На сегодняшний день большая часть экспертов утверждает, что цифровые технологии смогут определить развитие XXI века. И уже видно, что особенности развития этой тенденции требуют радикальных изменений деятельности в обеспечении национальной безопасности государства и влечет за собой такие же серьёзные изменения и в военном деле.
Так, развитие военной техники, средств связи, радио, телевидения, работающих с сигналами различной физической природы, вызвало такой бурный процесс, как прогресс средств цифровой обработки сигналов (ЦОС).
Попытки использовать готовые интегральные схемы микропроцессорной техники для развития не принесли успеха. Причина в том, что самые быстродействующие микропроцессоры, даже с наиболее современной архитектурой, обеспечивали обработку сигналов в пределах частотного диапазона в несколько сотен Гц, в то время как в большинстве практических задач полоса частот превышает десятки тысяч Гц и постоянно расширяется.
Поэтому были предприняты работы по созданию высокопроизводительных спецпроцессоров с последовательной обработкой данных.
Такие процессоры ориентированы в первую очередь на использование в сложных системах управления специального назначения, работающих в реальном масштабе времени. Область применения спецпроцессоров включает в себя обработку сигналов (цифровая фильтрация, обработка сигналов, электронное противодействие, адаптивная фильтрация, преобразования Фурье и Гильберта, корреляция и т.д.), обработка изображений (распознавание образов, сжатие и восстановление изображении, гомоморфная обработка и т.д.), высокоскоростное управление (линии передачи данных, наведение ракет, управление двигателями, дистанционное управление с обратной связью, робототехника и т.д.), инфокоммуникации, обработка речи, инструментарий и числовую обработку и т.д.
Кроме того, высокопроизводительные спецпроцессоры могут найти широкое применение и в других областях человеческой деятельности, таких как медицинская техника, геологоразведка и многое другое.
Архитектура
В основу архитектуры рассматриваемого класса специализированным процессоров, ориентированных на ЦОС и изображений в реальном времени, положены следующие особенности:
- аппаратурная реализация иерархической системы команд высокого уровня, ориентированной на классы решаемых задач;
- распараллеливание вычислений на уровне алгоритмов;
- последовательная обработка данных;
- конвейеризация вычислений.
Иерархическая система команд высокого уровня определяется математическими ядрами алгоритмов, которые имеют соответствующую структурную интерпретацию в виде процессорных элементов.
Нижний уровень иерархии системы команд представляет собой устойчивые цепочки арифметических операций (например, «бабочка» для алгоритма быстрого преобразования Фурье или сумма парных произведений для задач перемножения векторов и матриц) и реализуется непосредственно в интегральных схемах. Команды верхнего уровня иерархии соответствуют типовым задачам обработки сигналов и изображений фиксированной размерности и реализуются посредством программирования.
Такой подход позволяет отобразить граф вычислительного процесса сетью процессорных элементов и обеспечить возможность гибкой взаимной трансформации конструктивной сложности к производительности спецпроцессоров.
Наличие нескольких уровней в системе команд обусловлено противоречием между универсальностью и производительностью процессора.
При этом на выбор системы команд существенное влияние оказывают функциональные возможности и технические характеристики элементной базы.
Уровням детализации алгоритмов соответствуют и уровни системы команд, среди которых выделяются [1]:
- метакоманды, соответствующие отдельным алгоритмам или задачам;
- макрокоманды, определяемые групповыми многооперандными арифметическими операциями;
- команды RISC-процессора, обеспечивающие достаточные гибкость и универсальность процессора;
- микро- и нанокоманды, позволяющие осуществлять перенастройку операционных блоков процессора на уровне стандартных цифровых узлов.
Современная интегральная технология во многом предопределяет архитектуру процессора и способ организации в нем вычислительного процесса. Исследования привели, на первый взгляд, к парадоксальному выводу: высокая производительность процессора обеспечивается как параллельно-конвейерной архитектурой, так и использованием процессорных элементов с последовательной обработкой данных на интегральных схемах. Благодаря выполнению арифметических операций в последовательном коде удается значительно сократить число внешних выводов схем (что имеет особо важное значение для комплексных данных большой разрядности) и использовать при построении процессора десятки и сотни процессорных элементов.
При этом в одном чипе размешается несколько процессорных элементов, каждый из которых осуществляет одновременную обработку группы операндов и обеспечивает аппаратурную поддержку системе команд процессора.
Эффект от увеличения параллелелизма на уровне макрокоманд многократно компенсирует снижение скорости последовательной обработки на уровне арифметических операций.
Анализ алгоритмов и методов решения задач цифровой обработка сигналов показывает, что базовыми ядрами для всего класса задач являются дискретное преобразование Фурье, линейная свертка, циклическая свертка, корреляция, перемножение векторов и матриц, многооперандное весовое суммирование, многоканальное умножение с накоплением.
Именно совокупность этих аппаратурно реализуемых мега- и макрокоманд позволяет достичь разумного компромисса между объемом оборудования процессора и скоростью вычислений.
Таким образом, в состав процессора должны входить следующие квазивиртуальные модули аппаратурных средств:
- модуль дискретного преобразования Фурье;
- модуль свертки и весового суммирования;
- модуль матричных операций;
- модуль многооперандных арифметических операций;
- модуль общесистемного оборудования (устройство управления, память, коммутирующая среда, интерфейс и т.п.).
Вычислительные модули процессора выполняются либо полностью автономными, либо динамически настраиваемыми при непосредственной интерпретации отдельных макрокоманд.
Большинство видов мощных микропроцессоров, например Pentium, Athlon, PowerPC, Intel, имеющие высокий ресурс вычисления, чтобы решать сложные задачи, связанные с обработкой цифровых сигналов, другой раз, по своей производительности опережают даже быстрейшие процессоры ЦОС с последовательной логикой. Тем не менее, процессоры ЦОС с последовательной логикой будут использоваться в будущем для выполнения обширного круга задач в том числе и при обеспечении боевых действий, так как предлагают хорошую производительность приемлемую цену.
На видео: Основы ЦОС
