Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Настоящее время характерно как бурным развитием различного рода средств информатики, так и су^ествегесш расширением сфер ее применения. Массовое внедрение электронных вычислительных малин и микропроцессорных систем заставляет рассматривать как важную народно-хозяйственную задачу разработку прочной научной, методической основы для проектирования средств вычислительной и управляющей техники. При этом пр:іхсдится признать, что обширный материал, аосвяценний теоретическому осмысления сложного комплекса проблем, порождаемых такий процессом, влияет на принятие технических резений, порой касающихся развития целых отраслей народного хозяйства, значительно слабее, негели спыг, интуиция и здравий смысл разработчика. Поиск аппарата, пригодного для реиения задач анализа и проектирования устройств вычислительной техники, заставляет обратиться к методам оценки и измерения их эффективности и производительности. При этом сразу могло заметить, что проблема оценки и измерения до с;гх пор не имел11 удовлетворительного резения применительно к такім устройствам, как супер- и персональные ЭВМ, микроконтроллеры и т.д. Исходя из того тезиса, что любую вычислительную систему, так как она является преобразователем входной информации в результат, нутло рассматривать как малину, продукцией которой является информация, любую приемлемую оценку системы следует строить- как оценку количества инфор:.ации. Такой подход заставляет преаде всего обратиться к вопросу об уточнении-понятия информации, доказательству объективности его характера, вибору для этой величины соответствующей количественной мери, что даст возможность разрабатывать и использовать теорию для описания и оценки вычислительны: систем.
Обращаясь к кругу задач формального синтеза вычислительных структур, разработки теории и принципов построения управляющих вычислительных систем, включая бортовые, следует подчеркнуть вахчость реиения проблемы разработки методов реализации управляющих алгоритмов вычислительной структуры, .основанных на использовании оптимальным образом построенного набора типовых, или базовых операторов. При этом необходимо иметь в виду, что в случае управлящих вычислительных систем выполняемые ими алгоритмы вместе со средства;/)! их реализации являются неотъемлимой частью ар-
хиїептури система, а степень цогасообраоностп технических решений, пришаїаоьгих на данном уровне строения системи, в значитель-иой кора определяет &|фекїпность устройства переработки ипфар-каціга с целом. Выбор б качестве объема рассмотрения управляемых вычаслительше систем, которые лаляк-гся естественным образом спз-цкшпжроБйкньгл:!, требув? конкретизации гой предметной области, в пределах которой предполагается ислользовать проектаруемш систеш. В этом отношении образце* на себя внимание необходимость развитие работ по созданию р.атоматизнроав.шых систем управления технологическим» процессами, сред»: которых іирозніЯ класс составляет перевозочные процессы средствам:! транспорта, включал воздушный. В настоящее время наиболее далеко продвинулись работы по автоматизации процессов управления сродствамд соэдуйного транспорта. Однако, появление летательньгх аппаратов нового поколения приводит к необходимости ропения целого ряда проблем, связанных с созданием высокоэффективных и производительных уп-равляэаря вычислителей, которыо имели бы малую энергоемкость и приемлемые массогабарнтные характеристики. При этом специфика, придаваемая такого рода устройствам их ориентацией на решение задач авионики, не должна стать препятствием для использования соответствующего запаса научных и инженерных знаний при разработке специализированной вычислительной базы для широкого круга иных, нежели авиация, сфер автоматизации технологических процессов, которые находятся в состоянии определенного отставания и для которых потребность в управляющей вычислительной технике тем более высока.
Таким образом, ощущается необходимость в реаенин проблему рациональной организации вычислительных процессов, что позволило бы существенно повысить эффективность использования ресурсов вычислительной техники, занятой, в системах управления технологическими процессами н объектами, для чего требуется:
а) наличие элементов теории, позволяющей формулировать, це
левую функцию, выражать ее через параметры вычислительного jnpo-
цесса н, таким образом,- получить возможность применять пироко
развитые-в настоящее время методы оптимизации;
б) исследовать зависимости параметров вычислительного'про
цесса, от параметров аппаратного и программного обеспечения
средств ВТ.
Целыэ диссертационной работч язл-зїся разработка пришгі-поз і: методов поетрооплії высокоефф^ктявнюс управляклих вичисли- <, толькиг систем на основе кснструиросоння таорэтако-тфор.йщион-гшх і-оделєй таких систем м ос::оЕанных на этих моделях подходах я аналізу » синтезу вычислитзлш.'х структур; при этом рассмотрение ограничиваете: деть ср^дег-зак:: вычислительной толика, ггргдкйзначенннх дл*: автоматизированных систем управлетая 'д-охно-логачослі-ми процессе^! и объектам:.
"этолм иседешвакмя. 7аоре?:«сс:;иэ и практичеекко иссло-догания, прозєдзнігл а дчесер?зцчи, базкруэтея ка комплексном использовании результатов теории иь^ормацни, таоркн алгоритмов, ептяетачэсксп физики и теории вероятностей, вклпчая теоретичес-кг.э аппараты обоснования нзвостшх подходов к определения мер колігчества информации, алгебраической т-зерии систем, известных теор иях ценности информации, изтодях полмогоропскей тзорни пары, упорядочен; по; разбиений пространен Лобега, измерения расстояния в пространствах разбиений как псевдометрики Рохлина, изтодах сценки эффективности и производительности вычяслитзль-:пгх структур, вклячад ккфортацнонныо оценки, теор:ш автоматов, пэгодах анализа и синтеза гайощлцнон:-:о-упраііЛгак5їХ систем, я тГ5 CG5.uS.L:«K образцов специализированных вычислителей для боргових систем управления.
Научная новизна. Основной.научный результат диссертации заключается d разработка элементов информационной теории Вычислительных СТРУКТУР, ПОЗВОЛЯЛИ Ha ОСН0ЕЄ К0ЛИЧеС'*ЗСННЫХ мер .
производительности я еффект^знесги репать задачи анализа и синтеза вычислительных структур, в частности, в условиях, когда вопрос охоноюя ресурсов имеет определяпаев значение в .процессе разработки. При этом принципиальный вклад в резение вопросов информационной теории систем и принципов построения высокоэффективных управляющих вычислителей на кикропроцессорюй базе состоит в ел едущем:
разработана обладающая высокой степень*) общности и содержательности динамическая модель системы, основанная на понятиях ресурсов системы и учитывающая взаимодействие системы со внешней средой;
обосновано представление об информации как о физической величине, поддавшейся объективному процессу измерения, созданы основы для использования понятия информации как универсального
_ б -
для описания и оценки вычислительных сисгеї-і, включая упразляэ-цие;.
.- для общего случая доказана пропорциональность количества информации и ее ценности, что позволяет при о пи с а: ист и оценке вычислительных систем отказаться о? в:.'делен;ш ценности информации в самостоятельную категории;
впервые сформулировано прпк^ипладькоа требование различимости объэктсз, для которых определяется холичоство информации, за счёт введения признаков объектов;
построены теоретические основы для определения конструктивной и детерминированной меры количества информации, сформулирован основополагающие для построения информационной мэры принцип наименьаего пути, построена эффективно реализуемая процедура измерения количества информации;
на основании введенного в диссертации понятия информационного ресурса сформулированы принципы измерения аффективном?» п производительности вычислительных структур;
построена математическая модель базового набора операторов специализированного вычислителя, сформулированы критерии синтеза и оптимизации набора базовых операторов, построена высокоэффективная и универсальная методика этого синтеза.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Полученные в диссертации научные и практические результаты составляют основу для построения эффективных специализированных управляющих вычислительных систем, включая бортовыз вычислители. Предлагаемые в работе принципы организации архитектуры специализированных вычислителей, методы построения базового набора операторов, ряд структур вычислителей целесообразно использовать при построении систем управления для широкого класса объектов, включая подвижные, и технологических процессов. Предложенные в диссертации методы и практические приложения отих методов доведены до воплощения в аппаратуру и программное обеспечение бортового спецвычислителя, предназначенного для работы в составе навигационно-пилотажного комплекса летательного аппарата.
Исследования по теме диссертация били непосредственно -связаны с плдаами десяти важнейших-НИР, выполненных в период с 1979 по 1939 гг. на кафедре "Электроника" ШТа. В частности, оти исследования проводились в соответствии с реаениеы комиссии
Президиума Совета Министров СССР по военно-промышленным вопросам от 22.07.80. за № 255, а также в соответствии с рядом приказов йикистра путей сообщения СССР. Результаты диссертации внедрен!! на рядо предприятий Министерства авиационной промышленности СССР. Согласно имеющимся документам эффектом от внедрения результатов работы является повышение престижа страны.
Развитые з диссертации методы построения управляющих вы-, числительных систем используются в учебном процессе на кафедро "Электроника" 1;К1Та при выполнен;:;', курсового и дипломного проектирования, а также при чтении курсов лекций по дисциплинам "Микропроцессоры и их применение", "Управляющие св.Ч и микропроцессоры", "Вычислительные маиины и системы", "ЭЗМ, микропроцессоры и их применение з инженерных и экономических расчетах".
Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на Второй всесоюзной сколе молодых ученых и специалистов по проблемам теории систем и ее приложениям (Каунас,' 1973 г.) Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы создания и использования высокопроизводительных информационно-вычислительных мазин (К;глинев, 1979 г.), У национальной научно-технической конференции "Вычислительная техника - 79" (Варна, 1979 г.), Всесоюзной иколо-семинаре по вычислительным сетям (Владивосток, 1930 г.), Научно-технической конференции "Микропроцессорные системы управления технологическими процессами и гибкими автоматизированными производствами" (Москва, 1934 г.), УШ научно-техническом семинаре "Многопроцессорные вычислительные системы" (Таганрог, 1989 г.), У Юбилейной международной конференции "Оценка производительности и методы эксплуатации вычислительных систем" (Вроцлав, 1939 г.), 14-fl Всесоюзной школе-семинаре по вычислительным сетям (Минск, 1969 г.), Седьмой Всесоюзной школе-семинаре "Распараллеливание обработки информации" . (Львов, 1939 г.), научно-техническом семинаре "Технические требования, опыт проектирования и применения заказных и полузаказных ШС и микросборок" (Ленинград, 1990 г.).
Публикации. Основные научные результаты диссертации освещены в 24 печатных работах в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций. Кроме того.
материалы диссертации освещены в 19 зарегистрированных во ВНТМЦ отчетах по хоздоговорна и госбсдяетньш НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключгния на 351 страницах машинописного текста, иллюстрированных 27 рисунками и 19 таблицами, списка испсльзоЕакных источннкоь на 19 страницах, включающего 205 наименований, приложения на 13 страницах.