Разработка инструментальных средств отработки блоков информационно-измерительных и управляющих систем с использованием оптоэлектронных процессоров

Развитие информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) характеризуется значительным ростом объёмов используемой информации и усложнением алгоритмов её обработки, что требует существенного повышения производительности входящих в их состав вычислительных устройств (ВУ). Основными направлениями совершенствования ВУ в настоящее время являются модернизация архитектуры и технологии, а также поиск эффективных альтернатив электронным вычислителям.

Обработка информации в современных ИИУС производится, как правило, с помощью 16- и 32-разрядных микропроцессоров, выполненных на основе интегральной полупроводниковой технологии. Наращивание вычислительной мощности на уровне элементной базы достигается повышением разрядности и тактовой частоты, а также использованием параллелизма выполнения операций, а на уровне системы — построением многопроцессорных централизованных и распределённых ИИУС. Однако при разработке высокопроизводительных ИИУС реального времени, решающих такие сложные задачи, как обработка сигналов и изображений, распознавание образов, аэрокосмическая навигация и ряда других, производительность вычислительных блоков ИИУС зачастую является ограничительным фактором по отношению к характеристикам ИИУС в целом. Одной из наиболее перспективных альтернатив электронным микропроцессорам в ИИУС являются оптоэлектрон-ные устройства обработки информации (УОИ), сочетающие электронные и оптические средства обработки информации [56].

Оптические методы обработки информации известны относительно давно [78]. Наиболее проработаны аналоговые методы, находящие применение при построении оптических фильтров, корреляторов, анализаторов законов распределения вероятностей и оптической реализации преобразования Фурье [42]. В этих устройствах используются такие свойства оптических систем, как возможность параллельной передачи и обработки информации по многим каналам без материальных проводниковвысокое быстродействие, обусловленное высокой несущей частотой оптического излученияестественное выполнение преобразования Фурье сферическими линзами [67]. Однако аналоговым оптическим системам обработки информации свойственны следующие недостатки: низкая точность вычислений, связанная с влиянием шумов и помехсложность интеграции с существующими цифровыми электронными микропроцессорами [66].

Большие надежды на преодоление указанных недостатков связываются с разработкой цифровых методов оптической обработки информации [49]. Перспективность развития этого направления состоит в возможности создания универсальных оптических ВУ. Предложены различные способы построения цифровых оптических устройств, одним из наиболее проработанных элементов которых является трансфазор [2]. Трансфазор представляет собой оптически бистабильный элемент, способный переключаться в одно из двух чётко различимых состояний за время порядка нескольких пикосекунд. На трансфазоре может быть реализована функционально полная система логических элементов, пригодная для построения любых логических схем и узлов вычислительных машин.

Несмотря на большие возможности оптических УОИ, их техническое воплощение сопряжено со многими сложностями как технологического, так и конструктивного характера. В этой связи наиболее перспективным в настоящее время представляется применение возможностей оптических средств обработки информации в совокупности с отработанными электронными ВУ. Именно использование преимуществ такого сочетания — высокоскоростной передачи информации, обеспечиваемой оптическими средствами, и простой реализации переключательных функций электронными элементами — и является основной идеей создания оптоэлектронных УОИ [54], в терминологии вычислительной техники называемых оптоэлектронными процессорами (ОЭП).

Современные ОЭП являются специализированными вычислителями. Наиболее широкую сферу применения имеют оптоэлектронные линейно-алгебраические процессоры (ОЭЛАП), выполняющие типичные операции линейной алгебры (умножение вектора на вектор, умножение вектора на матрицу, умножение матрицы на матрицу, скалярное произведение, линейная комбинация векторов) [43]. Эти операции используются во многих алгоритмах обработки информации, применяемых в ИРГУ С: преобразование Фурье, преобразование Адамара, цифровая фильтрация [35], реализация многослойных нейронных сетей [86] и др. Практическое воплощение таких УОИ позволяет достичь рекордной вычислительной производительности. Например, разработанный фирмой Lenslet (Израиль) оптоэлектронный векторно-матричный перемножитель (ОВМП) EnLight256, выполненный в виде интегральной микросхемы и предназначенный для решения задач цифровой об.

1? работки сигналов (ЦОС), обеспечивает выполнение 8−10 операций умножения чисел с фиксированной точкой в секунду [95].

Таким образом, уже на сегодняшний день технологически реализуемые ОЭЛАП превосходят по своим характеристикам известные процессоры ЦОС. С учётом возможности интегрального исполнения [28] ОЭЛАП могут применяться в качестве центральных процессоров и сопроцессоров в ИИУС для выполнения критичных ко времени обработки задач, в том числе в составе бортового оборудования летательных аппаратов [61]. Например, разработка и исследование ОЭЛАП весьма актуальны для решения задачи повышения точностных характеристик и быстродействия ИИУС фазированных антенных решёток (ФАР) бортового и наземного базирования [39], основную часть обработки информации в которых составляют операции векторно-матричного перемножения.

Несмотря на имеющиеся достижения, исследования в области построения ИИУС на основе оптоэлектронных УОИ, а также разработки их алгоритмического и аппаратного обеспечения носят разобщённый характер. Фундаментальные исследования посвящены физическим аспектам работы оптоэлектронных элементов и узлов [6, 40, 45, 70, 75, 101]. Исследованы вопросы построения параллельных алгоритмов для реализации в ОЭЛАП [7, 59, 60, 63, 83]. Решены частные проблемы создания ряда специализированных оптоэлектронных ВУ, например, ОЭП радиосигналов [16, 23, 48], акустооптиче-ских сигнальных процессоров [55]. Опубликованы научные работы, в которых решены вопросы реализации оптоэлектронных нейронных сетей [29, 90]. Тем не менее, до настоящего времени не существует формализованных методик проектирования и комплексных инструментальных средств разработки оптоэлектронных УОИ как элементов высокопроизводительных ИИУС. Представляется, что именно эта причина сдерживает применение оптоэлектронных УОИ (и в частности ОЭЛАП) в ИИУС.

Первым шагом на пути к созданию инструментальных средств проектирования ОЭЛАП для высокопроизводительных ИИУС является разработка математических моделей (ММ) оптоэлектронных элементов и узлов ОЭЛАП, т. к. исследование процессов обработки информации в них не может быть проведено без учёта свойств и характеристик элементной базы. Поскольку характеристиками оптоэлектронных элементов во многом определяются как функциональные возможности ОЭЛАП, так и требования к сопрягаемым электронным элементам, в таких моделях должны быть отражены их статические, динамические и стохастические свойства. Наиболее полно свойства оптоэлектронных элементов отражают ММ, основанные на рассмотрении физики протекающих в них процессов. Эти модели описывают связи между различными характеристиками оптоэлектронных элементов и параметрами внешней среды с точки зрения целостности и непротиворечивости физической картины. В отличие от них, в математических моделях оптоэлектронных элементов для целей проектирования ОЭЛАП основной акцент должен быть сделан на процессы преобразования информации и влияние на них параметров функционирования элементов и параметров внешней среды. Для обозначения таких математических моделей в диссертационной работе используется термин «математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств».

Моделирование процессов обработки информации в ОЭЛАП на основе математических моделей оптоэлектронных элементов как информационных устройств позволяет выполнять сравнительный анализ различных алгоритмов обработки информации и подбор элементной базы для их реализации без необходимости изготовления дорогостоящих натурных макетов и тестовых интегральных оптоэлектронных микросхем. Полученные алгоритмические и аппаратные решения могут использоваться при проектировании ОЭЛАП в интегральном исполнении и их применении в ИИУС. Создание программно-аппаратных комплексов, способных поддерживать процессы моделирования с такими свойствами, является актуальной задачей, и именно её решению посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель диссертационной работы — разработка программно-алгоритмического обеспечения и методики моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП и создание программно-аппаратного комплекса, представляющего собой инструментальное средство под держки методики моделирования.

Объектом исследования в данной работе являются высокопроизводительные информационно-измерительные и управляющие системы реального времени с использованием оптоэлектронных линейно-алгебраических процессоров.

Предмет исследования — программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП, позволяющий в процессе проектирования ИИУС осуществлять комплексное моделирование работы ОЭЛАП по заданному алгоритму, аппаратную отработку алгоритмов на натурном стенде и выработку требований для реализации ОЭЛАП в интегральном исполнении.

Задачи диссертационной работы:

— разработка математических моделей оптоэлектронных элементов как информационных устройств;

— анализ алгоритмов векторно-матричного перемножения в ОЭЛАП и формализация алгоритмов векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП;

— разработка методики моделирования процессов обработки информации в ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП;

— разработка программно-аппаратного комплекса для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП, являющегося инструментальным средством поддержки методики моделирования;

— разработка натурного стенда ОВМП;

— экспериментальная проверка предложенной методики моделирования на основе натурных экспериментов.

Методы исследования, применённые в работе, базируются на методах математического моделирования сложных динамических систем, функционирующих в непрерывном и дискретном времени, методах анализа параллельных алгоритмов вычислений, методах теории алгоритмов, методах теории случайных процессов и методах экспериментальных исследований.

Научная новизна диссертационной работы в области информационно-измерительных и управляющих систем состоит в следующем:

— разработаны математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств с учётом их стохастических свойств;

— предложена методика моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ОЭЛАП с использованием разработанных математических моделей;

— разработан алгоритм оценки влияния отклонений параметров работы оптоэлектронных элементов от номинальных значений на точностные характеристики ОЭЛАП.

Научная новизна диссертационной работы в области элементов и устройств вычислительной техники и систем управления систем состоит в формализации алгоритмов вычислений в ОЭЛАП в виде информационных графов.

Научные результаты, выносимые на защиту:

— структура программно-аппаратного комплекса для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП;

— математические модели оптоэлектронных элементов ОЭЛАП как информационных устройств с учётом их стохастических свойств;

— описания алгоритмов векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП, в форме информационных графов;

— методика моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП, базирующаяся на использовании математических моделей оптоэлектронных элементов ОЭЛАП как информационных устройств и моделей алгоритмов обработки информации.

Практическое значение полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:

— создано программное обеспечение, реализующее разработанные математические модели и предлагаемую методику моделирования и позволяющее автоматизировать проектирование ОЭЛАП для высокопроизводительных ИИУС реального времени;

— создан программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП;

— с использованием созданного программно-аппаратного комплекса проведена отработка ОВМП, работающего по алгоритму DMAC (Digital Multiplication via Analog Convolution);

— создано аппаратное и программное обеспечение электронной части натурного макета ОВМП.

Основные результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ в ОАО «Концерн радиостроения «Вега» и внедрены в учебный процесс Московского авиационного института (государственного технического университета).

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением математического аппарата и экспериментальной проверкой адекватности предложенных моделей и эффективности методики моделирования, выполненной на аппаратном макете оптоэлектронного векторно-матричного перемножителя, работающего по алгоритму DMAC, и подтверждается сравнением полученных результатов моделирования с данными натурных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на XI и XII международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (2002 г., 2003 г.), 11-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2004» и VII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (2004 г.), а также обсуждались на заседаниях кафедры «Приборы и измерительно-вычислительные комплексы» Московского авиационного института (государственного технического университета).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы полностью отражены в 2 статьях, 5 тезисах докладов и трудах международных и всероссийских конференций и семинаров, а также 8 отчётах о НИР.

Диссертационная работа имеет следующую структуру.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу состояния вопроса моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП, для чего рассмотрены характеристики, классификация и конструктивно-технологические особенности оптоэлектронных УОИ и исследованы возможности использования различных видов и схем моделирования.

Во второй главе диссертационной работы рассмотрены математические модели элементов ОЭЛАП и алгоритмы векторно-матричного перемножения, применимые для реализации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП.

В третьей главе диссертационной работы приведено описание разработанной методики моделирования и программно-аппаратного комплекса для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС реального времени с использованием ОЭЛАП, а также представлен анализ вычислительной производительности ОВМП.

В четвёртой главе диссертационной работы приведены результаты экспериментальной проверки предложенной методики моделирования.

Выводы по главе 4.

Экспериментальная проверка методики моделирования алгоритмов вычислений в ОЭЛАП позволяет сделать следующие выводы.

1. Разработанная методика моделирования может использоваться для моделирования алгоритмов обработки информации в ОЭЛАП с целью отработки алгоритмического и аппаратного обеспечения таких устройств обработки информации.

2. Использование математических моделей ОЭЭ как информационных устройств позволяет с достаточной для поставленной цели степенью адекватности отразить физические свойства оптоэлектронных узлов ОЭЛАП.

3. Конкретизация обобщённых математических моделей оптоэлектронных элементов как информационных устройств на основе результатов их испытаний даёт возможность использовать при моделировании реальные характеристики элементной базы.

4. Установлено, что операции, выполняемые в оптической части ОВМП, обладают низкой устойчивостью по отношению к возмущающим факторам, т. к. носят аналоговый характер. Типичными факторами, которые приводят к ошибкам вычислений, являются отклонения параметров элементов от номинальных значений и шумы в различных элементах ОВМП.

5. Алгоритмы DMAC менее чувствительны к отклонениям параметров электронных блоков и оптоэлектронных элементов от номинальных значений по сравнению с аналоговым алгоритмом, что связано с меньшим динамическим диапазоном АЦП БПД ФПУ. Это свойство алгоритмов DMAC обеспечивает коррекцию относительно малых температурных, временных и других флуктуаций параметров элементов ОВМП.

6. Алгоритмы DMAC позволяют обеспечить большую точность вычислений за счёт цифрового представления данных на входеоднако это приводит к увеличению времени вычислений по сравнению с аналоговым алгоритмом. Вариант алгоритма DMAC с временным интегрированием является более предпочтительным, т. к. при этом необходимы меньшие объёмы памяти и достигается большая универсальность и вычислительная эффективность.

7. Полученное при отработке алгоритма описание конфигурации электронной части ОЭЛАП может быть использовано для последующей реализации в ПЛИС при построении объёмного макета или заказной БИС при реализации ОЭЛАП в интегральном исполнении.

8. Показано, что алгоритмы DMAC могут быть использованы для построения ОВМП для высокопроизводительных ИИУС, в том числе реального времени (например, для обработки радиолокационной информации). Точностные возможности такого ОВМП ограничены шумами и помехами в оптической части. Обязательным условием достижения требуемой точности является коррекция параметров элементов в процессе вычислений по алгоритму DMAC.

9. Применение предложенной методики моделирования позволяет сократить сроки и стоимость разработки ОЭЛАП для ИИУС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие основные выводы и результаты.

1. Разработаны математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств, представляющие собой совокупность статических, динамических и стохастических характеристик.

2. Проведена формализация алгоритмов векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП в форме детерминированного ациклического информационного графа, описывающего параллельную обработку информации на уровне элементарных операций с данными с учётом способа её кодирования.

3. Предложена методика моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС с применением ОЭЛАП, основанная на использовании комплексной дискретно-непрерывной детерминирова-но-стохастической модели процессора, включающей математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств, модели электронных блоков процессора и модель алгоритма вычислений. Конкретизация математических моделей производится на основе испытаний элементов процессора, что позволяет учесть реальные характеристики элементной базы. Применение предложенной методики моделирования позволяет определить характеристики процессора и выработать требования для разработки ОЭЛАП исследуемой архитектуры в интегральном исполнении.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС с использованием ОЭЛАП, что обеспечивает исследование характеристик оптоэлектронных элементов, и натурное моделирование ОЭЛАП исследуемой архитектуры в объёмном варианте. Применение комплекса позволяет сократить сроки и стоимость разработки ИИУС с использованием ОЭЛАП.

5. Проведена экспериментальная проверка предложенной методики для случая перемножения матрицы размером [8×8] на вектор-столбец размером.

8x1] на примере аналогового алгоритма, алгоритма DMAC с временным интегрированием и алгоритма DMAC с пространственным интегрированием. Эта проверка показала, что алгоритмы DMAC наименее чувствительны к отклонениям параметров электронных блоков и оптоэлектронных элементов процессора от номинальных значений по сравнению с аналоговым алгоритмом, что связано с меньшим динамическим диапазоном АЦП БПД ФПУ. При этом вариант алгоритма DMAC с временным интегрированием является более предпочтительным, т. к. при этом требуются меньшие объёмы памяти и достигается большая универсальность и вычислительная эффективность.

6. Сформировано описание аппаратно-алгоритмической конфигурации электронной части ОЭЛАП на языке VHDL, реализующее алгоритм DMAC с временным интегрированием. Описание может быть использовано для проектирования заказной БИС при реализации ОЭЛАП в интегральном исполнении.

7. Создан натурный макет ОВМП, работающего по алгоритму DMAC. Сравнение результатов математического моделирования с экспериментальными данными, полученными с помощью макета ОВМП, подтверждают адекватность предложенной методики моделирования. Исследования показали, что алгоритмы DMAC могут быть использованы для построения ОВМП для высокопроизводительных ИИУС РВ. Обязательным условием достижения требуемой точности является коррекция флуктуаций параметров элементов в процессе вычислений по алгоритму DMAC.

8. Применение предложенной методики моделирования позволяет сократить временные и материальные затраты на проектирование высокопроизводительных ИИУС с использованием ОЭЛАП.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Московского авиационного института (государственного технического университета) и использованы при выполнении научно-исследовательских работ в ОАО «Концерн радиостроения «Вега», о чём имеются соответствующие акты.

Проведённая с помощью разработанного моделирующего комплекса отработка оптоэлектронного векторно-матричного перемножителя, работающего по алгоритму DMAC, позволила обеспечить заданные временные и точностные характеристики прототипа ИИУС для обработки сигналов и управления диаграммой направленности ФАР, а также сократить материальные затраты и сроки её проектирования.