Построение многоцелевой бортовой ЭВМ для научных исследований на основе системообразующих элементов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На лр?чак рукописи

ПОЛИЩУК Валерий Владнслэяорич

ПОСТРОЕНИЕ МНОГОЦЕЛЕВОЙ БОРТОВОЙ ЭВМ ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМООБРАЗУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

01.01.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов, г&томгтиээциа физичесг:« исследований

ДИССЕРТАЦИЯ ю сюсхгнмо учгмгА стспони кандидата технических наук а форме мэуч>»с>го

Могада 19Э1

Работа выполнена а Институте космических исследований АН СССР.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Г.А.Аванесов.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук А.С.Селиванов;

кандидат технических наук В.В.Щербаков.

Ведущая организация: НИЦ им.Бабакина, г.Москва.

Ал Защита диссертации состоится" 2! " 1991г. в

¿ час, на заседании специализированного сойота Д 002.94.03 при Институте космических исследований АН СССР rio адресу: 117810, г.Москва, Профсоюзная ул., д.84/32, ИКИ АН СССР, подъезд 4 (конференц-зал).

О С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ АН СССР.

Диссертация разослана " Jé " 1991г.

(/ 7

4

Ученый секретарь специализированного срйета Д 002.94.03 кандидат физико-математических наук В.П.Шалимов.

» Г

,=. -гг;-

'-•Г

•с-^тгц\ ■

Падшие

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Истекший период становления бортовой микропроцессорной техники в научном космическом приборостроении носил до известной стспсни самодеятельный характер, когда каждый экспериментатор шел своим путем, беря на себя весь риск. Риск усугублялся отсутствием штерпояыгой базы, опыта конструирования, технологических возможностей. недостаточным знанием проблем, связанных с созданием программного и аппаратного обеспечения и их совместной отработки и испытаний в составе научных комплексов, В свою очередь это приводило ж далека по полному использованию возможностей микропроцессорной т«?*>»ихи, значительному перерасходу трудозатрат на изделие, к их многочисленным доработкам, к задержкам и срывам сроков поставок.

Традиционный путь снижения трудозатрат и других издержек производства на всех этапах создания научных приборов - унификация. Следуя этим путем, необходимо разрзботать ряд унифицированных модулей и устройсто, применение которых в различных сочетаниях позволит решать конкретные задачи. О принципе этот путь реален, но он не удовлетворяет другим важнейшим ограничениям космического эксперимента: габаритно-массовым и энергетическим. Унификация ведет к избыточности, а мзлое сочетание модулей и устройств, позволяя решать многие задачи, не может быть оптимальным ни для одной из них.

Развитие вычислительной техники дает другой ответ на вопрос о путях снижения трудозатрат при разработке малосерийной продукции, который может послужить целям упрощения практического использования микропроцессорной техники в научных приборах. Этот путь заключается о создании аппарата гибкого проектирования и производства. Гибкое проектирование состоит в применении комплекса систем автоматизированного проектирования (САПР), с помощью которого готовится полный комплект конструкторской, технологической и эксплуатационной документации для изготовления модифицированного по требованиям заказчика ограниченного набора изделий.

Зарубежный опыт в этой области позволяет сделать практически неразрывными процессы проектирования и производства. При этом сроки перевыпуска полного комплекта документации на модифицированное изделие могут сократиться до нескольких дней.

ЦЕЛЬ РАЦОТЫ

Основной целью выполненной работы является создание бортовой ЭВМ (БВМ). предназначенной для использования ее в составе аппаратуры перспективных космических проектов, к ним можно отнести проекты РЕГАТА, СРГ (Спектр-Рентген-Гамма) и МАРС-94; Важнейшей особенностью разрабатываемой БВМ является возможность быстрой адаптации зе к конкретным условиям эксперимента и КА. Здесь под адаптацией

понимается удовлетворение требованиям конкретной системы путем изменения конфигурации БВМ и получения ее модифицированного варианта, оптимизированного по следующим характеристикам:

- производительности;

- емкости оперативной и постоянной памяти;

- надежности и отказоустойчивости;

- мощности потребления; -массе;

- габаритам.

На рис.1 приведена схема неразрывного цикла гибкого проектирования и производства БВМ. На основе этой схемы и вышеизложенного можно иыделть следующие основные этапы;

- определение комплекса требований к средствам Оортоиой вычислительной техники;

- определение базового набора функциональных элементов и требуемых вариантов конфигураций;

- определение комплекса требований к средствам отладки;

- определение состава комплекса САПР, обеспечивающего неразрывность процессов проектирования и производства;

- определение номенклатуры технологического оборудования, необходимого для гибкого произаодстоз, и обеспечение информационно!" неразрывности между ним и комплексом САПР;

- определение комплекта и содержания конструкторской, технологической, эксплуатационной и программной документации.

В диссертации особое внимание уделено проработке 1- ,2- иЗ-гс зтапоз, и о процессе создания технологического образца практически реализованы этагш 4, 5 и б, ориентированные на имеющуюся г> рзлоряжении технологическую и компьютерную базу,

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились на осноае анализа опыта разработок 1 пр-Оменения вычислительной техники в завершенных проекта: космических исследований, а также на основе анализа требований предъявляемых к бортовым вычислительным средством р новых оке периментах и проектах. В исследования включен анализ результате: наземной отработки экспериментальных образцов бортовой многоцелс вой ЭВМ на основе системообразующих элементов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Новизна проведенной работы заключается в проведении компле! сного исследования процесса разработки, изготовления, отладки и испь тания бортовых вычислительных средств для научных исследований космосе. Впервые выполнен анализ оптимального сочетания програми ных и аппаратных средств, завершившийся разработкой минимального

КОСМИЧЕСКИЕ ПРОЕКТЫ 00-у ГОДОВ

I ли.'шякяуэдд^мчямкдууурди^аииь 1 их ш II'пни ■ и чзтяиияачлип.лвииш

Спектр-Рентген-Гэмма СРГ 3 МАРС-94 I -

Р6ГАТА

Требования к средствам бортовой вычислительной техники

| функциональные . конструкторские ; электрические 1 эксплуатационные1 возможности | требования требования | требования

1. Разработка функционального ядра элементов Сортовой вычислительная

техники , составляющих сферу общих интересов

2, Подбор комплекса САПР для гибкого проектирования и производства

элементов

Функциональные элеметы базового наборз

Специальные требопзияя конкретного эксперимента

Частные технические

задания

1. На модификацию базовых элементов

2. На разработку, уникальных элементов

Изготовление модифицированных и уникальных элементов

НаетроЯка и программно-аппаратная отладка

Приемо-сдаточные испытания

САПР

Документация:

конструкторская: технологическая;

прогрвмни»»

зкеплуатацноннар

Рис. 1. Схема неразрывного цмзда гибкого проектирования и изготовления БВМ.

ядра бортовой многоцелевой ЭВМ для перспективных проектов. Разработана конфигурация ЭВМ. которая предусматривает постоянное развитие и совершенствование входящих в ее состав элементов для выполнения специфических требований конкретного проекта.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

. В результате проведенной работы определена архитектура многоцелевой бортовой ЭВМ для решения задач бортового информационно-

измерительного комплекса (служебного или научно-исследовательского):

- тестирование, настройка и диагностика неисправностей;

- прием и исполнение команд от нзземных систем управления; -сбор, обработка и передача цифровой информации в телеметрические каналы;

-автоматизация процесса управления при проведении бортовых экспериментов;

- повышение отказоустойчивости;

- повышение надежности.

Практическим результатом работы является также разработка, изготовление, отладка и испытание технологического образца БВМ, который входит в состав служебного комплекса проекта РЕГАТА.

Анализ и классификация требований, предъявляемых к Сортовой ЭВМ в перспективных космических исследованиях

Требования, предъявляемые к ( ортовой ЭВМ, можно условно классифицировать по следующим направлениям; -требования к функциональным возможностям;

- требования к конструкции;

- электрические требования;

- эксплуатационные требования.

Требования к конструкции, а также электрические и эксплуатационные требования, как правило, являются общими для всех приборов; устанавливаемых на борт космического аппарата, и одинаково влияют на каждый из них, поэтому проанализируем требования к функциональным возможностям бортовой вычислительной техники и составим таблицу классификации. Проведем анализ выполненных ранее в ИКИ АН СССР разработок, в которых были широко использованы вычислительные средства. К таким разработкам относятся приборы TBC (телевизионная системз проекта ВЕГА), СПЕКТР-3 (бортовой рентге-нойкий анализатор проекта РЕНТГЕН-37 КЭ) и 60 ФОРТРОН (блок обработки квэдрупольного масс^анэлизатора проекта ФОБОС).

Функциональные возможности бортовых компьютеров находят свое отражение о специальных требованиях к аппаратным и программным средствам с учетом оптимального соотношения между ними. Кроме этого, очень важными являются учет и выполнение требований к системе отладки, проверки и испытаний, которые также подразделяются на требования к аппаратным и программным средствам.

Любой научный прибор представляет собой сенсор со специальной схемой управления для преобразования входной физической информации в аналоговый электрический сигнал, который затем преобразуется в цифровую форму и поступает в информационно-управляющую структуру прибора для обработки, накопления и формирования цифрового информационного массива для передачи в телеметрический канал. Этот

процесс измерения по крайней мере можно разбить на две стадии, на первой из которых принятая на вход прибора физическая информация преобразуется а цифровую форму, а на второй стадии эта информация обрабатывается до получения результата в нужной форме. Естественно, что отработка каждой части процесса измерения требует наличия С80их средств исполнения, которые разрабатываются на основе определенной техники.

3 ранних микропроцессорных разработках из желания получить максимальный эффект от применения вычислительных средств, а также из-за отсутствия у инженеров аналоговой техники опыта грименения микропроцессорной электроники первая стадия процесса измерения заканчивалась получением информации в виде аналоговой величины, что приводило к глубокому внедрению измерительной части прибора в его микропроцессорную часть.

Передача на расстояние аналоговой информации от датчика к аналого-цифровому преобразователю, находящемуся в обрабатывающей части прибора, ухудшает точность измерения и, как правило, требует повышенных затрат на дополнительную приемо-передзюидуго аппарату1 ру.

В приборе СПЕКТР-3 была реализована именно такая схема измерительного тракта, в которой аналоговый сигнал отдатчика к АЦП передавался на расстояние 7 м, что привело к его значительному искажению. появлению сбоев и увеличению потребляемой мощности, массы и габаритов прибора. При этом ожидаемое повышение точности проводимых измерений за счет программной'калибровки .и настройки измерительных трактов не дало желаемого результата.

В свою очередь, использование режима прямого доступа к памяти для записи информации амплитудного анализа могло привести к перегрузке системной мзгистрали прибора в случае непредсказуемого увеличения входного потока рентгеновских частиц.

К недостатку прибора можно также отнести отсутствие программно-управляемой связи между процессором и датчиком. Наличие такой связи позволяет значительно улучшить управляемость прибором и одновременно решить проблему обмена информацией между дэтчиковой и обрабатывающей частями прибора.

В приборе БО ФОРТРОН был реализован мультиплексный канал связи блока обработки и блока датчика, с помощью которого осуществлялось полное тестирование, настройка и управление блоком датчика. Такое решение придало прибору высокую гибкость в процессе отладки и работы. Управление прибором осуществлялось управляющими кодовыми словами, что позволило значительно увеличить обьем командных кодов.

Кроме этого, в приборе был реализован механизм сохранения системных параметров о дежурном режиме, во время которого напряжение питания подавалось только на системную память процессора. Этот

режим необходим для работы высоконадежного отказоустойчивого бортового компьютера в его резервированном варианте.

Важной характеристикой прибора для космического применения является вероятность безотказной работы, для обеспечения которой необходимо вводить резервирование отдельных или всех составных элементов микропроцессорной части прибора. Повышение надежности бортовой микропроцессорной системы путем полного дублирования всех входящих в ее состав элементов с возможностью их перекрестных коммутаций представляется проблематичным из-за большой сложности аппаратуры даже при трехкратном резервировании. Оптимальным вариантом резервирования является создание централизованных слабосвязных компьютерных систем, в которых процессоры полностью дублируются и не имеют гальванической связи между собой. Для реализации такого способа резервирования необходимо разработать механизм переключения процессоров и способ передачи между ними информации.

Общим для каждого из анализируемых приборов является также го, что в них предусмотрены меры по защите от зависаний и сбоев. В приборе СПЕКТР-Э, например, был применен таймер со сбросом, который формировал импульс начальной инициализации процессора в случае зависания или неправильного прохождения программы. В этом случае управление не передавалось другому процессору, так как переключение процессорных резервов осуществлялось только по команде с Земли. В приборе ВО ФОРТРОН использовался высоконадежный единый арбитр,выполненный на основе мультивибратора со сбросом, от которого формировались сигналы выбора одного из двух процессоров. Если активный процессор не успевал выдать в арбитр сигнал, подтверждающий его работоспособность, то активным становился резервный процессор. Во время переключения процессоров формировался сигнал повторной инициализации, по которому оба микропроцессора выполняли программу "горячего" старта, а новый активный процессор считывал системные параметры, накопленные его предшественником, и начинал свЛЬ работу. я

Рассмотрим теперь, какие главные функции выполняет бортовой компьютер для решения задач эксперимента на борту. 8 качестве общих можно выделить функции тестирования, настройки, калибровки, поддержки процесса измерений и вычислений, прием и исполнение управляющих кодовых слов или радиорелейных команд, выполнение временной циклограммы работы, управление ресурсами, формирование и передача телеметрических кадров статусной и рабочей информации, поддержание резервирования и отказоустойчивости. Как видно просто из перечня главных функций, для их реализаций требуется операционная система реального времени, которая при помощи своих процедур должна обеспечить более полную загрузку процессора и выполнение им всех вышеупомянутых функций.

В первых микропроцессорных системах, таких как СПЕКТР-3, но производилось жесткое разделение функций программного обеспечения прибора на системные и прикладные, так как объем всей прогрзм-мы, выполняющей задзчу эксперимента, был менее килобайта. В приборе БО ФОРТРОН программное обеспечение заняло объем 16Кбайт, что гооорит о достаточно высокой его сложности. В этой разработке было проведено разделение системных и прикладных функций прибора, что позволило сократить сроки создания программ, значительно облегчить их корректировку, наращивание и отладку.

Для обеспечения процесса отладки аппаратуры и программ необходимо разработать средства отладки, проверки и испытаний. Частью таких средств является адаптер, сопрягающий стандартную ЭВМ с бортовой системой.

Адаптер должен позволять выполнять захват системной магистрали отлаживаемого процессора и формировать циклы чтения и записи в ячейки памяти и регистры, загружать в память программы для их исполнения процессором системы, обеспечивать пошаговое исполнение программ, запоминать и отображать трассу прохождения прсграмА мы, запускать и останавливать программы по заданным адресам, модифицировать регистры процессора и т.д.

Средства отладки, разработанные для БО ФОРТРОН, оказались но удобны для работы с готовым прибором в составе научного комплекса на борту аппарата, так как подключение адаптера к процессорной системе требовало частичной разборки блока для непосредственного подключения адаптера к системному интерфейсу прибора. При отработке прибора TBC проекта В ЕГА в составе комплекса был использован последовательный гальванически развязанный двунаправленный интерфейс типа RS232, который обеспечивал программно-аппаратную связь между TBC и средствами отладки. Кроме целей отработки программного и аппаратного обеспечения интерфейс может быть использован для перепрограммирования ESBM о составе обьектэ или для штатной работы.

Большим недостатком первых микропроцессорных бортовых приборов была невозможность их перепрограммирования в процессе отработки и испытаний в связи с тем, что в них были применены микросхемы ПЗУ однократного программирования. В случае обнаружения ошибок о программе требовался новый цикл программирования, что делало процесс проектирования и отладки весьма затяжным. Решение проблемы оперативности п перепрограммировании прибора требует применения ПЗУ.многократного программирования. В настоящее время выпускаются высоконадежные микросхемы электрически перспрог-рзммируемых ПЗУ, которые способны работать в самых жестких условиях эксплуатации, что позволяет надеяться на возможность их применения в перспективных проектах,

Классификация функций бортовых вычислительных средств проведена по их целевым назначениям и представлена в виде таблицы. В

таблице приведены также аппаратно-программные ресурсы, необходимые для реализации этих функций.

Функции вычислительных средств Анализируемые приборы Аппаратно-программные ресурсы

ТВС СПЕКТР-3 БО ФОРТ-РОН

Управление датчиком + - + Интерфейс связи с датчиком

Поддержка измерения аналоговых сигналов - + + Измерительный канал

Исполнение команд бортового комплекса + + 4. ■У Приёмник команд КкЯ Интерфейс приема УКС

Управление резервированием + 4 + Переключатели резерва

Защита от зависаний + + + Устройство слежения за зависаниями

Сохранение параметров системы + Память сохранения параметров системы

Перепрограммирование ЭЛЛЗУ

Тестирование + + + Имитаторы

■ Настройха + + + Источники опорных сигналов

Калибровка + + Программа калибровки

Обработка результатов измерений + + + Программа обработки

Управление циклограммой работы + + + Программа отработки циклограммы

^ Передача телеметрической информации + + + Интерфейс связи с телеметрическим комплексом

Анализ структуры построения бортовых ЭВМ для научных исследований

Приборы для проведения научных исследований в космосе имею устойчиво повторяющуюся структуру, в которой всегда присутствуют:

- элемент связи с бортовыми системами служебного и научного кош ла ксов;

- элемент осуществляющий коммутации в приборе;

- элементы, реализующие измерительные функции;

- источники вторичного электропитания;

- процессоры;

- ОЗУ и ПЗУ.

Опыт создания бортовых систем на основе вычислительных средств позволяет построить их обобщенную структуру, исключив при этом специфические особенности каждой. Анализ этой структуры поможет синтезировать необходимый для перспективных проектов вариант построения бортовой многоцелевой ЭВМ.

На рис.2 приведена обобщенная традиционная структура дублированной бортовой ЭВМ, в которой приемник команд выполняет прием и коммутацию первичного напряжения бортсети. Вторичные напряжения, приходящие от источника питания, коммутируются о приемнике команд и выдаются на всё элементы ЭВМ. Как правило, в приемнике команд формируются сигналы управления резервированием

Аналоговая телеметрия

Напряжение бортсети ИРК включить прибор

ИРК отключить прибор

Управление резервированием

Контактная телеметрия

Вторичное питание

Процессор I

ОЗУ

т:

о

Устройство

• ВОДв/вывОД«

й

ПЗУ

Измерительный

канал 1

Аналоговая информация от датчика

Устройство развязки и согласования сигналов

Управляющие кодовые слова

Цифровая телеметрия

Рис. 2. Традиционная структура построения бортовых ЭВМ

процессоров и сигнал общесистемного сброса. Кроме этого, приемником команд формируются сигналы контактной и аналоговой телеметрии для контроля за состоянием его наиболее важных параметров.

Наличие устройства развязки и согласования для приема управляющих кодовых слов и передачи в телеметрический радиокомплскс цифровой информации прибора обусловлено требованием обеспечения гальванической развязки сигнальных цепей прибора от цепей телеметрии.

Устройство ввода/вывода обеспечивает связь, с одной стороны, с процессором прибора, а с другой стороны - с телеметрическим комплексом через устройство гальванической развязки и согласования сигналов.

Измерительный канал обеспечивает прием ан.алсгогых сигналов от дзтчиковой части прибора и преобразование их в цифровую форму. Далее эта информация о физических измерениях принимается в ОЗУ и обрабатывается процессором под управлением программы, заложенной в ПЗУ прибора.

Анализ приведенной традиционной структуры построения бортовой ЭВМ начнем с выделения существенных элементов и связей, без которых ЭВМ не может быть использована в качестве бортовой. К существенным элементам можно отнести процессор, ПЗУ, ОЗУ, источник вторичного электропитания, устройство ввода/вывода и измерительный канал. Существенными связями являются интерфейс передачи от прибора цифровой информации в телеметрический комплекс, интерфейс приема в прибор управляющих кодовых слов, интерфейс выдачи аналоговой и контактной информации, интерфейс приема первичного напряжения бортсети и импульсных релейных команд, интерфейс связи с датчиковой частью прибора и сигналы управления резервированием.

Новый уровень, достигнутый практической микропроцессорной электроникой, позволяет выполнить структурную реорганизацию бортовой Э ВМ с целью получения минимального набора компактных системообразующих элементов для создания бортового научного прибора. Под системообразующим элементом понимается функционально законченное устройство, выполненное на основе стандартных компонентов.

Системообразующим элементом является источник вторичного электропитания, ядро процессорного или интерфейсного элементов, элемент конструкции и т.д. Набор системообразующих элементов, объединенных для выполнения заданной функции, образует процессорный модуль. Повышение производительности и надежности достигается за счет использования нескольких процессорных модулей , образующих бортовую ЭВМ(БВМ).

На рис.3 приведена оптимизированная структура процессорного модуля БВМ на основе системообразующих элементов. Каждый элемент процессорного модуля имеет о своем составе все необходимые средства для непосредственного приема или передачи внешних по отношению к нему сигналов в форме, требуемой конкретным экспериментом. Пред-

аналоговая телеметрия

команда

интерфейс Г!5232

напряженно боргсети

Источник

аторичного ПЗУ

электропитания

ИРК включить/ отточить модуль

Процессорный элемент (ПЭ)

8н8д0г088*

течемзтрмя

мулктиглетеиыл канал 1

Интерфейсный элемент (ИЗ)

нультиплексныЛ квнал 2

Арбитр I

сигналы улрзаления резервом

Рис, 3, Оптимизированная структура процессорного модуля

ставленный процессорный модул*, состоит из процессорного и интерфейсного элементов.

В процессоре интегрируются микропроцессор, ПЗУ, ОЗУ, источник вторичного электропитания с элементами коммутации напряжения бортсети в соответствии с принимаемыми импульсными релейными командами и схема, формирующая сигналы аналоговой и контактной телеметрии. Для организации немедленного прерывания работы процессора и отработки экстренны' ситуаций имеется гальванически развязанный а*од сигнала "команда" для формирования немаскируемого прерывания микропроцессора.

Интерфейс внешних связей обеспечивает обмен с помощью мультиплексных каналов, с одной стороны, с бортовым телеметрическим комплексом, а с другой стороны, - с датчикооой частью прибора. Кроме этого, интерфейсный элемент содержит схему арбитра, формирующую сигналы управления переключением реэервировэных процессорных модулей, и схему выдачи сигналов аналоговой телеметрии. Важно отметить, что схема арбитра находится в каждом интерфейсе внешних связей и позволяет резервировать произвольно* число процессорных модулей.

Интерфейс П5232 служит целям связи со средствами отладки, что позволяет решать проблемы отладки, перепрограммирования и диагностики процессорного модуля на этапе наземной отработки прибора, включая время перед стартом.

Концепция и архитектура бортовой ЭВМ на основе сиетсмосбразушщия элементов

Анализ предъявляемых к бортовой ЭВМ требований,приведенных о персой глаоэ , показывает, что при различных электрических параметрах и условиях эксплуатации можно выделить общий набор требований к функциональным возможностям. На основании этого можно сделать вывод о том, что БВМ должна содержать следующие системообразующие элементы: процессорный элемент, выполняющий рабочую программу; интерфейсный элемент, обеспечивающий связь БВМ с датчикозой или исполнительной частью научного прибора, а также с бортовым комплексом, и элемент общей памяти для построения многопроцессорной системы. Перечисленные элементы являются функционально законченными устройствами, построенными на основе стандартных компонентов.

Системообразующие элементы имеют определенное назначение в БВМ, но их внутренняя струхтура жестко не определена, что позволяет учитывать специфические требования эксперимента и после их анализа вводить в системообразующие элементы дополнительные Функциональные устройства. Для реализации дополнительных функций разрабатывается их аппаратная и программная поддержка, которые включаются б определенный системообразующий элемент.

На рис.4, приведена обобщенная структурная схема БВМ. На этой схеме изображена двухпроцессорная БВМ, в которой для распараллеливания процессов ввода/вывода информации и обработки введены соответствующие процессоры. Процессор ввода/вывода выполняет предварительную обработку поступающей информации и обеспечивает взаимодействие с внешними объектами, Процессор обработки производит необходимые вычисления и формирует выходные данные, которые посредством механизма межпроцессорного обмена передаются в процессор ввода/вывода. Межпроцессорная информация , при этом хранится в элементе общей памяти.

В архитектуре учтена возможность распараллеливания процесса обработки информации посредством организации слабо связанной многопроцессорной системы. В такой системе каждый процессорный элемент имеет свою локальную память, которая позволяет ему большую часть времени работать автономно с максимальной для него производительностью. Тем самым уменьшается вероятность возникновения конфликтов между процессорными элементами при доступе к разделяемым ресурсам, например к общей памяти, и уменьшается загрузка системной магистрали, разделяемой между процессорами обработки и ввода/вывода.

Наращивание системной памяти и системных внешних устройств выполняется по мере необходимости путем простого подключения дополнительных плат к системной магистрали. Шинная организация привле-

Мультиплексные каналы обмене

МК 1 — МК2 —

Процессор "I ввода/вывода

Сигналы управления

Г I

Процессор обработки

Интерфейсный элемент (ИЭ)

Локальна«

магистраль (ЛМ)

I Процессорный элемент 1 (ПЭ1) 1 1 Процессорный элемент (ПЭ 2) 1

1 яэгз 2 Системная нагие траль (СМ) ^232

Зяемэит общей памяти ООП)

Рис. 4. Обобщенная структурная схема БВМ

кательна простотой комплексировзння модулей и систему и легкостью модифицирования конфигурации технических средств,

В архитектура предусмотрена возможность объединения нескольких машин в бортоаую локальную сеть обмена информацией, доя чего введены два резервированных мультиплексных канала обмена (МК1, МК2], каждый из которых имеет следующие основные характеристики:

- пропускная способность 1 Мбит/с:

- топология - многоточечное соединение (шина);

- способ управления - передача маркера.

Необходимость выбора двух мультиплексных каналов определена требованием обеспечивать два варианта работы. 3 первом варианте БВМ выполняет функции центрального компьютера служебного комплекса, а котором для достижения высокой надежности использутюси два канала обмена информацией. Во втором варианте БВМ является частью прибора и использует один канал обмена для связи с компьютером служебного комплекса, а второй-для связи с датчикоаойчастью прибора.

Для связи со средствами отладки и КИЛ используется гальванически развязанный последоззтельный интерфейс Я5232, содержащийся в каждом ПЭ. Этот интерфейс является сродством для

обеспечения интерактивного режима работы с БВМ на всех стадиях отработки.

Процессорный элемент предназначен дня выполнения действий, предусмотренных программой пользователя и операционной системой. В архитектуру процессорного элемента заложена возможность ого расширения по двум направлениям. Первое направление расширения заключается в возможности подключения дополнительных ресурсов процессора (интерфейсов и памяти) к локальней магистрали и второе - в возможности подключения дополнительных системных устройств (процессоров обработки, специализированных процессоров, процессороо ввода/вывода, системных запоминающих устройств) к системной магистрали многопроцессорной конфигурации,

Синхронизация работы процессорных элементов в многопроцессорной БВМ осуществляется посредством механизма прерываний п передачи данных через элемент общей памяти.

Интерфейсный элемент предназначен для обеспечения функционирования мультиплексных каналов обмена s различных вариантах комплексирования БВМ, Надежность и достоверность работы канала обмена информацией обеспечивается за счет его полного резервирования, введения защитных элементов и выполнения протокола обмена, предусмотренного стандартом.

Арбитр входит в состав интерфейсного элемента и предназначен для приема и формирования сигналов переключения резервных комплектов процессорных модулей БВМ. Созданный переключатель резерва обеспечивзет выбор активного процессора при наличии от него сигналов, подтверждающих выбор. Арбитр ориентирован на работу БВМ в одно- и многопроцессорных конфигурациях с холодным, горячим и смешанным способами резервирования.

На рис.5-8 приведены структурные схемы различных вэрнантсс комплексирования БВМ. Предложенные конфигурации базируются иг использовании четырех интерфейсов:

- интерфейс RS232; -локальная магистраль; -системная магистраль;

■ - интерфейс MIL STD 1553В.

Интерфейсы RS232 и Mit STD 1553D имеют гальваническую раз вязку и используются для целей;

- связи с бортовым радиокомплексом или датчиковой частью прибора;

- воода/вывода информации;

- свода/вывода цифровых команд управления;

- обеспечения обмена в системе с горячим, холодным и смешанны» резервированием.

Из структурных схем вариантов комплексирования видно, что дл связи с объектом может быть использован как интерфейс RS232 (варнак ты 1, 3, 5, 8), так vi МК (MIL-STD-1553B) (варианты 2, А, 6, 7. 9, 10). Дл встроенных БВМ возможна разработка дополнительных устройств вве да/вывода или специализированных процессоров и подключение к лс кальной магистрали ПЭ (варианты 2-4, 6, 7, 9, 10). Для создания БВР

КБ 232 вортсеть ИРК*

Сортсвть

пэ

* импульсная релейная команда

Вариант 1

ЯЭ 232 бортсвть

Вариант 2 бортсет»

МК1 БортоеоЯ

МК2 радио -

комплекс

; Бортовой

МК1 ; радио -

1 комплекс

МК2

Датчиковая [

часть |

прибора I

Вариант 3 Вариант 4

Рис. 5. Нерезервированные однопроцессорные конфигурации

ПЭ 232

Бортовой радио -комплекс

¿в*яи«вя«езпзвааэчя

Датчнкоззя часть прибора

Вариант 6,7 3

Рис. 6. Нерезервированные многопроцессорные конфигурации

. №232 бортсать

ЙРГ

Вариант 8

. из^зг

бортсетк ИРК

МК1

МК2

......."|

ш

лм

бортсетк

ИРК 1 пэ 1

ЛЭ1

МК1 ! МК2

БорТСвТк ПЗ I К ИРК

вариант 9

Рис. 7. Резервированные однопроцессорные конфигурации

мк 1

МК2

МК1

МК2

бортсоть

ИРК

бортсоть

ИРК

ИЭ 1

I ЛМ

в ИЭ]| ¡_1

лм

см

ИРК I

и

ПЭ I в-

1эоп

_ •* "азкагявяе??

Ссртсвть | в

"¿¡¿Г*ПЭк1

см

ЭОП

Вариант 10

Рис. 0. Резервированная многопроцессорная конфигурация

высокой производительности необходимо комплексирование элементен в многопроцессорную конфигурацию (варианты 5-7, 10).

Выбор оптимальной конфигурации определяется конкретными требованиями системы.

Выводы и основные результаты работы

Анализ структур приборов показывает необходимость выполнения преобразований аналоговых сигналов в цифровую форму о датчикоиой масти прибора, которая для связи с процессором должна иметь интерфейс с пропускной способностью не ниже 170 Кбит/с. Например, такой характеристикой обладала линия ссязи маяду видеокамерой и процессором TBC проекта ВЕГЛ, по которой порсдзззкось изображение размером 128*128 ячеек при частоте счишаанн« ?пеиснтсо с ПЗС матрицы 300 КГц.

Анализ структуры связей между прибором и Сортоиым комплексом аппаратуры выявляет наличие дпух информационных канзлоо, по которым циркулируют однородные цифрозыа данные. От боротозого комплекса к. прибору передаются коды управления прибором о пидо УКС, о от прибора d комплекс передаются цифровые данные телеметрической информации. Очевидна желатсг.ьность совмещения этих двух потоке» информации о одной коммуникационной линии, способной пропускан, гибридный трафик такой плотности. Расчет требуемой пропускной способности такой лини« связи можно выполнить на примере TQC проекта ВЕГА, в котором толемотричоская информация передзвлась со скоростью 32 Кбит/с, а УКС-с максимальной загрузкой 1Кбчт/с, следовательно, линия связи должна иметь пропускную способность но хуже 33 Кбит/с.

Удовлетворение требованиям öodtcbwx интерфейсов цифрового крапления и цифровой передачи данных возможно путом использо-1анкя дзух магистральных бортовых интерфейсов типа MIL-STD-1553B, «аждый из которых обеспечивает пропускную способность 512 Кбит/с.

Анализ систем резервирования микропроцессорных частей иссла-зуемых прибороз показал, что дублирований является пределом при гсетроении систем на основа магистрального принципа. Требования к >есурсу а перспективных проектах значительно возросли и поэтому п юкоторых случаях необходимо введение трех- и более кратного )езервирования с обязательной возможностью перевода неактивного фоцессорз о холодный резора. В связи с этим актуальным является издание распределенного переключателя процессорен для обеспо-1ения различных спссобоо резервирования процессоров.

Анализ требований, предъявляемых к микропроцессорным сред-твам в перспективных проектах, показывает, что архитектура вновь соз-[аваемых бортовых ЭВМ должна позволять следующее: ■ увеличивать производительность до требуемой величины путем соз-,ания слзбосвязной многопроцессорной системы; • наращивать память и функциональные устройства посредством подк-ючения дополнителных устройств;

- создавать бортовую локальную сеть, объединяющую несколько БВМ по шинной топологии и с бесконфликтным способом доступа.

Анализ состава элементов и связей оптимизированной структуры построения процессорного модуля создает возможность для разработки унифицированной конструкции ЭВМ на основе конструкции системообразующего элемента, крышки и основания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

К основным результатам работы па созданию многоцелевой бортовой ЭВМ для научных исследований на основе системообразующих элементов относятся:

- разработка синтезированной концепции архитектуры Б ЕМ с выделением четко определенный системообразующих элементов;

- построение аппаратных средств БВМ с учетом задач бортового комплекса и логики построение операционной системы реального срсмсни;

- соэдэнпй средств отладки, учитывающих специфический характер отработки БВМ в аитопомном режиме, о составе прибора м а состасе комплекса влпгра туры;

- реализация концепции гибкого проектирования и мэготеглвнпя на ооюио комплекса пакетов САПР »1 имеющегося а наличии технологического оборудования;

- изготовление технологического образца БВМ и проводенме его испытаний.

Из основании предложенной концепции создания Сортовой ЭВМ были разработан«, изготовлены и испытаны: процессорный элемент, и>П4\рфеЛс<1Ый элемент, здемонт общей памяти, источник вторичного электропитания в мшроиспопиенип м конструкция Б8М, Кроме этого, разработаны и отлажены многозадачная операционная система реального ирсмони и средства для программно-аппаратной отладки БВМ.

О процессе назомпой отработки бортовой ЭВМ были исследованы и внедрены аппаратное и прогрзммно-гппарэтныа сродства защиты информации операционной системы и информации прикладных задач, бша срояерона система улрагланиа резервированием и мэханнэм межпроцессорного обмена. Сил испытан механизм перепрограммирования памяти прикладных задач.

К практическим результатам можно отнести изготовление и отладку технологического образца однопроцессорной троированной ЭВМ для проекта РЕГАТА. С этим экземпляром бортовой ЭВМ были проведены климатические, механический и комплексные испытания, которые подтвердили правильность приматы;* решений и жизнеспособность предложенной концепции.

С. существенным результатам работы можно отнести решение проблемы адаптация готовой разработки к конкретным требованиям проекта за счет доработки системообразующих элементов на кемпыо торных средствах гатоштизнровзнного проектирования и лереоыпуекг полного комплекта конструкторской и технологической документации.

Важным итогом работы являемся систематизация и обобщение материалов по подобным разработкам, выполненным ранее в различию

проектах космических исследований, Кромз того, з мзстокщсэ «ремп завершается подготовка к использооаншо предложенной GBM в космических зксперимоитах проекта РЕГАТА,

Всего по теме диссертации автором лично и ч соавторстпо опубликовано ß работ и иилущени 3 научных отчотз.

Прилагаемый список мторзтури еключзог работ автора, отражающие основное coA2p.«;3K«o диссертации.

1. Лээкесоз Г.А., W.S., ЗимсиЯ.Л., Згпк'чй Л.М., Koran

A.tö.i Kociemo й.И„ Полодуп U.П., ФедоК'!? О.П., ХеПфоц D.W., Шамис ВА, ЩерСзкоп U.Ö.. Мала« гоеинчосш /пберлтепш» - космический аппзраг ирдгктэ РЕГАТА. Труди чогаепто K,6.":.tyH''t!tW!oro семинара поиах'ччог'.у^осг.н'.чсс^яут^мРсригиро^'И^^'.С^'пу, 10-24 сентября 1ÜO'Jr., Dun J, Изд. HCl! Л! i CCGi\ ГЛ., №U.

'I. A.C. W »349004. (CCCP).r.A.Ai-f:itocou, В.С.Хукоо, В.й.Полшдук, О.А.Шамис, Г.Д.Шн«ров. f Cn'jcoO »ниятргоипзионногосита»

r.x ОнуОл. ü Б И N40,

3. Иолищук a.D., Шяиис U.A., СоГтук В.Г.ЛлОутпч Ii .Л.. Катков М.В. I bljop сисгсмооОразукгщпг. злтешоч дм построения бортооих ЭВМ. Твзиси MüiisrpToro мвкдун.'родчогосогн'нарэ no турки ¡у космическому приборостроению, г.Фруиг.\ Ш-С-М свнтпСрп 1Ю?>. 1'Ид. МКИ АН СССР, М„ 19Ю.

Лолтцук В.В., Ш?мис U.A. »ги^иго-тоннчпекоо оОоснорзнив проекта РЕГАТА, Мая?» космпчест1га0ерлот'<>-коск1исс1?т'1 аппарат проекта РЕГАТА, Вортопа« мигро-ЭВМ. 4,1, Изд ИКИ АН СССР, !Л„ 1980.

5. Аванссов Г.А., Бзриноо И.В., Зимам Я.П., Зеляш.чЧ Л.М., Коган А.Ю., Костенко О.И., Полищук В.В.,Федотов О.П.,ХеР.| «ц 0.!!,, Шемке O.A., Щербаков D.D. Малая космическая лаборатории - космический

аппарат проекта РЕГАТА, Препринт ИКИ АН СССР, Пр-1602, М., 10S0.

6. Полищук В.В., Шамнс O.A., Куцалин М.И., Лябутим Е.Л., На-долийкоО.С., СаОчук В.Г. Многоиелеоля Оопторлч ЭВМ на оспой«системообразующих элементов дл? научных исслодоозний о космосе. Препринт ИКИ АН СССР, Пр-1700, М,, 1991.