4. Микропроцессоры и их использование в вычислительных комплексах авиационных тренажеров

Микропроцессоры или большие интегральные схемы (МГ1БИС) представляют собой специальным образом сконструированные и изготовленные полупроводниковые кристаллы, реализующие задан­ную электронную схему. МПБИС содержат от одной до 100 тыс. логических элементов, т. н. вентилей. Благодаря этому они явля­ются универсальными программируемыми модулями, из небольшого числа которых возможно построение весьма совершенного вычисли­-

cпособностью, так как в нем применяются параллельный машинный код, который преобразуется соответствующей схемой. В обратной связи следящей системы стоит синусно-косинусный вращающийся трансформатор. Такая схема используется для обеспечения стыковки оборудования тренажера, когда необходимо сохранение реальных бортовых связей; но она сложнее рассмотренной выше и поэтому требует постоянного внимания при эксплуатации тренажера со стороны обслуживающего персонала. Во многих случаях возможно непосредственное использование напряжения переменного тока с преобразователем для обеспечения работы кабинного оборудования тренажера.

Преобразователь «код параллельный-код последовательный» применяется для обеспечения связи бортовой ЦВМ (БЦВМ) имитируемого ЛА с базовой ЦВМ тренажера в случаях когда обе машины имеют разные коды (допустим а БЦВМ L последователь гном тренажера — параллельный). При использовании БЦВМ в структурной схеме тренажера сохраняются реальные связи на борту имитируемого ЛА.

Новые конструктивные особенности современных тренажеров, основанные-на достижениях вычислительной техники, предусматривают связь ЦВМ с аппаратурой, установленной в кабине экипажа на подвижной платформе. Эта связь осуществляется при помощи мультиплексной линии передачи информации в цифровой форме. Вместо системы многожильных кабелей, которые применялись ранее в тренажерах для связи кабины экипажа с ЭВМ н пультами инструкторов, используется распределительная система, которая передает смещенные по времени цифровые сигналы, до­полненные кодами для дешифрирования и распределения по ад­ресам. Рядом со стойками базовой ЦВМ тренажера для этой цели устанавливается одна стойка ввода-вывода информации, а в стойках, размещенных на подвижной платформе, имеются субконтролеры для дешифрирования и распределения информации. Преимуществами такого принципа связи базовой ЦВМ с каби­ной тренажера считается простота сопряжения ЦВМ, гибкость в использовании информации и возможность передавать по од­ной линии связи множество сигналов, следующих в случайном порядке. Такая система связи может работать с высокой надежностью и может быть построена па базе стандартных элементов.

6.5. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСАХ АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРОВ

Микропроцессоры или большие интегральные схемы (МПБИС) представляет собой специальным образом сконструированные и изготовленные полупроводниковые кристаллы, реализующие заданную электронную схему. МПБИС содержит от одной до 100 тыс. логических элементов, т.н. вентилей. Благодаря этому они являются универсальными программируемыми модулями, из небольшого числа которых возможно построение весьма совершенного вычислительного комплекса. Этот комплекс может выполнять функции, аналогичные традиционным ЭВМ. Однако МПБИС обладают исключительно малыми размерами: занимаемая площадь не превышает 100 см², а масса 50-60 г. Таким образом, микропроцессоры (МП), полностью удовлетворяя поставленным выше требованиям (в ряде случаев – лучше мини-ЭВМ), позволяют создать высокоэффективный вычислительный комплекс с весьма малыми габаритами. Относительная стоимость их, характеризуемая отношением затрат к вычислительной мощности, сегодня является наиболее низкой среди подобных электронных устройств. Так же мала потребляемая мощность, что весьма важно для тренажеров, требующих для работы большое количество электроэнергии.

МПБИС обладают значительной помехоустойчивостью, высоким уровнем надежности. Согласно иностранным источника, вероятность возникновения дефектов в соединении элементов внутри кристаллов почти на порядок (точнее, в 7-8 раз) меньше, чем в обычных ЭВМ.

В зависимости от конструкции кристаллов МПБИС делятся на два класса: на вычислители с фиксированным набором команд и на гибкие ЭВМ с программным управлением. С помощью последних могут быть реализованы многочисленные команды, необходимые для выполнения конкретной программы. Тем самым совершенно по-новому, значительно проще осуществляется процесс программирования.

Микропроцессоры позволяют реализовывать значительно бо­лее сложные и точные алгоритмы. При использовании тради­ционной схемотехники приходится упрощать алгоритмы моделирова­ния по сравнению с теоретически необходимыми для описания имитируемого объекта. Так, например, осуществляется линеариза­ция уравнений, ряд важных факторов исключается из рассмотре­ния. Применение МПБИС позволяет не делать этого, что значи­тельно расширяет имитационную модель, повышает ее адекват­ность.

В состав типового МП входят: арифметико-логическое устройство, схема управления и синхронизации, сверхоперативное запоминаю­щее устройство, программный счетчик, адресный магазин, регистр команд, дешифратор кода операции, параллельные шины ввода- вывода, схемы управления памятью и вводом-выводом.

Однако, как это обычно бывает, ни одно новшество не характе­ризуется одними лишь преимуществами. Имеют недостатки и микро­процессоры. Их разработка и внедрение связано с необходимостью решение ряда сложнейших проблем. Проектирование и отладка традиционными методами требуют больших затрат времени и сил. По оценкам, приведенным в литературе, разработка модуля, содержащего 100 тыс. вентилей, «ручным» способом требует 60 человеко-лет; столько же сил потребовала бы отладка. Поэтому проектирование должно осуществляться только автоматизированным образом, с помощью ЭВМ. Отладка МПБИС, особенно работающих в реальном масштабе времени, требует специальных программных средств и аппаратуры. Специальные средства требуются также при обслуживании микропроцессоров. Только при наличии всех этих условий возможна реализация преимуществ, связанных с использованием МПБИС.

Установлено, что наибольший выигрыш имеет место тогда, когда используется многопроцессорный вычислительный комплекс: каждый отдельный процессор реализует какой-либо модуль или блок общей структуры математического обеспечения. Однако это не всегда легко достижимо, так как не всякий сложный многозвенный алгоритм можно распараллелить во времени.

Применение распределенной многопроцессорной системы экономически более выгодно, чем использование большой ЭВМ, обладающей к тому же выскокой стоимостью и более низкой надежностью. Микропроцессоры должны отрабатывать необходимые программы параллельно. Разработка программного обеспечения также упрощается и удешевляется, сокращаются сроки проектиро­вания имитирующеи вычислительной системы. Поскольку разраба­тываются более мелкие блоки программы, работа программистов облегчается. Однако серьезные требования предъявляются к систем­ному программированию, от успешности которого зависит успех всей работы.

До 1980—1981 гг. зарубежные фирмы, создающие авиацион­ные тренажеры, с некоторой осторожностью относились к МПБИС. В 1982—1984 гг. положение резко изменилось. В печати появи­лись сообщения о большом числе исследовательских работ, ве­дущихся широким фронтом. Ряд фирм начали создавать отдель­ные имитаторы-модули на микропроцессорах. Так фирма «Зингер- Линк» в начале 1982 г. сообщила о создании СИВВО «Image», выполненной на базе распределенной многопроцессорной системы. Эта система сопрягается с тренажерами других типов, изго­товляемых различными фирмами и заменяет прежние системы визуализации, базирующиеся на ЦВМ.

Исследование фирмы «Боинг» (1982 г.) показали эффективность микропроцессоров для решения в реальном времени задач моделирования динамики движения ЛА, имитация подвижности с помощью 6-степенной системы и, что очень важно, синтеза визуальной обстановки. В частности, было показано, что на МП того времени можно было решать систему уравнений динамики движения ЛА с циклом 30-50 мс и отображать графическую информацию с частотой кадра 3-5 Гц.

В конце 80-х годов на базе МП создают модули-имитаторы пилотажно-навигационного оборудования, бортовых РЛС, воспроизведения акустических эффектов; с помощью МП создаются загрузочные устройств, системы управления подвижностью СИВВО. Наиболее важная особенность применения МП – вычислительные сети. Получили распространение два типа сетей:

- смешанные, в которых мини-ЭВМ сопрягаются с несколькими МП

- однородные, использующие только МП

В сети первого типа в качестве основного вычислителя используется центральная ЭВМ, снабженная соответствующими внешними устройствами: устройством ввода, накопителями, дисплеем, пультом управления, алфавитно-цифровым печатным устройством (АЦПУ). Через интерфейсные схемы и каналы связи подключаются МП (обычно два-четыре), которые реализуют отдельные модули АТ. В качестве центрального вычислителя обычно используются мощные мини-ЭВМ.

Перспективным направлением организации однородной сети является новая технология микромоделирования, в которой используется архитектура функционально распределенного вычисления на базе одинаковых МП. Появление указанной технологии стало возможным благодаря тому, что современные МП (например 32-разрядный «Intel 80386» с производительностью свыше 1 млн. операций в секунду) имеют такое же быстродействие, как и наилучшее ЭВМ. Каждая часть общего процесса моделирования (динамика полета, имитация визуальной обстановки, подвижности и т.д.) полручается отдельному МП-модулю. Роль управляющего устройства также выполняет МП, совмещенный с пультом инструктора. Все МП связаны общей информационной шиной. Каждый МП имеет собственные схемы ввода-вывода. Структура имеет возможность обновляться или настраиваться без разрушения системы.

Первым К.АТ построенным по описанной схеме, явился тренажер транспортного самолета А-300-600 для Таиландской авиакомпании, созданный фирмой «Зингер-Линк». Вычислительная сеть организо­вана на базе МП «Intel 80386» и «Intel 80387».

Фирма «Зингер-Линк» выпускает СИВВО «Image III», в состав которой входит восемь МП и дисковый накопитель «Винчестер» . емкостью 30 мбит, достаточный для хранения данных 100 аэро­дромов или зон моделирования. Еще более совершенной является СИВВО «Image IV», построенная на локальной вычислительной сети, объединяющей (в зависимости от задач) от 8 до 16 МП. Характерно, что эти системы устанавливаются всеми тренажерны­ми фирмами.

Многопроцессорная архитектура на основе 32-разрядных МП «Моторола 68000» используется и в СИВВО «Vital II» фирмы «Мак-Доннел-Дуглас».

6.6. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ ТРЕНАЖЕРОВ 80-х ГОДОВ

По оценкам некоторых источников, быстродействие ЭВМ, необхо­димое для моделирования в АТ задач динамики и визуальной обстановки, составляет 2 5 операций в сек. Однако такие ЭВМ стоять черезвычайно дорого.

Поэтому они в авиационных тренажерах не могут быть применены.

Распределенные структуры вычислительной системы значительно

дешевле. Эта структура хорошо согласуется с модульным принципом построения АТ. Это позволяет разрабатыватьавтономные стандартные блоки и получать в результате эффективную модульую конструкцию и программное обеспечение.

В зарубежном тренажеростооении построения вычислительных сетей несколько направлений, что большинство тренажерных АПМ. Интересно отметить, либо одном направлении осталось на каком из них, использует по меньшей мере два

Одно из направлений основано на трех высокопроизводительных 32-разрядных

Супер-Мини ЭВМ. Обладают производительностыо 2,5—4 и более млн. операций в секунду.

Обладает информационной шиной , гибкой памятью и рядом других характерных моментов, еще больше повышающих ее эффективность. На освоение этой сети фирмы «Редифон», «Томсон», «Зингер» и «КАЕ» (Канада) затратили около 3-х лет. К 1988 г. построено более 120 КАТ на таких сетях. Программирование ведется на языках высокого уровня. Широко внедрен САПР.

Около 25 КАТ построено на смешанной сети, включающей мини-ЭВМ типа «Гоулд» и микропроцессоры.

Фирма «КАЕ» с 1980 г. построила 33 КАТ, использующих в вычислительной сети более дешевые ЭВМ типа «VAX 11/780». Отметим, большинство этих тренажеров сертифицировано по II ка­тегории ФАА. В 1986—1987 гг. эта же фирма построила несколько тренажеров на базе ЭВМ «VAX 8500».

Однородные микропроцессорные сети пока строит только

фирма «Зингер-Линк».

В заключение укажем, что имеет место высокая степень

стандартизации и унификации сетей.