Модуль совмещения и синхронизации.

Классификация систем отображения информации.

Место и роль средств отображения информации в АГК.

План.

Лекция 1.5. Принципи побудови систем відображення інформації в авіаційних геоінформаційних комплексах.

1.5.1. Місце і роль засобів відображення інформації в АГК.

1.5.2. Класифікація систем відображення інформації.

1.5.3. Методи побудови систем відображення інформації.

1.5.4. Приклаи реалізації структур і компонентів системи відображення інформації (на прикладі комплексу „Унікон”).

1.5.5. Функції та режими роботи АГК.

1.5.6. Інтерактивні комплекси оперативної взаємодії „Ромб” та „Мустанг”.

Статические изображения во многих случаях являются хорошим информационным средством для оператора, но несравненно большую информацию обеспечивают динамические сцены, представляемые пользователю в реальном времени.

Это особенно важно, когда требуется представление изображения быстро изменяющегося во времени, например, различные перегрузки пилота самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, изменение усилий в конструкциях того же самолета, сцены разводки самолетов в районе аэропортов и т.д., так и абстрактные картинки всевозможных игровых ситуаций, мультипликат, изменяющиеся кривые тенденций чего-либо и пр.

Разумеется, что при показе динамики такое представление более выразительно, чем представление последовательности отдельных неподвижных слайдов. Информационная способность системы отображения повышается, если пользователь имеет возможность изменить скорость выдачи кадров, их цвет, границы или части выбранных и выдаваемых на экран, степень их детализации и др.

В связи с этим в интерактивной машинной графике ведущее место занимают аппаратурные и программные методы реализации динамики движения или динамики изменения этого движения под контролем пользователя. Здесь под выражением «динамика движения» подразумевается линейные перемещения объектов по отношению к неподвижному наблюдателю (эту задачу можно представить и в обратном виде, т.е. движение пользователя относительно неподвижного объекта).

Важным звеном системы оперативного взаимодействия ИГК РВ, является канал ввода-вывода. Рассмотрим канал вывода. Его структуру предложено рассматривать такой, как показано на рис.1.5.1. Здесь:

ПМ- прикладная модель, содержащая описание графических и неграфических свойств объекта; КДФ- компилятор дисплейного файла, представляет собой часть прикладной пpограммы; СДФ- структурированный дисплейный файл, содержащий описание графического представления объекта; ДП - дисплейный процессор, отображающий СДФ в ЛДФ; ЛДФ – сегментированный линейный дисплейный файл, содержащий графические примитивы и команды установки режимов, описывающие объект после модельных преобразований и видовой операции; ДК – дисплейный контроллер, отображающий ЛДФ в виде изображения на экране видеотерминала.

Как следует из представленной схемы, канал вывода видеоинформации состоит из четырех представлений объектов: ПМ, СДФ, ЛДФ и экрана дисплея с тремя логическими процессорами, последовательно преобразующих одно представление изображения в другое: КДФ, ДП и ДК. Часть модели, относящаяся к вводу информации, представлена на схеме, рис.1.5.1, данными в виде пунктирных стрелок, поступающих к различным процессорам.

Программа вывода изображений на экран видеотерминала представляет собой последовательность операций, которым соответствует список команд для дисплейного процессора. Такой список называют дисплейным файлом. Схема, показанная на рис.1.5.1 представляет собой структуру функциональных компонентов комплекса , аппаратурная реализация которой в виде действующего лабораторного макета представлена в разделе 1.5.2. Следует заметить, что методы построения и обработки дисплейных файлов и их реализация предопределяют организацию вычислительных процессов при построении динамической сцены. Одним из основных требований является возможность реализации вывода динамически изменяющихся изображений, а также изменения или удаления части изображения, поворачивания определенных символов или части сложного изображения на заданный угол и т.д.

Перекомпоновка или удаление части изображения может быть достигнута переформированием всего дисплейного файла. Однако, как показали исследования, более эффективный путь состоит в применении принципа сегментирования дисплейного файла, состоящего в том, что при изменении изображения производится переформирование только соответствующих его частей (сегментов). При выводе или смене статических изображений КДФ обрабатывает часть ПМ. Набор макрокоманд для построения и переработки сегментированного дисплейного файла представляет по своей сути компилятор дисплейного файла.

1.5.3. Методы построения систем отображения информации.

При построении динамической сцены, представляемой в виде движущихся на картографическом фоне изображений объектов, появляется ряд проблем, решение которых зависит не только от предлагаемых методов и средств, но и от характера комплексирования систем и средств, составляющих АГК РВ. Для двумерных изображений символов основными составляющими движения являются поступательное линейное перемещение или сдвиг и вращение или поворот. Методы, были впервые применены при построении комплекса

«Уникон». Оказалось, что при увеличении размерности матрицы, содержащей изображение символа, резко усложняется задача построения компилятора дисплейного файла.

Эта задача еще более усложняется при реализации динамики (поворота) сложных символов на картографическом фоне представленного рядом слоев. Здесь становится нужной технология таких преобразований, средства и вычислительные ресурсы для обнаружения и удаления частей изображения, а также восстановления необходимых участков фона.

Эта задача при сравнительно небольших размерах символов (до 8х8 точек) успешно решается путем применения методов теории преобразования матриц. Такие преобразования оправдано выполнять непосредственно дисплейным процессором в случае, если таких символов относительно немного - несколько единиц, да и тогда, когда их конфигурация достаточно проста.

Если же необходимо «поворачивать» сложные изображения символов, содержащие, например, 100 точек (10х10) и более, то обработка таких массивов требует значительных вычислительных ресурсов . Если количество таких символов составляет десяток и более, а их изображения различны, обработка с помощью дисплейного процессора становится нецелесообразна.

В этом случае дисплейный процессор вынужден практически постоянно заниматься преобразованиями изображений символов, при этом масса важных функций видеотерминала, например, обеспечения интерактивного режима, всевозможных расчетов, поддержки функций ввода-вывода и др., может быть им выполняться не достаточно эффективно.

Поэтому пришлось направить концентрацию усилий на поиск новых путей организации вычислений и комплексировании программно-технических средств.

Заметим, что дисплейный файл, являющийся особой программой дисплейного процессора, которая получается путем преобразования части программы для ЭВМ, предназначен для вывода изображений. Такое преобразование представляет трансляцию или компиляцию одной программы в другую, а сам процесс – компиляцией дисплейного файла. Компилятор дисплейного файла представляет собой пакет графических подпрограмм, которые программист загружает совместно с основной программой.

Подпрограммы, в свою очередь, могут состоять также из наборов графических макрокоманд. Примером такой макрокоманды может быть:

ЧЕРТИТЬ (53, 160, 830, 940).

Обращение к этой макрокоманде означает запрос к компилятору на добавление к дисплейному файлу графической единицы, в данном случае отрезка прямой, начинающейся от точки с координатами (53, 160) и заканчивающейся в точке (830, 940).

К другим типам простейших макрокоманд можно отнести такие, с помощью которых выполняется вывод точек, алфавитно-цифровой информации, операций сдвига, очистки и т.д. Могут быть и более сложные макрокоманды. Весь вывод графической информации осуществляется посредством единого алгоритма визуализации.

Общая схема процесса генерирования дисплейного файла показана на рис.1.5.2. Программные модули, обеспечивающие режимы ввода и вывода обозначены блоками: «Программы ввода» и «Программы вывода». В блоке «Программы обработки и анализа» содержатся различные программы вычислений, связанные с реализацией прикладной задачи.

Важнейшим параметром компилятора дисплейного файла является его скорость преобразования или компиляции. Особенно это важно при реализации поворота сложных изображений, например, вращения карты, схемы либо их частей, либо просто определенных геометрических фигур. Если на выполнение компиляции затрачивается относительно много времени и новые дисплейные файлы нельзя выводить чаще, чем 25 раз в секунду, то вращение изображения становится прерывистым, что не обеспечивает достоверность выдаваемой оператору видеоинформации, а также делает невозможным процесс

интерактивного общения человека с системой. Отсюда вытекает требование к методам генерации дисплейного файла - обеспечение необходимой скорости компиляции.

Поэтому в большинстве случаев пользуются определенными приемами позволяющими избежать полной повторной компиляции дисплейного файла. Так, например, при перемещении символов на фоне статического изображения достаточно обращаться к программам компиляции перемещения только этих символов, обеспечивая при этом их вывод на экран дисплея с приоритетом по отношению к фоновому изображению. Эти действия подчинены другому принципу генерации дисплейного файла - неполной повторной компиляции.

Естественно, что для такой выборочной компиляции изображений символов их следует представлять для обработки компилятором в виде отдельных сегментов программы. Такие сегменты должны преобразовываться компилятором в соответствующие сегменты дисплейного файла так, чтобы при обработке перемещений символов компилятор мог оставить фоновое изображение без изменений.

Третье требование - буферизация. Это особенно важно при условии регенерации изображения, которая применяется в подавляющем большинстве дисплеев, когда необходимо быстро изменять содержание записей, описывающих поворот символов, движущихся на фоне карты.

Для более эффективного выполнения этих операций нами предложен новый принцип буферизации, рис.1.5.3а, заключающийся в том, что новый вид записи заранее формируется в некоторой выделенной для этих целей части памяти, а после окончания её формирования осуществляется программный переход на новую подготовленную запись. Место памяти, где была старая запись, может быть использовано для формирования следующей новой. В зависимости от сложности изображения символа таких выделенных мест может быть несколько. Такой метод буферизации напоминает конвейер, рис.1.5.3б и поэтому он назван нами конвейерным методом буферизации.

Требование распределения свободной памяти осуществляется при стирании и повторном формировании записи. Для его осуществления компилятор дисплейного файла должен быть снабжен системой распределения свободной памяти.

Существует два основных способа распределения памяти. В первом случае выделяется довольно большой блок при открывании записи, остаток возвращается в систему после его закрывания. Второй способ предполагает построение записей из небольших по величине блоков равной длины.

При реализации первого способа может случиться так, что запись не помещается в блоке и необходимо выделить второй блок для приема конца записи. Если излишков много, то возникает проблема сбора остатков.

Второй способ позволяет проще и быстрей выполнять oпeрации размещения записей, кроме того, не стоит так остро проблема сбора остатков.

Многие изображения содержат часто повторяющиеся символы. Это различные обозначения электрических схем, чертежей деталей и т.д. Поэтому удобно описать такой символ один раз, а затем обращаться к его описанию no необходимости. Такое обращение возможно при условии использования подпрограмм их отображения. Такая подпрограмма обычно представляет собой отдельный сегмент, который может быть многократно использован в дисплейном файле. В пределах записи подпрограммы все графические данные должны быть заданы в относительном формате с отсчетом от определенной начальной точки.

Другим методом построения структурированных дисплейных файлов может служить метод элементов и групп. Здесь все записи рассматриваются как подпрограммы, а для включения какой-либо записи в цикл регенерации, достаточно вызвать её из так называемой «базы записей».

Этот метод хорош прежде всего тем, что он обеспечивает возможность изменять или удалять отдельные фрагменты внутри любой записи.

При этом используются два типа дисплейных записей. Один из них называется элементом - это запись, в которой содержатся только графическая информация и нет обращений к подпрограммам. Другой тип - группа. Он может состоять только из обращений к элементам или другим группам. Группу не нужно открывать или закрывать. Достаточно добавить к группе обращение, содержащее сведения о размещении вызываемого объекта в поле экрана и идентификатор обращения. Тогда для удаления символа следует удалить обращение, для чего нужно сообщить его идентификатор и имя группы, где оно находится. Группы предпочтительнее создавать как связанные списки блоков, а не как отдельные блоки памяти.

Деление на группы и элементы обеспечивает дополнительную гибкость при построении компиляторов дисплейных файлов.

1.5.4. Реализация полученных результатов в структурах и компонентах интерактивных геоинформационных комплексах (на примере макета комплекса «Уникон»)

Разработан действующий макет комплекса («Уникон»), в котором данные о воздушной обстановке выдавались с имитатора собранного на базе МВПК,

рис. 1.5.4. Основное назначение этого комплекса - апробация принципов и методов отображения воздушной обстановки в реальном времени и поддержка интерактивного взаимодействия оператора с системой.

Система содержит следующие основные компоненты (рис.1.5.4):

- процессор (или микропрограммируемый контроллер) – МПК; оперативное запоминающее устройство – ОЗУ; постоянное запоминающее устройство – ПЗУ; контроллер, преобразующий данные о видеоизображении в сигналы, способные управлять модулем индикации – КГТИ; модуль внешней памяти для хранения данных – МВПК; модуль индикации на базе монитора А543-14М; модули согласования интерфейсов, предназначенные для обеспечения связи с центральным вычислительным комплексом; клавиатуру; интерфейс ИУС.

Микропрограммируемый контроллер (МПК).

МПК предназначен для обработки алфавитно-цифровой и графической информации. МПК обладает преимуществом, состоящим в том, что в нем удалось воплотить устройство, выполняющее одновременно функции: АЛУ и геометрического процессора. До сегодняшнего дня МПК обладает рядом достоинств, до сих пор позволяющих его применение в устройствах ввода-вывода, например, в ТВСО диспетчерских атомных станций.

МПК обладает следующими характеристиками:

1. Разрядность обрабатываемых данных (слов) – 16 бит.

2. Разрядность микрокоманд – 18 бит (из них 2 контрольных).

3. Количество выполняемых арифметических и логических операций – 48.

4. Количество выполняемых операций сдвига – 7.

5. Количество регистров, доступных программисту – 22.

6. Тип интерфейса для связи с другими компонентами комплекса – ИУС.

7. Адресуемый объем управляющей памяти 64К слов.

8. Количество обслуживаемых адресов ввода-вывода – 251.5.

9. Система прерываний – гибкая, многоуровневая.

10. Время выполнения микрокоманд достаточно мало, например, чтение операнда с СОЗУ, обработка двух операндов, получение результата, формирование адреса следующей микрокоманды, чтение следующей микрокоманды и прием ее на РМК составляет всего 360 нс, что вполне приемлемо и сегодня.

11. Чтение микрокоманд и констант осуществляется через дополнительную магистраль ШИН-М, чтение данных из ОЗУ и УВВ осуществляется посредством интерфейса ИУС.

Для удобства работы, в качестве устройства ввода-вывода данных и команд, применен пульт управления ПУ-11.5. При этом МПК управляется как со стороны интерфейса – ИУСа, так и при помощи ПУ-11.5.

МПК осуществляет выполнение следующих функций:

- выполнение девяти типов команд,

- обработку двух операндов данных по одной из 32 заданных арифметических или 16 логических операций,

- реализацию одной из 7 операций сдвига полученного результата (при этом операция сдвига выполняется одновременно с заданной арифметической или логической операцией),

- формирование адреса микрокоманды и выдачу его на магистраль ШИН-М,

- прием микрокоманды через магистраль ШИН-М на регистр микрокоманды РМК,

- прием констант через магистраль ШИН-М на РБ,

- формирование и выдачу адресов операндов и адреса устройств ввода-вывода на шины интерфейса ИУС,

- прием операндов из ОЗУ или от УВВ через шины интерфейса ИУС на РБ,

- формирование условий обработки операндов,

- прерывание по вводу-выводу,

- прерывание по внешним запросам,

- ветвление внутри микропрограмм при выполнении условий и безусловно,

- запись результата обработки на один из 16 общих регистров (СОЗУ),

- чтение операнда из массива общих регистров (СОЗУ),

- работу с пультом управления,

- приема и выдачу сигналов через интерфейс ИУС при работе с УВВ или ЗУ, подсоединенных к данному интерфейсу,

- чтение микрокоманд по указанному адресу,

- пуск микропрограмм по указанному адресу,

- пуск,

- чтение регистров из массива общих регистров (16 регистров СОЗУ),

- запись указанных данных в общие регистры,

- запись данных на РБ,

- запись адреса в регистры микрокоманд РАМК,

- чтение содержимого ячеек ОЗУ по указанному адресу,

- запись указанных данных ячеек ОЗУ и индикацию содержимого РБ, РС, РМК, РАМК, РР, РП, Т₁, ОСТ, ОШ и нечет,

- потактовый режим,

- останов,

- останов микропрограммы по заданному адресу.

Оперативное запоминающее устройство.

В качестве ОЗУ предложен модуль ОЗУ, применяемый в дисплеях графических полутоновых типа К 331-3. Этот модуль предназначен для оперативной записи, хранения и выдачи информации в составе вычислительных комплексов, имеющих интерфейс ИУС.

Модуль ОЗУ имеет следующие характеристики:

- емкость модуля от 8 до 64К слов,

- дискретность наращивания памяти (посредством добавления блоков БП-38) – 8К слов,

- разрядность слова – 18 двоичных разрядов,

- модуль имеет выход на две магистрали: шины ИУС и шины считывания микрокоманд (шины М),

- модуль обеспечивает асинхронный режим работы по обеим шинам, что позволило расчленить обращение к модулю на две операции: адресацию и обмен,

- по шинам ИУС модуль ОЗУ обеспечивает выполнение фунции источника и приемника информации.

При этом работа ОЗУ была организована так, что в качестве приемника информации модуль поддерживает 2 режима:

- запись с принудительной адресацией,

- запись в счетном режиме.

В качестве источника информации модуль обеспечивает также 2 режима:

- считывание с принудительной адресацией,

- считывание в счетном режиме.

ОЗУ составляет две части, каждая из которых обеспечивает в режиме индикации растр 320 х 287 точек.

Первая часть ОЗУ – символьная – определяет каждую точку растра одним информационным битом.

Вторая часть ОЗУ – графическая – определяет каждую точку растра комбинацией из семи информационных битов. ОЗУ также управляет работой цифро-аналоговых преобразователей модуля индикации.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ПЗУ осуществляет хранение и выдачу микрокоманд и констант в МПК и обладает следующими функциями и характеристиками:

- емкость устройства до 2048 слов,

- разрядность слова – 18 двоичных единиц,

- время считывания не более 130 нс, считая от момента приема сигнала ПРА до момента установления сигналов информационного слова на шинах,

- прием адреса и передача данных – по общим двунаправленным шинам.

Структурная схема ПЗУ представлена на рис. 1.5.5.

В ПЗУ входят:

- шинный формирователь, управляющий двунаправленными шинами для осуществления приема адреса и передачи информации,

- регистр адреса – РгА, осуществляющий прием адреса с шинного формирователя и запоминание его на время цикла работы,

- дешифратор старших разрядов адреса,

- матрица памяти 2К х 18Р, собранная на микросхемах ППЗУ, выполняющая функцию хранения информации и обеспечивающая считывание ее на вход «А» шинного формирователя для последующей передачи на шины,

- схема управления ПЗУ выполняет следующие функции:

- распознает код выборки и запоминает его на время цикла работы,

- управляет работой шинного формирователя, путем подачи сигналов логического «0» или «1» на вход «УВ»,

- выдает служебные сигналы ППА и НД.

Контроллер графический модуля индикации.

В системе «Уникон» использован контроллер графический телевизионного индикатора – КГТИ типа А554-1[86]. Этот модуль предназначен для отображения символьной и графической черно-белой и цветной полутоновой информации на экране черно-белого или цветного модуля индикации.

Модуль КГТИ под управлением МПК обеспечивает выполнение следующих функций:

- прием информации в буферное ОЗУ и ОЗУ ФП с ШАД и ее хранение, режим «Запись»,

- передачу информации из буферной памяти и ОЗУ ФП на ШАД ИУС, режим «Чтение»,

- формирование видеосигналов и сигналов синхронизации, обеспечивающих вывод на экран макета комплекса полутоновой символьной и графической информации в растре 320 по горизонтали и 287 по вертикали,

- последовательный, по времени, просмотр полутоновой информации с 256 уровнями яркости по 64 градациям,

- формирование сигналов цветности R, G, B для отображения на экране символьной и графической информации,

- возможность кодирования отображаемой информации в любых 256 цветовых оттенках из числа возможных 512,

- формирование управляющих сигналов для совместной синхронной работы на один экран с аналогичным модулем или телевизионной камерой типа КТП-39 посредством блока А 554-2,

- формирование сигналов для произвольного измерения яркостных и цветовых характеристик выводимой информации,

- работу в режимах «Запись» и «Чтение» буферной памяти ОЗУ ФП с регенерацией и без регенерации информации при ее выводе на экран,

- формирование сигналов, обеспечивающих при выводе на экран мерцание элементов изображения или полутонов (цветовых оттенков) с частотой (3 ± 0.5) Гц по признаку буферной памяти или признаку ОЗУ ФП,

- масштабирование (повторение выводимых данных, забираемых по одному и тому же адресу ячейки буферной памяти) части изображения (до 16:1),

- регенерацию всего или части изображения с любого места информационного массива, позволяющую осуществить плавный просмотр массива при его выводе на экран (режим роллинга),

- формирование заголовка, т.е. зоны, защищенной от масштабирования и перемещения информации по экрану, до 255 строк,

- запись однотипной информации буферной памяти по однократному обращению МПК с числом повторов до 4095 раз,

- запись по заданному образцу, под образцом понимается позиционная маска, позволяющая с заданной регулярностью записывать в буферную память как пришедшие для записи данные, так и нулевую информацию, последовательность записи данных задается в 8-разрядном коде образца,

- запись по любому из 8 фиксированных направлений, что позволяет вычерчивать на экране векторы в 8-ми фиксированных направлениях, длина вектора может быть произвольной и ограничиваться только размерами экрана,

- возможность независимой записи в любую из составляющих буферной памяти – символьную или графическую, обращение к символьной памяти обладает приоритетом,

- выделение одного или нескольких полутонов (цветных оттенков).

Модуль подключается к контроллеру графическому модуля индикации и предназначен для смешивания двух видеосигналов и для обеспечения синхронизации частоты кадровой развертки с частотой питающей сети 50 Гц. Он может также смешивать видеосигнал, поступающий от телекамеры или оцифрователя изображения с видеосигналом, вырабатываемым контроллером графическим модуля индикации.

Модуль состоит из следующих функциональных частей:

- амплитудного селектора,

- схемы кадровой синхронизации,

- коммутатора видеосигнала,

- узла ФАПЧ-1 – задающего генератора по частоте строчной развертки,

- узла ФАПЧ-2 – задающего генератора по частоте напряжения питающей сети.

Модуль позволяет осуществить ввод в систему от внешнего источника статической информации, например, информацию представленную на топографических картах и других сложных изображений.

Модуль внешней памяти.

Модуль внешней памяти предназначен для записи, хранения и выдачи символьной и графической цифровой видеоинформации. В системе «Уникон» впервые применен как имитатор окружающей обстановки. В качестве модуля внешней памяти на кассетной магнитной ленте был выбран МВПК типа А311-4. При этом использовались следующие режимы работы:

- автономный – режим «АВТ»,

- совместно с каким-либо вычислительным комплексом – режим «ВК»,

- в системе нескольких видеотерминальных станций – режим «ВТС»,

- одновременной работы в двух режимах – «АВТ» и «ВК».

Клавиатура.

Требования к выбору клавиатуры определялись функциями процессора (МПК) и требованиями ТЗ к системе «Уникон». В качестве клавиатуры предложена клавиатура А513-7, которая совместима с интерфейсом ИУС и предназначена для ввода в МПК 16-ти разрядных алфавитно-цифровых, служебных и специальных символов, приема команд на включение и выключение звуковой и световой сигнализации и поддержки ручного управления двухкоординатным перемещением указателя на экране модуля индикации.

Клавиатура имеет выход на ИУС. Она является одновременно и источником и приемником информации.

Интерфейс ИУС и согласователи интерфейсов.

В макете системе «Уникон» в качестве внутрисистемного интерфейса предложен унифицированный интерфейс ИУС .

Обмен данными и передача адресов осуществляется асинхронно: по принципу «запрос-ответ».

Для связи комплекса «Уникон» с центральным вычислительным комплексом применены согласователи итерфейсов А 711-25 и А 711-26, обеспечивающие переход ИУС/ИРПР и ИУС/2К.

С помощью этих согласователей стала возможна компоновка микро-программируемого контроллера МПК с внешними устройствами. А с помощью согласователя А 711-26 в системе «Уникон» подключение модуля внешней памяти А 311-4, имеющий выход на интерфейс 2К.