Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время прогресс во многих областях человеческой деятельности вс8 в большей степени определяется развитием средств вычислительной техники и автоматики. В свою очередь вычислительная техника является одним из наиболее динамично развивающихся направлений науки и производства. Быстрыми темпами идёт, совершенствование технологии, где постоянно появляются новые производственные достижения, а дальнейшее улучшение технологических характеристик элементной базы всё в большей степени определяется принципиально непреодолимыми физическими границами, выше которых совершенствование уже невозможно. В настоящее время степень интеграции микросхем, размеры интегральных вентилей и их быстродействие вплотную подошли к критичным характеристикам, выше которых улучшение невозможно из-за физических свойств материалов. С этим в большой степени связаны трудности по дальнейшему совершенствованию основных функциональных характеристик ЭВМ, построенных по традиционной схеме, и в первую очередь их производительности.
Стремлением обойти возникающие проблемы и повысить производительность обусловлена разработка новых архитектурных принципов построения вычислительных систем, в основном за счёт распараллеливания вычислений. В качестве основных архитектурных рошений наиболее известны многопроцессорные, ассоциативные, конвейерные, многомашинные системы-. Наибольшее распространение из них получили многомашинные системы, отличающиеся большим разнообразием и высокой динамикой развития. Меняются не только архитектурные решения, но и сами принципы построения этих систем, в соответствии с этим устаревают созданные под них в свое время методы автоматизированного проектирования. Таким образом, особую актуальность в настоящее время приобретает разработка средств автоматизированного проектирования многомашинных вычислительных систем на базе методов синтеза и оптимизации во-первых, за счёт быстрого развития области применения и, во-вторых, за счёт быстрого собственного устаревания.
Сказанное в ещё большей степени относится к бортовым многомашинным вычислительным системам, так как все изложенные выше процессы протекают в них более динамично. Бортовые
многомашинные сиотемы должны работать в маоЪтабе реального времени, их функции постоянно расширяются, а требования к ним ужеоточаютоя. Веб это, наряду оо сказанным выше, существенно усложняет процесс проектирования бортовых многомашинных систем, что является предпосылкой ооздания для них эффективных методов, алгоритмов и программ синтеза и оптимизации.
В настоящее время уоилиями советских и зарубежных учбных достигнуты значительные успехи в области создания теории и методов автоматизированного проектирования вычислительных систем. Отмечая большую важнооть и актуальность исследований и разработок в етой области, приходится, однако, конотатировать недостаточное развитие и внедрение средств автоматизации проектирования бортовых многомашинных вычислительных систем.
Система автоматизированного проектирования ( САПР ) представляет собой совокупность математического, программного, лингвистического, информационного, технического, методического и организационного обеспечения. В рамках данной работы невозможно охватить все указанные аспекты, поэтому в ней выделяется наиболее существенный из них - математическое обеспечение.
Работы над созданием математического обеспечения САПР многомашинных вычислительных комплексов ведутся достаточно интенсивно, однако круг возникающих вопросов довольно широк, динамика их возникновения велика, и охватить в полной мере возникающие в етой области задачи весьма затруднительно. В частности, много проблем остаётся в области системного САПР, диспетчеризации программ, синтеза архитектуры бортовых вычислительных комплексов. Решение этих вопросов позволит значительно повысить эффективность и качество разработки систем, облегчить их создание.
С учЭтом вышеизложенного, представляется актуальной проблема разработки специального математического обеспечения САПР бортовых многомашинных вычислительных комплексов ( ММВК ).
Целью работы является постановка задач и разработка методов решения актуальных проблем автоматизации проектирования структур бортовых многомашинных вычислительных комплексов. Поставленная' цель достигается решением следующих основных задач:
- систематизацией видов структур ММВК, классификацией методов их построения и дисциплин обслуживания ими задач,
- Б -
выбором но основе проведанного обзора обобщённой архитектуры синтезируемого бортового вычислительного комллекоа;
- разработкой математических моделей ММВК и отдельных его
компонент, выбором целевого критерия и постановкой задач
синтеза и оптимизации ММВК;
разработкой оптимизационных и эвристических методов решения сформулированных математических задач автоматизированного проектирования ММВК;
разработкой и апробацией созданных на основе этих методов программных средств;
- разработкой и практическим внедрением в промышленности
конкретных средств автоматизации проектирования бортовых ММВК.
Методы исследований базируются на аппарате теории математического целочиоленного программирования, комбинаторики и математической статистики, аналитических и численных методах оптимизации, теории графов. При разработке общей методики проектирования ММВК был применён метод системного анализа.
Научная новизна работы заключается б следующем:
- проведён анализ вариантов построения и дисциплин
обслуживания задач в бортовых ММВК, в результате чего
предложена обобщённая архитектура ММВК и являющиеся её
частными вариантами иерархическая и полносвязная архитектуры,
состоящие из вычислительных устройств ( ВУ ), систем передачи
данных ( СПД ) и адаптеров для соединения СПД ( мостов ),
принят режим решения задач в виде статической циклограммы;
- на основании принятых допущений создана и обоснована
матоматичоская модель синтезируемого бортового ММВК,
определены и формально описаны компоненты и состав
характеристик модели, выбран глобальный критерий оптимизации
системы, дана математическая постановка задачи её оптимизации;
обоснована необходимость декомпозиции в процессе автоматизированного проектирования алгоритма синтеза и оптимизации структуры ММВК на отдельные относительно независимые этапы, состоящие в выборе аппаратных средств, пространственной и временной диспетчеризации, синтезе структуры ММВК;
- формализованы частные математические постановки задач
отдельных этапов, на их основе синтезирован общий декомпози
ционный алгоритм синтеза и оптимизации ММВК, что дало
возможность сократить время проектирования, повысить
универсальность и расширить область применения разработанных математических средств автоматизации проектирования ММВК;
проведено классификация оадпч, отдолі.пих dtmiiom автоматизированного проектирования ММВК в соответствии с типом математической постановки, для каждого из этапов созданы оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы решения, учитывающие специфику задач и включающие в свой состав следующие алгоритмы решения задач целочиоленного математического программирования: задачи выбора, квадратичной задачи о назначениях, задач теории расписаний.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- на основе созданных алгоритмов разработано программное
обеспечение, предназначенное для решения задач выбора'
аппаратных средств, синтеза структуры, пространственной и
временной диспетчеризации задач;
созданы средства САПР, основанные на разработанном программном обеспечении и получившие практическое использование ;
проведены апробация и внедрение созданных средств автоматизации проектирования в конкротнио промишлоншо разработки, в подтверждение чего представлены данные о внедрении основных результатов на предприятиях.
Реализация результатов. Результаты диссертации внедрены на трбх предприятиях в рамках соответствующих договоров на проведение научно-исследовательских работ: НИИ "Системотехники", НПО ЦКБ Министерства Связи, АО "АтлантикТрансгаэСис-тема". Общий экономический эффект от внедрения диссортации составил 1770 тыс. рублей.
Материалы диссертации внедрены также в учебном процессе в Московском авиационном институте.
Апробация работы. Основные результаты работы были изложены на конференции "Гибридные экспертные системы в задачах проектирования сложных технических объектов". ( Санкт-Петербург, ДЦНТП, 1992 ) и ряде научно - технических семинаров по автоматизации проектирования ( Москва, МАИ, 1990, 1991, 1992, 1993 г.).
Публикации. По' материалам диссертации опубликовано Б печатных работ. Результаты выполненных исследований отражены также в пяти отчётах по НИР.
ОбъОм и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена но 148 страницах машинописного текста. Список литературных источников содержит 92 наименования. В диссертации содержится 7 приложений, ІБ риоункоп и 3 таблицы.
