Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие науки неизбежно приводит к появлению новых задач, решение которых требует использования высокопроизводительных вычислительных систем. На данный момент наиболее широкое распространение получили кластерные многопроцессорные вычислительные системы, создаваемые на базе унифицированных процессорных блоков, соединенных стандартной коммутационной средой в единый вычислительный комплекс. Однако при решении задач, требующих большого количества информационных обменов, кластерные системы показывают низкую реальную производительность, что является следствием несоответствия архитектуры вычислительной системы структуре решаемой задачи. В некоторых случаях реальная производительность кластерных систем не превышает нескольких процентов от декларируемой пиковой производительности. Проблему повышения реальной производительности позволяет решить применение реконфигурируемых вычислительных систем (РВС), которые строятся на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Подобные системы позволяют создавать в рамках аппаратной платформы вычислительные структуры, соответствующие информационным структурам решаемых задач.
Как правило, при программировании реконфигурируемых систем используются стандартные средства разработки, основанные на языках HDL-группы. Применение языков HDL-группы требует продолжительного времени как на разработку текстов описания аппаратуры, так и на трансляцию полученных описаний на уровень логических ячеек ПЛИС. Для кристаллов, содержащих более 20 млн. эквивалентных вентилей, время трансляции прикладных задач может составлять несколько суток. При этом общее время программирования реконфигурируемых систем для решения одной задачи может составить несколько месяцев. Повысить эффективность программирования РВС позволяет применение языков высокого уровня, таких как COLAMO, Handel-C, SystemC, Mitrion-C, Catapult C. Сокращение времени программирования при этом достигается за счет существенного ускорения процесса разработки текста программ. Однако время трансляции программ, созданных при помощи языков высокого уровня, остается существенным. Общее время программирования задач при использовании языков высокого уровня для реконфигурируемых вычислительных систем составляет несколько недель.
Другим методом программирования реконфигурируемых вычислительных систем является применение динамически-перестраиваемых устройств, создаваемых на основе логических ячеек ПЛИС и управляемых посредством системы команд. Одним из примеров подобных устройств являются софт-процессоры. Вычислительные системы, построенные на основе софт-процессоров и других функциональных устройств, позволяющие без перезагрузки конфигурации ПЛИС, только путем программной настройки ее компонентов, создавать вычислительные структуры, необходимые для решения прикладных задач, будем называть софт-архитектурами РВС. Трансляция прикладных параллельных программ в рамках данного подхода осуществляется на уровень команд функциональных устройств, составляющих вычислительную систему, что позволяет существенно сократить время трансляции по сравнению со временем трансляции прикладных программ на уровень примитивов ПЛИС. К недостаткам подхода следует отнести сокращение реальной производительности вычислительной системы по сравнению со специализированными вычислительными системами.
Таким образом, применение второго подхода к программированию реконфигурируемых вычислительных систем является более перспективным. Однако развитие данного подхода сдерживается тем, что для решения прикладных задач в настоящее время требуется создание отдельного транслятора с языка высокого уровня в команды элементов софт-архитектуры. Для создания универсального транслятора, позволяющего решать прикладные задачи на различных софт-архитектурах реконфигурируемых вычислительных систем, требуется обеспечить унифицированное комплексное описание и программирование софт-архитектур.
В этой связи актуальной является разработка методов и средств программирования софт-архитектур реконфигурируемых вычислительных систем, позволяющих создать универсальный транслятор и, как следствие, сократить время отладки прикладных задач. При этом разрабатываемые описания софт-архитектур должны отображаться на различные аппаратные платформы реконфигурируемых вычислительных систем.
Объектом исследования являются методы программирования динамически перестраиваемой архитектуры реконфигурируемых вычислительных систем.
Целью диссертации является сокращение времени отладки прикладных программ для реконфигурируемых вычислительных систем.
Научная задача, решаемая в диссертации, состоит в создании методов программирования софт-архитектур реконфигурируемых вычислительных систем, обеспечивающих сокращение времени отладки прикладных программ при допустимом сокращении реальной производительности системы.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи исследования:
1) проведён анализ существующих методов и средств программирования реконфигурируемых вычислительных систем;
2) разработан метод программирования софт-архитектур реконфигурируемых вычислительных систем;
3) разработан метод программирования прикладных задач с применением софт-архитектур реконфигурируемых вычислительных систем;
4) модернизирована структура системного программного обеспечения реконфигурируемой вычислительной системы;
5) формализовано описание элементов софт-архитектур реконфигурируемых вычислительных систем;
6) разработан язык программирования софт-архитектур для реконфигурируемых вычислительных систем, отличительной особенностью которого являются конструкции описания структурного, управляющего и синхронизационного компонентов софт-архитектур;
7) модернизированы алгоритмы трансляции описаний софт-архитектур вычислительных систем в промежуточное представление, используемое синтезатором, выполняющим размещение софт-архитектуры на аппаратную платформу, и транслятором, выполняющим размещение информационного графа прикладной задачи на уровень команд элементов вычислительной системы;
8) на основе предложенных методов и языка программирования софт-архитектур разработана софт-архитектура для решения задач цифровой обработки сигналов на реконфигурируемых вычислительных системах. В рамках разработанной софт-архитектуры был реализован ряд алгоритмов цифровой обработки сигналов.
Методы исследований. При проведении исследований были использованы методы теории графов, теории множеств, структурного программирования, структурно-процедурного параллельного программирования. Экспериментальные исследования проведены на действующих образцах многокристальных реконфигурируемых вычислительных систем.
Достоверность и обоснованность подтверждены непротиворечивостью математических выкладок, вычислительными экспериментами на ряде реконфигурируемых вычислительных систем. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на российских и международных научных конференциях и семинарах, где получили положительный отзыв научной общественности.
Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней разработаны:
1) новый метод программирования прикладных задач для реконфигурируемых вычислительных систем, отличающийся трансляцией структурного компонента прикладных программ на уровень софт-архитектуры (команд устройств вычислителя, загруженного в ПЛИС);
2) новый метод программирования софт-архитектур реконфигурируемых вычислительных систем, отличающийся комплексным описанием аппаратных, управляющих и синхронизационных компонентов софт-архитектур, а также наличием в описании софт-архитектуры системы команд типовых объектов;
3) модернизированная структура системного программного обеспечения реконфигурируемых вычислительных систем, отличающаяся введением транслятора языка программирования софт-архитектур, синтезатора архитектуры вычислителя;
4) оригинальный язык программирования софт-архитектур вычислительных систем, отличающийся от существующих набором конструкций, описывающих структурный, управляющий и синхронизационный компоненты софт-архитектуры в едином языковом пространстве;
5) модернизированные алгоритмы трансляции описания софт-архитектур вычислительных систем, отличающиеся от известных алгоритмов разделением процессов трансляции аппаратного компонента, компонента управления и компонента синхронизации софт-архитектур реконфигурируемых вычислительных систем.
Положения, выдвигаемые на защиту:
– время отладки прикладных программ для реконфигурируемых вычислительных систем может быть сокращено путем декомпозиции прикладной программы на структурный и потоково-процедурный компоненты за счет того, что структурный компонент, представленный в виде софт-архитектуры, транслируется на уровень примитивов ПЛИС значительно реже потоково-процедурного компонента, транслируемого на уровень системы команд.
Результаты, выносимые на защиту:
- новый метод программирования прикладных задач для реконфигурируемых вычислительных систем, отличающийся трансляцией структурного компонента прикладных программ на уровень софт-архитектуры;
- новый метод программирования софт-архитектур реконфигурируемых вычислительных систем, отличающийся комплексным описанием аппаратных, управляющих и синхронизационных компонентов софт-архитектур;
- модернизированная структура системного программного обеспечения различных уровней программирования реконфигурируемых вычислительных систем, отличающаяся введением транслятора языка программирования софт-архитектур, синтезатора архитектуры вычислителя;
- язык описания софт-архитектур вычислительных систем, отличающийся от существующих набором конструкций, описывающих в едином языковом пространстве компоненты софт-архитектуры;
- модернизированные алгоритмы трансляции описания софт-архитектур вычислительных систем, отличающиеся от известных алгоритмов независимой трансляцией компонентов софт-архитектур реконфигурируемых вычислительных систем.
Практическая ценность работы. Решение актуальной научной задачи разработки методов программирования софт-архитектур реконфигурируемых систем позволило сократить время отладки прикладных программ для реконфигурируемых систем в 2-3 раза по сравнению с существующими языками программирования. Использование софт-архитектуры цифровой обработки сигналов для решения задач нахождения спектра сигнала на основе алгоритма БПФ позволило в 3 раза сократить время отладки задач на РВС. Использование софт-архитектуры цифровой обработки сигналов для решения задачи фильтрации сигнала с использованием одномерного цифрового КИХ-фильтра методом свертки позволило в 2 раза сократить время отладки задач на РВС. Использование разработанной софт-архитектуры для решения задачи обработки спекл-интерферрограмм, поступающих с камеры телескопа БТА-6 по методу Лабейри, позволило в 3,2 раза сократить время программирования задач на РВС.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации использовались при выполнении ряда НИОКР. Наиболее важными из них являются:
- ОКР «Разработка технологии создания высокопроизводительных модульно-наращиваемых многопроцессорных вычислительных систем с программируемой архитектурой на основе реконфигурируемой элементной базы», выполняемая в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.», № гос. рег. 0122.0510630, шифр “Медведь”;
– ОКР «Принципы организации мультипроцессорных имитационных комплексов на базе МНМС с программируемой архитектурой и повышенными возможностями отработки корректности и точности вычислений, отработки логики управления, автоматизированного задания условий работы, накопления и анализа результатов испытаний» в рамках мероприятия 1.12-СА3 по программе Союзного государства «Развитие и внедрение в государствах-участниках Союзного государства наукоёмких компьютерных технологий на базе мультипроцессорных вычислительных систем», № гос. рег. 01.2.00611470, шифр “Триада”, 2006;
- НИР «Исследование и разработка программного обеспечения и испытания экспериментального образца унифицированного базового модуля многопроцессорной системы со структурной реализацией параллельной обработки информации», № гос. рег. 01.2.00613841, шифр “ССПВ-Т2”, 2006;
- 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», № гос. рег. 01.2.00705707, шифр «Большая медведица».
Результаты диссертации внедрены в ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей» (г. Москва), Специальной астрофизической лаборатории РАН (пос. Нижний Архыз), Южном научном центре РАН (г. Ростов-на-Дону), НИИ МВС ЮФУ (г. Таганрог).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-технических конференциях: на международной конференции «Интеллектуальные и многопроцессорные системы-2006», 2006 г., г. Таганрог; на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ, 2006 г., г. Таганрог; на ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, 2005-2011 гг., г. Ростов-на-Дону; на международной молодежной научно-технической конференции “Высокопроизводительные вычислительные системы, ВПВС-2008”, пос. Дивноморское; на конференции «Системы и средства искусственного интеллекта», 2008 г., пос. Кацивели, Украина; на международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы», 2009 г., пос. Дивноморское; на международной научной конференции «Суперкомпьютерные системы и их применение. SSA’2010», 2010 г., Республика Беларусь, г. Минск.
Личный вклад автора. Все научные результаты диссертации получены автором лично.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 7 статей, из которых 2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК РФ, тезисы и материалы 10 докладов на международных и российских научно-технических конференциях. По теме исследования получено 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, результаты работы отражены в 11 отчетах о НИОКР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Работа содержит 174 страниц основного текста, 62 рисунков, список используемой литературы из 93 источников, 19 страниц приложений.
