Введение к работе
Актуальность темы исследования. Реконфигурируемые вычислители за счет соответствия собственной архитектуры структуре информационного графа решаемой задачи позволяют значительно повысить удельную производительность по сравнению с многопроцессорными системами с традиционной архитектурой. В то же время средства создания эффективных прикладных программ (приложений), разработанные для традиционных многопроцессорных систем, не могут быть использованы для реконфигурируемых вьшислителей, поскольку приложения для реконфигурируемых вычислительных систем (РВС) ориентированы на реализацию информационных графов, а приложения для многопроцессорных систем - на реализацию управляющих графов. Это диктует необходимость создания специальных инструментальных средств разработки прикладных программ для РВС.
Важным компонентом подобных средств разработки прикладных программ для реконфигурируемых вьшислителей являются унифицированные интерфейсные средства для создания приложений в РВС. В настоящее время прикладные программисты разрабатывают специализированные интерфейсы для каждой задачи, реализуемой в РВС, что приводит к существенному увеличению времени создания приложений. Существующие методы и средства масштабирования приложений для РВС ориентированы исключительно на масштабирование вычислительных функциональных устройств и не предназначены для масштабирования интерфейсных функций коммутации, загрузки-выгрузки данных и обеспечения согласованных информационных взаимодействий вычислительных блоков и узлов прикладной программы. Таким образом, тема исследования, посвященная разработке методов и средств автоматизированного создания интерфейсов и их унификации для прикладных программ РВС, является актуальной.
Объектом исследования являются методы создания программных средств сопряжения функциональных устройств в прикладных программах для РВС.
Целью диссертационной работы является сокращение времени создания масштабируемых прикладных программ для реконфигурируемых вычислительных систем.
Научная задача состоит в создании методов и средств синтеза масштабируемых интерфейсных решений для автоматизированного сопряжения функциональных узлов и блоков различных типов в прикладных программах для реконфигурируемых вычислителей, обеспечивающих сокращение времени создания приложений для РВС при заданной удельной производительности системы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
1) произвести анализ методов разработки масштабируемых прикладных программ для МВС с традиционной архитектурой;
произвести анализ принципов построения, архитектур и методов организации вычислений в РВС;
разработать принципы синтеза масштабируемых интерфейсов, позволяющих реализовывать различные варианты распараллеливания и конвейеризации вычислений, а также различные степени параллелизма;
разработать и исследовать методы для автоматизированного сопряжения конвейерных вычислительных блоков в прикладных программах для РВС;
разработать и исследовать методы для автоматизированного сопряжения процедурных вычислительных блоков в прикладных программах для РВС;
6) разработать библиотеки типовых масштабируемых интерфейсов для РВС;
7) разработать и исследовать инструментальные программные средства для
автоматизированного сопряжения функциональных узлов и блоков в прикладных
программах для РВС.
Методы исследования. При проведении исследований были использованы основы теории вычислительных машин, теория графов, теория множеств, теория массового обслуживания, методы математической статистики.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждена непротиворечивостью математических выкладок, вычислительными экспериментами на ряде действующих образцов реконфигурируемых систем и имитационных моделях, а также апробацией полученных научных результатов на международных и всероссийских конференциях.
Научная новизна результатов диссертационной работы определяется тем, что в ней разработаны:
принципы построения масштабируемых интерфейсов в прикладных программах для РВС, обеспечивающие высокую удельную производительность при решении широкого класса задач;
метод сопряжения конвейерных блоков в прикладных программах для РВС, позволяющий повысить удельную производительность за счет более рационального использования ресурсов и сбалансированного управления параметрами конвейерных блоков и отличающийся от известных методов адаптацией параметров смежных конвейерных блоков;
модернизированный метод сопряжения процедурных блоков в прикладных программах для РВС, позволяющий выбрать рациональные размеры буферов, при сохранении гарантоспособности реализации приложений в РВС, и отличающийся от известных возможностью автоматизированного изменения степени параллелизма;
новая структура программных средств, обеспечивающая интерактивное сопряжение функциональных блоков и узлов в прикладных программах для РВС, отличающаяся от известных включением библиотеки интерфейсных решений, программных средств обслуживания библиотек и программы Interconnect, реализующей модернизацию графа решаемой задачи в соответствии с разработанными методами.
Положения и результаты, выдвигаемые на защиту:
- сопряжение процедурных и конвейерных блоков в едином вычислительном
контуре в прикладных программах для РВС, обеспечивающее повышение удельной
производительности системы при сохранении гарантоспособности вычислений;
- метод сопряжения конвейерных блоков в прикладных программах для РВС;
- модернизированный метод сопряжения процедурных блоков в прикладных
программах для РВС;
- структура программных средств автоматизированного сопряжения
функциональных блоков и узлов в прикладных программах для РВС.
Практическая ценность работы. Созданные методы и средства позволяют в 1,5-3 раза сократить время создания прикладных программ для РВС, а также многократно сократить время переноса (портапии) приложения на РВС других архитектур и конфигураций.
Разработанная библиотека интерфейсов позволила унифицировать процесс разработки прикладных программ и обеспечила снижение экономических затрат на сопровождение и модернизацию приложений для РВС.
Созданные программные средства позволили в 2-4 раза сократить время обнаружения неисправности в изготавливаемых модулях РВС и системах за счет локализации выполняемых тестов и, как следствие, ускорить производство высокопроизводительной вычислительной техники.
Разработанная на основе средств автоматизированных преобразований интерфейсов и библиотеки интерфейсных решений программно-аппаратная система мониторинга базовых параметров РВС обеспечила надежное функционирование различных вычислительных комплексов на различных технических объектах.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации использовались при выполнении в НИИ многопроцессорных вычислительных систем ЮФУ ряда НИОКР, направленных на создание опытных образцов реконфигурируемых вычислительных систем различных архитектур и конфигураций. Наиболее важными из них являются:
НИР «Разработка технологии создания многопроцессорных систем со структурно-процедурной организацией вычислений для мониторинга систем цифровой связи», шифр "ССПВ ", 2004 - 2006 гг., выполняемая в рамках федеральной целевой программы «Национальная технологическая» база на 2002 - 2006 годы», раздел III «Технологии вычислительных систем»;
ОКР «Разработка технологии создания высокопроизводительных модульно-наращиваемых многопроцессорных вычислительных систем с программируемой архитектурой на основе реконфигурируемой элементной базы», шифр "Медведь", выполняемая в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.» по госконтракту №02.447.11.1007 от «6» июля 2005 года;
- ОКР «Разработка эскизной конструкторской документации на макет базового
модуля модульно-наращиваемой мультипроцессорной системы (МНМС) на основе
реконфигурируемой элементной базы и программных средств поддержки
масштабируемых программ для решения задач обработки информации и управления в
реальном времени на различных конфигурациях МНМС, в том числе при деградации
вычислительного ресурса» в рамках мероприятия 1.12-САЗ по программе Союзного
государства «Развитие и внедрение в государствах-участниках Союзного государства
наукоёмких компьютерных технологий на базе мультипроцессорных вычислительных
систем», шифр "Триада", 2006 г.;
- ОКР «Создание семейства высокопроизводительных многопроцессорных
вычислительных систем с динамически перестраиваемой архитектурой на основе
реконфигурируемой элементной базы и их математического обеспечения для решения
вычислительно трудоемких задач», выполняемой в рамках федеральной целевой
программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития
научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по государственному
контракту № 02.524.12.4002 от 20.04.2007 г. на выполнение опытно-конструкторских
работ, шифр «Большая медведица».
Созданные методы и программные компоненты внедрены в ФГУП «РНИИРС» (г. Ростов-на-Дону), НИИ МВС ЮФУ (г. Таганрог), ФГУП «НИИ «Квант» (г. Москва), ФГУП «Курский НИИ» МО РФ (г. Курск), в.ч. 26165, (г. Москва), Специальной астрофизической лаборатории РАН (пос. Нижний Архыз), ЗАО «Эврика» (г. Санкт-Петербург), ООО «Абрис-Технолоджи» (г. Санкт-Петербург), ООО «ПСБ технологии» (г. Москва).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-технических конференциях.
На международной научно-технической конференции «Искусственный интеллект. Интеллектуальные и многопроцессорные системы», 2006 г., с. Кацивели, Украина; на ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, 2008-2010 гг., Ростов-на-Дону; на международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы», 2007 г., 2009 г., п. Дивноморское; на международной конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах», 2009 г., Владимир; на международной научной конференции «Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ'2010)», 2010 г., Уфа-Челябинск.
Личный вклад автора. Все научные результаты получены автором лично.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ, содержащих 4 статьи, из которых 1 статья [1] опубликована в ведущем рецензируемом журнале ВАК РФ, и 7 тезисов и материалов докладов на российских и международных научно-технических конференциях. По теме исследования получено 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ [6, 7], результаты отражены в 15 отчетах о НИОКР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 174 страницы основного текста, 75 рисунков, 6 таблиц, список используемой литературы из 96 источников, 52 страницы приложений.
