Перспективы развития цифровых управляющих вычислительных систем реального времени

Хетагуров Я.А.

В процессе развития вычислительных машин появился ряд направлений их применения, которые потребовали учета особенностей для обеспечения решения поставленных задач. К таким направлениям можно отнести создание вычислительных систем с большим числом вычислительных машин – десятками, сотнями и тысячами.

Интенсивно развивается направление создания цифровых управляющих систем реального времени (ЦУВС РВ). Оно призвано, в принципе, исключить участие человека в создании сложных и ответственных продуктов промышленности. Для ЦУВС РВ применения вычислительных машин и систем принципиальными стали требования по достоверности выдаваемой информации, её защищенности и безопасности. Выполнение этих требований невозможно без широкого использований различных методов контроля.

К цифровым ЦУВС РВ времени учитывая, что они работают в условиях объекта, в основном подвижного, должны удовлетворять требованиям по механическим, климатическим и габаритно-массовым характеристикам аппаратуры объекта. Для ряда областей применения (самолеты, ракеты, спутники) необходимо обеспечить защищённость и безопасность от различного вида воздействий, минимизировать потребление электроэнергии и габаритно-массовые характеристики.

Широкое применение ЦУВС РВ в промышленности и различных системах организованного управления привлекло внимание групп людей (хакеров) к возможности обогащения путем использования – продажи закрытых данных, искажения данных, нарушения работы систем. Потери фирм и правительственных организаций от действия этих групп, по сообщениям печати, достигают десятки миллиардов долларов в год в мире.

Повышение защищенности и безопасности ЦУВС РВ стало важнейшей задачей их построения и эксплуатации. Несмотря на работу квалифицированных специалистов, повышающих защищенность и безопасность, величина потерь в год от различных нарушений не уменьшается. По-видимому, исторические принципы создания не учитывали эти требования, которые появились в последнее время. Введение средств защиты и безопасности в работающую систему практически, как показывает опыт, не учитывает особенностей её построения, которыми пользуются хакеры. Выявленные недостатки исправляются и, таким образом, постепенно увеличивается защищенность, но это долгий и затратный путь.

В создаваемых системах необходимо встраивать средства защиты и безопасности в решаемые алгоритмы, т. е. при создании алгоритмов их проектировать с учетом защищенности и безопасности. Этот путь обеспечения безопасности и защищенности комплексный, т. к. его использование связано, кроме принципа построения алгоритмов, и с методами контроля. Его применение определяется уровнем интеллекта разработчиков.

Рассмотрим проблемы, связанные с обеспечением достоверности информации при работе ЦУВС РВ. Достоверность – это интервал времени работы системы с отсутствием ошибок в выдаваемых данных. Достоверность определяется двумя характеристиками системы надежностью работы аппаратуры и качеством контроля. Надежность работы ЦУВС РВ определяется надежностью самого ненадежного элемента из СБИС (контроллеров, процессоров, микропроцессоров) и надежностью цепей связи между элементами. Проблемы оценки надежности и её прогнозирования для БИС известны, учитывая их количество порядок сотен, тысяч штук. Они используются в промышленности. Проблемы оценки надежности связей и её прогнозирование для единичных соединений, также известны, но проблемы контроля качества – надежности соединений при их числе порядка десятка и сотен тысяч соединений ждут своих решений. Надежность соединений определяется опытом и ответственностью монтажников, организацией работы на конкретной фирме.

Надежность связей – в настоящее время определяется тренировкой всей ЦУВС РВ. Длительность этой тренировки задается, исходя из статистических данных по подобным системам, и длительность её оценивается для различных систем и фирм несколькими сотнями часов. В период тренировок обычно изменяют режимы работы, которые выбираются разными для различных систем и определяются опытом фирмы.

Этот вид испытаний наиболее затратный и сложный для выполнения. Одним из направлений при создании системы является сокращение количества связей между элементами системы, выполняемыми монтажниками. Это направление получило развитие в использовании структуры «система на кристалле» (СНК), которая переводит часть внешних связей системы во внутренние методы контроля, которых разработаны. Развивается направление, связанное с исключением из процесса соединения элементов монтажника посредством конструкторских решений, связанных с типизацией соединений элементов и их выполнением на автоматах пайки.

Другой важнейший фактор обеспечения достоверности – применение методов контроля для определения факта несоответствия – нарушение нормальной работы ЦУВС РВ. Известны два направления проведения контроля работы – аппаратурный, использующий дополнительную аппаратуру и программный – созданием специальных программ, выполняемых вычислительной машиной для проведения различных проверок на соответствие получаемых данных заданным требованиям.

В результате развития производства микропроцессоров, контроллеров и унификации остался только один метод аппаратурного контроля – мажоритарный метод, который основан на сравнении трех данных, полученных с трех вычислительных машин, работающих на одинаковых программах. Этот метод увеличивает объемы аппаратуры в 3,1–3,2 раза и, незначительно, требования к объему памяти и быстродействию на 2–5%.

Программные методы контроля получили громадное распространение, но они потребовали значительного увеличения быстродействия аппаратуры вычислительных средств по отношению к программе выполнения алгоритма в среднем в 15–20 раз и более и увеличения памяти в 2–4 раза.

Важным фактором для оценки затрат на цикл жизни ЦУВС РВ является учет длительности выпуска СБИС 2–3 года и длительности эксплуатации ЦУВС РВ в среднем 10 – 20 лет, что существенно увеличивает затраты на эксплуатацию (ЗИП), т. к. надо хранить 5–7 комплектов элементов.

Построение рациональных ЦУВС РВ определяется поиском путей развития вычислительных машин, методов контроля их работы для обеспечения достоверности надежности, защищенности и безопасности, условиями работы ЦУВС РВ, которые комплексно оцениваются минимизацией затрат на жизненный цикл системы.

Среди приведенных задач, решение которых определяют ЦУВС РВ, основной является задача – определение методов контроля работы аппаратуры и программного обеспечения. Затраты ресурсов системы (быстродействие, объемы аппаратуры, потребление энергии) определяются принятыми методами контроля в системе.

Минимизацию затрат ресурсов ЦУВС РВ за жизненный цикл можно достигнуть, используя новые аппаратурные комплексные методы контроля вычислительной машины, например, выполнение операции в коде 1 из 4-х с контролем наличия только одной единицы в каждом разряде кода числа, (кроме мажоритарных), и аппаратурные методы контроля отдельных функций работы вычислительной системы. Например, контроль длительности выполнения операции, команд и др., аппаратурной реализацией специальных команд. Например, команд, исключающих необходимость в наличии в компьютере операционной системы, специальных схем контроля выполнения частей программ и т. д. Применение СБИС на основе базовых кристаллов (БМК) существенно сокращает затраты на создание вычислительных средств с использованием аппаратурных методов.

Об авторе:

Московский инженерно-физический институт
chief@pcweek.ru