Файл: Шаталов, В. А. Применение ЭВМ в системе управления космическим аппаратом.pdf

Выбор требований к надежности оборудования для пилоти­ руемых КА имеет свои особенности. К оборудованию, которое обеспечивает безопасность экипажа, т. е. возможность сохранения жизни и возвращения на Землю, предъявляются повышенные требования. Так, при проектировании пилотируемых КА в США требования по надежности оборудования выбираются такими, чтобы вероятность обеспечения безопасности экипажа составля­ ла 99,9%, в то время как вероятность выполнения поставленной задачи принимается равной лишь 95%•

Повышение надежности аппаратуры осуществляется двумя путями:

—повышением надежности отдельных элементов схем;

—введением избыточности (резервированием).

Рассмотрим некоторые способы повышения надежности путем

и принципы построения бортовых ЭВМ.

Методы резервирования можно разделить на две группы: активное и пассивное резервирование.

При активном резервировании (рис. 6. 5) отказавший элемент Б ЦВМ обнаруживается специальной схемой и заменяется исправ­ ным при помощи устройства переключения.

Активнее резервирование может быть реализовано на различ­ ных уровнях:

— резервирование элементов, блоков, устройств, ЦВМ. При выборе уровня резервирования необходимо учитывать следую­ щие два обстоятельства. Чем меньше уровень резервирования, тем надежнее система. С другой стороны, устройства обнаруже­ ния отказов и переключения не имеют абсолютной надежности и усложняют сами устройства, увеличивая при этом их массу. Необходимо отметить, что постоянно проводимый процесс инте­ грации схем естественным образом приводит к повышению уровня резервирования.

Интерес с точки зрения влияния на принципы обработки пред­ ставляют следующие варианты организации вычислительных систем:

—мультимашинная структура; •— мультимодульная структура;

—структура с рассредоточенным процессором. Мультимашинная структура реализуется в виде нескольких

ЭВМ, не связанных между собой. Подключение исправной маши­ ны осуществляется через коммутатор, который и является единст­ венным связующим ЦВМ звеном.

Мультимодульная структура и структура с рассредоточенным процессором являются разновидностями мультипроцессорных вычислительных систем.

Модульная структура предусматривает наличие ряда одно­ типных функциональных блоков. Блок-схема такой структуры

161

Процессоры

Рис. 6. 5. Блок-схема активного резервирования Рис. 6. 6. Мультимодульная организация

приведена на рис. 6.6. Любой из модулей процессоров связан с любым модулем памяти, а те, в свою очередь, связаны с моду­ лями ввода — вывода. Такая организация обладает достаточной гибкостью, предусматривает широкие возможности по наращива­ нию модулей всех уровней. При помощи такой структуры в период критических фаз могут быть использованы все средства. В обыч­ ном режиме часть модулей отключается и не используется.

В структуре с рассредоточенным процессором система состоит из блоков, каждый из которых имеет вычислительные возможно­ сти и свою память. Процесс обработки может быть разделен между такими блоками, при этом каждый блок может быть управляемым и управляющим.

Для эффективной реализации активных методов резервиро­ вания бортовая вычислительная машина должна обладать совер­ шенной системой контроля. Методы контроля разделяются на два вида — аппаратные и программные. Аппаратный контроль основывается на введении в состав ЦВМ специального оборудо­ вания. При помощи такого оборудования контролируются про­ цессы обмена данными между различными устройствами, пра­ вильность выполнения арифметических операций и т. д.

Программный контроль позволяет с использованием про­ граммных средств проверять правильности работы ЦВМ. Конт­ роль может осуществляться или при помощи тест-программ, решаемых в промежутках между основными программами, или при помощи специальных приемов, позволяющих проверять пра­ вильность решения основных программ. В качестве примера такого специального приема может быть проведен способ, использующий двукратное решение задачи. В этом случае по совпадению результатов судят об исправности ЦВМ. Другим

162

примером является использование разных методов получения одного и того же результата.

Если отличительной чертой аппаратных способов контроля является необходимость увеличения оборудования, то программ­ ные способы требуют для своей реализации дополнительного машинного времени, т. е. приводят к некоторой потере произво­ дительности ЦВМ. Естественно, что наибольший эффект дает разумное сочетание программных и аппаратных методов кон­ троля.

Для бортовых ЦВМ особо важное значение имеет сохран­ ность программ. Для того чтобы повысить надежность хранения программ, используют запоминающие устройства, допускающие только считывание. Чтобы исключить возможность непроизволь­ ного разрушения хранящихся данных, может быть использована система защиты памяти. В простейшем случае система защиты может быть основана на использовании специального реги­ стра, содержащего начальный и конечный адрес, реализуемой в данный момент программы. В процессе выполнения программы при обращении к памяти адрес обращения сравнивается с содер­ жимым регистра. Команда выполняется, если адрес не выходит за пределы адресов, хранимых в регистре. В противном случае формируется сигнал, соответствующий аварийной ситуации.

Простота является существенным достоинством данного спо­ соба, однако он применим лишь при работе с одним массивом. При большем числе массивов и при динамическом распределении памяти между программами объем аппаратных и программных средств защиты памяти возрастает.

Основным недостатком активных методов резервирования является необходимость временных затрат для определения отка­ завшего элемента и подключения вместо него другого элемента из резерва.

Несмотря на данный недостаток, активные методы резервиро­ вания широко используются на уровне крупных блоков и ЦВМ в целом.

На уровне ячеек и деталей используются пассивные методы резервирования. В качестве примера рассмотрим лишь некото­ рые из них.

1. Самокомбинирующая избыточность.

Классическим примером таких схем является схема, приве­ денная на рис. 6.7, а. В данной схеме отказ отдельного элемента или даже пар элементов (за исключением одновременного выхода элементов с номерами 1—3, 2—4) не приводит к неправильному формированию выходного сигнала.

2. Мажоритарная логика.

Особенностями методов данной группы является то, что вы­ ходной сигнал формируется при помощи специальной схемы мажоритарного элемента (см. рис. 6.7,6).

163

а)

Мажоритарный элемент (клапан) формирует выходной сиг­ нал таким же, как большинство входных. Пусть а, Ь, с — выход­ ные сигналы трех параллельных схем. Тогда клапан должен сформировать выходной сигнал в соответствии с табл. 6.1.

Мажоритарный клапан, реализующий данную логику, при­ веден на рис. 6.7, в. В соответствии с реализуемой логикой оди­ ночный сбой или отказ в схеме, формирующий входной для

164

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БЦВМ

К основным параметрам бортовой вычислительной машины могут быть отнесены:

—быстродействие или производительность;

—структура памяти и характеристики ЗУ; ■— адресность;

—разрядность;

—система команд;

—надежность;

—масса и энергопитание и т. д.

Выбор параметров определяется задачами, решаемыми дан­ ным КА, и требованиями, предъявляемыми к аппарату, которые вытекают из особенностей решаемых задач. Ряд параметров

•однозначно определяется этими требованиями. Так, например, вероятность выполнения задачи и необходимая продолжитель­ ность полета позволяют определить надежность БЦВМ. Воз­ можности КА также определяют допустимую массу и энерго­ потребление.

При определении конкретных требований к БЦВМ необхо­ димо учитывать тот факт, что оценка этих требований должна

•быть приближенной в связи с тем, что одним из требований, предъявляемых к БЦВМ, является гибкость, т. е. возможность наращивать задачи в процессе совершенствования КА данного назначения без изменения его конструкции. Таким образом,

•сделав даже точный подсчет, необходимо предусмотреть некото­ рый резерв по памяти и быстродействию. Кроме того, необхо­ димо учесть также, что для каждого ИСЗ нецелесообразно кон­ струировать отдельную БЦВМ. В интересах экономии матери­ альных затрат на создание бортовых машин целесообразно идти по пути стандартизации, т. е. создания определенного набора типовых БЦВМ, перекрывающих возможный диапазон требований, предъявляемых к ним.

166

7.1. ОЦЕНКА БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И ПАМЯТИ

При определении требований по памяти и быстродействию последовательность действий должна быть следующей. Опреде­ ляем цикличность программы полета и строим временную диа­ грамму фаз полета. Для каждой фазы определяем задачи,, решаемые в данной фазе, и время выполнения фазы. Пример перечня фаз и задач, решаемых в каждой из них для космиче­ ского корабля «Аполлон», приведен в табл. 7. 1. Для каждой фазы строится временная диаграмма решения задач на БЦВМ и на основании этой диаграммы определяются потребности по быстродействию и памяти для решения каждой из задач. При оценке вычислительных возможностей на борту целесообразно использовать такой показатель, как производительность вычис­ лительной системы. Этот показатель является обобщенным. Он зависит от целого ряда факторов, таких как время выпол­ нения операций в арифметическом устройстве, характеристик ЗУ,, числа обслуживаемых каналов ввода — вывода и т. д.

В качестве производительности может быть выбран такой частный показатель, как быстродействие ЦВМ.

Под быстродействием ЦВМ следует понимать среднее количе­ ство операций, выполняемое машиной в единицу времени при реализации конкретной задачи и определяемое соотношением [3]:

i

где Pi — частота выполнения операции г-го типа; т, ■— время выполнения операции /-го типа.

Из соотношения (7. 1) видно, что быстродействие ЦВМ меняется от задачи к задаче, так как частоты выполнения тех или иных операций различны.

Однако для инженерной оценки реализуемости различных алгоритмов целесообразно оценить номинальное быстродействие V Hom, п о д которым следует понимать количество стандартных операций, выполняемых ЦВМ в единицу времени при реализации некоторой программы, приведенной только к стандартным опе­ рациям:

где Тот — время выполнения стандартной операции.

Проанализировав время выполнения операции, последние можно разделить на две группы с близким временем их выпол­ нения. Достаточно иметь две группы операций: типа сложения и типа умножения.

167

впространстве Формирование управляющих сигналов

168