Спецпроцессор преобразования Фурье (СПФ СМ)

Г.А. Егоров, Н.Л. Прохоров

В работах по созданию СМ ЭВМ значительное внимание уделялось специализированным процессорам, обеспечивавшим повышение производительности вычислительных комплексов для конкретного класса решаемых задач. При этом на выбранном классе алгоритмов мини-ЭВМ СМ3 (СМ4) обеспечивают производительность сравнимую с производительностью больших ЭВМ. Алгоритмы Фурье-анализа используются во многих областях науки и техники.

Спецпроцессор преобразования Фурье СПФ СМ был разработан в 1983 году для обработки изображений поверхности планеты Венера в рамках выполнения соответствующей программы. Разработка проводилась совместно с Институтом радиоэлектроники Академии наук СССР.

Наиболее жёсткие требования к аппаратной части цифровой обработки предъявляют радиолокационные системы. Основным содержанием цифровой обработки здесь является фильтрация входных сигналов антенны, частоты сигналов от 10 МГц до 10 ГГц, размеры преобразований могут достигать до 214 комплексных точек, требования по быстродействию достигают 109 умножений в секунду. При обработке цифровых сигналов радиолокатора используются алгоритмы цифровой фильтрации и спектрального анализа (вычисление дискретного и быстрого преобразования Фурье – ДПФ и БПФ), алгоритмы корреляционного анализа, обратной свёртки, специальные алгоритмы линейного предсказания.

СПФ СМ подключался к ЭВМ СМ 3 (СМ 4) и предназначался для выполнения алгоритмов быстрого преобразования Фурье и других специфических операций цифровой обработки сигналов.

Функциональные узлы спецпроцессора СПФ СМ построены по конвейерной схеме и соединены между собой в общий конвейер, «смещающийся» на 1 слово при поступлении на вход очередного отсчёта, за счёт чего пропускная способность достигает до 400 тыс. комплексных отсчётов в секунду.

Основной узел – блок выполнения ДПФ, алгоритм БПФ по основанию 2, аппаратурная задержка приблизительно равна размеру преобразуемого массива.

Обмен данными между оперативным запоминающим устройством и спецпроцессором обеспечивается блоком сопряжения прямого доступа. Скорость обмена до 400 тыс. 32-разрядных слов в секунду.

Реализуемая производительность по выполнению только арифметических операции составляет более 22 млн операций в секунду.

В структуру спецпроцессора введены два дополнительных умножителя. Первый из них предназначен для перемножения преобразуемого и взвешиваемого массива, второй – для нахождения мощности, то есть квадрата модуля.

С помощью СПФ СМ выполняются следующие алгоритмы:

• прямое преобразование комплексного массива (размер массива N = 2n (n = 1, 2, … 12);
• прямое ДПФ с получением энергетического спектра с вышеуказанными параметрами;
• прямое ДПФ с предварительным взвешиванием преобразуемого массива (при выполнении предварительного взвешивания время увеличивается на 30%);
• обратное ДПФ;
• операции масштабирования массивов:
• а увеличение отсчёта массива в 2-a раза и выявление числа переполнений, числа значащих бит максимального по абсолютной величине числа (мнимые и действительные части рассматриваются как независимые числа, при переполнении производится ограничение);
• б управление делением в 2 раза после каждого этапа БПФ в блоке БПФ;
• в уменьшение значений энергетического спектра в 4b раза.

(Основное назначение операций a и б состоит в минимизации погрешности ДПФ, а операции в – уменьшение разрядности результата и экономия ОЗУ за счёт укороченного формата мощности. Кроме того, операция а позволяет ограничить массив сигнала и выявить статистику его амплитуды);

Дополнительные операции над массивами:

• поэлементное перемножение двух комплексных массивов;
• вычисление суммы произведений элементов двух комплексных
• массивов;
• размещение массивов в ОЗУ.

Действительные и мнимые части данных располагаются последовательно. Шаг размещения массива произвольный, что позволяет исключать лишние пересылки при совместном анализе нескольких сигналов или при обработке двумерных массивов.

СПФ СМ работает под управлением операционной системы РАФОС, в состав которой входят:

• драйвер СПФ СМ;
• набор макрокоманд;
• системная библиотека, обеспечивающая доступ к функциям

СПФ СМ из программ, написанных на языке Фортран IV. Управление спецпроцессором со стороны операционной системы СМ 3 – СМ 4 осуществляется драйвером, выполняющим за одно обращение следующие команды:

• прямое и обратное БПФ;
• БПФ и вычисление энергетического спектра;
• обратное БПФ (ОБПФ) и вычисление массива из квадратов
• модулей значений результата;
• умножение на массив весовых коэффициентов и БПФ;
• умножение на массив весовых коэффициентов и ОБПФ;
• умножение на массив весовых коэффициентов, БПФ и
• вычисление энергетического спектра;
• умножение на массив весовых коэффициентов, ОБПФ и
• вычисление массива из квадратов модуля значений результата;
• скалярное произведение двух массивов;
• вычисление квадрата модуля скалярного произведения двух массивов;
• вычисление массива квадратов модулей поэлементного произведения.

Наборы макрокоманд и модулей системной библиотеки позволяют спецпроцессору выполнять операции ДПФ, свёртку двух действительных массивов, двумерное ДПФ массива, расположенного на магнитном носителе, ДПФ массива большого размера, находящегося на магнитном носителе; взвешивание преобразуемого массива.

Конструктивно СПФ СМ был выполнен в стандартной стойке СМ ЭВМ с габаритными размерами 947 × 600 × 1800 мм. Потребляемая мощность – 2 кВт.

СПФ СМ обеспечили успешное выполнение двух уникальных космических проектов мирового значения:

«Венера-15, 16» (1983-1984 гг.) – синтез радиолокационных изображений поверхности планеты Венера по отражённым сигналам радиолокаторов (голограммам), завершившийся построением первой карты северного полушария Венеры (общий вид, рельеф, геология, морфология).

«Вега» (1986 г.) – обработка сигналов парашютных зондов, сброшенных в атмосферу Венеры (выделение телеметрии, а также интерферометрия в составе международной интерферометрической сети с целью точного измерения перемещений зондов в атмосфере Венеры). Исследования завершилась первыми прямыми измерениями скорости ветров на Венере и измерениями её температуры и давления.

Общее количество выпущенных экземпляров СПФ СМ – около 30.

Основные разработчики – Б.Я. Фельдман, Т.В. Солохина.

из статьи «Семейство малых ЭВМ (СМ ЭВМ)»
Помещена в музей с разрешения авторов 26 сентября 2016