Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА I. МАГИСТРАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ И
ПОДХОД К ИХ СИНТЕЗУ 13
Предпосылки создания магистрально-модуль-ных систем обработки и передачи информации 13
Определение класса конвейерных ВС на
уровне процессоров 19
1.3. Магистральные вычислительные структуры
с потактной коммутацией 30
Особенности синтеза магистральных вычислительных структур (МВС) 43
Метод активной адаптации - возможный
подход к поиску допустимых МВС 51
Обобщенное правило структурного синтеза (ОПСС) 52
Принципы формирования ОПСС 56
Возможные пути усовершенствования
метода 59
ВЫВОДЫ 64
ГЛАВА П. РАЗВИТИЕ МЕТОДА АКТИВНОЙ АДАПТАЦИИ ПРИМЕНИТЕЛЬ
НО К СИНТЕЗУ ВС МАГИСТРАЛЬНОГО ТИПА 66
2.1. Общая схема адаптации обобщенного прави
ла структурного синтеза 66
Стр.
Поиск начального приближения ОПСС 82
Расширение области действия аппарата коррекции ОПСС 89
Метод выделения нелинейных компонент
ОПСС 96
2.5. Порождение опорных решений в области
уточнения ОПСС ЮЗ
2.5.1. Критерий ускоренного распознавания
опорных гипотез 108
2.5.2. Оператор порождения гипотез 112
ВЫВОДЫ 116
ГЛАВА Ш. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ АВТОМТИЗИРОВАННОГО СИН
ТЕЗА МВС 117
3.1. Особенности автоматизированного синтеза
МВС 117
Архитектура СПОР-3 122
Основные характеристики и режимы работы
СПОР-3 131
3.4. Экспериментальное исследование СПОР-3
при решении тестовых задач 141
3.5. Подсистема автоматизации начального синте
за МВС 146
ВЫВОДЫ 149
ГЛАВА ІУ.ВЫБОР МАГИСТРАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР
С ПРИМЕНЕНИЕМ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ 151
4.1. Определение допустимых структур конвейер
ной ВС системы обработки данных 151
Стр.
Задача выбора конвейерных структур на уровне специализированных процессоров 151
Исходная система структурных параметров 155
Формирование обобщенного правила структурного синтеза 158
4.2. Поиск допустимых магистральных вычисли
тельных структур с потактной коммутаци
ей 168
4.2.1. Формирование матричной модели синтеза
МВС 168
4.2.2. Построение обобщенного правила синтеза
МВС ' 174
4.2.3. Выбор МВС на основе анализа ОПСС 177
ВЫВОДЫ 182
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 184
ЛИТЕРАТУРА 186
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Краткий перечень модулей программного комплекса СПОР-3. Примеры результатов
его работы 201
ПРИЛОЖЕНИЕ П. Примеры работы подсистемы начального
синтеза МВС 233
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АЛУ - арифметико-логическое устройство
АФ - алгоритм функционирования
ВС - вычислительная система
ВОЛС - волоконно-оптические линии связи
Ш - вычислительный процесс
ВТ - вычислительная техника
ВК - весовой коэффициент
КВС - конвейерная вычислительная система
ЛПР - лицо, принимающее решение
МАА - метод активной адаптации
МВС - магистральная вычислительная структура
НЛК - нелинейный компонент
ОМ - обучающее множество
ОП - оперативная память
ОПСС - обобщенное правило структурного синтеза
ООЗИ - общая область запоминания информации
СПОР - система порождения опорных решений
СОД - система обработки данных
ЦП - центральный процессор
ФБ - функциональный блок
Введение к работе
В рамках долгосрочного плана СЭВ по научно-техническому сотрудничеству в области микроэлектроники и вычислительной техники (ЗТ) предусматривается исследование и разработка перспективных вычислительных структур. В настоящее время одним из перспективных путей дальнейшего развития цифровой вычислительной техники является создание проблемно-ориентированных конвейерных вычислительных систем (ВС) и организация их взаимодействия на основе коммутируемых многомагистральных структур обмена / 3,7,/0,82 /. Такой подход является практическим воплощением принципа магистральной организации вычислений, т.е. способа упорядочения как во времени, так и в пространстве законов организации вычислительного процесса на основе рациональной организации аппаратных и программных компонент и взаимосвязей ВС. Реализация этого принципа связана с поиском новых технологических схем организации обработки информации и обмена, новых способов регуляризации вычислительных структур и других средств унификации вычислительного процесса.
Развитие принципа магистральной (конвейерной) обработки информации представляет собой одно из кардинальных направлений к повышению производительности вычислительных устройств. В то время когда конвейеры первоначально применялись на уровне арифметике—магистральных и микрокомандно-магистральньтх схем обработки информации, в настоящее время магистральные структуры также внедряются при проектировании многопроцессорных вычислительных комплексов и систем. Понятие конвейера подразумевает организацию
возможности повышения темпа обработки потока данных способом параллельного выполнения фрагментов разных программ различными (в общем случае - специализированными) вычислительными модулями. В отличие от реализации естественного параллелизма магистральная организация вычислительных процессов предусматривает разделение вычислительных ресурсов во времени между задачами одновременно выполняемыми в ВС. Эффект повышения быстродействия здесь достигается путем реализации частичного перекрытия временных интервалов выполнения задач некоторого набора. Известно, что концепции высокопроизводительных структур, базирующиеся на магистральной организации вычислений, из-за относительной дороговизны их аппаратной реализации и в связи с определенным отставанием современных систем математического обеспечения от практических потребностей воплощаются в жизнь только поэтапно /44/. В это же время системы магистрального обмена информацией уже считаются неотъемлемыми частями структур многих эффективно действующих ВС /3,69,92,9?/.
Коммутация связей между функциональными блоками вычислительной структуры может обеспечивать протекание процессов информационного обмена на основе пространственного или временного разделения магистралей передачи информации. Па основе временной коммутации каналов-магистралей, управляемой тактами работы заданного набора алгоритмов функционирования, организуются эффективно действующие (по критериям быстродействия и аппаратных затрат) магистральные вычислительные структуры (МВС) / 3*,3& /. Перспективность разработки подобных структур подтверждается постепенным пересмотром традиционных схем организации устройств ВТ в направление усиления унификации аппаратуры и сокращения числа связей между компонентами ВС.
Известно / /О /, что исследование построенной математической модели без учета опыта практической реализуемости может дать не слишком надежные данные для выбора того или иного варианта структуры ВС. В то время проектирование устройств вычислительной техники показывает определенное отставание существующего аппарата структурного синтеза от возрастающих требований практики / 2,Ы,М,60 /. Формальные методы разработаны еще не достаточно полно и не поставлены на общую теоретическую базу. Вопрос обоснования принимаемых решений, особенно на ранних стадиях синтеза вычислительных структур, часто остается открытым /35, 58,7У/. Решение задач синтеза магистральных вычислительных структур часто осложняется из-за неполноты исходной информации, большой комбинаторики еозмошінх решений, неопределенности цели проектирования ВС и функциональных ограничений. Опыт проектирования подобных структур мал и существующие аналитические методы, как правило, ориентированы на решение достаточно узкого класса проблем. Для задач рассматриваемого вида, как отмечено в /58 /, не имеет смысла искать какое-либо решение точно.
Основные трудности при реализации структурного синтеза вычислительных систем с магистральной организацией вычислений связаны с формализацией опыта проектирования подобных ВС в явдом
аналитическом виде. В качестве возможного подхода к решению проблем структурного синтеза МВС был выбран метод активной адап-
адаптации, разработанный в Московском энергетическом институте Дзегеленком И.И. /7 / в рамках методологии активного программного моделирования, предложенной Шигиным А.Г. /46,Ь7 /. Метод активной адаптации ориентирован на синтез таких структур,
опыт и законы проектирования которых трудно или невозможно выразить в явном аналитическом виде. Метод позволяет формализовать постановку и решение задач структурного синтеза в условиях существенной неполноты исходной информации. С помощью адаптивных процедур организуется итерационный процесс повышения "знаний" о параметрах и структуре рассматриваемого объекта.
Метод активной адаптации (ММ) направляет на обобщение опыта проектирования в виде контактных и емких по содержанию аналитических моделей способом восстановления некоторого обобщенного правила структурного синтеза (ОПСС) на выборках эмпирических данных / 6 /.
Выбранный подход к описанию проблемы структурного синтеза МВС, т.е. одновременного выбора "магистрали процессоров" и "магистрали обмена", открывает возможность комплексного синтеза вычислительной структуры с учетом проблем как обработки, так и обмена информацией.
Для ряда практических применений была показана хорошая приспособленность ММ к задачам выбора эффективных решений в условиях неопределенности цели и данных начального этапа структурного проектирования /ZQ}Z9,Zl,Ъ*/,5Ь /. Однако, непосредственное его применение к структурному синтезу МВС затруднительно. Сильная нелинейность рассматриваемых задач вытекает,в основном, из-за: а) противоречивости предъявленных .критериев,как, например, требований по быстродействию и аппаратных затрат; б) учета корреляции значений параметров, характеризующих МВС; в) множества дополнительных функциональных ограничений; г) комплексности учета взаимодействия аппаратных и алгоритмических структурных компонент.
Целью диссертации является разработка методов и средств синтеза магистральных вычислительных структур. Разработка осуществляется на основе усовершенствования метода активной адаптации с учетом особенностей организации магистральных структур и метода логического синтеза матричной - модели выделения структурных переменных.
Для достижения этой цели необходимо произвести:
Анализ основных предпосылок создания магистрально-модульных систем обработки и передачи информации;
Определение классов ВС магистрального типа в виде конвейерных ВС на уровне процессоров и МВС с потактной коммутацией; разработку общего подхода к синтезу МВС с учетом их особенностей;
Разработку принципов усовершенствования метода активной адаптации с использованием отображения закономерностей структурного синтеза на линеаризованное пространство определяющих параме тров;
Разработку и обоснование адаптивно-логических методов и алгоритмов формирования обобщенного правила синтеза МВС;
Определение схемы и принципов автоматизированного восстановления ОПСС в режиме порождения гипотез и взаимодействия с имитационной моделью выработки экспертных оценок; осуществление программной реализации разработанных алгоритмов, ориентированных на проетстироваиие МВС в виде единого программного комплекса с обеспечением эффективного диалога проектировщика -ЭВМ;
- II -
6. Синтез магистральных вычислительных структур: выбор структуры конвейерной ВС на уровне специализированных процессоров; синтез многомагистральной структуры с потактной коммутацией функционально-ориентированного процессора.
Настоящая работа выполнена по плану ПИР кафедры системотехники в рамках целевой комплексной программы 0.Ц.027, утвержденной ГКНТ. Госпланом и АН СССР от 12.12.80 г. Результаты работы использовались при выполнении хоздоговорных тем кафедры Системотехники МЭИ.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
В первой главе определяется класс магистральных вычислительных структур и возможный подход к их синтезу. Представляются конвейерные ВС на уровне специализированных процессоров и магистральные вычислительные струг-туры с использованием многомагистральной системы обмена синхронного действия и с потактной коммутацией. В качестве возможного принципа поиска допустимых МВС определяется метод активной адаптации (МАА).
Во второй главе осуществляется анализ возможных путей усовершенствования МАА применительно к синтезу ВС магистрального типа. Предлагаются методы и алгоритмы формирования ОПСС в линеаризованном пространстве с учетом возможности выделения нелинейных компонент. Приводятся критерии ускоренного распознавания опорных гипотез и предлагается 1Г-оператор их порождения
В третьей главе определяются принципы практической реализации усовершенствованного метода активной адаптации с целью
решения широкого класса задач синтеза МВС. Разрабатываются основы архитектуры и построения системы порождения опорных решений СПОР-3. Организуются режимы тестирования программ и взаимодействия СПОР-3 с подсистемой начального синтеза магистральных вычислительных структур.
В четвертой главе приводятся результаты решения ряда практических задач синтеза МВС, полученные с применением разработанных адаптивно-логических методов. Определяется множество допустимых структур конвейерной ВС на уровне специализированных процессоров. Проводится поиск допустимых МВС с потактной коммутацией.
- ІЗ -
