Архитектура и организация структуры бортовых вычислительных систем (БВС)

2. Архитектура и организация структуры бортовых вычислительных систем (БВС) перспективных ЛА. 2

2.1. Эволюция структуры БВС. 2

Вычислительные системы авионики второго поколения. 3

Вычислительные системы авионики третьего поколения. 6

Основные НИР, поддерживающие построение перспективных БВС. 8

Вычислительные системы авионики четвертого поколения. 11

2.2. Бортовые цифровые вычислительные машины. 12

Стандартизация архитектуры БЦВМ, MIL-STD-1750A. 15

Эволюция развития микропроцессоров 20

Микропроцессоры общего назначения 20

32-разрядные микропроцессоры начала 90-х годов. 21

Микропроцессоры с RISC-архитектурой. 22

Суперскалярные МП 25

Мультискалярные МП 26

Суперскалярные микропроцессоры середины 90-х годов. 26

Сигнальные МП 29

Сигнальные МП фирмы Analog Devices Inc. 37

Сигнальные МП фирмы Motorola. 40

Литература 44

2. Архитектура и организация структуры бортовых вычислительных систем (бвс) перспективных ла.

2.1. Эволюция структуры бвс.

Средства обработки информации и организация информационного обмена (иначе говоря, бортовая вычислительная система – БВС) практически определяют архитектуру бортового радиоэлектронного оборудования (авионику) самолета. Использование средств вычислительной техники (СВТ) кардинальным образом изменило архитектуру бортового радиоэлектронного оборудования самолетов и потребовало принципиально иных подходов к его комплексированию. [1] По мере совершенствования СВТ изменяется и архитектура авионики. При этом основная тенденция развития состоит в постепенном переходе от аналоговой авионики, характерной для военных самолетов 40-х - 50-х годов, к цифровой и далее к цифровой интегрированной авионике самолетов нового поколения, которые планируется принять на вооружение в текущем десятилетии. Эти поколения целесообразно разделить следующим образом - независимая аналоговая авионика, цифро - аналоговая авионика, цифровая федеративная авионика и цифровая интегрированная авионика.

Вычислительные средства авионики первого поколения.

Первое поколение авионики (40-е –50-е годы) - это аналоговая авионика с отдельными и, в основном, независимыми функциональными подсистемами на базе аналоговых вычислителей (рисунок 2.1). Каждая из подсистем имела свои датчики, исполнительные устройства и индикаторы. Связи между подсистемами (если таковые использовались), были реализованы по типу соединений “точка – точка”. Вычислительная система как таковая отсутствовала, комплексная обработка информации не обеспечивалась.

Вычислительные системы авионики второго поколения.

Цифро-аналоговая авионика (начало 60-х - середина 70-х годов) характеризуется использованием в составе бортового оборудования самолетов цифровых вычислительных машин (БЦВМ). По мере совершенствования характеристик БЦВМ (повышения вычислительного потенциала и надежности, снижения веса и энергопотребления) они практически вытеснили аналоговые вычислители. При построении БВС, наряду с каналами передачи аналоговых данных, началось использование радиальных каналов для передачи последовательных цифровых кодов. Эти каналы были организованы в соответствии с требованиями стандарта Arinc 429. Структура гипотетической БВС, авионики второго поколения, приведенная на рисунке.2.2.

В рамках второго поколения авионики создавались как централизованные, так и федеративные цифро - аналоговые БВС. Централизованная структура БВС была характерна для первой половины 60-х годов. В БВС с централизованной организацией структуры БЦВМ использовалась в качестве центрального вычислительного устройства. Она имела информационные и электрические связи со всеми своими абонентами (датчиками и периферийными вычислителями) и решала практически все задачи КБО. В централизованной системе БЦВМ первоначально взаимодействовала с абонентами посредством аналоговых каналов. По мере замены периферийных аналоговых вычислителей цифровыми машинами и разработки датчиков с цифровым выходом, стали использоваться радиальные цифровые каналы. К недостаткам первых централизованных БВС следует отнести относительно невысокие вычислительные ресурсы БЦВМ, изготовленных на дискретных компонентах, и принципиальную невозможность реконфигурации структуры системы. Использование на борту нескольких подобных машин, как правило, приводило к резкому увеличению веса и энергопотребления.

К централизованным БВС может быть отнесена, например, вычислительная система штурмовика A-7D, которая была разработана в США в середине 60-х годов с использованием БЦВМ 4pi/TC-2 фирмы IBM. В ряде случаев для достижения требуемого вычислительного потенциала в централизованных БВС использовались мультипроцессорные конфигурации БЦВМ. Примером бортовых мультипроцессоров могут служить разработанные фирмами США на рубеже 70-х годов 4Pi/CC1, Univac 1832, RCA-215, H-4400 и некоторые другие БЦВМ.

В БВС с федеративной архитектурой каждая целевая подсистема - закрытый комплекс с собственными встроенными средствами вычислительной техники (СВТ) и автономным программным обеспечением. Федеративная БВС - это совокупность информационно-связанных машин, автономно решающих свои задачи. В федеративной БВС для выполнения основных функций образовывались подсистемы, структуру каждой из которых составляла центральная БЦВМ, выполненная на интегральных схемах, и периферийные аналоговые вычислители. С появлением на рынке микропроцессоров аналоговые вычислители уступили место цифровым. Для взаимодействия БЦВМ между собой использовались цифровые радиальные каналы передачи последовательных кодов, связь с датчиками и периферийными вычислителями внутри подсистемы производилась в основном по аналоговым каналам. Каждая БЦВМ федеративной БВС имеет связи с ограниченным числом абонентов (датчиков и приемников), относящихся к конкретной подсистеме. БВС с децентрализованной структурой получают распространение с появлением первых БЦВМ третьего поколения с приемлемыми физическими характеристиками.

Примером федеративных БВС может служить вычислительная система стратегического бомбардировщика США FB - 111, разработанная в середине 60-х годов. В составе БВС использованы две БЦВМ 4pi/CP-2 фирмы IBM с общим устройством ввода/вывода (одна машина для решения задач навигации, вторая для управления вооружением), а так же БЦВМ D26j-41в системе инерциальной навигации и БЦВМ в системе управления оптическим прицелом. Другим примером децентрализованной БВС, построенной на разнотипных машинах, можно считать первоначальный вариант бортовой вычислительной системы палубного истребителя F-14A ВМС США, разработанный на рубеже 70-х годов. В этой версии БВС все вычислительные функции распределены между шестью машинами. В подсистемах обработки сигналов РЛС, управления оружием, обработки воздушных данных, в подсистемах навигации, пилотирования и управления воздухозаборниками используются различные БЦВМ, разработанные разными фирмами. Для согласования разнотипных машин и построения БВС потребовалось разработка устройства сопряжения, включающего в свой состав БЦВМ. Существенным недостатком федеративных БВС на основе разнотипных машин (с различной архитектурой) является наличие нескольких систем программного обеспечения, что увеличивает общую стоимость и усложняет вопросы эксплуатации.

Достоинством федеративных БВС по сравнению с централизованными системами следует считать возможность распараллеливания работ по их созданию и менее жесткие требования к вычислительному потенциалу БЦВМ. Однако требования функциональных подсистем различны, и это в общем случае приводит к построению БВС на основе разнотипных машин.

Сравнение централизованной и федеративной БВС, производимое на одних и тех же задачах показывает, что по весу, объему, энергопотреблению и емкости запоминающих устройств выигрывает централизованная система. Но требованиям к вычислительным ресурсам, возможность дублирования наиболее важных задач, удобства отработки, некоторые преимущества будут на стороне федеративной БВС. Фирма Теледайн Системз в середине 70-х годов провела сравнение по 11 параметрам, в состав которых включила объем аппаратуры центрального процессора, объем аппаратуры ЗУ, использование общих полей памяти, общность программного обеспечения, уязвимость и ряд других. Сравнение показало, что централизованная и федеративная БВС (по крайней мере, на то время) были примерно равнозначны.