Устройство первичной обработки радиолокационной информации
Владельцы патента RU 2653293:
Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" (RU)
Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для цифровой обработки радиолокационных сигналов и управления аппаратурой в составе радиолокационного комплекса. Достигаемый технический результат - улучшение технических характеристик, а именно повышение производительности вычислительной системы и увеличение объема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Указанный результат достигается за счет того, что в состав устройства дополнительно введены два процессора, при этом все процессоры имеют повышенную производительность, и микросхема NAND флэш-памяти. Устройство содержит шесть процессоров цифровой обработки сигналов, статические оперативные запоминающие устройства (СОЗУ), ПЗУ, динамическое оперативное запоминающее устройство (ДОЗУ), программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), контроллер, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), NAND флэш-память, отладочные интерфейсы JTAG, а также каналы ввода-вывода информации для обмена данными между устройством и внешними абонентами, входящими в состав радиолокационного комплекса. 1 ил.
Изобретение относится к области вычислительной техники и предназначено для цифровой обработки радиолокационных сигналов и управления аппаратурой в составе малогабаритного радиолокационного комплекса.
Из существующего уровня техники известен аналог - система Т2-РМС [1], представляющая собой мезонинный модуль, содержащий четыре цифровых сигнальных процессора (ЦСП) ADSP-TS201, микросхемы оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) и постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), PCI-контроллер, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) Virtex-II Pro, при этом процессоры связаны между собой двунаправленной 64-разрядной кластерной шиной, которая соединена с ОЗУ и PCI-контроллером, в свою очередь, PCI-контроллер соединен с ПЗУ и контроллером ввода-вывода 8-разрядной периферийной шиной, причем 64-разрядная шина PCI-контроллера является 64-разрядной шиной PCI системы Т2-РМС, шина расширения РМС которой соединена с шиной РМС контроллера ввода-вывода.
Недостатком такой системы является общая для четырех процессоров 64-разрядная кластерная шина, обеспечивающая совместный доступ к ОЗУ. Таким образом, при одновременном обращении нескольких процессоров к ОЗУ возможно существенное снижение производительности системы.
Наиболее близкой к описываемому устройству системой является известная параллельная вычислительная система (ПВС) с программируемой архитектурой [2], принятая за прототип и содержащая микропроцессоры (сигнальный микропроцессор 1892 ВМ2Я) - 4 шт., микросхемы динамических оперативных запоминающих устройств (ДОЗУ) 64М×64 - 4 шт., микросхемы программируемых постоянных запоминающих устройств (ППЗУ) Flash 1М×32 - 4 шт., микросхемы ОЗУ 8 Мбайт - 2 шт., коммутатор LINK-интерфейсов - 2 шт., системный контроллер - 1 шт., генератор тактовой частоты 10 МГц - 1 шт., генератор тактовой частоты 106.25 МГц - 1 шт., генератор тактовой частоты 40 МГц - 1 шт., контроллер Fibre channel - 1 шт., контроллер мультиплексного канала обмена (МКО) - 1 шт., приемопередатчики LVDS - 4 шт., приемопередатчики TLK - 4 шт., приемопередатчики МКО HI-1574 - 2 шт. с соответствующими связями.
Недостатком такой системы является низкая производительность на задачах цифровой обработки сигналов в реальном режиме времени. При наличии высокоскоростных внутренних и внешних интерфейсов, позволяющих обмениваться информацией на скоростях порядка 50-100 Мбайт/с, суммарная производительность ПВС составляет менее 2 GFLOPS, что недостаточно для решения задач обработки оцифрованного на большой частоте дискретизации сигнала (требуются вычислительные мощности порядка 20-50 и более GFLOPS). Кроме того, нет возможности хранить на ПВС большие объемы данных.
Технический результат предлагаемого устройства - улучшение технических характеристик, а именно повышение производительности вычислительной системы и увеличение объема ПЗУ.
Повышение производительности вычислительной системы достигается тем, что в известное устройство, содержащее четыре процессора, дополнительно введены два процессора, при этом пиковая производительность применяемых в предлагаемом устройстве процессоров в 6-12 раз (в зависимости от обрабатываемых типов данных) больше, чем у процессоров, применяемых в прототипе.
Увеличение объема ПЗУ достигается тем, что в известное устройство дополнительно добавлена микросхема NAND флэш-памяти.
Микросхемы ДОЗУ, применяемые в известном устройстве, с целью импортозамещения и повышения надежности заменены на отечественные микросхемы статических оперативных запоминающих устройств (СОЗУ). К одному из вновь введенных процессоров подключено ДОЗУ, к другому - СОЗУ. В состав устройства дополнительно введены две микросхемы ПЗУ, подключенные к двум добавленным процессорам, и ПЛИС с подключенной к ней ППЗУ, реализующая интерфейсные функции. Все процессоры устройства имеют отладочный интерфейс JTAG, также интерфейсом JTAG оборудованы ПЛИС и контроллер. Интерфейс JTAG позволяет проводить полноценную отладку проектов, а также записывать информацию в ПЗУ / ППЗУ.
Структурная схема устройства первичной обработки радиолокационной информации представлена на фигуре.
В состав устройства первичной обработки входят:
| - Процессор | 6 шт. (1, 2, 3, 4, 5, 6); |
| - Статическое оперативное запоминающее устройство (СОЗУ) | 5 шт. (12, 15, 18, 21, 24); |
| - Динамическое оперативное запоминающее устройство (ДОЗУ) | 1 шт. (27); |
| - Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) | 6 шт. (13, 16, 19, 22, 25, 28); |
| - Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) | 1 шт. (7); |
| - Контроллер | 1 шт. (8); |
| - Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) | 1 шт. (10); |
| - NAND флэш-память | 1 шт. (30). |
Устройство первичной обработки содержит следующие внешние интерфейсы:
| - Параллельный порт | 1 шт. (9); |
| - Мультиплексный канал обмена (МКО) | 1 шт. (32); |
| - RS-232 | 6 шт. (33, 34, 35, 36, 39, 40); |
| - I2C | 1 шт. (42); |
| - Ethernet 10/100 | 2 шт. (37, 38); |
| - JTAG (для процессоров) | 6 шт. (14, 17, 20, 23, 26, 29); |
| - JTAG (для ПЛИС) | 1 шт. (11); |
| - JTAG (для контроллера) | 1 шт. (31). |
Основными вычислительными узлами устройства являются процессоры, например 1892ВМ10Я (ОАО НПЦ «ЭЛВИС») 1, 2, 3, 4, 5, 6, имеющие пиковую производительность не менее 4 GFLOPS при работе с плавающей точкой одинарной точности.
Обмен данными между процессорами ведется с помощью линк-портов (LINK), работающих в полудуплексном режиме на скорости 250 Мбит/с. Все процессоры имеют собственное поле памяти, состоящее из СОЗУ 4 Мбайт (две микросхемы, например, 1645РУ4У 1Мх16) и ПЗУ объемом 2 Мбайт (микросхема, например, 1636РР2У 2Мх8). К процессору 6 вместо СОЗУ подключено ДОЗУ 27 объемом 128 Мбайт. Также к процессору 6 подключено ПЗУ (NAND 30) объемом 128 Мбайт (организация 128Мх8). К ПЛИС 7 (микросхема, например, 5576ХС4Т) подключено загрузочное ППЗУ 10 объемом 4Мбит (микросхема, например, 5576РС1У). Контроллер 8 (микросхема, например, 1986ВЕ1Т) соединен с процессором 6 по интерфейсу SPI.
Через вход 1 ПЛИС 7 обеспечивается прием данных по параллельному 32-разрядному интерфейсу (параллельный порт 9), вход-выход 2 ПЛИС 7 подключен к входу-выходу 5 порта внешней памяти MPORT 41 процессора 6, через вход-выход 3 ПЛИС 7 обеспечивается подключение внешних устройств к шине I2C 42, вход-выход 4 ПЛИС 7 предназначен для подключения загрузочного ППЗУ 10 и программатора JTAG 11, вход-выход 6 ПЛИС 7 обеспечивает связь по интерфейсу RS-232 39, а вход-выход 7 ПЛИС 7 обеспечивает связь по интерфейсу RS-232 40, при этом через вход-выход 5 (LINK) ПЛИС 7 осуществляется обмен информацией в полудуплексном режиме с входом-выходом 1 (LINK) процессора 1, чей вход-выход 2 связан с шиной I2C 42, к входу-выходу 3 процессора 1 подключено СОЗУ 12, а к входу-выходу 5 процессора 1 подключено ПЗУ 13, также вход-выход 7 процессора 1 служит для подключения адаптера JTAG 14, в свою очередь, вход-выход 9 процессора 1 необходим для организации обмена по каналу Ethernet 10/100 38 с внешними абонентами, через вход-выход 4 (LINK) процессора 1 организован полудуплексный обмен данными с входом-выходом 1 (LINK) процессора 2, чей вход-выход 2 предназначен для подключения СОЗУ 15, а к входу-выходу 3 процессора 2 подключено ПЗУ 16, вход-выход 5 процессора 2 связан с шиной I2C 42, при этом к входу-выходу 6 процессора 2 подключается адаптер JTAG 17, а вход-выход 4 (LINK) процессора 2 подключен к входу-выходу 3 (LINK) процессора 5, вход-выход 2 которого подключен к СОЗУ 24, а вход-выход 4 - к загрузочному ПЗУ 25, вход-выход 5 процессора 5 подсоединен к шине I2C 42, при этом вход-выход 7 процессора 5 предназначен для подключения адаптера JTAG 26, а через вход-выход 1 (LINK) процессора 5 организуется полудуплексный обмен данными с входом-выходом 5 (LINK) процессора 3, вход-выход 2 которого предназначен для подключения СОЗУ 18, а к входу-выходу 3 процессора 3 подключено ПЗУ 19, вход-выход 4 процессора 3 предназначен для подключения к шине I2C 42, при этом к входу-выходу 6 процессора 3 подключается адаптер JTAG 20, в свою очередь, вход-выход 1 (LINK) процессора 3 отвечает за организацию полудуплексной связи с входом-выходом 6 (LINK) процессора 1, вход-выход 8 (LINK) которого отвечает за организацию полудуплексной связи с входом-выходом 1 (LINK) процессора 4, чей вход-выход 2 подключен к шине I2C 42, а вход-выход 3 процессора 4 предназначен для подключения СОЗУ 21, при этом к входу-выходу 4 процессора 4 подключено ПЗУ 22, а через вход-выход 6 процессора 4 организован интерфейс обмена с адаптером JTAG 23, при этом вход-выход 5 (LINK) служит для организации полудуплексного обмена данными с входом-выходом 8 (LINK) процессора 5, чей вход-выход 6 подключен к входу-выходу 1 (LINK) процессора 6, вход-выход 2 которого предназначен для подключения ДОЗУ 27, а с помощью входа-выхода 3 процессор 6 подключен к шине I2C 42, при этом для организации процедуры загрузки процессор 6 с помощью входа-выхода 4 подключен к ПЗУ 28, а входы-выхода 7 и 8 процессора 6 предназначены для реализации интерфейсов RS-232 35 и RS-232 36 соответственно, также вход-выход 9 процессора 6 используется для подключения адаптера JTAG 29, а для реализации подключения ПЗУ большого объема NAND-типа (NAND 30) служит вход-выход 11 процессора 6, при этом вход-выход 10 процессора 6 служит для организации обмена информацией с внешними потребителями через канал Ethernet 10/100 37, а вход-выход 6 (интерфейс SPI) процессора 6 подключен к входу-выходу 1 (интерфейс SPI) контроллера 8, чей вход-выход 2 используется для подключения программатора JTAG 31, а вход-выход 3 организует интерфейс обмена с помощью МКО (по ГОСТ Р52070-2003) 32, при этом входы-выходы 4 и 5 контроллера 8 предназначены для организации интерфейсов RS-232 33 и RS-232 34, соответственно.
Общая схема работы устройства первичной обработки радиолокационной информации выглядит следующим образом. Входной поток оцифрованных данных, прошедших децимацию и согласованную фильтрацию, через 32-разрядный параллельный интерфейс (параллельный порт 9) поступает в ПЛИС 7, которая преобразует и выдает его через линк-порт (вход-выход 5) на процессор 1. Процессор 1 осуществляет пространственную обработку входного сигнала, формирует пять угломестных каналов и канал подавления боковых лепестков (ПБЛ), осуществляет компенсацию активной шумовой помехи, корректирует амплитудно-фазовые искажения входного сигнала. Также на процессоре 1 реализован цифровой имитатор, позволяющий формировать различные типы целей и помех. В программное обеспечение процессора 1 встроена возможность регистрации полного потока входных данных через канал Ethernet 10/100 38 (соответствует входу-выходу 9 процессора 1). Помимо этого канал Ethernet 10/100 38 используется для обновления программного обеспечения процессоров 1, 2, 3, 4, 5, 6.
С процессора 1 обработанная информация через линк-порты (входы-выходы 4, 6 и 8) поступает в линк-порты (входы-выходы 1) процессоров 2, 3 и 4, осуществляющих временную межпериодную обработку данных. Каждый процессор временной межпериодной обработки данных обрабатывает данные из двух угломестных каналов, осуществляет подавление местных предметов и пассивных помех с помощью системы селекции движущихся целей (СДЦ), выполняет когерентное накопление сигнала с последующим амплитудным детектированием. С трех процессоров межпериодной обработки (процессоры 2, 3 и 4) данные через три линк-порта (входы-выходы 4, 5 и 5 соответственно) поступают в линк-порты (входы-выходы 3, 1 и 8) процессора 5, который выполняет алгоритм стабилизации уровня ложных тревог (СУЛТ), ищет максимумы, определяет точные координаты целей, по которым формирует целеуказания. Сформированные целеуказания выдаются через линк-порт (вход-выход 6) процессора 5 и поступают в линк-порт (вход-выход 1) процессора 6.
К процессору 6 подключена большая часть внешних интерфейсов, необходимых для обмена с потребителями информации и внешними устройствами. На процессоре 6 реализован программный диспетчер, выдающий через канал Ethernet 10/100 37 (соответствует входу-выходу 10 процессора 6) данные по целеуказаниям внешним потребителям, а также осуществляющий управление параметрами первичной обработки. Для реализации управления используется порт внешней памяти процессора 6 MPORT 41, подключенный непосредственно к ПЛИС 7. При получении диспетчером управляющей кодограммы необходимые данные подмешиваются во входной поток информации через ПЛИС 7.
Для организации консольного ввода-вывода на процессоре 6 используется интерфейс RS-232 35 (соответствует входу-выходу 7 процессора 6). В свою очередь, для обеспечения обмена с аппаратурной спутниковой навигации используется интерфейс RS-232 36 (соответствует входу-выходу 8 процессора 6).
С помощью порта внешней памяти MPORT 41 процессора 6 и ПЛИС 7 реализовано программно-аппаратное управление интерфейсом флэш-памяти NAND 30. Данная возможность используется для регистрации обработанных данных, поступающих на процессор 6.
Все процессоры устройства связаны между собой единой шиной I2C 42. Интерфейс I2C реализован на базе ПЛИС 7 и позволяет организовать канал обмена данными, а также консольный ввод-вывод с каждого процессора.
На ПЛИС 7 реализованы интерфейсы RS-232 (39, 40) (соответствуют входам-выходам 6 и 7 ПЛИС 7 соответственно), обеспечивающие обмен с радиостанциями.
Для организации обмена по интерфейсу МКО 32 и двух интерфейсов RS-232 (33, 34) в состав устройства включен контроллер 8. Интерфейс МКО 32 соответствует входу-выходу 3 контроллера 8 и предназначен для организации обмена с аналого-цифровой аппаратурой, выполняющей функции синхронизации и управления. Интерфейс RS-232 33 соответствует входу-выходу 4 контроллера 8 и предназначен для организации обмена с аппаратурой передачи данных (сопряжение с внешними устройствами). В свою очередь, интерфейс RS-232 34 соответствует входу-выходу 5 контроллера 8 и предназначен для организации обмена с аппаратурой передачи данных и управления.
Таким образом, применение в составе устройства высокопроизводительных цифровых сигнальных процессоров, замена микросхем ДОЗУ на быстродействующее СОЗУ, применение ПЛИС, реализующей интерфейсные функции, а также увеличение числа процессоров и включение в состав устройства ПЗУ большого объема типа NAND-флэш позволило достичь заявленного технического результата: улучшение технических характеристик, а именно повышение производительности вычислительной системы и увеличение объема ПЗУ.
Источники информации
1. Т2-РМС Bitt Ware, Inc products / DS-T2PM Rev. 0.8.2 January 2009.
2. Патент РФ №2486581, опубликован 27.06.2013, МПК G06F 11/16, G06F 15/16.
Устройство первичной обработки радиолокационной информации, содержащее четыре процессора, контроллер, микросхему динамического оперативного запоминающего устройства (ДОЗУ), четыре постоянных запоминающих устройства (ПЗУ), отладочные интерфейсы JTAG, при этом пятый вход-выход первого процессора подключен к ПЗУ, а седьмой вход-выход первого процессора соответствует отладочному интерфейсу JTAG, в свою очередь, третий вход-выход второго процессора подключен к ПЗУ, а шестой вход-выход второго процессора соответствует отладочному интерфейсу JTAG, помимо этого к третьему входу-выходу третьего процессора подключено ПЗУ, а шестой вход-выход третьего процессора соответствует отладочному интерфейсу JTAG, также к четвертому входу-выходу четвертого процессора подключено ПЗУ, а шестой вход-выход четвертого процессора соответствует отладочному интерфейсу JTAG, в свою очередь, второй вход-выход контроллера соответствует отладочному интерфейсу JTAG, отличающееся тем, что в него дополнительно введены пятый и шестой процессоры, при этом используемые в устройстве процессоры имеют на порядок большую производительность, также добавлено пять микросхем быстродействующих статических оперативных запоминающих устройств (СОЗУ), дополнительно введены два ПЗУ, помимо этого добавлена NAND флэш-память большой емкости и программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), первый вход которой соответствует входному параллельному порту, а второй вход-выход ПЛИС соединен с пятым входом-выходом шестого процессора (интерфейс MPORT), также третий вход-выход ПЛИС соответствует шине I2C, а к четвертому входу-выходу ПЛИС подключено загрузочное программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), к которому подключен отладочный интерфейс JTAG, в свою очередь, шестой и седьмой входы-выходы ПЛИС соответствуют двум выходным интерфейсам RS-232, а пятый вход-выход ПЛИС соединен с первым входом-выходом первого процессора, второй вход-выход которого подключен к шине I2С, к третьему входу-выходу первого процессора подключено СОЗУ, а девятый вход-выход первого процессора соответствует интерфейсу Ethernet 10/100, также четвертый вход-выход первого процессора соединен с первым входом-выходом второго процессора, ко второму входу-выходу которого подключено СОЗУ, а пятый вход-выход второго процессора подключен к шине I2C, при этом четвертый вход-выход второго процессора соединен с третьим входом-выходом пятого процессора, ко второму входу-выходу которого подключено СОЗУ, а к четвертому входу-выходу пятого процессора подключена микросхема загрузочного ПЗУ, при этом пятый вход-выход пятого процессора подключен к шине I2C, а седьмой вход-выход пятого процессора соответствует отладочному интерфейсу JTAG, также первый вход-выход пятого процессора соединен с пятым входом-выходом третьего процессора, ко второму входу-выходу которого подключено СОЗУ, помимо этого четвертый вход-выход третьего процессора подключен к шине I2C, а первый вход-выход третьего процессора соединен с шестым входом-выходом первого процессора, восьмой вход-выход которого соединен с первым входом-выходом четвертого процессора, второй вход-выход которого подключен к шине I2C, а к третьему входу-выходу четвертого процессора подключено СОЗУ, в свою очередь, пятый вход-выход четвертого процессора соединен с восьмым входом-выходом пятого процессора, шестой вход-выход которого соединен с первым входом-выходом шестого процессора, ко второму входу-выходу которого подключено ДОЗУ, при этом третий вход-выход шестого процессора подключен к шине I2C, а к четвертому входу-выходу шестого процессора подключено загрузочное ПЗУ, также седьмой и восьмой входы-выходы шестого процессора соответствуют двум выходным интерфейсам RS-232, а девятый вход-выход шестого процессора соответствует отладочному интерфейсу JTAG, в свою очередь, десятый вход-выход шестого процессора соответствует выходному интерфейсу Ethernet 10/100, при этом к одиннадцатому входу-выходу шестого процессора подключена микросхема NAND флэш-памяти, также шестой вход-выход шестого процессора соединен с первым входом-выходом контроллера, третий вход-выход которого соответствует интерфейсу МКО (ГОСТ Р52070-2003), при этом четвертый и пятый входы-выходы контроллера соответствуют двум выходным интерфейсам RS-232.
