Оценка производительности и живучести МКМД-БИТ-потокового предпроцессора системы астронавигации

Модуль " скользящего окна " размером 5 * 5 пикселей ( SWM25 - рис. 8.10) представляет собой разветвленную по 25 выходам FIFO -регистровую линию (функциональной) задержки продолжительностью 4*128+5 = 517 тактов (бит). Преимущество FIFO -регистровой линии задержки состоит в том, что она минимизирует число обращений к внешней памяти и использует однократно введенный входной операнд ровно столько раз, сколько требуется по алгоритму обработки. При этом она одновременно осуществляет 4*128+5+25 = 542 операции пересылки однобитных операндов входного потока.

На ее 25 выходах параллельно, но с временным перекосом или, что одно и то же, с нарастающей дополнительной "технологической" задержкой на 1 такт формируются биты, отвечающие одному положению "скользящего окна" на исходном изображении. Такая нарастающая на 1 такт задержка

Рис. 8.10. Структурная схема модуля "скользящее окно" (SWM25)

необходима для правильного суммирования содержимого однобитных пикселей в последующем модуле медианной фильтрации ( MMF25 ).

На топологической схеме поток-оператора модуль "скользящее окно" (рис. 8.11) занимает бит-матрицу размером 6*25 БП, который частично пересекается с модулем MMF25. Первый каскад из 25 его выходов имеет координаты (1, 1, 2)-(1, 25, 2).

Рис. 8.11. Фрагмент топологической схемы модуля "скользящее окно" (SWM25)

Координата входа в модуль - (5, 1, 4), где время начальной задержки составляет 43(+2*128) тактов. В скобках указано дополнительное время начальной задержки, если в субпроцессоре используется модуль циклической генерации тест-данных DTM.

Таким образом, пропускная способность модуля "скользящее окно" по потоку однобитных инструкций составляет .

Модуль медианной фильтрации бинарного изображения ( MMF25 - рис. 8.12) присваивает каждому положению "скользящего окна" или, что одно и то же, его центральному элементу в результирующем изображении значение "единица", если суммарная площадь "единичных" пикселей превышает половину площади "скользящего окна". В нашем случае общая площадь "скользящего окна" равна 5*5 = 25 пикселей, поэтому центральному пикселю результирующего изображения присваивается значение "единица", если суммарная яркость пикселей в этом положении "скользящего окна" больше или равна 13, и присваивается значение "ноль" в противном случае.

Рис. 8.12. Структурная схема медианного фильтра (MMF25)

Модуль MMF25 содержит 8 идентичных блоков, в которых осуществляется:

• циклическое суммирование бинарных яркостей пикселей, принадлежащих одному и тому же положению "скользящего окна" на исходном изображении;
• циклическое сравнение накопленной суммы с пороговым значением 13 и присвоение "единичного" или "нулевого" значения соответствующему пикселю выходного изображения;
• транзитная передача содержимого "скользящего окна" параллельно по всем 25 пикселям исходного изображения.

Цикл выборки потока обрабатываемых данных из входного потока для каждого блока составляет 8 тактов. В результате в каждом из этих блоков формируется реакция всего медианного фильтра на закрепленные за ним положения "скользящего окна", которые кратны 8. Поэтому время начала работы каждого блока сдвинуто на 4 такта или, что одно и то же, на один пиксель в положении центрального элемента "скользящего окна" размером 5*5 пикселей на исходном изображении. Здесь 4 такта задержки образованы одним тактом функциональной задержки и тремя тактами технологической задержки, обусловленными транзитной передачей содержимого "скользящего окна" через предшествующий блок медианной фильтрации.

Модуль медианной фильтрации MMF25 расположен на бит-матрице размером 24*28 БП, а каждый из 8 его блоков занимает по три строки и содержит (рис. 8.13):

• блок управления циклом суммирования (CUADD1(8)): БП (1, 1), настроенный на бит-инструкцию CG с циклической константой , которая в каждом блоке сдвинута влево на количество тактов, отвечающее времени начала его работы;
• блок суммирования (ADD): БП 3-й строки бит-матрицы с первого по 25-й столбец бит-матрицы;
• блок сравнения с порогом и подстановки результата сравнения (THU): 27-й и 28-й столбцы.

При любом пространственном смещении модуля медианной фильтрации MMF25 или его отдельных блоков необходимо скорректировать фазу выхода циклической константы , придав ей вид, отвечающий фактическому сдвигу в начале их работы. Результирующее бинарное изображение начинает формироваться с 618(+2*128) такта в БП (3, 28, 2) слиянием по "ИЛИ" циклических реакций от каждого из 8 блоков.

Время начальной задержки только в модуле медианной фильтрации MMF25 бинарного изображения "скользящим окном" 5*5 пикселей составляет 55 тактов, а суммарное время начальной задержки от входа субпроцессора до этого выхода составляет 618 тактов без учета начальной задержки 2*128 тактов для вхождения в конвейер модуля генерации тест-данных.

Из приведенных данных видно, что каждый блок модуля медианной фильтрации ( MMF25 ) работает с циклом 8 тактов и на выходе формирует однобитный признак результата сравнения с порогом, равным 13. При этом составляющие его блоки реализуют следующие слов-инструкции:

Рис. 8.13. Топологическая схема 1-го блока модуля медианной фильтрации (MMF25)

• блок управления циклом суммирования (CUADD1(8)): 1 слов-инструкцию генерации циклической константы , 25 операций селекции входных операндов (бит-инструкции AND) и 54 операции пересылки;
• блок суммирования (ADD): 25 операций суммирования (бит-инструкции ADD), 25 операций пересылки промежуточных результатов суммирования и 25 операций транзитной пересылки данных в последующие блоки фильтрации;
• блок сравнения с порогом и подстановки результата сравнения (THU): 1 сравнение, 1 формирование результата сравнения и 2 пересылки, одна из которых - собственный результат сравнения, а другая - результаты сравнения в предшествующих блоках.

Таким образом, пропускная способность модуля медианной фильтрации составляет по потоку 8-битных слов-инструкций , а из 159 реально исполняемых в режиме интерпретации слов-инструкций полезными для пользователя являются только четыре: накопление суммы, сравнение с порогом и формирование результата сравнения с его подстановкой.