Архитектура системы - это функциональное проявление системы с точки зрения пользователя.
Архитектура системы (с позиций разработчика) - это ее структурно-функциональная схема и регламент функционирования, оговоренный, как правило, в протоколах работы отдельных компонент и системы в целом.
Под исполнением понимается логическое описание внутренней структуры, делающей возможным осуществление этих функций.
Реализация - это физическое воплощение исполнения.
В " хорошей" архитектуре выдерживаются следующие общепринятые принципы:
Если в 80-х годах прошлого столетия бортовые вычислительные системы (БВС) и машины комплектовались процессорами общего назначения и цифровыми процессорами обработки сигналов с CISC- архитектурой (компьютер с расширенной системой команд), то в современных наземных и бортовых вычислительных комплексах и системах доминируют процессоры с RISC- архитектурой. ( RISC - это Reduced Instruction Set Computer, то есть компьютер с редуцированной системой команд.) Основными признаками RISC- концепции являются:
К RISC- процессорам сегодня причисляют: MIPS, SPARC, PowerPC, DEC Alpha, HP
RISC- концепция предоставляет компилятору большие возможности по оптимизации кода. В настоящее время область применения RISC- процессоров непрерывно расширяется от микроконтроллеров до суперкомпьютеров. RISC- процессоры лидируют по производительности среди процессоров общего назначения. Существуют стандарты на RISC- процессоры, например SPARC (Scalable Processor Architecture, текущая версия UltraSPARC9), MIPS (текущая версия IV, R10000), PowerPC и т. д. (часто их называют открытыми архитектурами).
RISC- концепция базируется на классических методах и средствах программирования заданий пользователя, от традиционных компиляторов и до мощных интеллектуальных оболочек, поддерживающих декларативный уровень описания заданий.
В задачах с экстремальными характеристиками и при создании всевозможных интерфейсов, кардинальным образом влияющих на пропускную способность создаваемых вычислительных комплексов и систем, широко используется концепция полузаказного проектирования на основе FPGA- матриц.
FPGA- матрица (Field Programmable
Все что необходимо для проведения проекта - это компьютер, специальное программное обеспечение и
В расчете на вентиль стоимость FPGA- системы обычно выше, чем стоимость заказной интегральной схемы серийного производства, однако разовые инженерные расходы, связанные с ее разработкой и изготовлением, оказываются значительно более низкими. Поэтому разработку и изготовление малой серии заказных интегральных схем выгоднее проводить именно на FPGA. В дальнейшем в случае необходимости возможен перевод проекта на стандартные элементы для серийного производства заказных интегральных схем.
Кроме полузаказных (С)БИС при создании наземных и бортовых вычислительных комплексов и систем широко используются заказные СБИС и особенно УБИС (ультрабольшие интегральные схемы со степенью функциональной интеграции свыше 1 млн. транзисторов). Качественное бездефектное проектирование таких сложных изделий микроэлектроники и вычислительной техники требует эффективных средств описания реализуемых ими функций, для чего используются специальные языковые средства. Одним из наиболее распространенных языков описания функций заказных СБИС или УБИС является VHDL.
VHDL - это язык синтеза дискретных систем. Он разработан в соответствии со спецификацией
Традиционный подход к проектированию дискретных вычислительных систем состоит в последовательном решении задач анализа и оптимизации некоторого начального варианта проекта. Поэтому давней мечтой разработчиков было создание единых средств описания такой системы, которые позволяли бы решать задачи верификации и синтеза
схем с поэтапно углубляемой детализацией и их формального описания и, таким образом, объединять все этапы проектирования в единый нисходящий процесс проектирования (разработка "сверху вниз"). Появление языка VHDL в определенной степени позволяет автоматизировать задачи проектирования от описания алгоритма функционирования системы до реализации в кремнии кристаллов микросхем. При этом понятие "синтез" следует определить как формализованный процесс построения схемы из некоторого заранее заданного и достаточно стабильного набора компонентов, как это имеет место в кремниевой компиляции, где базовые элементы синтеза "заморожены" на все "время жизни" технологии производства СБИС или УБИС.
Одно из главных свойств - это способность описывать аппаратуру и ее работу во времени. Поэтому основными в VHDL являются такие близкие разработчику понятия, как объект проекта, интерфейс, порт, архитектура, сигнал, атрибуты сигнала, операторы параллельного присвоения, процесс и др.
Сигнал в VHDL трактуется весьма широко и может быть скалярным (целым, вещественным, битовым и т. д.) или векторным (шинным), булевым или многозначным. Многозначная логика дает возможность выявлять с помощью моделирования такие явления в схемах, как гонки или неопределенности на выходах схем, а также решать
Свойства VHDL являются следствием (или результатом) особенностей реализации тех принципов, которые заложены в язык моделирования интегральных систем. Полное описание VHDL- модели объекта проекта состоит из двух частей:
VHDL- описание объекта проекта на структурном уровне должно включать и третью часть - описание конфигурации, задающей подключение библиотеки моделей типов элементов и выборку их в качестве компонентов структуры объекта проекта.
Количество уровней вложенности структурной модели произвольное, что позволяет фактически описать любую систему от уровня ее
устройств до уровня логических, принципиальных электрических схем и элементов и до кремниевого уровня.
Для успешного решения задач высокоуровневого синтеза с последующим переходом на более низкие уровни с использованием VHDL- описаний ( VHDL- синтеза) должны выполняться следующие допущения:
Как показывает опыт зарубежных и отечественных разработок, в настоящее время наиболее успешным оказывается применение поведенческих VHDL- моделей для синтеза устройств, последовательность обработки данных в которых может быть строго структурирована и представлена в виде схемы алгоритма или соответствующего потока сигналов. Тогда каждый блок алгоритма обработки, описываемый в виде процесса ( VHDL- описания), однозначно реализуется соответствующими аппаратными средствами. Примером могут быть спецпроцессоры, ориентированные на решение конкретного класса задач по определенному алгоритму, в частности, устройства цифровой обработки сигналов.
Вычислительная техника - одна из наиболее быстро и динамично развивающихся областей науки и техники. Ее динамика, с одной стороны, связана с широким проникновением вычислительной техники во все сферы человеческой деятельности, с другой стороны - с бурным ростом технических характеристик вычислительных машин и систем. С начала шестидесятых годов прошлого века период удвоения основных характеристик компьютеров не превышает двух лет. Такой стремительный рост приводит к неоднозначности используемой терминологии, к субъективной оценке сфер применения конкретных ЭВМ.
Современная вычислительная машина представляет собой сложную аппаратно-программную систему, состоящую из большого числа взаимосвязанных элементов. Каждый из этих элементов имеет свои характеристики, совокупность которых определяет технико-эксплуатационные характеристики всей вычислительной машины.
К технико-эксплуатационным характеристикам ЭВМ, определяющим их функциональные возможности, относят:
Несмотря на сравнительно короткую историю современной вычислительной техники, до настоящего времени было предложено достаточно много подходов к систематизации всего многообразия средств вычислительной техники [40]. Работы в этом направлении продолжаются.
Любая классификация относительна и отражает только ограниченное многообразие свойств классифицируемых объектов или процессов. Но, как показал опыт, нахождение удачной классификации может предопределить успех развития целых научных и технических направлений. Характерный пример - периодическая таблица элементов Менделеева.
При разработке любой классификации важно понимать, для кого она создается и на решение каких задач направлена.
Используемый классификационный признак должен быть измеряемым и позволять относить классифицируемого объекта к единственному классу.
На практике эти требования часто удовлетворяются с допущениями. Примером служат большинство применяемых классификаций ЭВМ и вычислительных систем.
Для классификации компьютеров использовались следующие классификационные признаки:
В основу классификации по этому признаку положена форма представления информации, с которой работают вычислительные машины.
По этому признаку вычислительные машины можно разделить на три группы: специализированные, универсальные и проблемно-ориентированные.
Универсальные ЭВМ позволяют решать задачи различных классов: математических, инженерно-технических, экономических, информационных и др.
Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения круга задач более узкого: управление технологическими процессами; выполнение расчетов по сравнительно несложным алгоритмам; регистрация, накопление и обработка не очень больших объемов небольших данных. Они имеют более скромные по сравнению с универсальными ЭВМ программные и аппаратные ресурсы. Примером проблемно-ориентированным вычислительных систем могут служить и различные управляющие вычислительные комплексы. Специализированные вычислительные машины предназначены для решения узкого круга задач.
Характеристики и архитектура машин этого класса определяются спецификой тех задач, для решения которых они используются. Это обеспечивает их более высокую эффективность в соответствующем применении по сравнению с универсальными ЭВМ. К специализированным ЭВМ относятся контроллеры, управляющие несложными техническими устройствами и процессами и микропроцессоры специального назначения.
В соответствии с этой классификации вычислительные машины делятся на суперЭВМ, большие, малые, сверхмалые. Эта классификация потеряла свою актуальность. Можно говорить только о существовании класса суперЭВМ (суперкомпьютеров).
В качестве классификационных признаков используются: характеристики системы команд компьютера (количество команд, структура адресной части команд), разрядность машинных слов, организация обработки данных и команд процессором.
Классификация М. Флинна [38, 303] является одной из самых ранних и наиболее известных классификацией архитектур вычислительных систем. В основу классификации положено понятие потока. Поток - это последовательность, под которой понимается последовательность данных или команд, обрабатываемых процессором. Рассматривая число потоков данных и потоков команд, М. Флинн предложил рассматривать следующие классы архитектур: MIMD, SIMD,
Single Instruction Single Data [stream] - "один поток команд, один поток данных", архитектура
Multiple Data stream processing - "один поток команд, много потоков данных", архитектура SIMD (
Multiple Instruction Single Data [stream] - "много потоков команд, один поток данных", архитектура
Multiple Instructions - Multiple Data [stream] - "много потоков команд, много потоков данных", архитектура MIMD (МКМД). Одна из четырёх возможных архитектур параллельного компьютера. В этой архитектуре набор процессоров независимо выполняет различные наборы команд, обрабатывающих различные наборы данных. Системы в архитектуре MIMD делятся на системы с распределённой памятью (слабо связанные системы), к которым относятся кластеры, и системы с совместно используемой памятью (
В класс
(рис 2.1) Классификация М. ФлиннаК классу SIMD относятся классические процессорные матрицы. В них множество процессорных элементов контролируется общим управляющим устройством. Все процессорные элементы одновременно получают от устройства одинаковые команды и обрабатывают свои локальные данные. Если рассматривать каждый элемент вектора как отдельный элемент потока данных, то к этому классу можно отнести и
Класс MIMD включает в себя все многообразие многопроцессорных систем. Если рассматривать конвейерную обработку как выполнение множества команд не над одиночным векторным потоком данных, а над
множественным скалярным потоком, то в этот класс могут быть включены
У этой классификации есть очевидные недостатки:
Несколько классификаций, предложенных позже, расширяют классификацию М. Флинна. Примером такой классификации может служить классификация Ванга и Бригса.
Эта классификация по сути, является дополнением к классификации Флинна. В ней сохранены четыре базовых класса (
В классе MIMD выделяются:
К первой группе относятся
Класс
Класс SIMD с учетом способа обработки данных делится на два подкласса:
Т. Фенг предложил в основу классификации вычислительных систем положить две простые характеристики [42, 303]:
Иcпользуя предельные верхние значения числа бит n и числа слов m, вычислительную систему можно охарактеризовать двумя числами ( $$n,m$$ ). Величина $$n * m$$ определяет интегральную характеристику потенциала параллельности P архитектуры. Эта характеристика называется максимальной степенью параллелизма вычислительной системы: $$P(C)=m*n$$. По сути, это значение характеризует пиковую производительность. Рассматривая в качестве классификационного признака вычислительных систем способ обработки информации, заложенный в их архитектуру, введенные понятия позволяют разделить все вычислительные системы на следующие классы.
Эта классификация имеет ограничения. Они связаны со способом вычисления ширины битового слоя $$m$$.
В соответствии с этой классификацией отсутствуют различия между многопроцессорными системами,
Данная классификация не позволяет понять специфику той или иной высокопроизводительной вычислительной системы.
Достоинством классификации Фенга является введение единой числовой характеристики для всех типов вычислительных систем, которая позволяет сравнивать их между собой.
Из интересных видов классификации можно отметить подход Базу, который строит классификацию по последовательности решений, принимаемых на этапе проектирования архитектуры. Согласно А. Базу (A. Basu), любую параллельную вычислительную систему можно однозначно описать последовательностью решений, принятых на этапе ее проектирования, а сам процесс проектирования представить в виде дерева [42].
В корне "дерева Базу" размещается вычислительная система, последующие ярусы дерева служат для описания иерархии принятия решений
при проектировании вычислительной системы. В итоге формируется описание проектируемой системы, представляемое значениями классификационных признаков в системе Базу.
Таким образом, на основе приведенных данных можно утверждать:
Как показывает предыдущий опыт, наиболее перспективные и получившие дальнейшее продолжение технические решения были найдены тогда, когда к разрабатываемым вычислительным системам предъявлялись наиболее экстремальные, а нередко и взаимно исключающие требования. Традиционными лидерами в этой части были и остаются БВС, требования к которым вырабатываются системными аналитиками на основе анализа "сценария" в данном случае боевого применения различных родов войск и видов вооруженных сил. Поэтому чтобы определить по крайней мере ближайшие перспективы развития средств вычислительной техники, вполне достаточно проанализировать военные программы, где лидером являются США.
В соответствии с действующими требованиями командований Военно-воздушных сил (ВВС), Военно-морских сил (ВМС) и Сухопутных войск (СВ) США перспективный комплекс БЭО должен обеспечивать экипажу:
Таким образом, основные требования к архитектуре и структурной организации перспективной БВС можно сформулировать следующим образом. БВС должна:
В современных условиях эти требования удовлетворяются за счет применения следующих технологий и технических решений, в которых:
крупных научно-технических программ [7] (
В результате выполнения данных программ научных исследований был получен ответ на глобальный вопрос о возможности повышения эффективности и качества функционирования БЭО и без усложнения его архитектуры, повышения надежности его функционирования и снижения стоимости технического обслуживания. Вместе с тем сохраняется обязательность требований к возможностям модификации и масштабируемости (модульном наращивании) БЭО, то есть добавления в его состав новых подсистем, которые могли бы быть разработаны в будущем, что должно происходить с минимальными затратами.
(рис 2.2) Основные зарубежные научно-технические программыИскомое решение сформировалось не столько в области повышения технических характеристик, качества и эффективности функционирования отдельных элементов БЭО, сколько в области поиска новых концепций и возможных подходов к разработке архитектур БЭО для перспективных ЛА на основе следующих постулатов:
Pillar, широко использовались при разработке авионики самолетов, создаваемых по программе ATF ( F-22 ). Архитектура БЭО самолета F-22, несомненно, может рассматриваться как наиболее совершенная в части использования решений и технологий существующих вычислительных средств и является базой и отправной точкой для дальнейших работ по совершенствованию архитектурного построения авионики боевых самолетов следующего поколения.
В настоящее время программа Pave Pillar трансформировалась в программу Pave Pace, основной целью которой является разработка действительно высокоинтегрированной модульной системы БЭО следующего поколения самолетов на основе перспективных технологий. Результаты данных исследований являются основой проектирования перспективного БЭО ЛА следующего поколения, в том числе и JSF [8-10] (Joint Strike Fighter).
Работы по совершенствованию технологий авионики были начаты еще до начала программы JSF, когда в конце 1991 г. фирме
Первое положение НИР AVSEP связано с признанием принципа модульности как основного подхода к обеспечению более высокого уровня функциональной интеграции систем БЭО. Как было определено в НИР AVSEP, основными интегральными компонентами комплекса БЭО самолетов типа JSF должны стать:
При этом общей целью использования принципа модульности стало обеспечение трех функционально-технических характеристик БЭО:
Реализация этих функционально-технических характеристик имеет непосредственное влияние и на стоимость БЭО. Так, за счет функционально-технической гибкости БЭО появилась возможность использования на самолетах типа JSF программного обеспечения, соз данного для самолета F-22, что позволяет существенно снизить стоимость разработки комплекса БЭО нового самолета. Функциональная интеграция компонентов БЭО позволяет сократить число и размеры модулей, снизив при этом общую стоимость их изготовления и обслуживания.
| НИР Исполнитель | Содержание роботы | |
|---|---|---|
| AVSEP | Апробация технологии ATIP на примере разработки комплекса БЭО |
|
| ATIP(конкурснаяразработка) | Boeing, Lockheed Martin | Продолжение разработки комплекса БЭО самолета |
| Lockheed Martin, Raytheon Co. | Демонстрация возможности создания на основе коммерческих стандартов вычислительной системы с уровнем обработки информации, обеспечивающим выполнение требуемых боевых задач одноместным самолетом | |
| Harris Corporation | Разработка гибкого (перенастраиваемого) интерфейса режима реального времени | |
| VHSON | Harris Corporation | Разработка высокоскоростной оптической шины информационного обмена |
| SMPS | Raytheon Co. | Разработка гибкой (перенастраиваемой) мультипроцессорной системы |
| MIRFS Raytheon Co. Создание и демонстрационные испытания (конкурсная Northrop Grumman многофункциональной АФАР |
||
| SASSY | Lockheed Martin, Raytheon Co. | Создание оптико-электронной обзорно-прицельной системы со станцией типа FLIR |
| DAIRS | Northrop Grumman | Создание всеракурсной системы ситуационного осведомления летчика с использованием станций типа микро-IRST |
| Boeing, Lockheed Martin | Демонстрация возможности создания аппаратуры комплекса MIRFS, соответствующей требованиям по стоимости и массогабаритным характеристикам. | |
| ADRFR | Rockwell Collins | Создание усовершенствованного цифрового радиочастотного приемника |
| ARF/IF | Northrop Grumman | Создание усовершенствованной радиочастотной среднечастотной аппаратуры |
Приведенные данные говорят об эволюционном характере становления проектной технологии прототипирования, ориентированных на создание сложных технотронных комплексов двойного назначения не только по конечному продукту, но и по инструментальным средствам поддержки самой технологии.
К ключевым технологиям, на основе которых реализована авионика самолета F-22, можно отнести:
В соответствии с концепциями программы Pave Pillar комплекс БЭО самолета F-22 состоит из комплексных систем выполнения боевых задач, управления датчиками и управления самолетом.
Комплексная система выполнения боевых задач состоит из:
Комплексная система управления датчиками состоит из:
Комплексная система управления самолетом состоит из систем отображения данных для летчика и управления самолетом, силовой установкой и электропитанием.
Эти три системы комплексируются на основе волоконно-оптической шины с частотой передачи информации 50 МГц. В структуре шины предусмотрены системное запоминающее устройство и шина передачи данных блоками для предотвращения потери данных или программ, имеющих решающее значение при выполнении боевых задач, и обеспечения возможности местного использования процессоров. Предусматривается перераспределение вычислительных ресурсов между системами выполнения боевых задач, управления датчиками, а также между подсистемами в пределах каждой из этих систем. Преобразование из аналоговой формы в цифровую и из цифровой в аналоговую в системах выполняется общими дистанционными терминалами.
Обработка сигналов и данных от датчиков на самолете F-22 осуществляется двумя интегрированными процессорами CIP, объединенными быстродействующей волоконно-оптической шиной. Каждый процессор представляет собой реконфигурируемую, наращиваемую вычислительную сеть из модулей процессоров обработки сигналов, данных и графики (видеопроцессоров). Предусмотрена возможность установки третьего CIP.
Физически CIP представляет собой стойку с быстросменными модулями семи типов, подключаемых к одинаковым объединительным платам с использованием стандартных разъемов. Объединительная плата обеспечивает подключение 66 стандартных модулей. Примерно 20 из 66 разъемов объединительной платы в каждом CIP свободны, что обеспечивает возможность наращивания вычислительного потенциала CIP или повышения надежности за счет вводимого аппаратурного резерва. Габариты платы составляют 540?350?25,5 мм.
Модуль процессора обработки данных реализован на основе микропроцессора Intel i960:
Модуль процессора обработки сигналов на основе процессора TMS 320С50:
Общая пиковая производительность бортовой вычислительной системы самолета F-22 достигает 10 млрд. опер/с при 300 Мб памяти. Программное обеспечение полета хранится в закодированном виде на кассете передачи данных, с которой вся информация считывается непосредственно перед выполнением боевого задания. Эта операция осуществляется летчиком.
На самолете F-22 реализована концепция, согласно которой летчик выступает в роли руководителя процесса выполнения боевой задачи. Комплекс БЭО работает в автоматическом режиме и осуществляет обнаружение и идентификацию целей, отображение информации о них, выработку рекомендаций для наиболее важных действий летчика, позволяя ему целиком сосредоточиться на ведении воздушного боя, что в совокупности позволяет формировать в темпе реального времени так называемое виртуальное пространство.
Это пространство создается на базе нескольких составляющих:
В совокупности все это и формирует для летчика виртуальное пространство. В результате летчик всегда видит на одном экране в трехмерном изображении где он находится по отношению к местности и зонам ПВО, на другом отображается картина боевых действий.
Таким образом, главным качественным моментом в самолете F-22, ставшем прототипом самолета пятого поколения, является высочайшая корреляция между разведкой и выполнением ударных задач, которая создает разведывательно-ударный комплекс, работающий в реальном масштабе времени.
Информационное поле кабины самолета F-22 включает шесть цветных жидкокристаллических индикаторов: один основной многофункциональный индикатор с размерами экрана 203х203 мм, три дополнительных многофункциональных индикатора с размерами экранов 150х150 мм, два индикатора с размерами экрана 75?100 мм, расположенных в верхней части приборной панели, а также индикатор на лобовом стекле (ИЛС).
Системы самолета F-22 отвечают тем же требованиям отказоустойчивости, как и его планер, ни один отказ не должен вывести из строя самолет. Модули диагностики и контроля, обеспечивающие такую устойчивость, включают запасные каналы, независимые источники питания, резервные контроллеры и гарантируют, что потребуется несколько двойных отказов, чтобы самолет F-22 мог быть выведен из строя.
Во время полета реакция на отказы систем является автоматической, так, например, при нарушении работы двигателя или его остановке предусмотрен автоматический повторный запуск.
Комплексная система предупреждения, выдачи рекомендаций и оповещения предназначена для обеспечения летчика информацией о том, каким образом отказы могут повлиять на выполнение боевой задачи. После появления предупредительного сообщения, на индикаторе, расположенном внизу, будет отображен перечень возможных операций реагирования на аварийную ситуацию, после чего летчик может подтвердить их нажатием кнопки и система БЭО все выполнит сама. Система спроектирована таким образом, чтобы воспроизвести информацию о вторичных эффектах отдельных отказов так, чтобы одно предупредительное сообщение потребовало бы одного действия.
Самолет F-22 легок в управлении, поскольку в ходе разработки по возможности были учтены все пожелания в отношении характеристик управляемости. Концепция "сохранения беззаботности", лежащая в основе системы управления полетом этого самолета, означает, что летчику не придется беспокоиться о потере управления, превышении допустимых перегрузок и т. п., кроме ведения контроля наличия тяги.
Из приведенных данных видно, что развитие БЭО авиации США ориентировано на переход от прямого к директивному управлению сложными технотронными комплексами, в рамках которого пилот задает только цели и режимы функционирования бортовых систем и всего ЛА. Реализация поставленных целей и оптимизация режимов работы всех систем ЛА возлагается на БВС.
Отправной точкой итерационного процесса разработки комплекса БЭО самолета JSF (рис. 2.3), начатого фирмой
(рис 2.3) Общая архитектура БЭО самолета F-35Техническая стадия исследования основывалась на математическом и полунатурном моделировании комплекса БЭО и всех процессов его функционирования. Ключевая роль принадлежала здесь моделированию процессов управления самолетом как боевым авиационным комплексом, реализованному с помощью специально созданного стенда. Используя виртуальный (математически моделируемый на компьютере) прототип комплекса БЭО, исследовательская группа, выполнявшая НИР AVSEP, могла без труда и особых затрат времени провести, например, параметрический анализ влияния разрешающей способности работы РЛС в режиме синтезированной апертуры на стоимость жизненного цикла и эффективность разрабатываемого изделия. При проведении такого исследования было установлено, что снижение степени разрешения с 0,3 до 0,9 м не сказывается на снижении боевых возможностей самолета как одной из составляющих комплексного показателя доступности. В то же время изменение разрешающей способности РЛС в этом диапазоне оказывает влияние на стоимость, также явл яющуюся одной из составляющих данного критерия.
Принципиальным отличием БЭО JSF "версия 1" от исходной точки процесса, "обозначенной" комплексом БЭО самолета F-22, является интеграция отдельных элементов БЭО не только в пределах систем близкого функционального назначения, но и в пределах совокупности систем, близких по частотному полю своего функционирования. Это прежде всего относится к комплексу интегрированных радиочастотных систем, получившему обозначение MIRFS (Multi-
Интегрированный комплекс MIRFS объединяет в себе такие функциональные радиочастотные системы, как радиолокационная обзорно-прицельная система, радионавигационные системы, система радиосвязи, система госопознавания, система радиоэлектронного противодействия, система радиотехнической разведки.
При этом используются два "уровня" интеграции: на уровне приемопередающих антенных устройств (апертур) и на уровне блоков предварительной обработки информации.
Система MIRFS имеет несколько самостоятельных апертур, одна из которых, получившая обозначение
Более широкая интеграция радиочастотных систем осуществляется на уровне программной обработки информации в рамках комплексной системы, получившей обозначение
Наличие такой системы позволяет, в частности, вести полномасштабное использование информации от внешних источников. Так, первичная информация обзорно-прицельной системы одного самолета JSF о наблюдаемой цели может передаваться на борт другого самолета JSF, выполняющего полет в режиме радиомолчания, и обрабатываться в полном объеме, как если бы она была получена собственной РЛС этого самолета.
Также в комплексе обзорно-прицельных систем, помимо традиционной оптоэлектронной обзорно-прицельной системы (SASSY Shared
Данные от систем комплекса MIRFS, DAIRS и бортовых систем обрабатываются программным обеспечением и представляются пилоту как виртуальное тактическое пространство на многофункциональном дисплее, расположенном на приборной панели. Нашлемная система индикации проецирует ИК-изображение с данными о текущей тактической и полетной обстановке на визир пилоту, обеспечивая при этом широкий угол зрения при обзоре целей. Повернув голову в любом направлении, летчик видит сквозь конструкцию самолета, пыль, дым и темноту воздушное пространство в направлении взгляда.
Еще одно отличие комплекса БЭО JSF "версия 1" от исходной точки, обозначенной архитектурой БЭО самолета F-22, связано с интегрированным процессором IСP (Integrated Core Processor). Рассматриваемый как дальнейшее развитие системы CIP, реализованной на самолете F-22, этот процессор отличается большой степенью интеграции. Его отличительной особенностью является также использование коммерческих стандартов на основные модули вычислительного ядра системы.
Основными элементами интегрированного процессора
Конструктивно
Интегрированный процессор включает в себя 22 модуля семи типов:
В систему можно добавить до восьми различных цифровых модулей обработки и дополнительные блоки питания. Модули процессоров обработки, как сигналов, так и данных, реализованы на базе коммерческого микропроцессора Motorola G4 PowerPC (
Производительность процессора MPC7410 с тактовой частотой 500 МГц при обработке данных составляет 8 млрд. оп/сек с
Модули видеопроцессоров реализуются на основе FPGA- матриц (программируемые пользователем вентильные матрицы) с использованием языка синтеза дискретных систем VHDL.
В
Предварительная предпроцессорная обработка получаемых сигналов от датчиков производится внутри комплекса MIRFS системой
| Наименование чипа | Рабочаячастота,МГц | Частота шины, МГц | Размер кеша | Технологияизготовлениямикрон | Формакомпоновки(CGBA) | V Вольт | WВатт | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2-го уровня | 3-го уровня | |||||||
| G4 (7400/ 7410/ Мах) | 350 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.8 | ? | |
| 400 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.8 | 11.5 | ||
| 450 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.8 | ? | ||
| 500 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.8 | 12.5 | ||
| 7441 ( |
600 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.5 | ? | |
| 700 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.5 | ? | ||
| G4e (7450/7451) | 533 | 133 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.6 | 17 | |
| 600 | 133 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.6 | 17.5 | ||
| 667 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | 19 | |
| 733 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мботд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | ? | |
| 800 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | ? | |
| 867 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | ? | |
| G4e(7455) | 800 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | ? |
| 933 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | ? | |
| 1000 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | 30 | |
| 1250 | 166 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | 30 | |
| 1425 | 166 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | 30 | |
| 7447 | 1000 | 166 | 512 Кб на чипе | 0.13 | 360-pin CGBA | 1.3 | ? | |
| 1250 | 166 | 512 Кб на чипе | 0.13 | 360-pin | 1.3 | ? | ||
| 1333 | 166 | 512 Кб на чипе | 0.13 | 360-pin | 1.3 | ? | ||
| 7457 | 1000 | 166 | 512 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.13 | 483-pin | 1.3 | ? |
| 1250 | 166 | 512 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.13 | 483-pin | 1.3 | ? | |
| 1333 | 166 | 512 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.13 | 483-pin | 1.3 | ? | |
Радиолокационные данные обрабатываются вместе с данными от других бортовых и внешних систем, а затем передаются из
Для связи интегрированного процессора обработки сигналов и данных
Для реализации функций системы управления полетом и силовой установкой (VMS) фирма BAE Systems разработала компьютер управления системами самолета (
Для предоставления текущей информации от датчиков, оружия, состоянии самолета, полетной безопасности, тактической обстановке используется два многофункциональных микроактивных жидкокристаллических дисплея (
Схема дисплейного процессора вместе с коммерческими процессорами, памятью и видеопроцессорами использована в компьютере управления нашлемной индикацией (DMC-H). Система нашлемной индикации (
Основные требования к системе
активной матицы
Первый полет версии самолета F-35 с обычным взлетом и посадкой ожидался в 2005 году.
Первые два фактора предполагают отсутствие у противника эффективных средств противодействия типа рентгеновских лазеров, мощных генераторов электромагнитных импульсов и т. п., способных вызвать в БЭО и БВС множественные отказы.
Третий фактор предполагает развитие воздушной и боевой обстановки только по сценариям, заложенным в интеллектуальные и информационные базы БВС, то есть только по сценариям атакующей стороны.
Основные достоинства этой технологии:
Именно последнее обстоятельство вынуждает проектировщиков БВС для ВВС США приступить к реализации подобной вычислительной технологии при решении критических задач обработки изображений в системах навигации и управления высокоточным оружием. Для решения этих задач используются аппаратные платформы, которые создаются методами и средствами программного конструирования специализированных видеопроцессоров на основе FPGA- матриц (программируемые пользователем вентильные матрицы) с использованием языка синтеза дискретных систем VHDL. Однако это только первый шаг на пути широкомасштабного использования в БВС вычислительных технологий со сверхмассовым параллелизмом в аппаратных платформах, работающих на предельных тактовых частотах гигагерцового диапазона или в начальной области терагерцового диапазона.
Архитектура системы - это функциональное проявление системы с точки зрения пользователя.
Архитектура системы (с позиций разработчика) - это ее структурно-функциональная схема и регламент функционирования, оговоренный, как правило, в протоколах работы отдельных компонент и системы в целом.
Под исполнением понимается логическое описание внутренней структуры, делающей возможным осуществление этих функций.
Реализация - это физическое воплощение исполнения.
В " хорошей" архитектуре выдерживаются следующие общепринятые принципы:
Если в 80-х годах прошлого столетия бортовые вычислительные системы (БВС) и машины комплектовались процессорами общего назначения и цифровыми процессорами обработки сигналов с CISC- архитектурой (компьютер с расширенной системой команд), то в современных наземных и бортовых вычислительных комплексах и системах доминируют процессоры с RISC- архитектурой. ( RISC - это Reduced Instruction Set Computer, то есть компьютер с редуцированной системой команд.) Основными признаками RISC- концепции являются:
К RISC- процессорам сегодня причисляют: MIPS, SPARC, PowerPC, DEC Alpha, HP
RISC- концепция предоставляет компилятору большие возможности по оптимизации кода. В настоящее время область применения RISC- процессоров непрерывно расширяется от микроконтроллеров до суперкомпьютеров. RISC- процессоры лидируют по производительности среди процессоров общего назначения. Существуют стандарты на RISC- процессоры, например SPARC (Scalable Processor Architecture, текущая версия UltraSPARC9), MIPS (текущая версия IV, R10000), PowerPC и т. д. (часто их называют открытыми архитектурами).
RISC- концепция базируется на классических методах и средствах программирования заданий пользователя, от традиционных компиляторов и до мощных интеллектуальных оболочек, поддерживающих декларативный уровень описания заданий.
В задачах с экстремальными характеристиками и при создании всевозможных интерфейсов, кардинальным образом влияющих на пропускную способность создаваемых вычислительных комплексов и систем, широко используется концепция полузаказного проектирования на основе FPGA- матриц.
FPGA- матрица (Field Programmable
Все что необходимо для проведения проекта - это компьютер, специальное программное обеспечение и
В расчете на вентиль стоимость FPGA- системы обычно выше, чем стоимость заказной интегральной схемы серийного производства, однако разовые инженерные расходы, связанные с ее разработкой и изготовлением, оказываются значительно более низкими. Поэтому разработку и изготовление малой серии заказных интегральных схем выгоднее проводить именно на FPGA. В дальнейшем в случае необходимости возможен перевод проекта на стандартные элементы для серийного производства заказных интегральных схем.
Кроме полузаказных (С)БИС при создании наземных и бортовых вычислительных комплексов и систем широко используются заказные СБИС и особенно УБИС (ультрабольшие интегральные схемы со степенью функциональной интеграции свыше 1 млн. транзисторов). Качественное бездефектное проектирование таких сложных изделий микроэлектроники и вычислительной техники требует эффективных средств описания реализуемых ими функций, для чего используются специальные языковые средства. Одним из наиболее распространенных языков описания функций заказных СБИС или УБИС является VHDL.
VHDL - это язык синтеза дискретных систем. Он разработан в соответствии со спецификацией
Традиционный подход к проектированию дискретных вычислительных систем состоит в последовательном решении задач анализа и оптимизации некоторого начального варианта проекта. Поэтому давней мечтой разработчиков было создание единых средств описания такой системы, которые позволяли бы решать задачи верификации и синтеза
схем с поэтапно углубляемой детализацией и их формального описания и, таким образом, объединять все этапы проектирования в единый нисходящий процесс проектирования (разработка "сверху вниз"). Появление языка VHDL в определенной степени позволяет автоматизировать задачи проектирования от описания алгоритма функционирования системы до реализации в кремнии кристаллов микросхем. При этом понятие "синтез" следует определить как формализованный процесс построения схемы из некоторого заранее заданного и достаточно стабильного набора компонентов, как это имеет место в кремниевой компиляции, где базовые элементы синтеза "заморожены" на все "время жизни" технологии производства СБИС или УБИС.
Одно из главных свойств - это способность описывать аппаратуру и ее работу во времени. Поэтому основными в VHDL являются такие близкие разработчику понятия, как объект проекта, интерфейс, порт, архитектура, сигнал, атрибуты сигнала, операторы параллельного присвоения, процесс и др.
Сигнал в VHDL трактуется весьма широко и может быть скалярным (целым, вещественным, битовым и т. д.) или векторным (шинным), булевым или многозначным. Многозначная логика дает возможность выявлять с помощью моделирования такие явления в схемах, как гонки или неопределенности на выходах схем, а также решать
Свойства VHDL являются следствием (или результатом) особенностей реализации тех принципов, которые заложены в язык моделирования интегральных систем. Полное описание VHDL- модели объекта проекта состоит из двух частей:
VHDL- описание объекта проекта на структурном уровне должно включать и третью часть - описание конфигурации, задающей подключение библиотеки моделей типов элементов и выборку их в качестве компонентов структуры объекта проекта.
Количество уровней вложенности структурной модели произвольное, что позволяет фактически описать любую систему от уровня ее
устройств до уровня логических, принципиальных электрических схем и элементов и до кремниевого уровня.
Для успешного решения задач высокоуровневого синтеза с последующим переходом на более низкие уровни с использованием VHDL- описаний ( VHDL- синтеза) должны выполняться следующие допущения:
Как показывает опыт зарубежных и отечественных разработок, в настоящее время наиболее успешным оказывается применение поведенческих VHDL- моделей для синтеза устройств, последовательность обработки данных в которых может быть строго структурирована и представлена в виде схемы алгоритма или соответствующего потока сигналов. Тогда каждый блок алгоритма обработки, описываемый в виде процесса ( VHDL- описания), однозначно реализуется соответствующими аппаратными средствами. Примером могут быть спецпроцессоры, ориентированные на решение конкретного класса задач по определенному алгоритму, в частности, устройства цифровой обработки сигналов.
Вычислительная техника - одна из наиболее быстро и динамично развивающихся областей науки и техники. Ее динамика, с одной стороны, связана с широким проникновением вычислительной техники во все сферы человеческой деятельности, с другой стороны - с бурным ростом технических характеристик вычислительных машин и систем. С начала шестидесятых годов прошлого века период удвоения основных характеристик компьютеров не превышает двух лет. Такой стремительный рост приводит к неоднозначности используемой терминологии, к субъективной оценке сфер применения конкретных ЭВМ.
Современная вычислительная машина представляет собой сложную аппаратно-программную систему, состоящую из большого числа взаимосвязанных элементов. Каждый из этих элементов имеет свои характеристики, совокупность которых определяет технико-эксплуатационные характеристики всей вычислительной машины.
К технико-эксплуатационным характеристикам ЭВМ, определяющим их функциональные возможности, относят:
Несмотря на сравнительно короткую историю современной вычислительной техники, до настоящего времени было предложено достаточно много подходов к систематизации всего многообразия средств вычислительной техники [40]. Работы в этом направлении продолжаются.
Любая классификация относительна и отражает только ограниченное многообразие свойств классифицируемых объектов или процессов. Но, как показал опыт, нахождение удачной классификации может предопределить успех развития целых научных и технических направлений. Характерный пример - периодическая таблица элементов Менделеева.
При разработке любой классификации важно понимать, для кого она создается и на решение каких задач направлена.
Используемый классификационный признак должен быть измеряемым и позволять относить классифицируемого объекта к единственному классу.
На практике эти требования часто удовлетворяются с допущениями. Примером служат большинство применяемых классификаций ЭВМ и вычислительных систем.
Для классификации компьютеров использовались следующие классификационные признаки:
В основу классификации по этому признаку положена форма представления информации, с которой работают вычислительные машины.
По этому признаку вычислительные машины можно разделить на три группы: специализированные, универсальные и проблемно-ориентированные.
Универсальные ЭВМ позволяют решать задачи различных классов: математических, инженерно-технических, экономических, информационных и др.
Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения круга задач более узкого: управление технологическими процессами; выполнение расчетов по сравнительно несложным алгоритмам; регистрация, накопление и обработка не очень больших объемов небольших данных. Они имеют более скромные по сравнению с универсальными ЭВМ программные и аппаратные ресурсы. Примером проблемно-ориентированным вычислительных систем могут служить и различные управляющие вычислительные комплексы. Специализированные вычислительные машины предназначены для решения узкого круга задач.
Характеристики и архитектура машин этого класса определяются спецификой тех задач, для решения которых они используются. Это обеспечивает их более высокую эффективность в соответствующем применении по сравнению с универсальными ЭВМ. К специализированным ЭВМ относятся контроллеры, управляющие несложными техническими устройствами и процессами и микропроцессоры специального назначения.
В соответствии с этой классификации вычислительные машины делятся на суперЭВМ, большие, малые, сверхмалые. Эта классификация потеряла свою актуальность. Можно говорить только о существовании класса суперЭВМ (суперкомпьютеров).
В качестве классификационных признаков используются: характеристики системы команд компьютера (количество команд, структура адресной части команд), разрядность машинных слов, организация обработки данных и команд процессором.
Классификация М. Флинна [38, 303] является одной из самых ранних и наиболее известных классификацией архитектур вычислительных систем. В основу классификации положено понятие потока. Поток - это последовательность, под которой понимается последовательность данных или команд, обрабатываемых процессором. Рассматривая число потоков данных и потоков команд, М. Флинн предложил рассматривать следующие классы архитектур: MIMD, SIMD,
Single Instruction Single Data [stream] - "один поток команд, один поток данных", архитектура
Multiple Data stream processing - "один поток команд, много потоков данных", архитектура SIMD (
Multiple Instruction Single Data [stream] - "много потоков команд, один поток данных", архитектура
Multiple Instructions - Multiple Data [stream] - "много потоков команд, много потоков данных", архитектура MIMD (МКМД). Одна из четырёх возможных архитектур параллельного компьютера. В этой архитектуре набор процессоров независимо выполняет различные наборы команд, обрабатывающих различные наборы данных. Системы в архитектуре MIMD делятся на системы с распределённой памятью (слабо связанные системы), к которым относятся кластеры, и системы с совместно используемой памятью (
В класс
(рис 2.1) Классификация М. ФлиннаК классу SIMD относятся классические процессорные матрицы. В них множество процессорных элементов контролируется общим управляющим устройством. Все процессорные элементы одновременно получают от устройства одинаковые команды и обрабатывают свои локальные данные. Если рассматривать каждый элемент вектора как отдельный элемент потока данных, то к этому классу можно отнести и
Класс MIMD включает в себя все многообразие многопроцессорных систем. Если рассматривать конвейерную обработку как выполнение множества команд не над одиночным векторным потоком данных, а над
множественным скалярным потоком, то в этот класс могут быть включены
У этой классификации есть очевидные недостатки:
Несколько классификаций, предложенных позже, расширяют классификацию М. Флинна. Примером такой классификации может служить классификация Ванга и Бригса.
Эта классификация по сути, является дополнением к классификации Флинна. В ней сохранены четыре базовых класса (
В классе MIMD выделяются:
К первой группе относятся
Класс
Класс SIMD с учетом способа обработки данных делится на два подкласса:
Т. Фенг предложил в основу классификации вычислительных систем положить две простые характеристики [42, 303]:
Иcпользуя предельные верхние значения числа бит n и числа слов m, вычислительную систему можно охарактеризовать двумя числами ( $$n,m$$ ). Величина $$n * m$$ определяет интегральную характеристику потенциала параллельности P архитектуры. Эта характеристика называется максимальной степенью параллелизма вычислительной системы: $$P(C)=m*n$$. По сути, это значение характеризует пиковую производительность. Рассматривая в качестве классификационного признака вычислительных систем способ обработки информации, заложенный в их архитектуру, введенные понятия позволяют разделить все вычислительные системы на следующие классы.
Эта классификация имеет ограничения. Они связаны со способом вычисления ширины битового слоя $$m$$.
В соответствии с этой классификацией отсутствуют различия между многопроцессорными системами,
Данная классификация не позволяет понять специфику той или иной высокопроизводительной вычислительной системы.
Достоинством классификации Фенга является введение единой числовой характеристики для всех типов вычислительных систем, которая позволяет сравнивать их между собой.
Из интересных видов классификации можно отметить подход Базу, который строит классификацию по последовательности решений, принимаемых на этапе проектирования архитектуры. Согласно А. Базу (A. Basu), любую параллельную вычислительную систему можно однозначно описать последовательностью решений, принятых на этапе ее проектирования, а сам процесс проектирования представить в виде дерева [42].
В корне "дерева Базу" размещается вычислительная система, последующие ярусы дерева служат для описания иерархии принятия решений
при проектировании вычислительной системы. В итоге формируется описание проектируемой системы, представляемое значениями классификационных признаков в системе Базу.
Таким образом, на основе приведенных данных можно утверждать:
Как показывает предыдущий опыт, наиболее перспективные и получившие дальнейшее продолжение технические решения были найдены тогда, когда к разрабатываемым вычислительным системам предъявлялись наиболее экстремальные, а нередко и взаимно исключающие требования. Традиционными лидерами в этой части были и остаются БВС, требования к которым вырабатываются системными аналитиками на основе анализа "сценария" в данном случае боевого применения различных родов войск и видов вооруженных сил. Поэтому чтобы определить по крайней мере ближайшие перспективы развития средств вычислительной техники, вполне достаточно проанализировать военные программы, где лидером являются США.
В соответствии с действующими требованиями командований Военно-воздушных сил (ВВС), Военно-морских сил (ВМС) и Сухопутных войск (СВ) США перспективный комплекс БЭО должен обеспечивать экипажу:
Таким образом, основные требования к архитектуре и структурной организации перспективной БВС можно сформулировать следующим образом. БВС должна:
В современных условиях эти требования удовлетворяются за счет применения следующих технологий и технических решений, в которых:
крупных научно-технических программ [7] (
В результате выполнения данных программ научных исследований был получен ответ на глобальный вопрос о возможности повышения эффективности и качества функционирования БЭО и без усложнения его архитектуры, повышения надежности его функционирования и снижения стоимости технического обслуживания. Вместе с тем сохраняется обязательность требований к возможностям модификации и масштабируемости (модульном наращивании) БЭО, то есть добавления в его состав новых подсистем, которые могли бы быть разработаны в будущем, что должно происходить с минимальными затратами.
(рис 2.2) Основные зарубежные научно-технические программыИскомое решение сформировалось не столько в области повышения технических характеристик, качества и эффективности функционирования отдельных элементов БЭО, сколько в области поиска новых концепций и возможных подходов к разработке архитектур БЭО для перспективных ЛА на основе следующих постулатов:
Pillar, широко использовались при разработке авионики самолетов, создаваемых по программе ATF ( F-22 ). Архитектура БЭО самолета F-22, несомненно, может рассматриваться как наиболее совершенная в части использования решений и технологий существующих вычислительных средств и является базой и отправной точкой для дальнейших работ по совершенствованию архитектурного построения авионики боевых самолетов следующего поколения.
В настоящее время программа Pave Pillar трансформировалась в программу Pave Pace, основной целью которой является разработка действительно высокоинтегрированной модульной системы БЭО следующего поколения самолетов на основе перспективных технологий. Результаты данных исследований являются основой проектирования перспективного БЭО ЛА следующего поколения, в том числе и JSF [8-10] (Joint Strike Fighter).
Работы по совершенствованию технологий авионики были начаты еще до начала программы JSF, когда в конце 1991 г. фирме
Первое положение НИР AVSEP связано с признанием принципа модульности как основного подхода к обеспечению более высокого уровня функциональной интеграции систем БЭО. Как было определено в НИР AVSEP, основными интегральными компонентами комплекса БЭО самолетов типа JSF должны стать:
При этом общей целью использования принципа модульности стало обеспечение трех функционально-технических характеристик БЭО:
Реализация этих функционально-технических характеристик имеет непосредственное влияние и на стоимость БЭО. Так, за счет функционально-технической гибкости БЭО появилась возможность использования на самолетах типа JSF программного обеспечения, соз данного для самолета F-22, что позволяет существенно снизить стоимость разработки комплекса БЭО нового самолета. Функциональная интеграция компонентов БЭО позволяет сократить число и размеры модулей, снизив при этом общую стоимость их изготовления и обслуживания.
| НИР Исполнитель | Содержание роботы | |
|---|---|---|
| AVSEP | Апробация технологии ATIP на примере разработки комплекса БЭО |
|
| ATIP(конкурснаяразработка) | Boeing, Lockheed Martin | Продолжение разработки комплекса БЭО самолета |
| Lockheed Martin, Raytheon Co. | Демонстрация возможности создания на основе коммерческих стандартов вычислительной системы с уровнем обработки информации, обеспечивающим выполнение требуемых боевых задач одноместным самолетом | |
| Harris Corporation | Разработка гибкого (перенастраиваемого) интерфейса режима реального времени | |
| VHSON | Harris Corporation | Разработка высокоскоростной оптической шины информационного обмена |
| SMPS | Raytheon Co. | Разработка гибкой (перенастраиваемой) мультипроцессорной системы |
| MIRFS Raytheon Co. Создание и демонстрационные испытания (конкурсная Northrop Grumman многофункциональной АФАР |
||
| SASSY | Lockheed Martin, Raytheon Co. | Создание оптико-электронной обзорно-прицельной системы со станцией типа FLIR |
| DAIRS | Northrop Grumman | Создание всеракурсной системы ситуационного осведомления летчика с использованием станций типа микро-IRST |
| Boeing, Lockheed Martin | Демонстрация возможности создания аппаратуры комплекса MIRFS, соответствующей требованиям по стоимости и массогабаритным характеристикам. | |
| ADRFR | Rockwell Collins | Создание усовершенствованного цифрового радиочастотного приемника |
| ARF/IF | Northrop Grumman | Создание усовершенствованной радиочастотной среднечастотной аппаратуры |
Приведенные данные говорят об эволюционном характере становления проектной технологии прототипирования, ориентированных на создание сложных технотронных комплексов двойного назначения не только по конечному продукту, но и по инструментальным средствам поддержки самой технологии.
К ключевым технологиям, на основе которых реализована авионика самолета F-22, можно отнести:
В соответствии с концепциями программы Pave Pillar комплекс БЭО самолета F-22 состоит из комплексных систем выполнения боевых задач, управления датчиками и управления самолетом.
Комплексная система выполнения боевых задач состоит из:
Комплексная система управления датчиками состоит из:
Комплексная система управления самолетом состоит из систем отображения данных для летчика и управления самолетом, силовой установкой и электропитанием.
Эти три системы комплексируются на основе волоконно-оптической шины с частотой передачи информации 50 МГц. В структуре шины предусмотрены системное запоминающее устройство и шина передачи данных блоками для предотвращения потери данных или программ, имеющих решающее значение при выполнении боевых задач, и обеспечения возможности местного использования процессоров. Предусматривается перераспределение вычислительных ресурсов между системами выполнения боевых задач, управления датчиками, а также между подсистемами в пределах каждой из этих систем. Преобразование из аналоговой формы в цифровую и из цифровой в аналоговую в системах выполняется общими дистанционными терминалами.
Обработка сигналов и данных от датчиков на самолете F-22 осуществляется двумя интегрированными процессорами CIP, объединенными быстродействующей волоконно-оптической шиной. Каждый процессор представляет собой реконфигурируемую, наращиваемую вычислительную сеть из модулей процессоров обработки сигналов, данных и графики (видеопроцессоров). Предусмотрена возможность установки третьего CIP.
Физически CIP представляет собой стойку с быстросменными модулями семи типов, подключаемых к одинаковым объединительным платам с использованием стандартных разъемов. Объединительная плата обеспечивает подключение 66 стандартных модулей. Примерно 20 из 66 разъемов объединительной платы в каждом CIP свободны, что обеспечивает возможность наращивания вычислительного потенциала CIP или повышения надежности за счет вводимого аппаратурного резерва. Габариты платы составляют 540?350?25,5 мм.
Модуль процессора обработки данных реализован на основе микропроцессора Intel i960:
Модуль процессора обработки сигналов на основе процессора TMS 320С50:
Общая пиковая производительность бортовой вычислительной системы самолета F-22 достигает 10 млрд. опер/с при 300 Мб памяти. Программное обеспечение полета хранится в закодированном виде на кассете передачи данных, с которой вся информация считывается непосредственно перед выполнением боевого задания. Эта операция осуществляется летчиком.
На самолете F-22 реализована концепция, согласно которой летчик выступает в роли руководителя процесса выполнения боевой задачи. Комплекс БЭО работает в автоматическом режиме и осуществляет обнаружение и идентификацию целей, отображение информации о них, выработку рекомендаций для наиболее важных действий летчика, позволяя ему целиком сосредоточиться на ведении воздушного боя, что в совокупности позволяет формировать в темпе реального времени так называемое виртуальное пространство.
Это пространство создается на базе нескольких составляющих:
В совокупности все это и формирует для летчика виртуальное пространство. В результате летчик всегда видит на одном экране в трехмерном изображении где он находится по отношению к местности и зонам ПВО, на другом отображается картина боевых действий.
Таким образом, главным качественным моментом в самолете F-22, ставшем прототипом самолета пятого поколения, является высочайшая корреляция между разведкой и выполнением ударных задач, которая создает разведывательно-ударный комплекс, работающий в реальном масштабе времени.
Информационное поле кабины самолета F-22 включает шесть цветных жидкокристаллических индикаторов: один основной многофункциональный индикатор с размерами экрана 203х203 мм, три дополнительных многофункциональных индикатора с размерами экранов 150х150 мм, два индикатора с размерами экрана 75?100 мм, расположенных в верхней части приборной панели, а также индикатор на лобовом стекле (ИЛС).
Системы самолета F-22 отвечают тем же требованиям отказоустойчивости, как и его планер, ни один отказ не должен вывести из строя самолет. Модули диагностики и контроля, обеспечивающие такую устойчивость, включают запасные каналы, независимые источники питания, резервные контроллеры и гарантируют, что потребуется несколько двойных отказов, чтобы самолет F-22 мог быть выведен из строя.
Во время полета реакция на отказы систем является автоматической, так, например, при нарушении работы двигателя или его остановке предусмотрен автоматический повторный запуск.
Комплексная система предупреждения, выдачи рекомендаций и оповещения предназначена для обеспечения летчика информацией о том, каким образом отказы могут повлиять на выполнение боевой задачи. После появления предупредительного сообщения, на индикаторе, расположенном внизу, будет отображен перечень возможных операций реагирования на аварийную ситуацию, после чего летчик может подтвердить их нажатием кнопки и система БЭО все выполнит сама. Система спроектирована таким образом, чтобы воспроизвести информацию о вторичных эффектах отдельных отказов так, чтобы одно предупредительное сообщение потребовало бы одного действия.
Самолет F-22 легок в управлении, поскольку в ходе разработки по возможности были учтены все пожелания в отношении характеристик управляемости. Концепция "сохранения беззаботности", лежащая в основе системы управления полетом этого самолета, означает, что летчику не придется беспокоиться о потере управления, превышении допустимых перегрузок и т. п., кроме ведения контроля наличия тяги.
Из приведенных данных видно, что развитие БЭО авиации США ориентировано на переход от прямого к директивному управлению сложными технотронными комплексами, в рамках которого пилот задает только цели и режимы функционирования бортовых систем и всего ЛА. Реализация поставленных целей и оптимизация режимов работы всех систем ЛА возлагается на БВС.
Отправной точкой итерационного процесса разработки комплекса БЭО самолета JSF (рис. 2.3), начатого фирмой
(рис 2.3) Общая архитектура БЭО самолета F-35Техническая стадия исследования основывалась на математическом и полунатурном моделировании комплекса БЭО и всех процессов его функционирования. Ключевая роль принадлежала здесь моделированию процессов управления самолетом как боевым авиационным комплексом, реализованному с помощью специально созданного стенда. Используя виртуальный (математически моделируемый на компьютере) прототип комплекса БЭО, исследовательская группа, выполнявшая НИР AVSEP, могла без труда и особых затрат времени провести, например, параметрический анализ влияния разрешающей способности работы РЛС в режиме синтезированной апертуры на стоимость жизненного цикла и эффективность разрабатываемого изделия. При проведении такого исследования было установлено, что снижение степени разрешения с 0,3 до 0,9 м не сказывается на снижении боевых возможностей самолета как одной из составляющих комплексного показателя доступности. В то же время изменение разрешающей способности РЛС в этом диапазоне оказывает влияние на стоимость, также явл яющуюся одной из составляющих данного критерия.
Принципиальным отличием БЭО JSF "версия 1" от исходной точки процесса, "обозначенной" комплексом БЭО самолета F-22, является интеграция отдельных элементов БЭО не только в пределах систем близкого функционального назначения, но и в пределах совокупности систем, близких по частотному полю своего функционирования. Это прежде всего относится к комплексу интегрированных радиочастотных систем, получившему обозначение MIRFS (Multi-
Интегрированный комплекс MIRFS объединяет в себе такие функциональные радиочастотные системы, как радиолокационная обзорно-прицельная система, радионавигационные системы, система радиосвязи, система госопознавания, система радиоэлектронного противодействия, система радиотехнической разведки.
При этом используются два "уровня" интеграции: на уровне приемопередающих антенных устройств (апертур) и на уровне блоков предварительной обработки информации.
Система MIRFS имеет несколько самостоятельных апертур, одна из которых, получившая обозначение
Более широкая интеграция радиочастотных систем осуществляется на уровне программной обработки информации в рамках комплексной системы, получившей обозначение
Наличие такой системы позволяет, в частности, вести полномасштабное использование информации от внешних источников. Так, первичная информация обзорно-прицельной системы одного самолета JSF о наблюдаемой цели может передаваться на борт другого самолета JSF, выполняющего полет в режиме радиомолчания, и обрабатываться в полном объеме, как если бы она была получена собственной РЛС этого самолета.
Также в комплексе обзорно-прицельных систем, помимо традиционной оптоэлектронной обзорно-прицельной системы (SASSY Shared
Данные от систем комплекса MIRFS, DAIRS и бортовых систем обрабатываются программным обеспечением и представляются пилоту как виртуальное тактическое пространство на многофункциональном дисплее, расположенном на приборной панели. Нашлемная система индикации проецирует ИК-изображение с данными о текущей тактической и полетной обстановке на визир пилоту, обеспечивая при этом широкий угол зрения при обзоре целей. Повернув голову в любом направлении, летчик видит сквозь конструкцию самолета, пыль, дым и темноту воздушное пространство в направлении взгляда.
Еще одно отличие комплекса БЭО JSF "версия 1" от исходной точки, обозначенной архитектурой БЭО самолета F-22, связано с интегрированным процессором IСP (Integrated Core Processor). Рассматриваемый как дальнейшее развитие системы CIP, реализованной на самолете F-22, этот процессор отличается большой степенью интеграции. Его отличительной особенностью является также использование коммерческих стандартов на основные модули вычислительного ядра системы.
Основными элементами интегрированного процессора
Конструктивно
Интегрированный процессор включает в себя 22 модуля семи типов:
В систему можно добавить до восьми различных цифровых модулей обработки и дополнительные блоки питания. Модули процессоров обработки, как сигналов, так и данных, реализованы на базе коммерческого микропроцессора Motorola G4 PowerPC (
Производительность процессора MPC7410 с тактовой частотой 500 МГц при обработке данных составляет 8 млрд. оп/сек с
Модули видеопроцессоров реализуются на основе FPGA- матриц (программируемые пользователем вентильные матрицы) с использованием языка синтеза дискретных систем VHDL.
В
Предварительная предпроцессорная обработка получаемых сигналов от датчиков производится внутри комплекса MIRFS системой
| Наименование чипа | Рабочаячастота,МГц | Частота шины, МГц | Размер кеша | Технологияизготовлениямикрон | Формакомпоновки(CGBA) | V Вольт | WВатт | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2-го уровня | 3-го уровня | |||||||
| G4 (7400/ 7410/ Мах) | 350 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.8 | ? | |
| 400 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.8 | 11.5 | ||
| 450 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.8 | ? | ||
| 500 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.8 | 12.5 | ||
| 7441 ( |
600 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.5 | ? | |
| 700 | 100 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.5 | ? | ||
| G4e (7450/7451) | 533 | 133 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.6 | 17 | |
| 600 | 133 | до 2 Мб отд. | 0.18 | 360-pin | 1.6 | 17.5 | ||
| 667 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | 19 | |
| 733 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мботд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | ? | |
| 800 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | ? | |
| 867 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | ? | |
| G4e(7455) | 800 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | ? |
| 933 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | ? | |
| 1000 | 133 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | 30 | |
| 1250 | 166 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | 30 | |
| 1425 | 166 | 256 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.18 | 483-pin | 1.6 | 30 | |
| 7447 | 1000 | 166 | 512 Кб на чипе | 0.13 | 360-pin CGBA | 1.3 | ? | |
| 1250 | 166 | 512 Кб на чипе | 0.13 | 360-pin | 1.3 | ? | ||
| 1333 | 166 | 512 Кб на чипе | 0.13 | 360-pin | 1.3 | ? | ||
| 7457 | 1000 | 166 | 512 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.13 | 483-pin | 1.3 | ? |
| 1250 | 166 | 512 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.13 | 483-pin | 1.3 | ? | |
| 1333 | 166 | 512 Кб на чипе | до 2 Мб отд. | 0.13 | 483-pin | 1.3 | ? | |
Радиолокационные данные обрабатываются вместе с данными от других бортовых и внешних систем, а затем передаются из
Для связи интегрированного процессора обработки сигналов и данных
Для реализации функций системы управления полетом и силовой установкой (VMS) фирма BAE Systems разработала компьютер управления системами самолета (
Для предоставления текущей информации от датчиков, оружия, состоянии самолета, полетной безопасности, тактической обстановке используется два многофункциональных микроактивных жидкокристаллических дисплея (
Схема дисплейного процессора вместе с коммерческими процессорами, памятью и видеопроцессорами использована в компьютере управления нашлемной индикацией (DMC-H). Система нашлемной индикации (
Основные требования к системе
активной матицы
Первый полет версии самолета F-35 с обычным взлетом и посадкой ожидался в 2005 году.
Первые два фактора предполагают отсутствие у противника эффективных средств противодействия типа рентгеновских лазеров, мощных генераторов электромагнитных импульсов и т. п., способных вызвать в БЭО и БВС множественные отказы.
Третий фактор предполагает развитие воздушной и боевой обстановки только по сценариям, заложенным в интеллектуальные и информационные базы БВС, то есть только по сценариям атакующей стороны.
Основные достоинства этой технологии:
Именно последнее обстоятельство вынуждает проектировщиков БВС для ВВС США приступить к реализации подобной вычислительной технологии при решении критических задач обработки изображений в системах навигации и управления высокоточным оружием. Для решения этих задач используются аппаратные платформы, которые создаются методами и средствами программного конструирования специализированных видеопроцессоров на основе FPGA- матриц (программируемые пользователем вентильные матрицы) с использованием языка синтеза дискретных систем VHDL. Однако это только первый шаг на пути широкомасштабного использования в БВС вычислительных технологий со сверхмассовым параллелизмом в аппаратных платформах, работающих на предельных тактовых частотах гигагерцового диапазона или в начальной области терагерцового диапазона.
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.