Вычислительные системы авионики четвертого поколения.

Разработка интегрированной цифровой авионики (условно относящейся к авионике четвертого поколения) началось в США на рубеже 90-х годов. Для этого поколения характерно, что наряду с интеграцией цифровой части авионики проводится интеграция сенсорной части (интеграцию датчиков), которая является доминирующей в конечной стоимости, массогабаритных характеристиках, потребляемой мощности и надежности авионики. Кроме того, в этом поколении в отношении вычислительных средств большие усилия направляются на улучшении сетевого взаимодействия, внедрению оптических высокоскоростных переключательных сетей и построенных на их основе суперкомпьютеров.

Определяющим моментом в этой архитектуре является использование централизованной высоко интегрированной открытой масштабируемой вычислительной среды, - высокопроизводительной вычислительной системы (сетевой архитектуры), построенной на специально спроектированных высокопроизводительных бортовых мультипроцессорах и единой унифицированной сети передачи данных. При построении вычислительной среды ориентация делается на применение отработанных коммерческих интерфейсов и компонент. В качестве физической среды передачи информации предполагается использовать волоконно-оптические каналы, что не только обеспечивает высокие скорости передачи данных, но и повышенную надежность передачи информации. Объединение матричных коммутаторов с последовательными высокоскоростными шинами позволяют получить высокопроизводительные системные соединения, обеспечивающие создание высокопроизводительных вычислительных сред с требуемыми ресурсами за счет большой масштабируемости. Кроме того, данная архитектура позволяет добиться высоких показателей надежности за счет поддержки горячего резерва переключающей структуры, динамической конфигурируемости при отказах в модулях, резервирования линий связи, использовании различных механизмов защиты и т. д.

Одной из ключевых проблем построения перспективных бортовых средств вычислительной техники является решение проблемы перехода к унифицированному протоколу взаимодействия и построению на его основе унифицированной бортовой сети. Унифицированная сеть будущей авионики в общем случае должна:

• обеспечивать высокую скорость передачи информации и малую задержку,

• быть масштабируемой,

• поддерживать как электрические, так и оптическую среды передачи информации,

• поддерживать вычисления в реальном времени

• характеризоваться невысокой стоимостью.

К вычислительным системам авионики четвертого поколения относятся БВС самолетов F-22 и F-35 (JSF), которые будут подробно обсуждаться в разделе 2.4..

2.2. Бортовые цифровые вычислительные машины.

Цифровые вычислительные машины появились в составе бортового оборудования самолетов на рубеже 60-х годов прошлого столетия. По данным специалистов США, уже на протяжении 60-х годов требования к объему запоминающих устройств, быстродействию БЦВМ и пропускной способности устройств ввода/вывода выросли примерно на два порядка [4]. Повышение вычислительного потенциала БЦВМ обеспечивалось путем усложнения архитектуры машины (что связано с увеличением оборудования) и совершенствования элементной базы. Анализ динамики изменения характеристик БЦВМ на примере гипотетических машин с одинаковыми логическими возможностями, реализованными одинаковыми объемами оборудования, проведенный фирмой CDC [5], показал, что за десять лет (1962 – 1972 годы):

• Физический объем уменьшился примерно в 20 раз,

• Вес уменьшился примерно в 13 раз,

• энергопотребление снизилось примерно в 10 раз,

• Цикл выполнения операции снизился примерно в 40 раз,

• Время наработки на отказ увеличилось примерно в 45 раз.

К началу 70-х годов фирмами США было разработано около 150 различных модификаций БЦВМ для построения КБО самолетов, ракет и космических аппаратов. Разработкой БЦВМ в 60-х годах в США занимались:

• Фирмы – изготовители стационарных машин (IBM, CDC, Барроуз, Юнивак и др.), создававшие БЦВМ общего назначения,

• Фирмы – изготовители авиационного оборудования на базе БЦВМ (Хьюз, Литтон, Ханиуэл), создававшие машины в основном для конкретного применения,

• Фирмы – разработчики элементов систем вооружения (Рейтеон, Сингер, Нортроп и др.)

На протяжении 60-х годов характеристики БЦВМ были усовершенствованы существенным образом. Быстродействие машин увеличилось более чем на порядок и стало измеряться сотнями тысяч операций в секунду. До разумного предела расширена номенклатура выполняемых операций. Цикл обращения к оперативной памяти сократился до величины 0,5 – 0,7 микросекунд, а емкость памяти увеличилась до 64К, а в ряде разработок и до 256К.

Однако требования, которые КБО предъявлял к вычислительным ресурсам БЦВМ, могли быть обеспечены далеко не всегда, несмотря на ощутимое повышение вычислительного потенциала машин и улучшение их эксплуатационных характеристик. Поэтому при построении БВС (и первую очередь по централизованной схеме) в 60-х годах зачастую использовались мультипроцессорные БЦВМ. К числу подобных машин можно отнести, например, БЦВМ 4Pi/CC-1 (IBM), БЦВМ Univac1832 и Univac1616 (Юнивак), БЦВМ RCA-215 (RCA), БЦВМ H4400 (Хьюз) и ряд других машин [6].

При организации структуры мультипроцессоров в 60-х годах использовались централизованная и децентрализованная коммутация. В первом случае все абоненты (процессоры и каналы обмена) подключались к памяти через общую магистраль, а дисциплина их обслуживания осуществлялась специальным устройством. Во втором случае каждый модуль памяти определял дисциплину обслуживания абонентов, обращающихся, как правило, по индивидуальной магистрали.

БЦВМ 4Pi/CC-1была разработана для бортовых навигационных систем. Структура машины представляет собой двухпроцессорную конфигурацию со сдвоенным каналом УВВ, в которой один из процессоров дублирует работу другого (рисунок 2.5). В структуре машины содержится восемь модулей памяти. Каждый абонент имеет свою магистраль, а дисциплину подключения определяет многовходовой блок памяти. Связь процессоров с внешней памятью осуществляется с помощью быстрого канала.

Рис 2.5

Децентрализованная коммутация была использована при построении структуры БЦВМ Univac1832, которая использовалась в системе поиска и навигации самолета S-3A.

Централизованная коммутация была использована при построении БЦВМ RCA-215, в структуре которой используется распределитель сигналов (рисунок 2.6), обеспечивающий взаимодействие четырьмя модулями процессора, четырьмя модулями УВВ и восемью модулями памяти. Аналогичным образом организована структура и БЦВМ H4400, построенная с использованием процессора – коммутатора.

Рис 2.6

Быстродействие машины в известной мере обусловлено памятью. До середины 80-х годов в структуре БЦВМ доминировала память на магнитных сердечниках, сохраняющая информацию при отключении питания. В основном для построения ЗУ использовались так называемые TIN – сердечники, то есть температурно независимые сердечники с внешним диаметром 0,32 мм и усилители записи/считывания, позволяющие производить прошивку одним проводом до 64 тысяч сердечников. Цикл работы подобных ЗУ был порядка 300 нсек, что в основном соответствовало быстродействию процессоров БЦВМ того времени. Фирма IBM в 70-х годах разработала опытный образец памяти на сердечниках с внешним диаметром 0,18 мм, цикл работы которого был снижен до 120 нс. Однако, эта память оказалась малопригодной для серийного производства – прошить 64 тысячи сердечников тремя проводами оказалось практически невозможным. Были отдельные разработки ЗУ на тонких магнитных пленках и проволоке. ЗУ на минипроволоке (диаметром 0,05 мм) из бериллиевой бронзы не теряют информацию при отключении питания и радиационностойки, но цикл их работы можно уменьшить лишь до 100 наносекунд. Таким образом возможности магнитных носителей как основы для построения оперативной памяти БЦВМ к середине 70-х годов были полностью исчерпаны.

К середине 70-х годов фирмами США для КБО самолетов F-15, F-16, B-1,а к концу 70-х годов для КБО самолета F/A-18 были разработаны БЦВМ общего назначения SKC-2070, CP 1075/AYK, М362F и AN/AYK-14. Структура этих машин была реализована на микросхемах со средним уровнем интеграции, а в структуре AN/AYK-14 были использованы 4-разрядные микропроцессорные секции AMD2901. Производительность этих машин практически была максимально возможной для памяти на магнитных сердечниках и оценивалась величиной прядка 0,350,40 млн. оп/сек.

В конце 70-х по инициативе министерства обороны США были начаты работы по программе VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit), целями которой было определено создание сверхскоростных интегральных схем (ССИС) с высоким уровнем интеграции. Эти схемы предполагалось использовать для построения средств вычислительной техники и другого электронного оборудования КБО самолетов нового поколения и перспективных систем управляемого оружия.

Первый этап программы предусматривал создание в 1984 году ССИС с интеграцией порядка 100000 элементов и топологическими нормами порядка 1,25 мкм с показателем функциональности кристалла не ниже 510¹¹ вентильГц/см² при тактовой частоте 510 Мгц.

Второй этап завершался в 1986 году завершался разработкой макетов систем военного назначения, структура которых реализуется на основе микросхем первого поколения. Другая задача второго этапа заключалась в отработке технологии изготовления ССИС с интеграцией порядка 300000 элементов и топологическими нормами порядка 0,5 0,7 мкм с критерием качества кристалла до 110¹³ вентильГц/см² при тактовой частоте 40 – 100 МГц.

Основной целью третьего этапа являлась создание новых устройств и архитектур на базе полученных кристаллов ССИС.