20

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОНІКИ ТА СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ

Филяшкин Н.К.

Бортовая цифровая вычислительная машина

«Орбита» - 20

(Учебное пособие)

Киев 2010

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БЦВМ.

Бортовая цифровая вычислительная машина ЦВМ-Орбита 20 работает в составе пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) и предназначена для вычисления и выработки управляющих и командных сигналов, не­обходимых для решения основных задач ПНК. Решение задач в БЦВМ осуществляется в соответствии с алгоритмами, которые реализуют математические и логические операции по определенным программам.

БЦВМ семейства “Орбита” созданы ЛНПОЭА (ОКБ “Электроавтоматика”, С.-Петербург). В составе семейства - более десяти модификаций, имеющих одинаковое быстродействие и различающихся составом устройств ввода-вывода и емкостью памяти. В базовой модели используется ОЗУ емкостью 1024 слова, ПЗУ емкостью 16К слов и ЭЗУ емкостью 256 слов. БЦВМ семейства “Орбита” - 16-разрядные, их быстродействие в формате R-S и R-R равно 62,5 и 125 тыс. оп./с. Наработка на отказ, масса и энергопотребление зависят от конфигурации машины и находятся в пределах 250 … 500 ч, 90 … 60 кг и 1500 … 500 Вт соответственно.

В процессе решения задач ПНК ЦВМ-Орбита 20 обеспечивает:

• преобразование пилотажно-навигационной информации, которая поступает от датчиков и систем, к виду удобному для ее обработки в вычислительном устройстве;

• управление работой датчиков и устройств отображения информации;

• контроль состояния систем и устройств комплекса и значений параметров полета.

ЦВМ-Орбита 20 относится к классу БЦВМ второго поколения.

В структуре БЦВМ второго поколения начинают использоваться элементы конвейеризации, обеспечивающие совмещение в выполнении операций, процессоры, содержащие более совершенные сумматоры и специальные устройства для выполнения операций умножения, деления и вычисления элементарных функций.

Взаимодействие с абонентами БЦВМ первого и второго поколений производится через устройство сопряжения, которое содержит необходимый набор преобразователей “аналог - цифра” и “цифра - аналог”, так как бортовая аппаратура ЛА, на которых устанавливались эти БЦВМ имела в основном аналоговый интерфейс.

Устройства сопряжения конструктивно выполнялись или в виде автономного блока, взаимодействующего с машиной по цифровому каналу, или интегрировались с БЦВМ, образуя устройство ввода-вывода. Для обмена последовательными кодами и разовыми командами в БЦВМ второго поколения вводятся каналы типа ARINC-429 (ГОСТ 18977 - 79).

Структура ЦВМ-Орбита 20 реализуется на интегральных схемах, но остается детерминированной и трудно модернизируемой, т.е., по существу, закрытой. Для написания программ используются языки уровня ассемблера, а для их отработки - специальные отладочные комплексы, объединяющие БЦВМ с инструментальной вычислительной машиной.

ЦВМ-Орбита 20 относится к классу БЦВМ с фиксированной точкой.

Числа в БЦВМ могут представляться с фиксированной точкой или с плавающей точкой. В первом случае (фиксированная точка) положение отделителя дробной части числа закреплено в последовательности разрядов, но сам отделитель явно не кодируется. Во втором случае (плавающая точка) число представлено мантиссой и порядком и определяется выражением

Ма^р.

где М- число, представляющее мантиссу; а - основание системы счисления, р - число, называемое порядком.

Мантисса обычно представляется как число с фиксированной точкой. Точность представления числа определяется разрядностью мантиссы, диапазон - разрядностью порядка и основанием системы счисления.

По принципу обмена информацией ЦВМ-Орбита 20 является синхронной БЦВМ.

Обмен информацией может быть синхронным или асинхронным. Выбор принципа обмена определяет не только пропускную способность, но также непосредственно влияет на физическую длину канала обмена и на количество устройств, которые могут быть подсоединены к нему.

При синхронной передаче данные передаются с постоянной привязкой по времени. Синхронизирующие сигналы задают определенный интервал времени, в течение которого считывается информация из канала обмена. Синхронная шина включает сигналы синхронизации, которые передаются по линиям управления шины, и фиксированный протокол, определяющий расположение сигналов адреса и данных относительно сигналов синхронизации. Поскольку практически никакой дополнительной логики не требуется для того, чтобы решить, что делать в следующий момент времени, эти шины могут быть и быстрыми, и дешевыми. При синхронной передаче более эффективно используется канал обмена. Однако они имеют недостаток: из-за проблемы перекоса синхросигналов, синхронные шины не могут быть длинными. Шины процессор-память обычно синхронные.

По способу передачи информации ЦВМ-Орбита 20 является параллельно последовательной БЦВМ.

Основные способы передачи в БЦВМ - параллельный и последовательный, но может применяться также комбинированный параллельно-последовательный способ.

При параллельной передаче т бит информации передается одновременно по т информационным линиям. Время передачи в этом случае минимально.

При параллельно-последовательной передаче данные передаются посимвольно. Каждый символ состоит из и бит, все его биты передаются параллельно по п линиям. Символы передаются последовательно, поэтому для передачи т бит требуется к = (т/п) посылок.

При последовательной передаче все биты передаются последовательно по одной линии. Количество связей при такой передаче минимально, следовательно, такие интерфейсы дешевле и компактнее, но возрастает время передачи. В последовательных интерфейсах проще обеспечить помехоустойчивость.

По классификации М. Флинна ЦВМ-Орбита 20 относится к цифровым вычислительным машинам SISD класса.

SISD (single instruction stream single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. Под потоком команд понимается последовательный ряд операций (команд), выполняемых ЦВМ, а под потоком данных последовательный ряд операндов (данных), вызываемых потоком команд, включая промежуточные результаты. Машина, выполняющая одновременно только одну команду, называется ЦВМ с одиночным потоком команд, а машина, способная одновременно выполнить несколько команд называется ЦВМ с множественным потоком команд. Машина, обрабатывающая одновременно только один операнд (единицу данных), называется ЦВМ с одиночным потоком данных, а машина, у которой одновременно в одинаковой стадии обработки находится несколько операндов, называется ЦВМ с множественным потоком данных.

Класс SISD представляют собой обычные структуры фон-Неймановского типа. В таких ЦВМ есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных.

Для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций в ЦВМ класса SISD может применяться конвейерная обработка. Конвейеризация увеличивает пропускную способность процессора - количество команд, завершающихся в единицу времени, но она не сокращает время выполнения отдельной команды. В действительности, она даже несколько увеличивает время выполнения каждой команды из-за накладных расходов, связанных с управлением регистрами. Однако увеличение пропускной способности означает, что программа будет выполняться быстрее по сравнению с простой неконвейерной схемой

Структура ЦВМ-Орбита 20 как последовательной машины класса SISD изображена на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Структура ЦВМ класса SISD

Структурно это самый простой и самый распространенный тип универсальных БЦВМ и специализированных вычислителей используемых в бортовом оборудовании ЛА. К этому классу также относятся, например, БЦВМ серии «Аргон» и ЦВМ-80.

В процессе эволюции вычислительных машин класса SISD они приобрели развитую систему команд: с большим количеством машинных команд, многие из которых сложные и выполняются за много тактов, с большим количеством методов адресации, большим количеством форматов команд различной разрядности, с преобладанием двухадресного формата команд, наличием команд обработки типа регистр-память. Анализ работы процессоров показал, что примерно 80% времени выполняется лишь 20% большого набора команд. Стремясь повысить общую производительность ЦВМ, количество команд резко уменьшили, а сложные команды стали выполнять в виде последовательностей команд из выбранного минимума. Резко уменьшили и количество способов адресации памяти. Более сложные и редко встречающиеся в реальных программах способы адресации стали реализовывать с помощью дополнительных команд, что, вообще говоря, приводит к увеличению размера программного кода. Однако такое увеличение длины программы окупается возможностью простого увеличения тактовой частоты процессоров.

В ЦВМ-Орбита 20 предусмотрена возможность подключения допол­нительных блоков постоянной памяти и УВВ, используемых в составе различных бортовых авиационных комплексов.

ЦВМ-Орбита 20 изготавливается в трех конструкторских испол­нениях: ЦВМ-Орбита 20-23, ЦВМ-Орбита 20-86 и ЦВМ-Орбита 20-17, отличающихся только, схемами подключения.

2. Краткие теоретические сведения о конструкции и архитектуре бцвм.

2.1. Состав и технические характеристики цвм-Орбита 20

Цифровая вычислительная машина ЦВМ-Орбита 20 размещена в трех типовых блоках, вставленных в общую монтажную раму. ЦВМ-Орбита 20 в конструкторском исполнении ЦВМ-Орбита 20-23 имеет следующий состав:

• Блок питания БП-20;

• Блок вычислительный цифровой БВЦ-20;

• Блок постоянной памяти БПП-20;

• Рама монтажная ЦВМ-20;

• Фильтр радиопомех ФРП020-1.

Внешний вид блоков ЦВМ-Орбита 20-23, размещенных на монтажной раме приведен на рис. 2.2.

ЦВМ-Орбита 20 имеет следующие технические характеристики:

1. Быстродействие:

• операций сложения - 200000 в секунду,

• операций умножения - 100000 в секунду,

• операций деления - 10000 в секунду.

2. Представление чисел - двоичное, в дополнительном коде, с запятой, фиксированной после старшего разряда;

3. Разрядность чисел - 16 двоичных разрядов (15 значащих, 1 знаковый), предусмотрена работа с 32-разрядными числами;

4. Разрядность команд - 16 двоичных разрядов с адресной частью, содержащей 9 разрядов;

5. Система команд - универсального типа;

6. Емкость оперативного запоминающего устройства - 512 16-разрядных чисел;

7. Емкость постоянного запоминающего устройства - 16384 16-разрядных числа.

8. Количество каналов входной и выходной информации:

а) преобразователи дискретной информации:

• многоканальный преобразователь "частота-код" МПЧ - 4 канала, из них 1 - контрольный;

• преобразователь разовых сигналов в код ЦВМ (ПДМ), общее количество входной информации - 64 бит;

• преобразователь кодов ЦВМ в разовые сигналы (ПМД), общее количество выходной информации - 64 бит;

б) преобразователи последовательных кодов:

• многоканальный преобразователь последовательных кодов с активным обменом МПК-АО - 4 канала;

• многоканальный преобразователь последовательных кодов с пассивной выдачей МПК-ПВ - 4 канала;

• многоканальный преобразователь последовательных кодов с активной выдачей МПК-АВ - 1 канал;

в) преобразователи аналоговой информации:

• многоканальный преобразователь "аналог-код" МПА (угловые величины - 24 канала, постоянные напряжения - 8 каналов);

• многоканальный преобразователь "код-аналог" МПКН (общее количество каналов – 16).

9. Потребление энергии от сети 200в 400 гц  300 ва,

10. Среднее время наработки на один отказ  750ч.

11. Время непрерывной работы  15ч.

12. Вес  не более 38 кг.

13. Объем  63,5 дм³

ЦВМ-Орбита 20 рассчитана на работу в следующих эксплуатационных условиях:

• вибрационные нагрузки в диапазоне частот от 5 до 300 Гц с ускорением до 5 g (амплитудой до I мм);

• ударные нагрузки многократного действия с ускорением до 12 g .длительностью импульса не более 15 мсек;

• линейные ускорения до 10 g;

• акустические шумы в диапазоне 50-10000 Гц с уровнем шума до 130дб;

• повышенная температура до +60°С  рабочая, до +8О°С  предельная;

• пониженная температура до  60°С;

• повышенная влажность до 98% при температуре до +35°С;

• пониженное атмосферное давление 5 мм рт.ст. при температуре от 60 до +60°С;

С труктурная схема ЦВМ-Орбита 20 приведена рис. 2.1.

Р ис. 2.1. Структурная схема ЦВМ-Орбита 20

Блок вычислительный цифровой БВЦ-20 содержит следующие функциональные устройства:

• устройство арифметики и управления УАУ (центральный процессор) предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над числами, а также для управления ходом всего вычислительного процесса;

• оперативное запоминающее устройство ОЗУ, предназначенное для хранения информации, поступающей от датчиков комплекса, для запоминания промежуточной информации, появляющейся по ходу решения задач и для выдачи кодов чисел и команд в про­цессе работы ЦВМ-Орбита 20;

• устройство ввода-вывода УВВ, предназначенное для приема информации от датчиков комплекса, преобразования ее в форму, необходимую для вычислений в УАУ (процессоре), и для выдачи результатов вычислений и приемки комплекса.

Блоки постоянной памяти типа БПП20 предназначены для хранения программы решения задач и констант и представляют собой постоянное запоминающее устройство ПЗУ.

Блок питания БП20 предназначен для обеспечения необходи­мыми видами питания блоков БВЦ-20 и БПП-20.

Процесс решения задач ЦВМ-Орбита 20 складывается из последовательного выполнения отдельных операций, совокупность которых составляет программу вычислений. Команда - это часть программы, записываемая в отдельную ячейку накопителя ПЗУ, которой присвоен определенный номер (адрес команды).