Оптимизация специализированных мультимикропроцессорных систем обработки информации Ручкин, Владимир Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы. В рамках решения общей концепции разработки информационной іпіфраструкіурм России остро стоит проблема создания современных систем автоматизации испытаний и эксплуатации крупных технологических объектов, в том числе сложных летательных аппаратов(ЛА). различных телекоммуникационных сред, промышленных энергетических комплексов и др. Проведение крупномасштабных научных экспериментов позволит обеспечить существенное сокращение сроков внедрения образцов новой техники, повышение надежности работы в экстремальных условиях, расширение возможностей решения задач народного хозяйства.

Многообразие параметров, контролируемых в процессе натурных испытании, при их высокой информативности создало проблему организации высокоскоростного ввода п первичной обработки данных в сроки, соизмеримые с темпом поступления информации, и без потерь. Эта задача решается созданием специализированных систем первичной обрабогкп(ССПОИ). основное назначение которых заключается в согласовании производительности средств обработки с интенсивностью входного потока информации. С появлением БИС и СБИС расширились потенциальные возможности повышения производительности ССПОИ - благодаря рациональному изменению границы между техни-ческимн(аппаратнымп) и программными средствами систем для определенного класса задач на одной п той же элементной базе.

Вопросам организации систем с параллельным принципом обработки, повышению живучести посредством диагностики и автоматизации проектирования с созданием интеллектуальных экспертных систем посвящены работы отечественных ученых И.В. Прангншвили. B.C. Бурцева. Б. Бабаяна, В.Г. Лазарева, А.В. Каляева, Г.Т. Артамонова. В.И. Матова, К.А. Иыуду, В.Ю. Любатова. О.М. Брехова. Г.Н. Соловьева, В.Б. Смолова, И.П. Норенкова. Л.П. Коричнева. В.П. Корячко. Г.Г. Раннева. А.Н. Пылькнна. Ю.А. Маматова. В.А. Курчндиса п др., а также зарубежных специалистов Б. Бапцера. Э.А. Якубайтпса, М. Флинна, У.Р. Эшбн, Д. Данцига, П. Кортуа, Т. Ху, А.А. Саатп, Л.А. Заде, Р. Галагера, Л. Клепнрока и др.

Однако по-прежнему актуально решение задач общего подхода к конструированию аппаратных и программных средств различных структур организации систем обрабоїки информации для заданного класса алгоритмов в режиме реального времени без потерь, определения рациональной границы между аппаратными и программными средствами н выбор структуры с учетом заданной стратегии проекти-

рования и диагностирования средств обработки в условиях изменяющейся помеховой обстановки и др.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов проектирования технических и программных средств для заданного класса алгоритмов в режиме реального времени без потерь, решении задачи выбора наиболее рациональной структуры системы обработки информации в соответствии с заданной стратегией проектирования и диагностировании средств обработки в сети в условиях изменяющейся помеховой обстановки.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы базируются на использовании теории множеств, теории нечетких множеств, теории дискретного программирования, теории групп, теории матриц и имитационного моделирования.

Задачи исследований.

Формализация технических характеристик, ограничений и требований к специализированным микропроцессорным средствам обработки измерительной информации в режиме реального времени без потерь с целью разработки методики выбора рациональной структуры мульти-микропроцессорной реализации узла связи сети по заданным ограничениям.

Исследование основных алгоритмов первичной обработки информации и дополнительных тестов протоколов физического, и канального уровней с целью выделения независимых по данным и по командам фрагментов программ, образующих классы эквивалентности.

Распараллеливание алгоритмов обработки информации и получение основных соотношений для анализа структуры мультимнкропроцес-сорной реализации, определения количества процессорных модулей, объема микропрограммной памяти, времени реализации алгоритма, времени простоя и других технических характеристик. -Разработка методики решения сложной оптимизационной задачи большой размерности посредством ее декомпозиции на ряд независимых подзадач меньшей размерности с получением основных результатов приведения.

-Исследование основных соотношений теории нечетких множеств с целью разработки методики многокритериального нечеткого выбора наиболее рациональной структуры мультнмикропроцессорных реализации узла связи сети по заданным требованиям и ограничениям стратегии проектирования.

-Исследование основных протоколов физического, канального уровней целью разработки диагностирующих тестов, поддерживающих надеж-

ную обработку измерительной информации в реальном времени без потерь в условиях изменяющейся помеховой обстановки.

Научная поілпиа диссертации заключается в разработке методов и средств проектирования, оценки производительности, затрат технических и программных средств, а также формализации теоретического подхода к решению оптимизационных задач большой размерности методом декомпозиции для осуществления выбора наиболее рациональной структуры системы обработки информации по заданному классу алгоритмов в режиме реального времени без потерь.

Принципиальный вклад в развитие теории проектирования и выбора наиболее оптимальной по заданному классу критериев состоит в следующем.

1. Дана постановка задачи моделирования процесса проектирования
специализированных мультимикропроцессорных систем сети обработки
данных с возможностями диагностирования и определены основные
проблемы, требующие своего решения в процессе выбора наиболее
рациональной структуры для заданных алгоритмов обработки в режиме
реального времени и без потерь.

1. Разработана обобщенная модель проектирования оптимальных соотношений между аппаратными и программными средствами для заданных алгоритмов обработки в режиме реального времени без потерь и сведена к решению оптимизационной задачи.

2. Предложена методика формализации распараллеливания алгоритмов обработки информации на основе классов эквивалентности и представления исходной программы в виде множества независимых фрагментов.

3. Классификация структур мультимикропроцессорных (іпМП) реализаций (тМПР) узла связи сети и получены аналитические соотношения для оценка производительности, простоя и затрат технических и программных средств.

4. Дана теоретике - групповая интерпретация решения оптимизационных задач методом декомпозиции и показана эффективность декомпозиционного подхода для решения задачи выбора наиболее рациональной структуры піМП - системы.

5. Разработана экспертная система проектирования на основе предложенных методик расспараллеливания алгоритмов, классифнкаціш структур m МП систем и многокритериального выбора структуры

реализации узла связи сети первичной обработки информации в условиях неполной (нечеткой) априорной статистической информации.

7. Разработана методика создания дополнительных диагностирующих тестов физического и канального уровней, повышающих эффективность обработки информации в условиях изменяющейся помеховой обстановки.

8. Предложена техническая реализация конвейерно - векторной структуры мультимикропроцессорного узла связи сети первичной обработки информации.

Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации научные и теоретические положения, методы, методики и средства могут быть использованы при проектировании специализированных вычислительны хсредств на базе современных микропроцессоров для первичной обработки высокоинформативных потоков измерительной информации в режиме реального времени без потерь на крупных технологических объектах и при проведении крупномасштабных научных экспериментов, например, в радиолокации дальнего обнаружения, восстановлении карт земной поверхности с искусственного спутника земли, научного эксперимента на ускорителе элементарных частиц, при проектировании!! и создании мультипроцессорных вычислительных систем с массовым параллелизмом.

Достоверность полученных в диссертации теоретических выводов подтверждена результатами:

математического и имитационного моделирования полученных структур, методов, алгоритмов, диагностических тестов на ПЭВМ;

апробации методик нечеткого выбора для рассматриваемых в работе тМП - систем обработки информации и диагностирующих тестов;

эксплуатации программно - аппаратных средств в составе функционирующих систем УКС1 и УКС2[12,14];

межведомственные и Государственные испытания аппаратуры передачи данных ПД - 440;

войсковые испытания в реальных условиях эксплуатации Агрегативной многопроцессорной системы РАМС;

создание сети передачи данных по ЦЗКС в ДВО, ПРИ ВО и СКВО РФ КПО СВТ "Терминал" и АОЗТ ICL;

НИР и ОКР создания мультипроцессорных вычислительных систем с массовым параллелизмом в Институте проблем вычислительной техники РАН.

Научные положення выносимые автором на защиту:

обобщенная модель проектирования специализированных мультимик-ропроцсссорных систем обработки данных с целью получения оптимальных соотношений между аппаратными и программными средствами;

метод распараллеливания заданных алгоритмов обработки информации и представления исходной программы в виде совокупности независимых фрагментов на базе классов эквивалентности;

методика проектирования технических и программных средств, анализа широкого класса структур мультимикропроцессорной системы обработки информации и аналитических соотношений оценки производительности, простоя и затрат технических и программных средств;

классификация возможных, как уже известных, так и предложенных и недостаточно изученных игультимикропроцессорных структур обработки информации, исходя из заданных алгоритмов обработки информации;

основы теории решения оптимизационных задач большой размерности посредством ее декомпозиции на ряд независимых подзадач меньшей размерности;

метод решения задачи рационального многокритериального выбора структуры тМП - системы по заданной стратегии проектирования на базе нечетких множеств;

- концепция реализации экспертной системы анализа, моделирова
ния и выбора тМП - системы с целью определения наиболее рациональной
структуры по заданным алгоритмам первичной обработки информации.

Реализация н внедрение результатов. Предложенные в диссертационной работе основы теории, методы, методики, алгоритмы, процедуры, структуры тМП - систем и диагностирующие тесты разрабатывались в течение 14 лет на кафедре электронных вычислительных машин МАИ им. С. Орджоникидзе и на кафедре вьісшеіі и прикладной математики МГОУ в рамках НИР, выполняемых по тематике в соответствии со следующими программами и постановлениями:

- Комплексная программа развития Единой системы научно - техни
ческих исследований на XII пятилетку (№ 223 от 9.07.85);

- Комплексная программа ГКНТ СССР 0.80.10 (№ 407/241 от
09.12.80);

- Межвузовская научно-техническая программа "Интеллектуальная соб
ственность высшей школы(направления "Информатика" и "Микроэлек
троника");

Государственный заказ. Решение организации П/Я А-1572 ВП -8188 от 14.09.90г.;

Государственный заказ. Решение организации П/Я А-1572 ВП -256 от 03.09.90г.

Выполненные НИР - ОКР(в которых соискатель был заместителем научного руководителя, ответственным исполнителем или руководителем раздела):

НИР № 65-84 " Разработка декомпозиционных методов оптимизации конструкторских и проектных задач анализа и синтеза систем обработки измерительной информации" (гос.рег. № 81004968, 1984 г.);

НИР № 69-85 "Создание САПР специализированной аппаратуры" (гос.рег. №01830056203,1985);

- НИР № 39-86 "Разработка устройства обработки сигналов датчиков
физических величин со стохастическими моделями" (гос. per.
№0186078716, 1987г.);

НИР № 39-88 "Разработка устройства обработки сигналов датчиков физических величин со стохастическими моделями" (гос. per. № 0186078716, 1989 г.);

НИР № 39-89 "Разработка системы управления электроприводами устройства УКП-3" (гос. per. № 01.88.0021147, 1989 г.);

НИР № 41-89 " Разработка перспективного буквенно - цифрового жидко - кристаллігческого индикатора" (гос. per. № 01.89.0033475, 1990 г.);

ОКР № 58-91 "Диагностирование аппаратных и программных средств универсальной комплексной системы (УКС 1)" (гос. per. № 01.9.10 048994

1991 г.);

- ОКР № 58-92 "Диагностирование аппаратных и программных средств
универсальной комплексной системы (УКС 2)"(гос. per. № 01.9.10 048994

1992 г.);

- ОКР "Волан" по договору 65/104 от 04.02.93г.

- ОКР по договорам с П/Я А-1572, В/Ч 11232 и ООО РязаньПрибор.
Результаты, полученные в диссертации, использованы и внедрены на

следующих предприятиях: ОКБ "СПЕКТР" при РГРТА в процессе выполнения работ по темам "Резеда" и "Сбор" Государственный заказ по решению организации П/Я А - 1572 № ВП - 256 от 03.09.90г., КБ

"Монитор", Восьмом Управлении ГШ ВС России в рамках ОКР " Волан" по договору 65/104 от 04.02.93г., Главном Управлении Командующего внутренних войск России в рамках договоров № 03/95 от 12.05.94 г. и №09/95 от 4.7.96 г., КПО СВТ "Терминал" и АОЗТ ICL в рамках договора с В/Ч 11232, НИР и ОКР общей структуры интегрированной системы моделирования мультипроцессорных систем с массовым параллелизмом в Институте проблем вычислительной техники РАН.

Апробация работы. Результаты исследований, составляющих основное содержание работы, докладывались и обсуждались на международных конференциях: 1^st International Conference and Exhibition DIGITAL SIGNAL PROCESSING AND ITS APPLICATIONS-DSPA'98(Moscow,1998); LOCAL-AREA NETWORKS (Riga, 1990, 1992), " Технологии и системы сбора, обработки и представления информации"(Рязань, 1993), " Проблемы передачи и обработки информации в информационно - вычислительных сетях (1997); на Всесоюзных конференциях, симпозиумах и школах - семинарах: "Вычислительные сети коммутации пакетов" (Рига, 1983, 1985, 1987, 1989), " Проблемы создания систем передачи дискретной информации и телеобработки данных в ИВС и АСУ " (Рязань, 1985), " Применение микропроцессоров, мнкро - и персональных ЭВМ" (Миасс, 1990), " Вычислительные сети" (Ереван, 1983, Винница, 1991), " Перспективы развития локальных информационно -вычислительных сетей на базе персональных ЭВМ" (Москва - Ивантеевка, 1989), " Структура и функционирование локальных вычислительных сетей и информационно - управляющих систем" ( Москва - Ивантеевка, 1988), II, III, IV, V Рязанские педагогические чтения (1995, 1996, 1997, 1998), "Современные телекоммуникационные среды обучения - ТЕЛЕМАТИКА - 96" (Санкт-Петербург, 1996), межведомственные и Государственные испытания аппаратуры передачи данных ПД - 440 и войсковые испытания в реальных условиях эксплуатации Агрегативной многопроцессорной системы РАМС, создание сети передачи данных по ЦЗКС в ДВО, ПРИ ВО н СКВО МО РФ в КПО СВТ "Терминал" и АОЗТ ICL, НИР и ОКР по созданию мультипроцессорных вычислительных систем с массовым параллелизмом в Институте проблем вычислительной техники РАН. Объём и структура диссертации: введение, 7 глав, заключение, 10 приложений; 325 страниц, из которых 272 стр. составляют основное содержание, 16 стр. - рисунки (23 рис.), 9 стр. - таблицы, 18 стр. - литература (185 наименований), 36 стр. - приложения.