Введение к работе
Актуальность работы. Развитие информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) характеризуется значительным ростом объёмов используемой информации и усложнением алгоритмов её обработки, что требует существенного повышения производительности входящих в их состав вычислительных устройств (ВУ). ВУ современных ИИУС строятся, как правило, на основе 16- и 32-разрядных микропроцессоров (МП). При разработке высокопроизводительных ИИУС реального времени (РВ), решающих такие сложные задачи, как обработка сигналов и изображений, распознавание образов, аэрокосмическая навигация и ряда других, их производительность зачастую является ограничительным фактором по отношению к характеристикам ИИУС в целом.
Одной из наиболее перспективных альтернатив электронным МП в ИИУС являются оптоэлектронные устройства обработки информации (УОИ), в терминологии вычислительной техники называемые оптоэлектронными процессорами (ОЭП). Современные ОЭП являются специализированными вычислителями. В высокопроизводительных ИИУС РВ наиболее востребованы оптоэлектронные линейно-алгебраические процессоры (ОЭЛАП), выполняющие такие операции линейной алгебры, как умножение вектора на матрицу, скалярное произведение, линейная комбинация векторов. Эти операции используются в таких алгоритмах, как преобразование Фурье, цифровая фильтрация, реализация многослойных нейронных сетей и др. Практическое воплощение ОЭЛАП позволяет достичь вычислительной производительности до 1013... 1015 оп/с уже при современном уровне технологии.
Несмотря на имеющиеся достижения, исследования в области построения ИИУС на основе оптоэлектронных УОИ, а также разработки их алгоритмического и аппаратного обеспечения носят разобщённый характер. Фундаментальные исследования посвящены физическим аспектам работы оптоэлектронных элементов (ОЭЭ) и узлов. Решены частные проблемы создания ряда специализированных оптоэлектронных УОИ, например, ОЭП радиосигналов, акустооп-
тических сигнальных процессоров, реализации оптоэлектронных нейронных сетей. Тем не менее, до настоящего времени не существует формализованных методик проектирования и комплексных инструментальных средств разработки оптоэлектронных УОИ как элементов высокопроизводительных ИИУС.
Первым шагом на пути к созданию инструментальных средств проектиро,-вания ОЭЛАП для высокопроизводительных ИИУС РВ является разработка математических моделей (ММ) ОЭЭ, т. к. исследование процессов обработки информации в ОЭЛАП не может быть проведено без учёта характеристик элементной базы. В таких моделях должны быть отражены статические, динамические и стохастические свойства элементов с точки зрения процессор преобразования информации и влияния на них условий функционирования и внешних факторов. Для обозначения этих ММ в диссертационной работе используется термин «математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств».
Моделирование процессов обработки информации в ОЭЛАП на основе ММ ОЭЭ как информационных устройств позволяет выполнять сравнительный анализ различных алгоритмов обработки информации и подбор элементной базы для их реализации без необходимости изготовления дорогостоящих натурны,х макетов и тестовых интегральных оптоэлектронных микросхем. Полученные алгоритмические и аппаратные решения могут использоваться при проектировании ОЭЛАП в интегральном исполнении и их применении в ИИУС, Создание программно-аппаратных комплексов, способных поддерживать процессы моделирования с такими свойствами, является актуальной задачей, и именно её решению посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель диссертационной работы - разработка программно-алгоритмического обеспечения и методики моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП и создание программно-аппаратного комплекса, представляющего собой инструментальное средство поддержки методики моделирования.
Объектом исследования в данной работе являются высокопроизводительные ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП.
Предмет исследования - программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП, позволяющий в процессе проектирования ИИУС осуществлять комплексное моделирование работы ОЭЛАП по заданному алгоритму, аппаратную отработку алгоритмов на натурном стенде и выработку требований для реализации ОЭЛАП в интегральном исполнении.
Задачи диссертационной работы:
разработка математических моделей ОЭЭ как информационных устройств;
анализ алгоритмов векторно-матричного перемножения в ОЭЛАП и разработка моделей алгоритмов векторно-матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАП;
разработка методики моделирования процессов обработки информации в ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП;
разработка программно-аппаратного комплекса для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП, являющегося инструментальным средством поддержки методики моделирования;
разработка натурного стенда оптоэлектронного векторно-матричного перемножителя (ОВМП);
экспериментальная проверка предложенной методики моделирования на основе натурных экспериментов.
Методы исследования, применённые в работе, базируются на методах математического моделирования сложных динамических систем, функционирующих в непрерывном и дискретном времени, методах анализа параллельных алгоритмов вычислений, методах теории алгоритмов, методах теории случайных процессов и методах экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы в области информационно-измерительных и управляющих систем состоит в следующем
разработаны математические модели оптоэлектронных элементов как информационных устройств с учетом их стохастических свойств,
предложена методика моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ОЭЛАП с использованием разработанных математических моделей,
разработан алгоритм оценки влияния отклонении параметров работы оптоэлектронных элементов от номинальных значений на точностные характеристики ОЭЛАП
Научная новизна диссертационной работы в области элементов и устройств вычислительной техники и систем управления систем состоит в разработке моделей алгоритмов вычислений в ОЭЛАП в форме информационных графов
Научные результаты выносимые на защит)
- математические модели оптоэлектронных элементов ОЭЛАП как ин
формационных устройств с учетом их стохастических свойств,
модели алгоритмов векторно матричного перемножения, применимых для реализации в ОЭЛАН, в форме информационных графов,
методика моделирования процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП, базирующаяся на использовании ММ оптоэлектронных элементов как информационных устройств и моделей алгоритмов обработки информации
структура программно-аппаратного комплекса для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП
Практическое значение полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем
- создано программное обеспечение реализующее разработанные мате
матические модели и предложенную методику моделирования, позволяющее
автоматизировать проектирование ОЭЛАП для высокопроизводительных ИИУС РВ;
создан программно-аппаратный комплекс для отработки процессов обработки информации в высокопроизводительных ИИУС РВ с использованием ОЭЛАП;
с использованием созданного программно-аппаратного комплекса проведена отработка ОВМП, работающего по алгоритму цифрового перемножения путём аналогового преобразования DMAC (Digital Multiplication via Analog Convolution);
создано аппаратное и программное обеспечение электронной части натурного макета ОВМП.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением математического аппарата и экспериментальной проверкой адекватности предложенных моделей и эффективности методики моделирования, выполненной на натурном макете ОВМП, работающего по алгоритму DMAC.
Внедрения и реализация в промышленности. Основные результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ в ОАО «Концерн радиостроения «Вега», о чём имеется соответствующий акт о внедрении.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на XI и XII международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (2002 г., 2003 г.), 11-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2004» и VII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (2004 г.), а также обсуждались на заседаниях кафедры «Приборы и измерительно-вычислительные комплексы» Московского авиационного института.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы полностью отражены в 2 статьях, 5 трудах и тезисах докладов международных и всероссийских конференций и семинаров, а также 8 отчётах о НИР.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и четырёх приложений. Общий объём работы составляет 223 страницы, включая 89 рисунков и 21 таблицу. Список использованных источников содержит 101 наименование.
