сигналов с выхода блока адаптивной пространственной обработки;
пеленгационная характеристика в частотном диапазоне.

Поток выходных данных составляет 2,53 Мбай/с.

На основании значений параметров, приведенных в таблице 1, были получены требования к памяти и быстродействию спецвычислителя. Для реализации необходимых алгоритмов и обработки такого потока входных данных вычислитель должен обеспечивать быстродействие не ниже 5 840 Гфлопс и обладать не менее 80 Гб ОЗУ.
2. Платформы для реализации спецвычислителя

На основании требований, предъявляемых к спецвычислителю, рассматриваются возможные для использования платформы цифровой обработки сигналов, а именно:

платформа «МУЛЬТИКОР»;
платформа типа 0х86-0x64;
цифровые сигнальные процессоры Texas Instruments;
программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) фирмы Altera.

Рассмотрим подробнее варианты решений на основе указанных платформ.

Платформа «МУЛЬТИКОР». Отечественная платформа «МУЛЬТИКОР», разработанная ГУП НПЦ «ЭЛВИС», позиционируется как процессоры цифровой обработки сигналов. Особенностью данных микросхем является наличие минимум двух ядер в одном корпусе: одно ядро типа RISC с системой команд MIPS и от одного (микросхема 1892ВМ3Т) до 4-х (микросхема 1892ВМ5Я) ядер типа DSP c уникальной системой команд. Наибольший интерес представляют процессоры 1892ВМ5Я с относительной производительностью 1.6ГФлопс. Для каждого процессора объем ОЗУ ограничен 256Мб. Расширение памяти затруднительно, в связи с отсутствием поддержки микросхемой 1892ВМ5Я современных протоколов внешней памяти (типа DDR).

Реализация спецвычислителя на данной платформе предполагает следующую структуру (перечислены основные функциональные узлы), разработанную совместно с ФГУП «НИИ «Субмикрон», имеющим опыт разработки модулей на данной платформе:

промежуточный прибор для преобразования потока данных с выхода АР в быстрый интерфейс (например Fibre Channel);
распределенная вычислительная машина для выполнения основных функций спецвычислителя, построена на основе вычислительных модулей, каждый из которых состоит из коммутатора быстрых каналов на основе ПЛИС и 4 процессоров цифровой обработки сигналов 1892ВМ5Я.

В целом данная платформа имеет ряд существенных недостатков и не рекомендуется к применению в силу следующих причин:

постоянно меняющийся дизайн микросхемы 1892ВМ5Я;
отсутствие поддержки современных интерфейсов работы с памятью большого объема и канала передачи данных типа RapidIO;
недостаточные средства отладки, отсутствие компилятора языка С для DSP процессора;
отечественная элементная база по большому счету ограничивается микросхемой 1892ВМ5Я, также необходимо применять ПЛИС в составе изделия;
большая цена модулей и большое их количество, необходимое для достижения заданной производительности;
большой объем совместных работ с ФГУП «НИИ «Субмикрон», в силу сложности самостоятельного освоения платформы;

Платформа типа 0х86-0x64. При рассмотрении данной платформы учитывались следующие требования:

разработку проводить только на базе готовых модулей, без самостоятельной разработки модулей;
во избежание трудностей с поставками модули должны производиться достаточно длительное время, поэтому большее внимание уделялось отечественным поставщикам модулей.

Платформа типа 0х86-0x64 широко представлена множеством производителей в различном исполнении. В качестве примеров оборудования на данных платформах стоит отметить промышленные компьютеры фирмы Kontron (официальным дистрибьютором которой является российская фирма «Прософт») и модули фирмы Fastwell (положительной чертой которых является наличие приемки «5»). Также стоит отметить наличие опыта работы с оборудованием данных производителей у специалистов предприятия.

К достоинствам применения платформы можно отнести:

наличие огромного числа программных платформ, в том числе и систем реального времени;
возможность использования операционных систем реального времени;
легкость освоения и перехода на более совершенные аппаратные модули (при минимальном изменении программного обеспечения);
простота организации вычислительной сети для обмена данными на основе стека TCP/IP;
полноценные средства отладки программного обеспечения.

Как видно из сказанного выше, преимущества данной платформы в первую очередь связаны с программным обеспечением. Тем не менее, с аппаратной точки зрения, применение модулей на данной платформе осложняется в силу следующих причин:

отдельные вычислительные модули обладают недостаточной производительностью, вследствие чего их необходимо использовать в достаточно большом количестве;
сложности стыковки модулей с нестандартными интерфейсами, вследствие чего необходимо использовать дополнительные интерфейсные модули на ПЛИС;
большие потери в быстродействии на операциях пересылки ( связано с особенностью архитектуры 0х86);
недостаточные возможности выполнения параллельных операций на нескольких модулях и сложности синхронизации их работы.

Таким образом, применение данной платформы оправдано в качестве управляющей машины (выходной ЭВМ спецпроцессора) для обмена данными между спецпроцессором и универсальным ЦВК, а именно: приема информации от блока алгоритмов адаптивно-пространственной обработки, реализации обратных связей, расчета базовых характеристик направленности и выдачи информации в универсальный ЦВК (с использование интерфейса 100М/1G Ethernet).

Цифровые сигнальные процессоры Texas Instruments. Фирма Texas Insturuments занимает 1-е место в мире по производству цифровых сигнальных процессоров (DSP). ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» имеет большой опыт работы с DSP данной фирмы. В качестве аппаратной части для спецпроцессора следует ориентироваться на наиболее производительное семейство процессоров - С6000 и создавать универсальный модуль обработки для реализации различных алгоритмов.

К DSP семейства С6000 относятся следующие процессоры:

процессоры с плавающей точкой типа C67x, C674x, пиковая производительность которых составляет 2100Mflops;
многоядерные процессоры с фиксированной точкой типа С64x (на архитектуре VLIW), пиковая производительность которых составляет 9600Mflops;
многоядерные процессоры с фиксированной/плавающей точкой С647x, С667x (на архитектура VLIW), пиковая производительность которых составляет 320000Mflops (возможность поставки данных устройств необходимо выяснять дополнительно).

Наибольший интерес представляют многоядерные процессоры класса С667x для операций с фиксированной/плавающей точкой, характеризующиеся следующими параметрами:

от 1 - до 8 процессорных ядер;
производительностью от 40 – до 320 Гфлопс;
поддержка памяти типа DDR3;
архитектура VLIW – (англ. very long instruction word) - архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду.

Использование архитектуры VLIW позволяет добиться очень высокой производительности на относительно простом вычислительном устройстве, однако в такой архитектуре быстродействие зависит в крайней степени от программного кода. В связи с этим, ресурсоемкие процедуры должны реализовываться на языке ассемблер.

К достоинствам применения этой платформы следует отнести:

наличие опыта работы с фирменной средой разработки CodeComposer;
наличие отладочных средств;
легкость освоения специального ассемблера для разработки высокопроизводительного программного обеспечения, поддержка языков С, С++;
отлаженные библиотеки примитивов цифровой обработки сигналов (sin, cos, FFT, умножение векторов, возведение в степень и т.п.);
стандартные интерфейсы подключения ОЗУ большого размера;
наличие оперативной технической поддержки производителя, в том числе и на русском языке.

К сложностям, связанным с применением данной платформы, отнесем следующие факторы:

в процессорах отсутствует поддержка интерфейса SATA;
необходимость контактного охлаждения, в силу довольно больших потребляемых мощностей, что потребует усложнить конструкцию модуля;
затруднен точный расчет потребления мощности на микросхему на данном этапе проработки, данная серия имеет до 17 доменов энергопотребления и их распределение зависит от программиста.;
сложность написания программного кода для архитектуры VLIW, требуется особая внимательность программиста;
возможные трудности с поставками самых новых и производительных процессоров класса С667x, а также высокая стоимость.

ПЛИС фирмы Altera. В работе рассматривались только ПЛИС фирмы Altera, это связано с наличием опыта работы именно с ПЛИС этой фирмы и наличием закупленных средств разработки Altera Quartus.

Отличительной особенность данной платформы является количество встроенных в микросхему умножителей. Так для микросхем класса Stratix IV число умножителей достигает 1288, то есть столько умножений с фиксированной точкой можно сделать в данной микросхеме за один такт. Для сравнения, 8-ядерный процессор DSP класса имеет 16 умножителей с плавающей точкой и обеспечивает получение результата через 4 такта.

К достоинствам применения платформы следует отнести следующее:

большое количество встроенных умножителей (до 1288 для ПЛИС класса Stratix IV);
возможность создания одного типа вычислительного модуля для приема, обработки и выдачи сигналов;
возможность создания большого числа параллельно обрабатываемых потоков и меньшее число модулей по сравнению с любым другим вариантом;
наличие средств отладки, в том числе и для высокоскоростных интерфейсов;
наличие симулятора класса ModelSim, что позволяет экономить время при разработке и отладке проекта, загружаемого в ПЛИС;
наличие большого количества IP-ядер поставляемого фирмой-производителем (разнообразные интерфейсы, DSP-блоки, синтезируемые процессорные ядра, интерфейс памяти и т.д.).

Недостатки применения платформы схожи с таковыми для платформы типа DSP:

отвод тепла с микросхем с помощью контактного охлаждения;
потребление микросхемы напрямую зависит от сложности проекта, заложенного в ПЛИС, и может достигать 70Вт;
сложность разработки и редактирования проекта, связанные с высокими требованиями у вычислительной мощности рабочих станций, а отсюда следует необходимость закупки мощных рабочих станций для разработки проектов ПЛИС;
высокая стоимость наиболее производительных микросхем.

3. Экспертная система для выбора аппаратной платформы

С использованием в виде опорного примера представленного решения задачи выбора аппаратной платформы авторами был разработан быстрый прототип экспертной системы, поддерживающей процедуру выбора. Прототип был создан в экспертной оболочке Kappa, где для описания предметной области используются объектно-ориентированная модель и продукционные правила. В модели предметной области для каждой платформы создается соответствующий объект, слоты которого представляют ее частные характеристики (достоинства и недостатки). Алгоритм выбора моделируется двухшаговым логическим выводом на продукционных правилах. На первом шаге на основе частных характеристик платформы формируются значения ее обобщенных свойств, а затем на втором шаге принимается решение о перспективности применения соответствующей платформы. Идея создания данной экспертной системы положена в основу одной из лабораторных работ компьютерного практикума кафедры информационно-навигационных систем НИУ ИТМО.
Заключение

В результате рассмотрения представленных выше платформ цифровой обработки сигналов наиболее предпочтительным видится применение для реализации спецвычислителя ПЛИС фирмы Altera и микросхем типа DSP фирмы Texas Instruments. При этом предлагается разрабатывать 2 типа вычислительных модулей спецвычислителя:

на базе платформы ПЛИС - для выполнения функций вплоть до выработки базовых характеристик направленности включительно;
на базе платформы DSP - для выполнения последующих операций обработки, а именно для реализации адаптивной пространственной обработки и формирование пеленгационной характеристики.

При разработке модулей спецвычислителя следует уделить особое внимание вопросам обеспечения максимального количество интерфейсов межмодульного обмена, аппаратной идентичности модулей и минимизация их количества. Также следует проработать возможность использования платформы ПЛИС для реализации всех алгоритмов спецобработки, и, таким образом, спецвычислитель построить на базе всего одной платформы.
Литература

Малышкин Г.С. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Монография. Том 1. Оптимальные методы. – Изд-во ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2009.

	Концепция системы 4 2 Выбор платформы для реализации 6 1 Программная платформа. Net framework 7 Для эффективной работы с существующим cae-системами инженер-пользователь должен иметь представление не только о среде, в которой...		Варианты возможных носителей для хранения ключей эп (закрытых ключей)... Таблица – Использование ключевых носителей в зависимости от программно-аппаратной платформы
	Варианты возможных носителей для хранения ключей эп (закрытых ключей)... Таблица – Использование ключевых носителей в зависимости от программно-аппаратной платформы		Документация об аукционе на проведение открытого аукциона по определению... Лот №1-поставка расходных материалов для хирургии сосудов, анестезии, реанимации и аппаратной диагностики
	Закон о железнодорожном транспорте В состав этого комплекса входят: посадочные платформы, пешеходные туннели и мосты, переходы через железнодорожные пути, багажные...		«Oktell Connect» : система интеграции «1С: Предприяти 2» с коммуникационной платформой Oktell Решение предназначено для оптимизации обработки входящих и исходящих телефонных звонков в малых, средних и крупных организациях....
	Инструкция по участию в открытом Отборе № «Выбор организации (спортивного комплекса) способного предоставить право пользования Объектами для нужд ООО «Газпромнефть-Региональные...		Утверждено Правлением нп «тп «ТиЛП» положение о Научно-техническом совете по Технологической платформы «Текстильная и легкая промышленность» (далее – тп «ТиЛП»), образованным для предварительного рассмотрения...
	Методические рекомендации по организации расходования финансовых... Методические рекомендации по организации расходования финансовых средств в рамках реализации комплекса мер		Руководство по эксплуатации Приложение 3 По цмк юнит ск512 входит подсистема поддержки платформы сервисных телефонных карт. С одной стороны, она тесно интегрирована в общую...
	Азово черноморский бассейновый филиал утверждаю Выбор организации на поставку и ввод в эксплуатацию гидрографического комплекса на базе многолучевого эхолота		Азово черноморский бассейновый филиал утверждаю Выбор организации на поставку и ввод в эксплуатацию гидрографического комплекса на базе многолучевого эхолота
	Какие игрушки необходимы детям Выбор игрушек для ребёнка – очень важное и серьёзное дело. Только сам ребёнок способен выбрать из огромного количества игрушек именно...		Факультет бизнес-информатики Кафедра информационных технологий в... Постановка задачи, выбор методов реализации и описание технического задания. 14
	Вскрытия конвертов с заявками на участие в открытом конкурсе Предмет конкурса: Выбор арендатора для организации и оказания арендатором услуг по упаковке и страхованию багажа авиапассажиров,...		Требования к программной и аппаратной частям автоматизированного... Требования к программной и аппаратной частям автоматизированного рабочего места (арм), на котором производится формирование кэп и...

Выбор аппаратной платформы для реализации спецвычислителя гидроакустического комплекса

Похожие: