Введение к работе
Актуальность проплат. Актуальной проблемой теории и практики
:тройстп группового логического управления является создание
лсоконадежных отказоустойчивых мультнмнкроконтроллеров.
редставляюіцнх регулярные сети пространственно сосредоточенных ножеств логических микроконтроллеров.
Проектирование высоконадежных отказоустойчивых
ультнмикроконтроллеров позволяет снять противоречие между к'бованиями высоком производительности и. высокими надежностными іракгеристиками .тія мультнмнкроконтроллеров. Решение научно :\ничоской проблемы создания основ теории и принципом построения гкаюусюйчипых мультнмнкроконтроллеров позволит также обеснечшь не vii.KO высокие -эксплуатационные надежностные характеристики, но и «сличить выход годных мультнмнкроконтроллеров при их реали кщни на тлупроводннковых неразрезных пластинах.
Принципиальная особенность существующих методов повышения нежности дискретных систем, в частности методов статического асеппного), динамического, гибридного реіерннронаниіі. заключаекя в >м, чю они ориентированы ил достижение высоких значений надежностных указателей аппаратуры системы, но не выполняемых ею функций. В связи с им они требуют лишь модификации уже созданных структурных решений тем дублирования или троирования блоков с различной глубиной охвата сментов, что приводит к значительным аппаратурным затратам.
Методы скользящего резервирования, применяемые в процессорных ітрицах и "являющиеся разновидностью метода динамическою 'іервпроппння, основаны на использовании встраиваемого в матричное пройсию коммутатора .тія обхода оіказавших элементов и псреіаіруїке іорнімов в устроіісіво после проведения перестройки с иомонн.ю іроіісіва верхнею \ровнч \ правления Пыполнснис укапанной
t реконфигурации приводит к значительным временным затратам і существенному усложнению устройства за счет коммутатора обеспечивающего связь для каждого элемента с его возможным» логическими соседями.
Поэтому возникла необходимость в разработке основ теории і принципов построения мультимикроконтроллеров, обеспечивающие требуемую оперативную отказоустойчивость реализуемых функции ( минимальными аппаратурными затратами. Указанная откаюустончивосп достижима в функционально-избыточных мультнмикроконтроллерах путе\ виртуального переразмещения алгоритмов его модулей и перестроим логической структуры (самоорганизации) мультимикроконтроллера и; множестве основных и избыточных элементов, включающих исправные і отказавшие. Обеспечение автоматического перераспределения алгоритма без использования устройства верхнего уровня возможно при перенастройкч функционально-избыточных микроконтроллеров, а автоматическая заменг отказавших модулей сети осуществима перенастройкой функционально-избыточного коммутатора мультимикроконтроллера без встраивание дополнительного коммутатора для обхода отказавших элементов.
Цель диссертационной работы состоит в разработке основ теории и принципов построения отказоустойчивых самоорганизующихся логических мультимикроконтроллеров, организуемых в виде сети пространственно сосредоточенных и алгоритмически распределенных перестраиваемых многофункциональных модулей и обеспечивающих непрерывное групповое логическое управление множеством объектов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Выявление структурных и функциональных особенностей отказоустойчивых самоорганизующихся мультимикроконтроллеров и формулирование предложений по структурной организации мультимикроконтроллера и микроконтроллера
-
Разработка основ теории откаюусгончивых нулмимнкрокоіпроллерон и выделение операций самооріаіпнацин. лбеспечивакнцих оперативную отказоустойчивость «удьтими кроконтроллера.
-
Реализация виртуального переразмешсиия алгоритмов н мультимнкроконтроллсре и неследование предельных возможностей операций самоорганизации.
-
Разработка принципов построения откашустончнвого самоорганизующегося мультнмнкроконтроллера и динамического многофункционального , микроконтроллера, реализующих операции самоорганизации.
Методы исследования основаны на использовании математических аппаратов теории графов, теории вероятностен, теории надежности ісхнических систем, теории проектирования автоматов и дискретных сис'ісм. теории топологического проектирования однородных структур, имитационного моделирования.
Научная iio/tiimn результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
-
Предложен подход к обеспечению операіивноі'і оікачлсіончнвосін мулыимнкроконтроллеров путем структурной и алгоритмической самоорганизаций ММК, заключающихся в виртуальном переразмеїиеннії алгоритмов управления и шіріуальноіі перестройке связей между микроконтроллерами на множестве работоспособных МК.
-
Для реализации подхода предложена модель и ратработаны принципы построения маїрнчнош структурно # и фуимшонально-тбыточпото мультнмнкроконтроллера с многофункциональными динамическими микроконтроллерами, позволившие выполнить СКОЛМЯШСС реіервирование со сдвшом и виртуальные переразмешения и пересцмйьч
\тмк
3 Рафабоганм основы ivojmih отказоустойчивы\
(1
самоорганизующихся мультнмикроконтроллеров на базе графоструктчрнои подхода, заключающегося в последовательных преобразованиях графовых моделей с помощью операций самоорганизации, позволивших решить задачх самоорганизации п>тем распределенного виртуального сдвига алюри і мої управления на маршрутах восстановления в графе переметений ММК
-
Предложены, положенные в основу графоструктурного подхода графовые модели функционально-избыточного мультимикрокошроллера описывающие варианты отображения алгоритма управления на множеств' работоспособных элементов ММК при различных комбинациях оіка«>» МК и определены операции распределенной разметки для глобальны > направленных динамической и статической стратегии учета комбшілшііі отказов, позволившие решить задачу первого этапа самоогани танин построения самоорганизующей сети.
-
Синтезированы операции поворота стрелки, реализующие второіі этап решения задачи самоорганизации и заключающиеся в реконфигурации связей критичных фигур с целью выделения непересекающихся маршрутог восстановления в «динамических» самоорганизуюшнх сетях сформулирована и решена задача поиска оптимального набора подоперации операции поворота стрелки, позволяющего снизить алгоритмическую избыточность самоорганизующегося мультнмнкроконтроллера, и определены понятия критичных и хтементарных фигур, необходимых при решении задачи.
-
Определена операция виртуального сдвига как операция взвешивания вершин графа структуры ММК, обеспечивающая решение третьего заключительного этапа задачи самоорганизации. и перераспределение номеров алгоритмов между работоспособными микроконтроллерами и разработан -аігорнгм определения множссі» алгоритмов управления, размещаемых в каждом ні микроконтроллеров основанный на применении введенной операции сцепления эдемешарных фигур, позволяющей вычислять вершины-предшественники на «арпірута>
7 косстановлення.
7. Получены условия потери способности к самоорі -знизаний, выявляющие функциональный отказ ММК, и проведены нсслелования откаюустоймивости и алгоритмической избыточности, позволяющие осуществлять их обоснованный выбор.
IIракит ческая ценность диссертационной работы состоит в реализации нового подхода к самоорганизации функционально-избыточных мультимикроконтроллеров, заключающегося в разработке стр\кт\рно функциональной организации распределенного слоя самоорганизации и функционально -избыточной микроконтроллерной сети , обеспечивающей непрерывное функционирование в условиях возникающих отказов чземснюи мульгнмикроконтроллсра.
Реаіиіацня и внедрение пеіультатоа диссертационной работы
Диссергационная работа является обобщением ре»\льгатоя, полученных автором в Курском государственном техническом университете в процессе выполнения в 1980-1997 годах научно-исследовательских рабог. в том числе Международного проекта «Технические системы обработки символьной информации и изображений» (распоряжение Госкомв) и РФ щ 19.02.93. №10), темы Г - 22 "Разработка методов обработки нестационарны \ сигналов фазовой информации и создание базовой информационной измерительной системы" (1992-1995 г.г.), темы Г - 16 "Создание базовой архитектуры для информационных гнпертехнологий и обработки изображении" (1993 г.), финансируемых по Единому заказу-наряду комитета no Bill № 10-36-63/10-02-11 от 15.05*92 г. и Комитета по BU1 № 10-36-67 MH/I0-02-I! от 50.04.93 г. соответственно.
Результаты исследований прошли ншавнеимую экспертизу и включены в мсжвуіопск\ю научно-техническую программу «Многопроцессорные 'ЖМ с параллельной сір\кі\рой и системы виртуальной рехзыюстн» (Прика< по министерству общею и профессионального обра мвания № 572ат02()3 "'.Х)
!
Результаты работы использованы при создании отказоустойчивы средств программируемых логических систем управлення в АО «Счетмаш» ННгорнорудный институт (Украина), АО «Прибор», в/ч 25714.
Теоретические и практические материалы диссертационной работ і использованы в учебном процессе Курского государственного тсхничсскої і университета при разработке курсов «Отказоустойчивая организации процессоров и ЭВМ», «Структурно-топологическое проектирование ЭВМ» а также в лабораторном практикуме, практических занятиях и лекциопно\ курсе по дисциплине «Организация ЭВМ, комплексов и систем».
Материалы исследований нашли отражение в технических решениях защищенных авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной район, докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и семинарах V симпозиум «Логическое управление в промышленности» (г Тбилиси, I'iK. г.), Всесоюзное научно-техническое совещание «Микропроцессорные средства вычислительной техники в системах связи и управления» (г. Рига 1984 г.). Всесоюзный семинар «Проектирование систем диагностики» (г.Ростов-на-Дону, 1984 г.), Всесоюзный семинар «Отказоустойчивое!і многопроисссорных вычислительных систем» (Ростов-Туапсе, 1985 г.) научно-технический семинар «Микропроцессорные системы для управление технологическими процессами» (г. Ленинград, 1985 г.), ссминат «Помехоустойчивость автоматизированных систем управления» (г Киев РДЭНТП, 1986 г.), научно-технический семинар «Методы исследования і обеспечения надежности сложных технических систем» (г. Ростов-на-Дону 1989 г.), Всесоюзная конференция «Микропроцессорные комплексы дл* управления технологическими процессами» (г. Грозный, 1989 г ) Международная конференция «Системный анализ, моделирование і< управление сложными процессами и объектами на баїе ЭВМ» (г їашксні 199? г.), 7-я и S-я Международные школы-семинары «Микропроцесспрньк системы связи и управления на железнодорожном транспорте» (Алушта-
Харьков, 1994, 1995 тт.), 3-й Российский научно-технический семинар лНейроестевыс и транспьютерные технологии и пути их использования в специальных технических комплексах» (г.Курск, 1994 г.), Международные конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г.Курск, 1993, 1995, 1997 гг.), Международные научно-технические конференции «Новые информационные технологии и системы» (г. Пета, 1994, 1997 гг.), научно-технические конференции «Вибрационные машины и технологии» (г.Курск, 1995,1997 тт.), 3-я Международная конференция «Измерение, контроль и автоматизация производствг'чных процессов» (ИКЛПП-94) (г. Барнаул, 1994 г.), Республиканская конференция «Приборы и приборные системы» (г.Тула, 1994 г.), 2-я Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Электроника и информатика - 97» (г. Зеленоград, 1997 г.), 2-я Международная конференция по проблемам физической метрологии FIZMET-96 (г. Санкт-Петербург, Россия, 1996 г.), научно-технические конференции и семинары КурскГТУ (I9S0-1998rr.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в трех монографиях, 37 статьях, в том числе н журналах РАН «Лвіомаїика и телемеханика», Сиб. отд. АН «Автометрия», Латв. АН «Автоматика и вычислительная техника», «Изв. вузов. Приборостроение» и защищены 8 авторскими свидетельствами на изобретение, б патентами и 3 решениями на их выдачу.
Основные научные положения, «ынасюше на защиту
-
Подход . к обеспечению оперативной, отказоустойчивости мультимикроконтроллсроо путем структурной и алгоритмической самоорганизации ММК, заключающихся и виртуальном переразмещенин алгоритмов управления и виртуальной перестройке связей микроконтроллеров.
-
Модель м.прпчноіо еір\кі\рно- и функционально избыточного
10 мультнмнкроконтроллера с многофункциональными динамическими
микроконтроллерами.
-
Основы теории отказоустойчивых самоорганизующихся мультимикроконтроллеров, базирующейся на графоструктурном подходе при реализации операций самоорганизации.
-
Графовые модели, критичные и элементарные фигуры, операции сцепления, положенные в основу графоструктурного подхода и классификация стратегий построения самоорганизующих сетей.
-
Операции разметки, поворота стрелки. Поиск и исследование преобразований графа перемещений н критичных фигур.
-
Операция виртуального сдвига и определение множества алгоритмов, закрепляемых за каждым из микроконтроллеров ММК. Результаты исследований алгоритмической избыточности и отказоустойчивости.
-
Каноническая структура элемента самооргашпующсго слоя. Принципы построения слоя самоорганизации.
-
Структурно-функциональная организация отказоустойчивого мультимикроконтроллсра, реализующего виртуальное переразмещение алгоріггмов управлення и виртуальную перестройку связей элементов ММК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит га введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий обьем диссертации составляет 362 страницы, из них 47 страниц составляют рисунки и графики, 27 страниц - список литературы, б страниц - приложения с актами внедрения.
