ЦИФРОВАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА
DIGITAL COMPUTER

Изобретение относится к области вычислительной техники и предназначено для построения систем цифровой обработки сигналов в гидроакустических системах в реальном масштабе времени.
Из уровня техники известен цифровой вычислительный комплекс (ЦВК) для обработки сигналов в гидроакустических системах (патент RU на изобретение №2207620, МПК: G06F 15/16, G01S 15/88, опубликовано 27.06.2003 г.). ЦВК имеет модульную реконфигурируемую архитектуру и включает в себя модули программируемых процессоров сигналов (ППС), модули ЭВМ и пульта - рабочего места оператора. Данные на вход комплекса и между ППС передаются по высокоскоростным каналам, все ППС и ЭВМ объединены сетями Ethernet и Манчестер 2, а для регистрации и документирования выходной информации пульт дополнен накопителем на оптическом диске и цифропечатающим устройством.
Недостатком данного ЦВК является ограничение по пропускной способности последовательной по своей структуре кольцевой шины, что уменьшает производительность и снижает надежность устройства.
Известна электронная вычислительная машина (патент RU на изобретение №2272317, МПК: G06P 15/00 (2006/01), опубликовано 20.03.2006 г.). Электронная вычислительная машина содержит центральный процессор, перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство, энергозависимое запоминающее устройство, устройство ввода-вывода данных. Дополнительно в него введено постоянное энергонезависимое запоминающее устройство, предназначенное для однократного занесения в него информации при изготовлении ЭВМ и постоянного хранения ее без возможности изменения в процессе эксплуатации, а также для обеспечения выполнения хранящейся в нем основной программы. При этом ЭВМ выполнена с возможностью копирования основной программы из перепрограммируемого энергонезависимого запоминающего устройства в энергозависимое запоминающее устройство, а также хранения основной программы в перепрограммируемом энергонезависимом запоминающем устройстве поблочно в двух копиях, причем в случае сбоя при копировании блока осуществляется копирование второй копии этого блока.
Недостатком данной электронной вычислительной машины является сравнительно невысокое быстродействие и ограниченные функциональные возможности по обработке сигналов.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является электронная вычислительная машина (патент RU на изобретение №2344472, МПК: G06P 15/00 (2006/01) , опубликовано 20.01.2009 г.. Электронная вычислительная машина (ЭВМ) для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени, имеющая модульную архитектуру, содержит центральный процессор, один или несколько программируемых процессоров сигналов, а также перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство и оперативное запоминающее устройство. При этом ЭВМ дополнительно содержит одно или несколько устройств ввода-вывода, графический контроллер, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали ЭВМ, центральный процессор, включающий микропроцессор, постоянное энергонезависимое запоминающее устройство, перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство, энергозависимое запоминающее устройство, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали центрального процессора, а также буферное устройство, первый вход-выход которого соединен с шиной системной магистрали центрального процессора, а второй вход-выход соединен с шиной системной магистрали ЭВМ, программируемый процессор сигналов дополнительно содержит коммутатор ввода-вывода данных, а также коммутатор системных магистральных интерфейсов.
К недостаткам данной ЭВМ можно отнести необходимость поддерживать высокоскоростной обмен информацией между программируемыми процессорами сигналов для обработки сигнальной информации, что занимает коммуникационные ресурсы модуля на передачу и прием данных и, в конечном итоге, ограничивает скорость обработки сигнальной информации.
В цифровых вычислительных комплексах (ЦВК) для гидроакустических систем обработка сигналов выполняется в реальном масштабе времени. При этом с учетом условий размещения гидроакустических комплексов и станции (ГАК и ГАС) на ЦВК налагаются жесткие ограничения по габаритам и энергопотреблению. Важным фактором является стоимость разработки и производства изделия, что заставляет искать пути глубокой унификации ЦВК для гидроакустических систем различного назначения. Актуальной задачей для гидроакустики является создание вычислительного комплекса, способного принимать большие потоки сигналов, имеющего высокую производительность, обеспечивающую обработку сигналов в реальном масштабе времени. При этом ЦВК, а следовательно, и цифровые вычислительные машины, входящие в его состав, должны иметь модульную, реконфигурируемую, открытую архитектуру, позволяющую на единых модулях реализовать выполнение широкого класса задач.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении быстродействия и обеспечении унификации цифровой вычислительной машины (ЦВМ).
Технический результат достигается тем, что цифровая вычислительная машина для обработки сигналов в гидроакустических системах в реальном масштабе времени, имеющая модульную реконфигурируемую архитектуру, включает один или несколько модулей процессоров данных (МПД), выполненных на базе микропроцессоров с RISC-архитектурой и допускающих установку дополнительных мезонинных модулей, один или несколько модулей обработки сигналов (МОС), выполненных на базе сигнальных процессоров, объединенных в двухпроцессорные кластеры с общей оперативной памятью. При этом в цифровой вычислительной машине образованы две высокоскоростные коммутационные структуры на основе PCI-Express, первая из которых объединяет посредством первого коммутатора модули МПД и МОС и выполнена с возможностью обеспечения пакетного полнодуплексного обмена данными между любыми парами этих модулей. Другая структура объединяет посредством второго коммутатора модули МОС и выполнена с возможностью обеспечения пакетного полнодуплексного обмена данными между любыми парами модулей МОС.
При этом цифровая вычислительная машина отличается от прототипа тем, что содержит модуль высокоскоростного канала (МВК), выполненный с возможностью обеспечения обмена данными по внешним каналам, объединения в единый кадр по заданному алгоритму пакетов, поступающих от нескольких внешних абонентов, перестановки данных внутри пакетов, одновременной пересылки сформированных пакетов в модули МОС и, при необходимости, во внешние каналы. При этом модуль МВК подключен через высокоскоростную коммутационную структуру посредством второго коммутатора к модулям МОС, что обеспечивает возможность пакетного полнодуплексного обмена данными между любыми парами модулей МОС и МВК.
Цифровая вычислительная машина может быть выполнена с возможностью подключения к сети Ethernet, осуществляемого посредством дополнительного модуля коммутатора Ethernet, подключаемого к модулям МПД через кросс-плату.
Цифровая вычислительная машина может быть выполнена с возможностью подключения к мультиплексному каналу информационного обмена по ГОСТ Р 52070-2003, осуществляемой посредством установки на модуль МПД дополнительного мезонинного модуля мультиплексного канала информационного обмена.
Цифровая вычислительная машина может дополнительно включать мезонинные модули накопителя на Flash-памяти, устанавливаемые на модули МПД.
Цифровая вычислительная машина может дополнительно содержать технологический модуль, установкой перемычек на котором задается уникальный номер ЦВМ, который используют для идентификации ЦВМ при организации совместной работы нескольких ЦВМ в одном комплексе.
Сущность изобретения поясняется Фиг.1 и 2, где
Фиг.1 - структурная схема ЦВМ;
Фиг.2 - структурная схема ЦВМ с дополнительными модулями.
На Фиг.1 изображена структурная схема цифровой вычислительной машины, предназначенной для обработки сигналов в гидроакустических системах в реальном масштабе времени и имеющей модульную реконфигурируемую архитектуру. Конструктивно ЦВМ объединяет в одном корпусе модули процессора данных, модули обработки сигналов, модуль высокоскоростного канала, кросс-плату и источник питания.
В состав цифровой вычислительной машины входят один или несколько модулей процессоров данных (МПД) 1, выполненных на базе микропроцессоров с RISC-архитектурой и допускающих установку дополнительных мезонинных модулей, один или несколько модулей обработки сигналов (МОС) 2, выполненных на базе сигнальных процессоров, объединенных в двухпроцессорные кластеры с общей оперативной памятью, и модуль высокоскоростного канала (МВК) 3, обеспечивающий прием и передачу данных по внешним дуплексным каналам, первичную обработку данных, буферизацию данных и их передачу в модули МОС 2. ЦВМ также включает первый коммутатор 4 и второй коммутатор 5.
При этом в ЦВМ образованы две высокоскоростные коммутационные структуры на основе PCI-Express. Коммутационные структуры на основе PCI-Express, обладающей высокой пропускной способностью, предназначены для организации множества одновременно функционирующих межмодульных полнодуплексных соединений, реализующих программно управляемое распределение и обмен данными между любыми парами модулей по методу «точка-точка».
Первая структура посредством первого коммутатора 4 объединяет модули МПД 1 и модули МОС 2, входы-выходы которых соединены с входами-выходами первого коммутатора 4, и обеспечивает пакетный полнодуплексный обмен данными между любыми парами этих модулей.
Вторая структура посредством второго коммутатора 5 объединяет модули МОС 2 и МВК 3, входы-выходы которых соединены с входами-выходами второго коммутатора 5, и обеспечивает пакетный полнодуплексный обмен данными между любыми парами модулей МОС 2 и МВК 3.
Модуль высокоскоростного канала 3 выполнен с возможностью приема первичных данных из внешних каналов и выполнения их предобработки, передавая в модули МОС 2 только ту информацию, которую должен обрабатывать каждый конкретный модуль, При этом необходимость в обмене данными между модулями МОС 2 значительно уменьшается, что позволяет сконцентрировать вычислительные ресурсы модулей МОС 2 на обработке сигнальной информации.
В ЦВМ можно выделить универсальную часть, реализованную на модулях процессора данных (МПД) 1, и сигнальную часть, реализованную на модулях обработки сигналов (МОС) 2.
Модули МПД 1 содержат RISC-процессор, оперативную память, энергонезависимую память, каналы RS-232C, канал Ethernet 10/100 ТР и допускают установку двух мезонинных РМС-модулей в каждом модуле МПД1.
Модули МОС 2 выполнены на базе сигнальных процессоров, объединенных в двухпроцессорные кластеры с общей оперативной памятью.
Ввод первичных данных в ЦВМ осуществляется с помощью модуля высокоскоростного канала (МВК) 3, при этом модуль МВК 3 осуществляет объединение в единый кадр пакетов, поступающих от нескольких внешних абонентов, перестановку данных внутри пакетов, одновременную пересылку сформированных пакетов для обработки в модули МОС 2 и, при необходимости, во внешние каналы.
Первый коммутатор 4 обеспечивает пакетный полнодуплексный обмен на основе PCI-Express между любыми парами модулей МПД 1 и МОС 2, а второй коммутатор 5 обеспечивает пакетный полнодуплексный обмен на основе PCI-Express между любыми парами модулей МОС 2 и МВК 3.
Работа ЦВМ осуществляется следующим образом. При включении питания или при поступлении сигнала сброса процессоры модулей МПД 1 и МОС 2 считывают из своей энергонезависимой памяти и выполняют программы начальной загрузки, осуществляющие начальное тестирование соответствующего модуля, при этом один, заранее определенный модуль МОС 2, проводит тестирование модуля МВК. После чего модули МПД 1 и МОС 2 переходят в режим ожидания загрузки основной программы пользователя из ведущего модуля МПД 1. Затем ведущий модуль МПД 1 выполняет чтение из своей энергонезависимой памяти и загрузку через первую коммутационную структуру в оперативную память остальных модулей МПД 1 и модулей МОС 2 пользовательских программ. После загрузки соответствующих программ в оперативную память модулей МПД 1 и МОС 2 модули МПД 1 и МОС 2 запускают выполнение загруженных в них программ, при этом один заранее определенный модуль МОС 2 управляет работой модуля МВК 3. На вход модуля МВК 3 по внешним каналам ввода данных поступает сигнальная информация. Модуль МВК 3 осуществляет объединение в единый кадр пакетов, поступающих от нескольких внешних абонентов, выполняет перестановку данных внутри пакетов и производит одновременную пересылку сформированных пакетов для обработки через вторую коммутационную структуру в оперативную память модулей МОС 2. Сигнальные процессоры модулей МОС 2 осуществляют обработку данных сигнала в соответствии с загруженной в них ранее пользовательской программой обработки сигнала. Результирующие данные программы обработки сигнала передаются из МОС 2 через первый коммутатор на модули МПД 1.
Помимо модулей МПД 1, МОС 2 и МВК 3 в состав ЦВМ могут входить: модуль коммутатора Ethernet, мезонинный модуль контроллера мультиплексного канала, мезонинный модуль накопителя на Flash-памяти.
В качестве примера на Фиг.2 приведена структурная схема ЦВМ, доукомплектованной модулем коммутатора сети Ethernet, мезонинным модулем контроллера мультиплексного канала информационного обмена по ГОСТ Р 52070-2003 и мезонинными модулями накопителя на Flash-памяти.
Модуль коммутатора Ethernet обеспечивает подключение модулей МПД по кросс-плате ЦВМ к внешним абонентам сети Ethernet через соединители на лицевой панели модуля.
Возможность использования в ЦВМ дополнительных мезонинных модулей для реализации требуемых внешних интерфейсов, например, применение мезонинного модуля мультиплексного канала информационного обмена по ГОСТ Р 52070-2003 (МКИО), обеспечивает взаимодействие ЦВМ с внешними устройствами по двум независимым каналам в качестве контроллера или оконечного устройства, а применение мезонинных модулей Flash-памяти обеспечивает возможность накопления данных в ходе функционирования изделия.
Работа схемы (Фиг.2) осуществляется аналогично работе схемы, изображенной на Фиг.1. При этом результирующие данные программы обработки сигнала передаются из МОС 2 через первый коммутатор на МПД 1. Причем модули МПД 1 могут вести обмен информацией по сети Ethernet с внешними абонентами через модуль коммутатора Ethernet, а также по каналу информационного обмена по ГОСТ Р 52070-2003 через мезонинные модули контроллера мультиплексного канала информационного обмена по ГОСТ Р 52070-2003. При необходимости модули МПД 1 могут вести запись информации на мезонинные модули накопителей на Flash-памяти.
Предлагаемая структура цифровой вычислительной машины позволяет оптимизировать архитектуру ЦВМ к обработке больших потоков сигналов в реальном масштабе времени. При этом архитектура ЦВМ позволяет проводить модернизацию по частям, заменяя отдельные модули из состава ЦВМ на усовершенствованные, обладающие улучшенными характеристиками и вводя в состав ЦВМ дополнительные мезонинные модули. В ЦВМ используются унифицированные модули различного назначения, что обеспечивает возможность реализации широкого класса ГАК переукомплектованием ЦВМ под конфигурацию, необходимую потребителю. Позволяет реализовать возможность совместной работы нескольких ЦВМ в составе вычислительного комплекса, при этом для идентификации конкретной ЦВМ ей присваивается уникальный номер.