Книги / Книга Проектирование ВПОВС (часть 2)
.pdf
681.325.5 ( 07 ) № 4442-2
С 232
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В Г. ТАГАНРОГЕ
КАФЕДРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
В.Е. ЗОЛОТОВСКИЙ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ (Часть 2)
Первый заместитель руководителя |
|
ТТИ ЮФУ |
Обуховец В. А. |
Декан факультета автоматики |
|
и вычислительной техники |
|
ТТИ ЮФУ |
Вишняков Ю. М. |
Зав. кафедрой ВТ |
|
ТТИ ЮФУ |
Гузик В. Ф. |
ФАВТ
Таганрог 2011
УДК 681.3(075.8)+681.324(075.8)
Р е ц е н з е н т ы:
д-р тех. наук, профессор кафедры «АСТП летательных аппаратов» Военного института ракетных войск Коханенко И.К.;
канд. тех. наук, директор Таганрогского филиала ОАО НИИ
“Системотехники” Гречишников А.И.
Золотовский В.Е. Проектирование высокопроизводительных проблемно-
ориентированных систем. Ч. 2. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. – 356 с.
В данной книге рассматривается методика и основные методы проектирования систем на принципах аппаратных подпрограмм.
Рассматриваются задачи, проблемы и методы такого проектирования. Широко рассматриваются области применения данного подхода. Системы ориентированы на гидроакустические методы первичной и вторичной обработки сигналов.
Табл. 25. Ил. 104. Библиогр.: 96 назв.
© ТТИ ЮФУ, 2011
© В. Е. Золотовский, 2011
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. |
6 |
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ЛОЦИРОВАНИЯ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ................ |
9 |
1.1. Исследование существующих алгоритмов определения координат |
|
подводных объектов ................................................................................................ |
9 |
1.1.1. Модели распространения акустических пучков ..................................... |
9 |
1.1.2. Линейные модели распространения ультразвуковых волн ................. |
13 |
1.2. Нелинейные математические модели ультразвуковых пучков ................. |
18 |
1.2.1. Лучевая акустика ...................................................................................... |
26 |
1.3. Математические модели сигнала и помехи на антенной решетке ............ |
35 |
1.3.1. Модель принятого сигнала на антенной решетке ................................. |
35 |
1.3.2. Модель шумовой помехи на антенной решетке.................................... |
37 |
1.3.3. Погрешности алгоритмов определения угловых координат ............... |
39 |
1.4. Математическая постановка задачи пространственного разрешения |
|
угловых координат источников............................................................................ |
41 |
1.5. Разработка и анализ численных алгоритмов................................................ |
44 |
1.5.1. Формирование матрицы взаимных корреляционных моментов ......... |
44 |
1.5.2. Алгоритм определения собственных значений..................................... |
45 |
1.5.3. Нахождение собственного вектора......................................................... |
49 |
1.5.4. Вычисление значений многочлена ......................................................... |
52 |
1.5.5. Оценка вычислительных затрат.............................................................. |
52 |
ГЛАВА 2. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ |
|
СИСТЕМЫ ................................................................................................................. |
57 |
2.1. Классификация Флинна ................................................................................. |
57 |
2.2. Архитектура традиционных ЭВМ................................................................. |
58 |
2.3. Классификации архитектур параллельных систем ..................................... |
66 |
2.4. Кластеры рабочих станций ............................................................................ |
75 |
2.5. Мультипроцессорные и мультикомпьютерные системы ........................... |
77 |
2.6. Сосредоточенные многопроцессорные системы......................................... |
78 |
2.7. Методы представления данных и высокоскоростные операционные |
|
устройства............................................................................................................... |
78 |
2.7.1. Классификация систем на основе структурных данных ...................... |
80 |
2.7.2. Двоичные высокоскоростные операционные устройства................... |
88 |
2.7.3. Высокоскоростные умножители............................................................. |
95 |
ГЛАВА 3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА С ПЕРЕМЕННОЙ |
|
РАЗРЯДНОСТЬЮ ................................................................................................... |
114 |
3.1. Код опережающий ........................................................................................ |
114 |
3.2. Выполнение арифметических операций в коде опережающий перенос 115 |
|
3
3.2.1. Выполнение операции суммирования.................................................. |
115 |
3.2.2. Выполнение операции вычитания ........................................................ |
117 |
3.2.3. Параллельный перенос в системах с произвольной разрядностью .. |
120 |
3.3. Умножение в коде "опережающий перенос" ............................................. |
125 |
3.3.1 Организация полноразрядного умножения полей ............................... |
128 |
3.4. Параллельная обработка массива групп..................................................... |
141 |
3.4.1. Параллельный перенос в системах с произвольной разрядностью .. |
141 |
3.4.2. Конвейерный сумматор в последовательной системе с произвольной |
|
разрядностью .................................................................................................... |
145 |
3.4.3. Векторная схема множительного устройства...................................... |
148 |
3.4.4. Матричная схема множительного устройства ................................... |
152 |
3.4.5. “Длинные” вычисления на матричной схеме умножения................. |
161 |
3.5. Высокоскоростные операционные устройства с переменной |
|
разрядностью в знакоразрядных системах счисления ..................................... |
165 |
3.5.1. Представления чисел в знакоразрядных системах ............................. |
165 |
3.5.2. Преобразование двоичных чисел в избыточную систему счисления, |
|
начиная с младших разрядов........................................................................... |
166 |
3.5.3. Преобразование двоичных чисел в избыточную систему счисления, |
|
начиная со старших разрядов.......................................................................... |
173 |
3.5.4. Простейшие методы перевода чисел из двоичной в двоично- |
|
избыточую систему счисления, начиная со старших разрядов ................... |
192 |
3.5.5. Обратное преобразование числа из избыточной двоичной |
|
знакоразрядной системы счисления в двоичную систему счисления ........ |
193 |
3.6. Выполнение арифметических операций в знакоразрядной избыточной |
|
двоичной системе счисления (ДИЗСС) с произвольной разрядностью......... |
194 |
3.6.1. Сложение чисел в ДИЗСС ..................................................................... |
194 |
3.6.2. Построение таблицы истинности последовательного сумматора .... |
200 |
3.6.3. Последовательный сумматор в ДИЗСС ............................................... |
203 |
3.6.4. Параллельный сумматор в ДИЗСС....................................................... |
212 |
3.6.5. Умножение в ДИЗСС. ............................................................................ |
218 |
3.6.6. Параллельно-последовательный умножитель..................................... |
222 |
3.6.7. Последовательно-последовательное устройство умножения на |
|
параллельном сумматоре ................................................................................. |
226 |
4. ВЫЧИСЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ФУНКЦИЙ С АРГУМЕНТАМИ, |
|
ПРЕДСТАВЛЕННЫМИ ПОЛЯМИ ...................................................................... |
234 |
4.1. Вычисление значений функций разложением в ряд ................................. |
236 |
4.1.1. Вычисление значений показательной функции .................................. |
238 |
4.1.2. Вычисление логарифмической функции ............................................ |
242 |
4.1.3. Вычисление тригонометрических функций ........................................ |
243 |
4
4.1.4. Вычисление гиперболических функций .............................................. |
245 |
4.2. Итерационные схемы вычисление значений функций ............................. |
250 |
4.2.1. Вычисление обратной величины .......................................................... |
252 |
4.2.2. Вычисление обратной величины квадратного корня ......................... |
256 |
4.3. Операционные узлы вычислителя значений функций.............................. |
257 |
4.3.1. Двоично-кодированные системы.......................................................... |
258 |
4.3.2. Организация представления данных и выполнение основных |
|
операций в коде «опережающий перенос» .................................................... |
259 |
4.4. Организация операционных устройств вычислителя значений функций |
|
................................................................................................................................ |
271 |
4.4.1. Устройство сдвига на число разрядов меньшее группы .................... |
271 |
4.4.2. Устройство параллельного сдвига........................................................ |
272 |
4.4.3. Устройство сдвига на кратное число групп......................................... |
274 |
4.4.4. Устройство умножения на числа произвольного формата ................ |
275 |
4.4.5. Устройство реализации итеративного цикла при вычислении функций |
|
............................................................................................................................ |
278 |
5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АРХИТЕКТУР |
|
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ |
|
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ .......................................................................... |
282 |
5.1. Синтез операционного элемента ................................................................. |
283 |
5.2. Разработка структуры обобщённого вычислителя.................................... |
296 |
5.3. Организация синхронных проблемно-ориентированных систем с узловым |
|
распараллеливанием ............................................................................................ |
311 |
5.4. Организация и исследование асинхронных систем с узловым |
|
распараллеливанием и программным управлением......................................... |
339 |
5.4.1. Организацию вычислений в асинхронной интегро- |
|
дифференцируищей системе ........................................................................... |
340 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................... |
350 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Многие важные с теоретической и практической точек зрения проблемы современной науки и техники с каждым годом предъявляют все более разнообразные и часто противоречивые требования к средствам вычислительной техники. Основные усилия разработчиков ЭВМ направлены на повышение производительности, надежности, технологичности, на создание математического обеспечения (МО) ЦВМ.
Наряду с требованием высокого быстродействия, увеличения объема памяти, микроминиатюризации, современные ЭВМ характеризуются новыми свойствами и техническими параметрами – совместимостью на всех уровнях,
надежностью, разнообразием интеллектуальной периферии.
Одним из основных, наиболее перспективных и важных направлений развития цифровой вычислительной техники является разработка мульти-
процессорных систем с параллельной обработкой информации. Различным аспектам построения высокопроизводительных вычислительных устройств в последние годы посвящено большое количество фундаментальных исследований [2–7, 9, 14, 15, 17–22, 25, 27–30, 35, 37].
При разработке вычислительных машин, в особенности предназначенных для решения задач цифрового моделирования и управления, картогра-
фирования, необходимо удовлетворять множеству требованиям: парал-
лельности реализации вычислительных процессов, перестраиваемости внутренней структуры, повышенной надежности и живучести, работы в реальном и ускоренном масштабах времени, конструктивно-технологической однородности и ряду других. Здесь следует отметить, что наряду с этим существенно возрастает сложность цифровой реализации методов обработки получаемых данных. Их вычислительная сложность во многих случаях не позволяет вести обработку исходных данных в темпе реального времени, что сдерживает их применение на практике.
Разработка методов, позволяющих расширить вычислительные возможности алгоритмов и как, следствие, увеличить точность, очень
6
существенна вообще, но особенно при определении координат подводных объектов.
Основными критериями любой системы наблюдения являются количество полученной информации об объекте и время, за которое эта информация была получена. При прочих равных условиях всегда эффективнее использовать ту систему, которая предоставляет наблюдателю максимум полезной информации за наименьшее время. Это характерно для любых систем,
но особенно важно при гидроакустических исследованиях, связанных |
с |
|
определением пространственного положения подводных объектов, |
что |
|
связано с невысокой |
точностью измерений, вытекающей из физики |
|
распространения звуковых колебаний в водной среде. Действительно, во всех волновых процессах (гидроакустика, радиолокация, оптика) определяющим является критерий Рэлея, т.е. отношение длины волны излученного сигнала к
размерам самой антенны D. Чем меньше величина /D, тем меньше погрешность в определении координат и тем выше их точность.
Соотношения /D в различных областях локации.
Раздел |
Характерная длина |
Отношение /D |
|
волны при локации , м |
|
|
|
|
Гидроакустика |
0,15 |
0,015 |
Радиолокация |
0,01 |
0,001 |
Оптика |
5 10– 7 |
5 10– 78 |
Сравнивая величины отношения /D (при D = 10 м) для гидроакустики,
радиолокации и оптики соответственно (табл. 1.1) увидим, что в гидроакустике она наибольшая из всех трех (и соответственно наименьшая точность), это и объясняет необходимость повышения точности в процессе гидроакустических исследований. В книге рассматриваются вопросы построения ПОВС,
позволяющих повысить точность определения угловых координат объектов.
Традиционно точность определения координат обеспечивалась за счет построения гидроакустических антенн с малым раскрывом характеристики направленности и созданием многоантенных комплексов с длинной базой.
7
Минимальная ширина характеристики направленности для классических интерференционных гидроакустических антенн [37, 40, 45] составляет 1 2 и
0,5 2 – для параметрических антенн, при этом данные величины являются предельными для одиночных антенн. Многоантенные комплексы обеспечивают несколько более высокую точность измерений, чем одноантенные (около 0,2
0,3 ), за счет применения триангуляционного и параллактического методов измерений, однако на практике они реализуются редко. (Из существующих можно отметить систему пассивного наблюдения за подводными лодками
«Ceasar» ВМС США, расположенную по береговой линии Средиземного моря).
Тем не менее даже погрешность в 0,2 градуса является иногда недостаточной для практических целей.
Повышение точности измерения координат напрямую затрагивает проблему визуализации акустической информации. В настоящее время визуализация наиболее широко применяется только в медицине [63] в качестве альтернативы использования рентгеновских лучей. Для обеспечения высокой разрешающей способности там используются сверхвысокочастотные звуковые пучки (с частотами около 1 10 МГц ), однако из-за высокого затухания глубина сканирования не превышает десятков сантиметров. В гидроакустике при лоцировании подводных объектов применяются методы акустической голографии [1], в которых обычно используются электронно-оптические методы обработки информации. Данные системы работают на частотах 200 – 300 кГц, обеспечивают дальность действия около 100 – 200 м и позволяют получать изображения с максимальным угловым разрешением около 0,3° 0,5° (что на максимальной дальности соответствует линейным размерам 1 1,5 м).
Все эти недостатки и ограничения традиционного подхода и обусловили разработку специализированных алгоритмов, обеспечивающих высокую точность определения угловых координат источников сигналов.
Параграфы 1.3, 1.4, 3.4 и 4.1 4.3 написаны совместно с Гильвановым
М.Ф.
8
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ЛОЦИРОВАНИЯ ПОДВОДНЫХ
ОБЪЕКТОВ
1.1. Исследование существующих алгоритмов определения координат
подводных объектов
1.1.1. Модели распространения акустических пучков
Метод ультразвуковой визуализации широко используется в различных областях человеческой деятельности и заключается в получении изображений элементов различных тел с помощью ультразвуковых волн. Эта задача возникает: при локации, дефектоскопии, в медицинской диагностике,
криминалистике и т.п. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].
В процессе визуализации исследуемое пространство облучается ультразвуковым пучком. Затем путем соответствующей обработки отраженного сигнала строится искомое изображение или выделяется необходимая информация. Качество получаемого изображения определяется техническими характеристиками ультразвуковых систем, которые характеризуются следующими основными параметрами: пространственной разрешающей способностью, контрастной разрешающей способностью, а также однородностью поля обзора.
Разрешающая способность обеспечивает возможность различать типы,
видеть тонкие структуры и другие неоднородности в присутствии очень ярких отражателей. Другими словами, повышение разрешающей способности системы увеличивает возможность дифференцирования деталей среды и других структур, что представляет крайне важную информацию. Однородность изображения характеризуется уровнем разрешения по всему полю обзора. В
случае слабой однородности наблюдается высокое качество изображения в одних областях наряду с «размазанностью и полной потерей детализации» в
остальных зонах поля обзора [5, 8, 9].
Перечисленные параметры систем визуализации зависят как от характеристик зондирующего пучка, формируемого ультразвуковым преобразователем, так и от качества обработки отраженного сигнала.
9
В настоящее время большинство научных исследований посвящено именно усовершенствованию методов обработки отраженных сигналов [2, 10,
11]. Наиболее существенные результаты в этом направлении получены методом компьютерной сонографии [5]. Система компьютерной сонографии позволяет извлечь максимальный объем диагностической информации из отраженного сигнала. Однако этот подход требует разработки очень сложного и поэтому дорогостоящего математического и программного обеспечения, что приводит к значительному удорожанию гидроакустических систем визуализации. В то же время необходимо отметить, что изображение, получаемое при использовании компьютерных методик улучшения изображения, не всегда соответствует реальному, так как оно строится с использованием различных аппроксимаций.
Другая возможность повышения качества ультразвуковых изображений,
связанная с оптимизацией параметров ультразвукового пучка, в современной научной литературе освещена в меньшей степени [12, 13]. В то же время данный подход представляется более перспективным, поскольку направлен на улучшение непосредственного процесса получения информации.
Известно, что разрешающая способность зондирующего пучка тем выше,
чем уже пучок [13, 5, 6, 14, 15]. Таким образом, для получения высококачественных ультразвуковых изображений необходимо решить задачу формирования узких, высоконаправленных звуковых пучков. В дальнейшем под узким, высоконаправленным пучком понимается ультразвуковой пучок,
при котором обеспечивается однородность обзора независимо от расстояния наблюдения.
В настоящее время применяются следующие методы повышения направленности ультразвуковых пучков: использование ультразвуковых преобразователей с малой апертурой, повышение рабочей частоты преобразователя, использование различных методов фокусировки, применение параметрических излучателей.
Использование ультразвуковых преобразователей с малой апертурой является наиболее простым методом получения узких зондирующих пучков,
10