Розділ 1 аналогові інтерфейси бортових інформаційно-вимірювальних систем. Системи збору даних
1.1. Авіаційні електронно-обчислювальні машини (еом)
Цифрові обчислювальні засоби у складі бортового обладнання літаків з'явилися на рубежі 60-х років і за відносно короткий проміжок часу практично повністю замінили використовувані раніше аналогові обчислювачі, оскільки забезпечували більш високу точність рішення задач, характеризувалися більшою універсальністю застосування і володіли широкими логічними можливостями.
Рисунок 1.1 – Зовнішній вигляд типового КФМ
Ці якості бортової цифрової обчислювальної машини (БЦОМ) дозволяють використовувати її практично у всіх підсистемах бортового обладнання літака, забезпечують стійкість БЦОМ до ускладнення алгоритмів і дозволяють застосовувати більш складні, а значить, і більш досконалі закони управління літаком і його підсистемами. Вони дозволили здійснити інформаційну взаємодію між окремими (які раніше безпосередньо не взаємодіяли) підсистемами бортового
обладнання та утворити єдиний комплекс бортового устаткування (КБУ), що в кінцевому результаті підвищило ефективність виконання польотного завдання і безпеку польоту.
Використання БЦОМ зажадало певної уніфікації радіоелектронного обладнання літака, в результаті якої скоротилися терміни і знизилися витрати на розробку і подальшу модернізацію КБУ і витрати на його експлуатацію.
Для ефективного застосування засобів цифрової обчислювальної техніки в складі бортового обладнання літаків необхідно було вирішити такі проблеми:
- розробити БЦОМ, які максимально задовольняють за всіма параметрами вимогам конкретного застосування;
- створити системи обміну інформацією, що забезпечують як сумісність БЦОМ з бортовою апаратурою (датчиками і виконавчими органами), так і взаємодію машин між собою у складі бортовий обчислювальної системи;
- розробити програмне забезпечення (ПЗ), що включає засоби створення та налагодження програм і засоби, що забезпечують обчислювальний процес і функціонування машини.
Рисунок 1.2 – Зовнішній вигляд різних типів модулей
Необхідність вирішення двох перших проблем була очевидна спочатку, а от створення ПЗ здавалося справою другорядною. Тому на ранніх стадіях розвитку цифрової авіоніки основна увага приділялася розробці БЦОМ і засобів її сполучення з бортовою апаратурою. Проблема створення ПЗ загострювалася в міру ускладнення структури машини, розширення кола вирішуваних завдань, появи і розвитку бортових обчислювальних систем, і в даний час витрати на розробку ПЗ перевищують витрати на створення апаратних засобів.
Розробка засобів цифрової обчислювальної техніки для бортового обладнання літаків почалася в СРСР у другій половині 50-х років. В цей час переважна більшість приладобудівних компаній і ряд інших підприємств почали розробку макетів різного роду цифрових обчислювальних пристроїв (ЦОП), бортового обладнання літаків, а потім і ракет.
На початок 60-х років були створені бортові ЦОП, спеціалізованого та універсального типів, більшість з яких практично не були затребувані. З появою серійного випуску мікропроцесорів (МП) розробка різноманітних БЦОМ пішла широким фронтом. Однак більшість цих розробок не отримало практичного застосування. У 90-х роках створюються БЦОМ на основі мікропроцесорів i80386 та i80486.
Вже на початку 70-х років БЦОМ використовуються практично у всіх підсистемах КБУ. Ці підсистеми створювалися на підприємствах різних міністерств. На борту літаків використовувалися БЦОМ з різною архітектурою, що серйозно ускладнювало відпрацювання апаратури і програмного забезпечення КБУ, збільшувало терміни створення комплексів, підвищувало витрати на їх розробку і експлуатацію.
На основі аналізу, проведеного в кінці 70-х - початку 80-х років була розроблена програма створення сімейств уніфікованих СБЕОМ для використання на рухомих об'єктах всіх класів. Відповідно до неї були розпочаті роботи зі створення уніфікованих СБЕОМ. Нажаль, ця програма не була виконана. Були розроблені лише окремі машини (і то зі значним відставанням по термінах). Досвід робіт по створенню СБЕОМ був врахований, а сама ідея міжвидової уніфікації отримала логічне завершення в розробках ЕОМ сімейства «Багет» авіаційного застосування.
Одночасно з машинами загального призначення велися роботи по створенню спеціалізованих процесорів для обробки сигналів. Був створений перший промисловий програмований процесор сигналів Ц200 і розроблявся новий процесор Ц300.
Протягом трьох десятиліть БЦОМ якісно змінювалися. Їх швидкодія збільшилася більш ніж на три порядки і досягла десятків мільйонів операцій в секунду, а місткість запам'ятовуючих пристроїв досягає 8-16 Мб. Одночасно зменшилися вага і енергоспоживання. Це обумовлено вдосконаленням елементної бази, архітектури та структурної організації машин.
Рисунок 1.3 – Зовнішній вигляд ЦОМ 10-15
Якщо на початку для побудови БЦОМ використовувалися дискретні компоненти, то в міру розвитку елементної бази вони замінялися інтегральними схемами (ІС), потім схемами з середньою і великою інтеграцією (СІС і ВІС) і нарешті мікропроцесорними комплектами ВІС (МПК ВІС).
Заміна дискретних компонентів великими інтегральними схемами дозволила підвищити швидкодію машини більш ніж на два порядки при одночасному зниженні на порядок і більше енергоспоживання та ваги. Удосконалення мікропроцесорів в 80-х і початку 90-х років дозволило підняти ще як мінімум на порядок швидкодію БЦОМ, також покращилися внутрішні і зовнішні інтерфейси ОМ.
В перших БЦОМ використовувалися неуніфіковані шини, що забезпечували взаємодію між блоками машини та перетворювачі «код-аналог» та «аналог-код» для зв'язку з абонентами. По мірі розвитку структури БЦОМ в якості внутрішнього інтерфейсу спочатку використовувався інтерфейс «загальна шина», ГОСТ 26765.51-86, а потім і системна шина VME, яка вже є відкритим інтерфейсом. Аналоговий зовнішній інтерфейс доповнюється радіальними каналами для передачі послідовних кодів з пропускною здатністю 48 кбіт/с (ГОСТ 18977-79), потім до складу зовнішнього інтерфейсу вводяться мультиплексні канали з пропускною здатністю 1 Мбіт/с (ГОСТ 26765.52-87). Надалі, по мірі вдосконалення структури, у складі зовнішнього інтерфейсу починають використовуватися канали по ГОСТ50832-95 (20 Мбіт/с), мережеві інтерфейси типу AS4074 (HSDB), а в перспективі й інтерфейс типу SCI (у варіанті для систем реального часу - 1394) з пропускною здатністю 1 Гбіт/с і 1 Гб/с.
Проаналізувавши етапи розвитку елементної бази, архітектури, структури БЦОМ, її ПЗ, можна сформулювати основні ознаки, що характеризують покоління бортових цифрових обчислювальних машин.
Хоча будь-яка БЦОМ може бути лише умовно віднесена до якогось конкретного покоління, так як деякі її параметри можуть відповідати або попередньому, або подальшому поколінням.
Для БЦОМ першого покоління були характерні відносно низький інформаційно-обчислювальний потенціал і досить примітивна (з сучасної точки зору) структура, що реалізується із застосуванням дискретних компонентів. Структуру цих БЦОМ становили арифметичний пристрій (АП), оперативний та постійний запам'ятовуючі пристрої (ОЗП і ПЗП), пристрій управління (ПУ) і вторинне джерело живлення (ВДЖ). Пам'ять машин була однорівневою. Закрита архітектура цих машин будувалася на основі функціональних блоків, які розроблялися спеціально для кожного конкретного випадку. Будь-яка модернізація вимагала додаткової розробки відповідних функціональних блоків з потрібними характеристиками. Програмування проводилося в машинних кодах, а для відпрацювання програм використовувалися інтерпретуютчі системи та пульти контролю та індикації.
До типових представників БЦВМ першого покоління відносяться машини, що мають швидкодію 62 тис. оп./с і 31 тис. оп./с (для операцій регістр-регістр та регістр-пам'ять), ОЗП ємністю 256 16-розрядних слів і ПЗП ємністю 8Кx16 біт. Напрацювання на відмову - 200 год., маса - 330 кг, споживана потужність - 2000 Вт.
У структурі БЦОМ другого покоління починають використовуватися елементи конвейеризації, що забезпечують поєднання у виконанні операцій, процесори, що містять більш досконалі суматори та спеціальні пристрої для виконання операцій множення, ділення і обчислення елементарних функцій. Структура машин реалізується на інтегральних схемах, але залишається детермінованою і важко піддається модернізації, тобто, по суті, закритою. Для написання програм починають використовуватися мови рівня асемблера, а для їх відпрацювання - спеціальні налагоджувальні комплекси, що поєднують БЦОМ з інструментальною обчислювальною машиною.
Взаємодія з абонентами БЦОМ першого і другого поколінь проводилося через пристрій сполучення (ПС), який містив необхідний набір перетворювачів «аналог-цифра» і «цифра-аналог», так як бортова апаратура мала в основному аналоговий інтерфейс. Ці пристрій конструктивно виконувалися або у вигляді автономного блоку, що взаємодіє з машиною по цифровому каналу, або інтегрувалося з БЦОМ, утворюючи пристрій вводу-виводу. Вже для БЦОМ першого покоління була зроблена спроба уніфікації введенням нормалі 847АТ, яка регламентувала параметри аналогових каналів. Для обміну послідовними кодами і разовими командами в бортових машинах другого покоління вводяться канали ARINC-429 (ГОСТ 18977-79).
Рисунок 1.4 – Зовнішній вигляд базового комплексу ЦВМ «Орбита-20»
БЦОМ сімейства «Орбита-10», які належать до машин другого покоління, – 16-розрядні, їх швидкодія у форматі R-S та R-R дорівнює 62,5 та 125 тис. оп./с. У базовій моделі використовується ОЗП ємністю 1024 слова, ПЗП ємністю 16К слів і ЕЗП ємністю 256 слів. Напрацювання на відмову, вага і енергоспоживання залежать від конфігурації машини і знаходяться в межах 250-500 год., 90-60 кг і 1500-500 Вт відповідно.
Програмування БЦОМ сімейства здійснювалося на рівні машинних кодів, робилися спроби створення мови програмування рівня асемблера. Для налагодження ПЗ був запропонований комплекс відпрацювання програм (КВП) у складі бортовий машини, інструментальної ЕОМ та апаратури, що забезпечує їх сполучення. Донині БЦОМ цього сімейства залишаються самими масовими обчислювальними машинами авіаційного застосування. Також до представників обчислювальних машин, що активно застосовуються на борту літаків, відносяться БЦОМ сімейства «Аргон».
В БЦОМ третього покоління використані: ієрархічна пам'ять, що включає надоперативну пам'ять (РЗП, регістри загального призначення); багаторівнева система переривань; канали прямого доступу до пам'яті, а також механізми захисту інформації від несанкціонованого доступу. У структурі бортових машин третього покоління починають застосовуватися засоби підтримки багатопроцесування. Структура цих БЦОМ має в основному магістрально-модульну організацію і допускає зміну характеристик машини в досить широких межах шляхом використання необхідної кількості відповідних (уніфікованих) модулів, тобто набуває деяку відкритість.
Рисунок 1.5 – Зовнішній вигляд ЦОМ 80-307ХХ
Для побудови уніфікованих модулів застосовуються схеми з середнім і високим рівнями інтеграції, в тому числі і МПК ВІС. У складі зовнішнього інтерфейсу для обміну інформацією, поряд з перетворювачами «аналог-цифра» і «цифра-аналог», використовуються разові команди і послідовні коди (ГОСТ 18977-79) і мультиплексні канали, виконані відповідно до ГОСТ 26765.52-87 (MIL-STD-1553B).
Для створення ПЗ об'єкта починають застосовуватися робочі місця програміста (РМП), що розробляються одночасно з машиною.
До третього покоління БЦОМ можна умовно віднести машини сімейств ЦОМ 80-30ХХХ, ЦОМ 80-40ХХХ, «Заря-30», «Заря-40», БЦОМ Ц-100, Ц101, Ц102 і Ц104, БЦОМ А-30, А-40 і А-50 («Аргон») і СБМВ-1, СБМВ-2 («Авионика»).
БЦОМ серії Ц1ХХ побудовано на основі архітектури «ПОШУК» (проблемно-орієнтована із змінною системою команд), вони розроблені в НДИ «Аргон». Разом з машиною користувачеві пропонується система автоматизації програмування, налагодження і документування (САПНД), яка містить: конфігуратор для налаштування транслятора на склад операторів виробів, транслятор з мови символічного кодування операторів і завантажувач. Підсистема автоматизації налагодження дозволяє проводити автономне і статичне комплексне налагодження в середовищі ОС ЄС в інтерактивному режимі і включає в себе диспетчер налагодження, транслятор з мови налагодження і інтерпретатор машинних команд виробу.
БЦОМ СБМВ-1 і СБМВ-2 (МНПК «Авионика») в режимі фіксованої коми має швидкодію 1000 тис. оп./с і 50 тис. оп./с (додавання і множення). Операції з плаваючою комою зі швидкістю 80 тис. оп./с. Енергоспоживання – менше 10 Вт.
Четверте покоління БЦОМ характеризується відкритою архітектурою. Машини цього покоління можуть мати інтегровану структуру, до складу якої поряд з процесорами загального призначення можуть входити і спеціалізовані процесори. В якості зовнішнього інтерфейсу БЦОМ використовуються канали двох типів - по ГОСТ 18977-79 (для обміну разовими командами) і по ГОСТ 26765.52-87 (для основного обміну інформацією).
У міру вдосконалення структури БЦОМ в рамках цього покоління до складу зовнішнього інтерфейсу можуть бути включені канали по ГОСТ Р50832-95 і мережевий інтерфейс типу AS4074. Використання відкритих уніфікованих інтерфейсів дозволяє провести глибоку уніфікацію, що охоплює всі компоненти машини - апаратні модулі, конструктивне виконання і програмне забезпечення.
До четвертого покоління можна умовно віднести БЦОМ 90-50ХХХ, сімейство БЦОМ-386/486 і БЦОМ «Багет-53».
Для відпрацювання ПЗ в БЦОМ цього покоління пропонується робоче місце програміста РМП.
Літакові комплекси п'ятого та шостого поколінь, вигляд яких формується в даний час, зажадають для своєї реалізації суперЦОМ зі значно більш високими характеристиками. Такою центральною характеристикою є продуктивність, яка повинна бути доведена в найближчі роки до мільярдів операцій в секунду.
Рисунок 1.6 – Зовнішній вигляд матричного процесора
Така ЦВМ була зпроектована з отриманням експериментального зразка в 2005 р. і дослідних зразків в 2008-2009 рр.
Рисунок 1.7 – Зовнішній вигляд процесора даних
Одночасно розробляється технологія програмування на рівні мови типу Асемблер (2007 р.) і Сі (2008 р.).
Структурно розробляється суперЦОМ, яка містить в загальному контейнері канальний процесор або процесор даних з швидкодією 10-50 мільйонів операцій в секунду і матричний процесор високої швидкодії з піковою продуктивністю в 3-10 мільярдів операцій в секунду. Швидкодія залежатиме від використаної в дослідних зразках елементної бази. Контейнер ЦОМ допускає установку додаткових модулів, необхідних для комплексування.
В інтересах гнучкості передбачуваних експериментів в матричному процесорі тимчасово використані ВІС програмованої логіки.
Прогресивною особливістю конструкції процесора даних є встановлена на ньому мезонінна плата інтерфейсів по ГОСТ 18977-79 (ARINC-429) і ГОСТ 26765.52-87 (MIL-1553B). Таким чином, цей процесор може додатково з успіхом застосовуватися в якості вбудовуваної ЦОМ зі своїми традиційними для авіації інтерфейсами.