1. Проектирование архитектуры компьютера специального назначения

1.1. Базовые структуры спецкомпьютеров

Учитывая специфику эксплуатации бортовых машин, различают два основных вида структурных схем вычислительных устройств:

1) спецкомпьютер в контуре управления автономным объектом;

2) спецкомпьютер в составе управляемого комплекса оперативно- технических средств.

Включение управляющего компьютера в систему управления, например, летательного аппарата осуществляется как по первой, так и по второй схемам. При этом структура комплекса будет иметь вид, показанный на рис. 1.1.

Характерными особенностями включения спецсистем в контур управления являются:

1) сопряжение цифровой и аналоговой аппаратуры;

2) многократное повторение алгоритмов приема, обработки и выдачи сигналов управления в систему;

3) функционирование вычислительной системы в реальном масштабе времени;

4) наличие временных ограничений на выполнение алгоритмов обработки информации;

5) повышенные требования к надежности аппаратуры и программного обеспечения спецкомпьютера.

Рассмотрим каждую из особенностей организации бортового компьютера более подробно.

Первая характерная особенность состоит в том, что измеряемые датчиком физические величины по своей природе являются непрерывными. Вследствие этого ввод информации в вычислительную систему требует преобразования вида «аналог-код», то есть квантования во времени и по уровню. Кроме того, большинство исполнительных устройств работает под управлением аналоговых напряжений. Поэтому дискретные результаты расчетов должны быть преобразованы в аналоговые величины, то есть требуется преобразование вида «код-аналог». Следует учитывать также, что различный физический характер преобразуемой АЦП и ЦАП информации приводит к значительному усложнению системы ввода-вывода компьютера. Создание же преобразователей, обладающих высокоточными или прецизионными характеристиками, представляет собой известную научную и практическую проблему. Таким образом, процесс ввода и преобразования сенсорной и другой информации, в целом есть трудоемкая процедура. Поэтому задача проектирования данного блока компьютера тесно связана с научными исследованиями и инженерными разработками в соответствующей области знаний.

Вторая особенность работы спецкомпьютера в контуре управления заключается в том, что алгоритмы решаемых задач, описанные на машинном языке, хранятся в ПЗУ и не изменяются в процессе всего периода эксплуатации. Любой алгоритм исполняется многократно, а при каждом повторении меняются лишь исходные данные, вводимые извне. Частота повторения программ зависит от скорости решения задач в компьютере, а в ряде случаев - от скорости приема данных, ввод-вывод которых сопровождается инерционностью преобразования.

Третья особенность заключается в реализации реального масштаба времени, а также в необходимости оперативного управления подсистемами комплекса при сохранении точности решения задач.

Четвертая особенность работы спецкомпьютера заключается в предоставлении процессору кванта времени требуемой длины, то есть промежутка времени, необходимого для выполнения части реального алгоритма. Ограничение на длительность кванта налагаются лишь из соображений точности решения задач и соображений оперативного управления объектом и платформой.

Пятая особенность подчеркивает важность такой характеристики как надежность. В данном случае понимается не только техническая надежность аппаратуры, но и надежность программного обеспечения. Данная характеристика определяется выбором методов решения задач, алгоритмами представления исходных данных (СОК и т.д.), степенью наработки методов контроля за правильностью отработки программ и команд в процессоре.

Второй тип структуры специализированного вычислительного устройства учитывает особенности взаимодействия человека и компьютера в составе подвижной платформы (пилотирование самолетов, управление плавсредствами, управление атомной техникой и т.д.). Данная структура может быть реализована по схеме, представленной на рис. 1.2. В отличие от предыдущей структуры схема бортового компьютера содержит средства связи для управления удаленными объектами, средства приема и передачи информационных сообщений, пульт связи человека и компьютера.

Для ввода-вывода данных в приведенной структуре используются параллельные и последовательные порты, а также двоичные каналы прямого доступа в память. При проектировании схем ввода-вывода данной системы необходимо учитывать следующие две характеристики обрабатываемой информации - это рабочие диапазоны частот преобразования и точность измерения входных величин. Анализ указанных параметров позволяет спроектировать наиболее рациональные устройства и обеспечить требуемую точность при управления платформой. Реализация остальных блоков не отличается от предыдущей структуры спецкомпьютера и использует известные принципы проектирования систем высокой производительности.