Введение к работе
Актуальность работы.
Парадигма управления вычислительным процессом с помощью потока данных (парадигма dataflow) рассматривается многими исследователями и разработчиками вычислительных систем (ВС) в качестве перспективного направления развития вычислительной техники и альтернативы доминирующему на протяжении последних десятилетий подходу, основанному на управлении вычислительным процессом посредством потока команд (парадигма control flow). В современных ВС организация вычислений по принципу control flow поддерживается как на аппаратном уровне (процессорная архитектура фон Неймана), так и на программном (наиболее популярные парадигмы программирования - процедурное и объектно-ориентированное (ООП) - так же работают по данному принципу). Управлению вычислениями посредством потока команд присущи ряд характерных свойств, которые могут рассматриваться как серьезные ограничения в развитии вычислительной техники, особенно при переходе к массивным параллельным и распределенным вычислительным структурам, а именно:
негибкая архитектура ВС (формат команд жёстко задан);
сложность организации параллельных вычислений (фон-неймановская машина по своей сути последовательна, и разработчикам вычислительных архитектур приходится приспосабливать их к реализации параллельных вычислений с помощью искусственных инженерных приемов, таких как конвейер команд, спекулятивные вычисления, предсказание переходов, суперскалярная архитектура и т.п.);
неудобство организации распределенных вычислений в связи с тем, что фон-неймановская программа может полноценно функционировать только в пределах единого адресного пространства вычислительного узла. Широко применяемый в настоящее время механизм удалённого вызова процедур достаточно громоздок: при вызове удалённой процедуры необходимо организовывать сложный интерфейс описания передаваемых процедуре параметров. Это происходит из-за того, что, согласно парадигме control flow, все параметры процедуры должны передаваться одновременно;
недостаточный изоморфизм представления данных и программы (алгоритмы создаются для обработки данных определенной структуры, и изменение этой структуры влечет за собой нарушение логики работы всей программы, а также даже небольшое изменение части программы может нарушить целостность программы в целом);
громоздкость кроссплатформенных систем не позволяет применять их на вычислительных узлах малой мощности (например, микроконтроллерах);
трудность проектирования и моделирования гетерогенных (состоящих из вычислительных узлов различной архитектуры) программно-аппаратных комплексов;
- трудность отладки сложных программио-аппраратных комплексов (используемое
в подобных случаях полунатурное моделирование - процесс чрезвычайно длительный,
дорогой и трудоёмкий).
Серьезные надежды на преодоление указанных ограничений связываются с развитием и внедрением в практику построения ВС парадигмы управления вычислительным процессом dataflow. История исследований проблематики dataflow-BC и ВС с динамической архитектурой развивается с 70-х годов прошлого века, особый вклад в ее разработку внесли такие зарубежные и отечественные ученые как Герд, Арвинд, Катайл, Деннис, Карп, Миллер, Адаме, Клей, B.C. Бурцев, В.М.Глушков, В.А.Торгашев.
Однако, несмотря на уже довольно солидную историю исследований, до сих пор не было предложено архитектуры, способной на равных конкурировать с фон-неймановскими ВС как на аппаратном, так и на программном уровнях. Предпринимаемые до настоящего времени попытки реализации dataflow-BC особого успеха не имели, и причин тому несколько. Во-первых, существующие аппаратные dataflow-решения по производительности значительно уступают классическим компьютерам, т.к. их
вычислительным ядром является классический фон-неймановский процессор, а оборудование, предназначенное для организации вычислений по принципу dataflow выступает в роли обременительной «нагрузки» к вычислительному ядру. Во-вторых, dataflow-языки программирования не получили особой популярности из-за своей специфичности и неудобства использования.
Для того, чтобы реальным стал серьезный прорыв в области dataflow-систем, необходимо, прежде всего, предложить новую архитектуру ВС, построенную в парадигме dataflow, с характеристиками, которые позволяли бы ей конкурировать по производительности и удобству использования с control flow-системами, как на аппаратном, так и на программном уровнях.
Цель и задачи работы
Целью работы является разработка и исследование новой архитектуры универсальной ВС с управлением потоком данных и разработка языка программирования для описания алгоритма решения вычислительной задачи для dataflow-BC.
Для достижения поставленных целей требуется решение следующих основных задач:
-
Анализ существующих аппаратных и программных решений dataflow-BC;
-
Разработка и аппаратной и программной архитектур dataflow-BC;
-
Разработка языка программирования для созданной архитектуры.
-
Анализ разработанной архитектуры;
-
Разработка оптимальной организации среды создания и запуска ОА-образов:
-
Разработка основных приёмов программирования в ОА-архитектуре.
-
Реализация среды создания и выполнения ОА-образа
-
Решение практических задач с помощью среды создания и выполнения ОА-образа.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием методов дискретной математики (теории множеств, теории графов, математической логики).
Экспериментальные исследования. Решение прикладных задач на базе разработанной среды создания и выполнения ОА-образа.
На защиту выносятся:
-
Принципы атрибутной архитектуры;
-
Принципы объектно-атрибутной (ОА) архитектуры;
-
Метод организации и запуска ОА-образа;
-
Алгоритмы реализации логики работы основных типов ФУ;
-
Метод вывода абстрактных данных в ОА-системе;
-
Реализация среды создания и выполнения ОА-образа;
-
Решение практических задач с помощью ОА-программирования;
-
Метод автономного (без подключения оборудования) моделирования распределенной ОА-системы.
Научная новизна полученный в результате исследования состоит в том, что
-
Разработана атрибутная архитектура ВС с управлением потоком данных;
-
Разработана объектно-атрибутная архитектура ВС, с управлением данных, способная работать с абстрактными данными.
-
Разработан язык программирования для описания алгоритма для атрибутной и объектно-атрибутной ВС.
-
Предложена математическая модель для описания работы dataflow-BC с распределенным управлением.
-
Предложен способ автономного (без подключения внешнего оборудования) моделирования систем автоматизации.
-
Создана программное обеспечение, работающее по принципам объектно-атрибутной архитектуры.
Практическая значимость
-
ВС, построенные по принципам атрибутной и объектно-атрибутной архитектур обеспечивают высокий параллелизм вычислений и гибкость организации вычислительного процесса.
-
Вычислительные блоки, входящие в ВС атрибутной и объектно-атрибутной архитектур имеют одинаковый интерфейс для обмена информацией между собой, что делает ВС легко масштабируемой и изоморфной, и способной работать на гетерогенных (состоящих из вычислительных узлов разной архитектуры и вычислительной мощности).
-
Программная реализация ВС разработанной архитектуры обладает кроссплатформенностию.
-
В ОА-архитектуре обеспечивается абстракцій данных и программы.
-
Созданная математическая модель более практичная для моделирования атрибутной и объектно-атрибутной ВС и параллельного вычислительного процесса, чем применяемая сейчас модель сетей Петри.
Связь исследования с федеральными целевыми программами исследований
Диссертационные исследования составили основу научно-исследовательской работы на тему «Исследование и разработка архитектуры и среды программирования перспективной суперкомпьютерной системы на основе динамической модели вычислений с управлением потоком данных», выполняемой коллективом кафелдры вычислительных систем и сетей МИЭМ в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса науки на 2007-2013 годы» Министерства образования и науки Российской Федерации (шифр заявки «2011-1.4-514-034-018»).
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается использованием известных положений фундаментальных наук, опытной эксплуатацией разработанной среды создания и выполнения ОА-образа.
Реализация результатов. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое использование в центре Психолого-педагогической реабилитации и коррекции «Строгино» при создании программно-аппаратного комплекса диагностики и реабилитации «Термопульсатор».
Результаты диссертационной работы использованы для написания методических указаний для выполнения курсового проектирования и проведения лабораторных работ для студентов по специальности 23.01.01.
Основные теоретические и практические результаты диссертации использовались при непосредственном участии автора при проведении НИР по тематическому плану.
Разработанная архитектура применялась при создании программы «Среда создания и запуска объектно-атрибутных образов».
В деле имеются акты о внедрении полученных автором результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях: IX Всероссийская научная конференция «Нейрокомпьютеры и их применение» (доклад был рекомендован для публикации в журнале «Нейрокомпьютеры: разработка и применение»); Юбилейной научно-технической конференции «Моделирование авиационных систем», 12-14 апреля 2011; на III Международной научно-практической конференции (Ростов-на-Дону 10-12 мая 2011 г.) (доклад был рекомендован для публикации в журнале «Информационные технологии»); на V Международной научно-практической конференции «Объектные системы» (Ростов-на-Дону 10-12 декабря 2011 г.); на конференции «Развитие суперкомпьютерных и грид-технологий в России» в рамках «Второго Московский Суперкомпьютерного форума» Россия, Москва, ВВЦ 26-27 октября 2011 года; на кафедре «Вычислительны системы и сети» использовалась в курсовом проектировании по дисциплине «Высокопроизводительные вычислительные системы», в лабораторных работах по дисциплине «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ».
Публикации. Основные результаты работы изложены в 11 публикациях, в том числе в четырех статьях, опубликованных в журналах, рекомендуемых ВАК.
На программу создания и запуска объектно-атрибутного образа получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011617079.
Структура и объём работы Диссертация состоит из Введения, четырёх глав, и Заключения. Основной текст изложен на 183 машинописных страницах, содержит 105 рисунков, список литераторы включает 58 наименований.
