ЭЛЕКТРОННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2009 года по МПК G06F15/00 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для цифровой обработки сигналов в радиолокационных комплексах и информационно-управляющих системах, размещаемых в мобильных и стационарных объектах.

Из уровня техники известна многоуровневая вычислительная система (Патент RU на изобретение №2193795, опубликовано 27.11.2002 г., МПК: G06F 15/16). Многоуровневая вычислительная система содержит основные и дополнительные процессоры цифровой обработки сигналов первого уровня, шины ввода данных, основные и дополнительные цифровые вычислительные машины второго уровня, цифровые вычислительные машины третьего и четвертого уровней, пульт оператора, двунаправленные шины обмена первого, второго и третьего уровней.

Недостатком данной многоуровневой вычислительной системы является сложная, иерархическая структура, обуславливающая сравнительно низкую надежность системы, ограничивающая пропускную способность многоуровневых магистралей и увеличивающая время реакции системы.

Известна электронная вычислительная машина (Патент RU на изобретение №2272317, опубликовано 16.08.2004 г., МПК: G06F 15/00). Электронная вычислительная машина содержит центральный процессор, постоянное энергонезависимое запоминающее устройство, перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство, энергозависимое запоминающее устройство и устройство ввода-вывода данных, входы-выходы которых соединены двунаправленной шиной.

Недостатком данной электронной вычислительной машины является сравнительно невысокое быстродействие и ограниченные функциональные возможности по обработке сигналов.

Наиболее близким техническим решением по отношению к заявляемому является цифровой вычислительный комплекс (ЦВК) для обработки сигналов в гидроакустических системах (Патент RU на изобретение №2207620, опубликовано 27.06.2003 г., МПК: G06F 15/16), который и выбран в качестве прототипа.

ЦВК содержит один или несколько модулей ЭВМ, выполненных на базе универсальных микропроцессоров, один или несколько модулей программируемого процессора сигналов (ППС), модули пульта, включающие мониторы, пультовую ЭВМ, клавиатуру и манипулятор. Модуль ППС объединяет в группу несколько цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) и один или несколько программируемых коммутаторов. Программируемый коммутатор принимает данные по радиальному каналу с входа ЦВК и коммутирует их во входную высокоскоростную кольцевую шину, подключенную к одному порту ЦСП. Другой порт ЦСП подключен ко второй шине, обеспечивающей обмен данными между ЦСП группы и между каждым ЦСП и общей памятью модуля ППС. ЦВК содержит две сети Ethernet, при этом модули ППС объединены с модулями ЭВМ одной, а модули ЭВМ объединены с модулями пультов другой сетью Ethernet.

Недостатком данного ЦВК является необходимость использования в ППС двухпортовых ЦСП, ограничение по пропускной способности последовательной по своей структуре кольцевой шины ввода данных ППС и каналов локальной вычислительной сети, соединяющих ППС с ЭВМ, что уменьшает функциональные возможности и производительность, снижает надежность устройства.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение быстродействия, повышение надежности и расширение функциональных возможностей электронной вычислительной машины.

Технический результат достигается за счет того, что электронная вычислительная машина (ЭВМ) для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени, имеющая модульную архитектуру, содержит центральный процессор, один или несколько программируемых процессоров сигналов, входы - выходы которых соединены с шиной системной магистрали ЭВМ, и каждый из них включает один или несколько цифровых сигнальных процессоров, а также перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство и оперативное запоминающее устройство, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали программируемого процессора сигналов, при этом входы программируемых процессоров сигналов, являющиеся входами ЭВМ, соединены с АЦП, выход одного программируемого процессора сигналов соединен с входом другого программируемого процессора сигналов. При этом ЭВМ дополнительно содержит одно или несколько устройств ввода-вывода, графический контроллер, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали ЭВМ, центральный процессор, включающий микропроцессор, постоянное энергонезависимое запоминающее устройство, перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство, энергозависимое запоминающее устройство, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали центрального процессора, а также буферное устройство, первый вход-выход которого соединен с шиной системной магистрали центрального процессора, а второй вход-выход соединен с шиной системной магистрали ЭВМ, программируемый процессор сигналов дополнительно содержит коммутатор ввода-вывода данных, имеющий две шины ввода данных, являющиеся входами программируемого процессора сигналов, и две шины вывода данных, являющиеся выходами программируемого процессора сигналов, а также коммутатор системных магистральных интерфейсов, вход-выход коммутатора ввода-вывода данных и первый вход-выход коммутатора системных магистральных интерфейсов соединены шиной системной магистрали ППС, второй вход-выход коммутатора системных магистральных интерфейсов соединен с шиной системной магистрали ЭВМ.

Структурная схема электронной вычислительной машины представлена на чертеже, где:

1 - центральный процессор;

2 - микропроцессор (МП);

3 - постоянное энергонезависимое запоминающее устройство (ПЭЗУ);

4 - перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство (ППЭЗУ);

5 - энергозависимое запоминающее устройство (ЭЗЗУ);

6 - буферное устройство (БУ);

7 - шина системной магистрали центрального процессора;

8 - графический контроллер (ГК);

9 - устройство ввода-вывода (УВВ);

10 - шина системной магистрали ЭВМ;

11 - программируемый процессор сигналов (ППС);

12 - цифровой сигнальный процессор (ЦСП);

13 - перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ);

14 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

15 - коммутатор ввода-вывода данных (КВВД);

16 - коммутатор системных магистральных интерфейсов (КСМИ);

17 - шина системной магистрали ППС;

18 - шина ввода данных;

19 - шина вывода данных.

ЭВМ представляет собой моноблочное устройство с модульной структурой. В состав ЭВМ входят следующие модули: центральный процессор, графический контроллер, одно или несколько устройств ввода-вывода, один или несколько программируемых процессоров сигналов. Введение в состав ЭВМ программируемого процессора сигналов преобразует ЭВМ в двухуровневую многопроцессорную вычислительную систему.

Центральный процессор 1 является основным вычислительным устройством ЭВМ и обеспечивает выполнение универсальных программ обработки данных. Центральный процессор 1 содержит реализованные на основе микросхем микропроцессор (МП) 2, постоянное энергонезависимое запоминающее устройство (ПЭЗУ) 3, перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство (ППЭЗУ) 4, энергозависимое запоминающее устройство (ЭЗЗУ) 5 и буферное устройство (БУ) 6, входы-выходы которых соединены с двунаправленной шиной системной магистрали центрального процессора 7 центрального процессора (ЦП) 1.

Микропроцессор 2 центрального процессора 1 осуществляет выполнение команд основной программы ЭВМ.

Постоянное энергонезависимое запоминающее устройство 3 обеспечивает однократную запись информации при изготовлении ЭВМ и дальнейшее ее хранение без возможности изменения.

Перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство 4 выполнено с возможностью многократной записи информации при работе ЭВМ и хранения ее при выключенном состоянии ЭВМ.

Энергозависимое запоминающее устройство 5 обеспечивает возможность многократной записи и чтения информации при выполнении программы ЭВМ.

Буферное устройство 6 обеспечивает согласование электрических сигналов шины системной магистрали центрального процессора 7 и шины системной магистрали ЭВМ 10.

Шина системной магистрали центрального процессора 7 является магистральной двунаправленной параллельной системной шиной и обеспечивает обмен данными и управляющими сигналами между устройствами центрального процессора 1.

Графический контроллер 8 обеспечивает накопление массива данных изображения, формирование и выдачу видеосигнала на устройство отображения (монитор).

Устройства ввода-вывода 9 являются интерфейсными устройствами и обеспечивают обмен данными между ЭВМ и внешними устройствами целевого комплекса по универсальным или специализированным интерфейсам.

Шина системной магистрали ЭВМ 10 является магистральной двунаправленной параллельной системной шиной и обеспечивает обмен данными и управляющими сигналами между модулями ЭВМ.

Программируемый процессор сигналов 11 является дополнительным вычислительным устройством ЭВМ и обеспечивает ввод и программную обработку данных оцифрованных сигналов.

Программируемый процессор сигналов 11 включает одну или несколько микросхем цифровых сигнальных процессоров 12, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство 13, оперативное запоминающее устройство 14, коммутатор ввода-вывода данных 15 и коммутатор системных магистральных интерфейсов 16, входы-выходы которых соединены с двунаправленной шиной системной магистрали ППС 17.

Электронная вычислительная машина работает следующим образом. При включении питания или при поступлении на центральный процессор 1 сигнала начальной установки происходит обращение микропроцессора 2 к постоянному энергонезависимому запоминающему устройству 3, имеющему сравнительно небольшую емкость. Микропроцессор 2 считывает из постоянного энергонезависимого запоминающего устройства 3 и выполняет вспомогательную программу, осуществляющую загрузку из перепрограммируемого энергонезависимого запоминающего устройства 4 в энергозависимое запоминающее устройство 5 кода основной программы ЭВМ. Загрузка основной программы выполняется блоками определенной длины с контролем целостности информации с использованием контрольных сумм блоков программы. При успешном завершении копирования всех блоков информации микропроцессор 2 начинает выполнение основной программы из энергозависимого запоминающего устройства 5, начиная со стартового адреса. Из-за малого времени доступа типичного энергозависимого запоминающего устройства 5 по сравнению с типичным перепрограммируемым энергонезависимым запоминающим устройством 4 обеспечивается сравнительно высокое быстродействие ЭВМ.

Затем центральный процессор 1 выполняет чтение из перепрограммируемого энергонезависимого запоминающего устройства 4 и загрузку в программируемый процессор сигналов 11 информации программы обработки сигнала. Центральный процессор 1 может записать информацию программы обработки сигнала в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство 13. Затем программа по включению питания или по сигналу начальной установки программируемого процессора сигналов 11 переписывается из перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства 13 во внутреннюю оперативную память микросхем цифровых сигнальных процессоров 12. Или центральный процессор 1 записывает информацию программы обработки сигнала в оперативное запоминающее устройство 14, и по сигналу загрузки цифрового сигнального процессора 12 информация программ переписывается во внутреннюю оперативную память микросхем цифровых сигнальных процессоров 12. Или центральный процессор 1 записывает информацию программы обработки сигнала непосредственно во внутреннюю оперативную память микросхем цифровых сигнальных процессоров 12. После завершения копирования программы обработки сигнала в память программируемого процессора сигналов 11 центральный процессор 1 устанавливает параметры обработки сигнала и запускает выполнение программы обработки сигнала с заданного адреса.

На вход программируемого процессора сигналов 11, являющийся входом ЭВМ, по шине ввода данных 18 с быстродействующего цифрового канала поступают в реальном времени данные оцифрованного сигнала. Источником данных сигнала являются устройства аналого-цифрового преобразования АЦП1 и АЦП2. Данные поступают на вход коммутатора ввода-вывода данных 15, который выполняет функции сквозной коммутации данных с шины ввода данных 18 на шину вывода данных 19 - «туннель» и коммутации данных с шины ввода данных 18 на шину системной магистрали ППС 17 - «мост». Коммутатор ввода-вывода данных 15 выполняет ввод данных в оперативное запоминающее устройство 14 программируемого процессора сигналов 11 или распределение данных между цифровыми сигнальными процессорами 12 и ввод данных в их внутреннюю память. Цифровые сигнальные процессоры 12 программируемого процессора сигналов 11 осуществляют цифровую обработку данных сигнала в соответствии с программой обработки сигнала.

По завершении процедуры обработки сигнала программируемый процессор сигналов 11 выдает данные обработки сигнала одним из трех способов. При распределенной обработке данных сигнала несколькими программируемыми процессорами сигналов 11 промежуточные данные передаются под управлением цифрового сигнального процессора 12 через коммутатор ввода-вывода данных 15 и шину вывода данных 19 на шину ввода данных 18 другого программируемого процессора сигналов 11. Результирующие данные программы обработки сигнала передаются через коммутатор системных магистральных интерфейсов 16 и шину системной магистрали ЭВМ 10 на центральный процессор 1. Программируемый процессор сигналов 11 также может сформировать в результате обработки данных сигнала массив данных изображения, данные которого через коммутатор системных магистральных интерфейсов 16 и шину системной магистрали ЭВМ 10 в режиме прямого доступа к памяти передаются на модуль графического контроллера 8 без участия центрального процессора 1.

Для центрального процессора 1 программируемый процессор сигналов 11 является устройством ввода-вывода. Коммутатор системных магистральных интерфейсов 16 модуля программируемого процессора сигналов 11 осуществляет функции обмена данными в режимах «мост» и «хост».

В режиме «мост» коммутатор системных магистральных интерфейсов 16 выполняет обмен данными между устройствами, подключенными к шине системной магистрали ППС 17, и устройствами, подключенными к шине системной магистрали ЭВМ 10, одним из трех способов.

- В режиме ведомого устройства под управлением программы, выполняемой центральным процессором 1 или цифровым сигнальным процессором 12.

- В режиме ведомого устройства с использованием сигналов прерывания шины системной магистрали ЭВМ 10 и шины системной магистрали ППС 17.

- В режиме прямого доступа к памяти устройств на шине системной магистрали ЭВМ 10 и шине системной магистрали ППС 17.

Пропускная способность коммутатора системных магистральных интерфейсов 16 в режиме «мост» при обмене данными с буферизацией в коммутаторе системных магистральных интерфейсов 16 равна наименьшей из пропускных способностей задействованных шин: шины системной магистрали ППС 17 и шины системной магистрали ЭВМ 10. Для заявляемой ЭВМ максимальная пропускная способность шины системной магистрали ЭВМ 10 (32-разрядная параллельная шина PCI с частотой тактирования 33 МГц) составляет 1056 Мбит/с, и максимальная пропускная способность шины системной магистрали ППС 17 (64-разрядная параллельная шина с частотой тактирования 100 МГц) - 6400 Мбит/с, что значительно превышает максимальную пропускную способность сети Ethernet - 100 Мбит/с.

В режиме «хост» коммутатор системных магистральных интерфейсов 16 осуществляет обмен данными по инициативе ППС 11 с захватом шины системной магистрали ППС 17. Обмен начинается с операции пересылки данных на шине системной магистрали ЭВМ 10. В коммутатор системных магистральных интерфейсов 16 передается адрес регистра или ячейки памяти на шине системной магистрали ППС 17, для операции вывода данных передаются и выводимые данные. Затем коммутатор системных магистральных интерфейсов 16 инициирует соответствующую операцию ввода или вывода на шине системной магистрали ППС 17. После завершения операции пересылки на шине системной магистрали ППС 17 коммутатор системных магистральных интерфейсов 16 выполняет для операции ввода данных цикл пересылки данных в центральный процессор 1 и затем завершает пересылку данных для операций ввода или вывода данных по шине системной магистрали ЭВМ 10.

Режим «хост» коммутатора системных магистральных интерфейсов 16 обеспечивает центральному процессору 1 доступ к устройствам, отображаемым на адресное пространство шины системной магистрали ППС 17, в том числе к внутренним регистрам и внутренней памяти микросхем цифровых сигнальных процессоров 12, памяти перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства 13 и памяти оперативного запоминающего устройства 14. Данный режим обеспечивает возможность тестирования центральным процессором 1 устройств, массивов данных и кода программы в памяти программируемого процессора сигналов 11, при необходимости, перезаписи кода программы и, таким образом, изменения конфигурации вычислительных устройств ЭВМ. А также для удаленной отладки программ программируемого процессора сигналов 11 со стороны центрального процессора 1.

Повышение производительности ЭВМ достигается за счет введения дополнительных вычислительных устройств - программируемых процессоров сигналов 11, распределения выполнения программы между центральным процессором 1 и одним или несколькими программируемыми процессорами сигналов 11, ввода данных на программируемый процессор сигналов 11 по двум шинам ввода данных 18, обмена данными между шиной системной магистрали ЭВМ 10 и шиной системной магистрали ППС 17, имеющими сравнительно высокую пропускную способность, через коммутатор системных магистральных интерфейсов 16, возможности обмена данными между программируемыми процессорами сигналов 11 посредством соединения шины вывода данных 19 одного и шины ввода данных 18 другого программируемого процессора сигналов 11.

Повышение надежности ЭВМ осуществляется за счет распараллеливания входного потока данных по двум шинам ввода данных 18 для каждого программируемого процессора сигналов 11, ретрансляции данных, поступающих по шине ввода данных 18 одного программируемого процессора сигналов 11 на шину ввода данных 18 другого программируемого процессора сигналов 11 через коммутатор ввода-вывода данных 15, возможности использования функции «хост» интерфейса коммутатора системных магистральных интерфейсов 16 для тестирования центральным процессором 1 устройств, массивов данных и кода программы в памяти программируемого процессора сигналов 11, при необходимости, перезаписи кода программы и, таким образом, изменения конфигурации вычислительных устройств ЭВМ.

Расширение функциональных возможностей ЭВМ обеспечивается за счет программируемых процессоров сигналов 11, ориентированных на цифровую обработку сигналов, распределения выполнения программы между центральным процессором 1 и одним или несколькими программируемыми сигнальными процессорами 11, возможности обработки программируемым процессором сигналов 11 данных изображения и вывода сформированного массива данных изображения в режиме прямого доступа к памяти коммутатора системных магистральных интерфейсов 16 в память графического контроллера 8, построения на основе двух шин ввода данных 18, двух шин вывода данных 19 и коммутатора ввода-вывода данных 15 программируемого процессора сигналов 11 как последовательных, включая кольцевые, так и древовидных структур каналов обмена данными между программируемыми процессорами сигналов 11.

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности системам управления и обработки данных. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение быстродействия, повышение надежности и расширение функциональных возможностей электронной вычислительной машины, достигается за счет того, что электронная вычислительная машина (ЭВМ) для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени, имеющая модульную архитектуру, содержит центральный процессор, один или несколько программируемых процессоров сигналов, а также перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство и оперативное запоминающее устройство. При этом ЭВМ дополнительно содержит одно или несколько устройств ввода-вывода, графический контроллер, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали ЭВМ, центральный процессор, включающий микропроцессор, постоянное энергонезависимое запоминающее устройство, перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство, энергозависимое запоминающее устройство, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали центрального процессора, а также буферное устройство, первый вход-выход которого соединен с шиной системной магистрали центрального процессора, а второй вход-выход соединен с шиной системной магистрали ЭВМ, программируемый процессор сигналов дополнительно содержит коммутатор ввода-вывода данных, а также коммутатор системных магистральных интерфейсов. 1 ил.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) для цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени, имеющая модульную архитектуру, содержащая центральный процессор, один или несколько программируемых процессоров сигналов, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали ЭВМ и каждый из них включает один или несколько цифровых сигнальных процессоров, а также перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство и оперативное запоминающее устройство, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали программируемого процессора сигналов, при этом входы программируемых процессоров сигналов, являющиеся входами ЭВМ, соединены с АЦП, выход одного программируемого процессора сигналов соединен с входом другого программируемого процессора сигналов, отличающаяся тем, что ЭВМ дополнительно содержит одно или несколько устройств ввода-вывода, графический контроллер, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали ЭВМ, центральный процессор, включающий микропроцессор, постоянное энергонезависимое запоминающее устройство, перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство, энергозависимое запоминающее устройство, входы-выходы которых соединены с шиной системной магистрали центрального процессора, а также буферное устройство, первый вход-выход которого соединен с шиной системной магистрали центрального процессора, а второй вход-выход соединен с шиной системной магистрали ЭВМ, программируемый процессор сигналов дополнительно содержит коммутатор ввода-вывода данных, имеющий две шины ввода данных, являющиеся входами программируемого процессора сигналов, и две шины вывода данных, являющиеся выходами программируемого процессора сигналов, а также коммутатор системных магистральных интерфейсов, вход-выход коммутатора ввода-вывода данных и первый вход-выход коммутатора системных магистральных интерфейсов соединены шиной системной магистрали ППС, второй вход-выход коммутатора системных магистральных интерфейсов соединен с шиной системной магистрали ЭВМ.