Лекция 6. Архитектура вычислительных блоков ИУС РВ (Лекции 2014-2015)

ВСТРОЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГОВРЕМЕНИЛекция 5:Архитектура вычислительныхблоков ИУС РВКафедра АСВК,Лаборатория Вычислительных КомплексовБалашов В.В.ПланИНТЕГРАЦИЯ• Однопроцессорные вычислительныеблоки• Распределённые системы изоднопроцессорных блоков• Многомодульные вычислительныеблоки• Архитектура интегрированноймодульной авионики2Необходимый минимализм:однопроцессорные блоки• Технологические ограничения:– вынужденное применение «грубого»технологического процесса– жёсткие ограничения по размерам иэнергопотреблению• Откуда берутся ограничения– требование к устойчивости к внешнимвоздействиям (излучение и т.п.)– неразвитость технологических процессовпроизводства микросхем– общий лимит на размеры иэнергопотребление ИУС РВ3Аппараты с жёсткимиограничениями на ИУС РВ4Центральные ЭВМмарсоходовАппаратCPURAMFlashEEPROMОСSojourner(1997)Intel 80C85, 2 МГц, 5128-разрядный,Кбайт6000 транзисторов(аналог Intel 80801974 г.

разработки)176КбайтНетОднозадачная,жёсткийпорядоквыполнениязадачMarsExplorationRover(2004)IBM/BAE RAD6000,20 МГц,32-разрядный,1.1 млнтранзисторов128Мбайт256Мбайт3 МбайтVxWorks,многозадачнаяMarsScientificLaboratory(2011)BAE RAD750,132 МГц,10.4 млнтранзисторов256Мбайт2Гбайт256КбайтVxWorks,многозадачная5RAD7506Расширение одноплатногокомпьютера: Карта-мезонин•••На одноплатном компьютере – локальная шина (например, PCI)К этой шине присоединяется карта расширения (например,адаптер канала)Карта расширения не зависит от «основного» разъёма, черезкоторый компьютер подключается к управляемой системе7RAD750: внедрения• Deep Impact (полёт к комете)• Mars Reconnaissance Orbiter (спутникМарса)• Lunar Reconnaissance Orbiter (спутникЛуны)• WorldView-1 (спутник оптическойсъёмки)• Fermi Gamma-ray Space Telescope(орбитальный телескоп)• Kepler space telescope (орбитальныйтелескоп)• Wide-field Infrared Survey Explorer(орбитальный телескоп)• Mars Scientific Laboratory (марсоход)8Слабая интеграция:однопроцессорные блоки намедленной шинеДатчикиИндикаторыОрганыуправленияСистемауправлениядвижениемРадиолокаторШина MIL STD-1553BОбщаяпамятьШина MIL STD-1553B:порядка 100 Кбайт/с9Назначение блоков• С-1:– контроль состояния бортовых систем– выбор режима работы ИУС РВ– управление обменом по шине (контроллер канала)– вычисление управляющих параметров полёта для передачив систему управления движением– подготовка данных для индикаторов• С-3:Прямойканалк радаруОбщаяпамять• С-2:– вычисление параметров движения самолёта на основепоказаний датчиков– обеспечение движения самолёта по маршруту– управление датчиками• С-4:– Управление полётом на малой высоте по показаниям радара10Тесная интеграция: шинаVME• Параллельная шина сарбитражем• Реализует прямой доступ кпамяти модулей• Объединяет модули в блок(крейт)• Разрядность шины данных:32 или 64 бита• Пропускная способность:– 40 Мбайт/с (VME32)– 80 Мбайт/с (VME64)– до 320 Мбайт/с (VME64 в блочномрежиме, на одну передачу адреса11Структура шины VME••••Адресная шинаШина данныхШина арбитража (для управления доступом)Шина прерыванийЭто похоже напроцессорную шину!Это она и есть(процессор Motorola68000)12Роли модулей на шине VME– Ведущий (Master)• Может инициировать передачу данных– Подчинённый (Slave)• Отвечает на запросы от ведущего– Источник прерывания (Interrupter)• Модуль, способный формировать прерывание (обычно –подчинённый)– Обработчик прерывания (Interrupt handler)• Модуль, способный обрабатывать прерывания (какправило, одноплатный компьютер)– Арбитр (Arbiter)• Модуль, управляющий доступом к шине и осуществляющиймониторинг обмена по шине.

Устанавливается в слот №113Процедура передачи данных1. Ведущий устанавливает запрос на передачуданных на шине арбитража– при этом ведущий устанавливает на Ш.А.«свою» линию запроса в активное состояние(логический 0)2. Шина освобождается от текущей передачиданных =>– арбитр определяет, какие линии запросаактивны на Ш.А.– арбитр выбирает ведущего, которому отдатьшину, и устанавливает в активное состояниелинию Ш.А. «доступ дан» для этого ведущего14Процедура передачи данных3. Получив доступ к шине, ведущий устанавливает:– на шине данных: значения передаваемых данных (в случаеотправки); разрядность данных – не больше разрядностишины данных– на шине адреса:• номер подчинённого устройства• адрес в памяти подчинённого устройства• разрядность передаваемых данных(8, 16, 32 бита; также 64 бита для VME64)• признак «чтение» или «запись»4.

Подчинённое устройство:– на Ш.А. признак «чтение» => устанавливает на шинеданных значения данных заданной разрядности сзаданного адреса своей памяти– на Ш.А. признак «запись» => записывает по заданномуадресу своей памяти данные заданной разрядности с шиныданных15Прерывания• Прерывание – способ дляподчинённого устройства оповеститькакое-либо из ведущих устройств онеобходимости обмена данными• Запрос прерывания выставляется наодной из 7 линий шины прерывания• Ведущие устройства самиразбираются, кому адресован запрос16Блочная передача данных• Поддерживается в VME64• В начале обмена задаётся адрес ичисло передаваемых блоков данных• Выполняется передача заданногочисла блоков данных (каждый блок –не шире шины данных)• => значительная экономия временина задании адреса17Недостатки VME• Медленная шина (по современныммеркам)• Параллельная шина (много линий наматеринской плате, сложностьповышения частоты работы)• Невозможно одновременноевыполнение нескольких обменовданными18Борьба с недостатками VME:VPX• Программа «VME Renaissance»: дать VMEбудущее в мире скоростных процессоров• Обратная совместимость с VME: возможностьустановки в VPX-систему существующих VMEмодулей– механическая совместимость– поддержка протокола и «идеологии» VME• Уход от общей шины с арбитражем: поддержкакоммутируемых сетей– Gigabit Ethernet, 10-Gigabit Ethernet– PCI Express– InfiniBand (высокоскоростной прямой доступ впамять)Высокоскоростные каналы из мира x8619VPX: плавный уход от VME• Современная VPX-система:– нет VME (т.к.

нет унаследованных модулей)– x86 процессор– технологии из настольных систем (PCI Express,Gigabit Ethernet, USB, HDMI/DisplayPort)– межмодульное взаимодействие – по каналамEthernet (дорожки на материнской плате крейта)• Фактически – вычислительный кластер натехнологиях «мира x86»– для создания системы нужно меньше экзотическихзнаний• Модули в закрытых кожухах – можно вставлятьи вынимать из работающей «в поле» системы20Интегрированная модульнаяавионика• Недостаток традиционных многомодульных блоков:чрезмерная внутренняя интеграция• VME: шина ограничена пределами блока– Единственный арбитр– Параллельная шина (сложно провести между блоками, вт.ч.

защитить от помех)– Выход арбитра из строя – фатален (слот №1 –единственный)– Идеология прямого доступа к памяти: у модуля«слишком много» знания о внутреннем устройстведругих модулей того же блока• В итоге:––––система неоднородна (блоки сильно различаются)модули одного блока тесно интегрированы друг с другоммодули разных блоков слишком изолированынизкая отказоустойчивость и реконфигурируемость (блок21выходит из строя целиком)Интегрированная модульнаяавионика• Среда обмена данными на основе коммутатора• Модули всех блоков «равноправно» подключены ксреде обмена данными=> система – «облако» модулей• Сервисная шина – последовательная, относительномедленная (помехоустойчивость), может объединятьвсе модули системы ИМА– CAN bus• Трафик по сервисной шине минимален(низкоуровневые данные о состоянии, простейшиекоманды вроде вкл/выкл модуля)• Высокая отказоустойчивость и реконфигурируемость– модуль вышел из строя => заменить его может модульиз другого блока– поддержка виртуальных каналов => возможностьмиграции вычислительных задач22Интегрированная модульнаяавионика (5 поколение)ВычисленияВычисленияВычисленияВычисленияВычисленияКоммутаторВычисленияКоммуникацииКоммуникацииГрафикаГрафикаПримеры модулей ИМАМодульпроцессора данныхМодульввода-выводаМодуль графическогоконтроллераФункциональный модульобщего назначения.Функциональный модульспециального назначения.Функциональный модульспециального назначения.Задачи:• обработка данных,• выполнениевычислительных задач,• принятие управленческихрешений.Задачи:•прием/выдача сигналов по«унаследованным»бортовым интерфейсам,•преобразованиеунаследованных форматовсообщений в стандартныйформат ARINC 653.Задачи:•построение изображений наоснове данных, полученных отвычислительных задач,• обработка входныхвидеоизображений,•прием/выдача изображенийпо оптическим видеоканалам.Модуль коммутатора FCПредназначен для обеспечениявзаимодействия в сети Fibre ChannelМодуль источника питанияВспомогательный модуль, обеспечивающийвторичное питание модулей с требуемымихарактеристиками24БАЗОВЫЕ МОДУЛИ ИМА БКМодульпроцессора данныхМодульввода-выводаМодуль графическогоконтроллераФункциональный модульобщего назначения.Функциональный модульспециального назначения.Функциональный модульспециального назначения.Задачи:• обработка данных,• выполнение авиационныхалгоритмов,• принятие управленческихрешений.Задачи:•прием/выдача сигналов поавиационныминтерфейсам,•преобразование сигналовв формат сообщений ARINC653.Задачи:•построение изображенийна основе данных,полученных от задач ФПО,• обработка входныхвидеоизображений,•прием/выдача сигналов поканалам FC-AV.Модуль коммутатора FCМодуль ИППредназначен для обеспечениявзаимодействия в сети Fibre ChannelВспомогательный модуль,обеспечивающий вторичное питаниемодулей с требуемыми характеристиками2526Далее…• ИУС РВ на базе стандарта POSIX• Процесс разработки ИУС РВ,программные и аппаратные средстваего поддержки27Спасибо за внимание!28.