Процессорный модуль для многофункциональных дисплеев

Полезная модель относится к вычислительной технике, а именно к процессорным модулям для многофункциональных дисплеев (далее процессорный модуль), обеспечивающих обработку входной информации, формирование и выдачу изображения в многофункциональных дисплеях, и может быть использована в областях, предъявляющих повышенные требования к безопасности.
Многофункциональные дисплеи - это устройства, выдающие потребителю всю необходимую информацию в виде графических изображений. В большинстве современных многофункциональных дисплеях применяются серийные коммерческие центральные и графические процессоры (COTS компоненты) для создания процессорных модулей. Для повышения безопасности создаются резервные схемы отображения, которые задействуются при контроле функционирования основной схемы. При этом ситуация, при которой потребителю выдается недостоверная информация, не может быть выявлена оператором самостоятельно, что может привести к катастрофическим последствиям.
Несмотря на то, что аппаратная часть центральных и графических процессоров имеет требуемый уровень надежности, указанные COTS компоненты имеют настолько сложную структуру, что невозможно промоделировать или проверить все возможные состояния в статической или динамической работе, поэтому существует вероятность проявления их аномального поведения. Кроме этого, программное обеспечение центрального или графического процессора может содержать различные программные микрокоды (загрузчик, драйвер и т.д.), которые, при определенных входных данных, также могут проявить аномальное поведение, способное привести к отображению недостоверной информации.
Известна архитектура дисплея авионики с независимыми каналами обработки и мониторинга, описанная в патенте США №8743020 от 03.06.2014 г., МПК G06F 15/00, принятая за прототип. Данная архитектура дисплея авионики содержит в себе два канала обработки данных, основной и контрольный, каждый из которых состоит из процессора, графического контроллера и устройства аппаратного сброса, причем процессор состоит из модуля ввода-вывода, модуля проверки целостности информации и модуля формирования изображения. Основной канал обеспечивает прием данных, необходимые вычисления, формирование изображения и вывод его на экран. Контрольный канал получает на вход те же входные данные, а также данные из модуля ввода-вывода первого канала и сигнал обратной связи с дисплея. В приложение проверки целостности поступают также сигналы целостности от критического приложения дисплея и графического контроллера основного канала. Поступившие сведения обрабатываются в модуле проверки целостности, и при проявлении несоответствий выдается сигнал аппаратного сброса аппаратуры. При этом в штатной работе дисплея авионики в первом канале отключены приложение проверки целостности и устройство аппаратного сброса. Во втором канале отключены критическое приложение дисплея и графический контроллер. При необходимости второй канал, предназначенный для контроля, может быть переконфигурирован в основной канал, формирующий критическое изображение, а первый канал в канал контроля.
Недостатками данного устройства является ограничение возможности выявления недостоверной информации, вызванное архитектурной идентичностью основного и контрольного канала.
Технический результат заключается в увеличении возможности выявления недостоверной информации.
Указанный технический результат достигается за счет того, что процессорный модуль для многофункциональных дисплеев содержит центральный процессор, связанный двунаправленными шинами обмена с узлом приема данных, оперативное запоминающее устройство ОЗУ, видео ОЗУ, графический процессор, соединенный с видео ОЗУ посредством шины обмена, узел выдачи данных, соединенный двунаправленной шиной обмена с центральным процессором, узел контроля данных, соединенный двунаправленными шинами обмена с узлом приема данных и центральным процессором и посредством цифрового интерфейса с узлом выдачи данных, а графический процессор и узел контроля данных выполнены на базе программируемой логической интегральной схемы.
С помощью метода архитектурного ослабления [1], направленного на выявление указанного аномального поведения COTS компонентов, в состав процессорного модуля введены реализованный на базе ПЛИС графический процессор, а также избыточный, независимый от основного вычислительного процесса узел контроля данных на базе ПЛИС, которые, учитывая простую структуру ПЛИС, уменьшают влияние аномального поведения COTS компонентов на результаты работы процессорного модуля.
На фиг. 1 представлена блок-схема процессорного модуля для многофункциональных дисплеев, где:
1 - процессорный модуль;
2 - узел приема данных;
3 - центральный процессор;
4 - оперативное запоминающее устройство;
5 - видео ОЗУ;
7 - узел контроля данных;
6 - графический процессор;
8 - узел выдачи данных;
9 - устройство отображения данных;
10 - внешнее оборудование.
Процессорный модуль 1 содержит узел приема данных 2, посредством цифрового интерфейса соединенный с внешним оборудованием 10, а также два канала обработки данных - основной и контрольный.
Основной канал обработки данных состоит из центрального процессора 3, связанного двунаправленными шинами обмена с узлом приема данных 2, ОЗУ 4 и видео ОЗУ 5, и графического процессора 6, выполненного на базе программируемой логической интегральной схемы, соединенного с видео ОЗУ 5 посредством шины обмена и цифровым видеоканалом с устройством отображения данных 9.
Контрольный канал состоит из узла контроля данных 7, соединенного двунаправленной шиной обмена с узлом приема данных 2 и центральным процессором 3, а также с узлом выдачи данных 8 посредством цифрового интерфейса.
Работа процессорного модуля осуществляется следующим образом. Работа основного канала процессорного модуля.
Во время работы входные данные от внешнего оборудования 10 по интерфейсам поступают в узел приема данных 2, где после обработки помещаются в регистры, доступные для считывания центральным процессором 3. Входные данные считываются и помещаются в ОЗУ 4. Центральный процессор 3 производит необходимые вычисления с входными данными, используя при промежуточных расчетах ОЗУ 4, и по результатам расчета формирует команды для построения основного кадра изображения. Сформированные команды через двунаправленную шину обмена помещаются в область данных видео ОЗУ 5, выделенную для центрального процессора 3. Графический процессор 6, выполненный на базе ПЛИС, используя данные из видео ОЗУ 5, на основании команд центрального процессора 3 формирует графический кадр изображения, размещая его в видео ОЗУ 5. В нужный момент времени графический процессор 6 копирует изображение из видео ОЗУ 5 и по цифровому видеоканалу передает в устройство отображения данных 9.
В процессе работы центральный процессор 3 по двунаправленной шине обмена выдает обработанную информацию в узел выдачи данных 8 и далее информация выдается во внешнее оборудование 10.
Работа контрольного канала процессорного модуля.
С целью выявления аномального поведения центрального процессора узел приема данных 2 в заранее заданный интервал времени копирует входные данные в специальные регистры, предназначенные для контроля, доступные для считывания центральному процессору 3 и по двунаправленной шине обмена копию входных данных передает в узел контроля данных 7. Центральный процессор 3 считывает входные данные из регистров, предназначенных для контроля, и производит серию контрольных вычислений, включающих в себя операции сложения, умножения, логические операции, а также операции связи с устройствами ввода вывода и ОЗУ. Результат вычислений по двунаправленной шине обмена передается в узел контроля данных 7, где с полученной из узла приема данных 2 копией входных данных, предназначенных для контроля, производится та же последовательность операций, что и в центральном процессоре 3, после чего производится сравнение выполненных результатов расчета с результатом расчета, полученным из центрального процессора 3. По результатам сравнения выдается результирующий сигнал в узел выдачи данных 8 и далее результирующий сигнал контроля выдается потребителям во внешнее оборудование 10.
Таким образом, введение в состав заявленного процессорного модуля узла контроля данных, независимого от основного вычислительного процесса и выполненного на базе ПЛИС, позволяет исключить архитектурно идентичный дублирующий канал вычисления, что позволяет увеличить возможность выявления недостоверной информации.
Источники информации:
1. Руководство по гарантии конструирования бортовой аппаратуры КТ-254, Издание ОАО «Авиаиздат», 2011, стр. 66.