Введение к работе
Проблема эффективного решения задач цифровой обработки сигналов на современном уровне развития науки и техники является одной из важнейших. Ее решение сопряжено с синтезом новых эффективных средств решения на методологическом, алгоритмическом, программном и аппаратном уровнях.
В этой связи диссертационная работа посвящена разработке нового комбинированного устройства кластерного типа с многоуровневым параллелизмом обработки данных, а также новых элементов и устройств, применяющихся как вычислительные узлы комбинированного кластера для эффективной обработки цифровых сигналов.
Так как разрабатываемые элементы и устройства являются новыми на современном этапе развития вычислительной техники, то необходимым является также разработка метода и алгоритмов их эффективного использования для решения задач цифровой обработки сигналов.
Актуальность проблемы обуславливается
необходимостью увеличения производительности в процессе решения вычислительных задач любыми способами, в частности с помощью новых элементов и устройств, внедрением новой теоретической и алгоритмической базы, использованием новых методов повышения эффективности решения задач на гибридных схемах.
В диссертации рассматриваются теоретические и практические аспекты разработки нового комбинированного устройства кластерного типа и новых элементов и устройств, являющихся его вычислительными узлами, которые позволяют эффективно решать задачи цифровой обработки данных с помощью многоуровневого параллелизма. Также проводится классификация способов обработки информации в распределенных вычислителях, синтезируется метод и алгоритмы применения разработанных элементов и устройств для решения задач цифровой обработки сигналов в рамках синтезированного в диссертационной работе высокопроизводительного комбинированного кластера.
Актуальность диссертации подтверждается использованием полученных результатов в хоздоговорных и госбюджетных научно исследовательских работах кафедры вычислительной техники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ), а также в учебном процессе, что сопровождается соответствующими актами о внедрении.
Объектами исследования в диссертационной работе являются: элементы и устройства для решения задач цифровой обработки сигналов, кластеры с многоуровневой структурой, архитектуры микропроцессоров, специфические аппаратные и программные средства поддержки вычислительного процесса, методы математического моделирования, численные методы, а также высокопроизводительные алгоритмы и методы распределенных вычислений на базе разного рода параллельных и кластерных вычислителей с использованием существующих элементов и устройств.
Целью работы в теоретическом плане являются:
- разработка нового комбинированного устройства кластерного типа для решения
задач цифровой обработки сигналов;
-разработка новых элементов комбинированного кластера на базе процессоров
цифровой обработки сигналов (ЦОС) и программируемых логических
интегральных схем (ПЛИС) для решения задач ЦОС;
- разработка метода и алгоритмов эффективного использования новых элементов
и устройств комбинированных кластеров с многоуровневой архитектурой для
решения задач ЦОС на практике;
Целью работы в практическом плане является:
-разработка элементов и устройств комбинированных кластеров для решения
задач ЦОС; -реализация алгоритмов, синтезированных в диссертационной работе, в виде
программного комплекса для обеспечения работы нового комбинированного
кластера; -экспериментальная проверка, а также апробация и внедрение полученных
теоретических и практических результатов на примере решения актуальных
задач фильтрации изображений и обработки гидроакустических данных
методами вейвлет-анализа; Основными задачами работы являются: -проведение анализа существующих элементов и устройств, применимых для
решения задач ЦОС в составе вычислительных систем общего назначения;
- разработка нового комбинированного устройства кластерного типа, при помощи
которого можно эффективно решать задачи цифровой обработки сигналов;
-синтез элементов и устройств на базе процессоров ЦОС и ПЛИС, которые можно применять как вычислительные узлы разработанного комбинированного кластера для решения задач цифровой обработки сигналов;
-описание способа представления сложных вычислительных задач в терминах теории графов для их корректного переноса на разработанный комбинированный кластер, а также обоснование и описание метода и алгоритмов эффективного использования новых элементов и устройств для решения распределенных задач цифровой обработки сигналов, а также провести экспериментальную проверку полученных результатов на практике.
Методы выполнения исследований.
Для теоретических исследований использовались методы цифровой обработки сигналов, методы проектирования элементов и устройств, теории графов и множеств, теории алгоритмов и численных методов, методы математического моделирования и объектно-ориентированного программирования, методы параллельных вычислений.
Кроме того, проводились экспериментальные исследования на модельных и реальных объектах и сигналах, а также апробация разработанных алгоритмов на ЭВМ.
Научная новизна:
-разработано новое вычислительное устройство кластерного типа (комбинированный кластер) для выполнения распределенных вычислений, являющееся эффективным для решения задач цифровой обработки сигналов и
отличающееся от существующих введением специализированных элементов, адаптированных для реализации алгоритмов ЦОС, а также многоуровневой параллельной организацией вычислительного процесса; -разработаны специализированные элементы и устройства, являющиеся эффективными для решения задач ЦОС в базисе комбинированного кластера и отличающиеся от существующих ориентацией именно на алгоритмы обработки сигналов на аппаратном и программном уровне, а также позволяющих выполнять межэлементные соединения, составляющие сети нижнего уровня в разработанном в рамках диссертационной работы многослойном комбинированном кластере. Практическая ценность и рекомендации по применению.
Результаты исследований, описанных в диссертации, находят применение для решения комплексных задач обработки сигналов, как на верхнем уровне комбинированных кластеров, так и на уровне проблемно-ориентированных элементов и устройств, образующих нижние слои.
Эффективность и качество работы разработанного комбинированного кластера цифровой обработки сигналов следует из:
-использования элементов и устройств с аппаратной поддержкой алгоритмов цифровой обработки сигналов;
- введения концептуально новых и эффективных методов и алгоритмов обработки
данных на комбинированных кластерах;
-использования распределенных вычислителей с настраиваемой коммуникационной средой для параллельного выполнения участков загружаемых задач;
- многоуровневого распараллеливания решаемых задач сразу на нескольких слоях
комбинированного кластера;
-эффективного использования возможностей адаптации структуры кластера к особенностям и размеру решаемой задачи, а также возможностей горизонтального и вертикального масштабирования и замены элементов в соответствии с требованиями.
Основные положения, выносимые на
защиту:
-новое комбинированное устройство кластерного типа (комбинированный кластер), являющийся эффективным для решения сложных задач ЦОС;
-элементы и устройства, адаптированные для решения задач ЦОС в составе многослойного комбинированного кластера.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и положений, выносимых на защиту, подтверждается:
применением апробированных алгоритмов для двух- и трехмерных задач ЦОС;
разработкой и апробацией специализированного низкоуровневого программного обеспечения для решения сложных задач ЦОС;
-постановкой и проведением вычислительного эксперимента и проверкой полученных результатов на практике на примере решения задачи медианной фильтрации изображений и обработки гидроакустических сигналов методами вейвлет-анализа с применением предложенных специализированных элементов и устройств.
Полученные элементы и устройства, а также сопутствующие их эффективному применению на практике метод и алгоритмы являются универсальными и их целесообразно использовать при построении комплексов цифровой обработки сигналов, автоматизированных модулей целеуказания и сопровождения объектов, расчете параметров распространения гидроакустических волн, обработке поверхностей и сигналов разной физической природы.
Научные и практические результаты диссертации использовались при выполнении госбюджетной НИР «Разработка теории и принципов построения интеллектуальных высокопроизводительных реконфигурируемых многопроцессорных вычислительных систем на основе аппаратных мультипрограммных средств и специализированных трансляторов алгоритмов в аппаратные программы», выполняемой в ТТИ ЮФУ, а также в учебном процессе ТТИ ЮФУ - в лабораторном практикуме по курсу «Проблемно-ориентированные вычислительные системы», что подтверждено соответствующими актами.
Публикации.
Результаты, полученные в диссертации, нашли отражение в 8 печатных работах. Среди них 5 статей, 3 тезиса докладов. 3 статьи опубликованы в изданиях, входящих в список рекомендованных ВАК.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на различных конференциях:
VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика радиоэлектроника и систем управление». Таганрог, 2006, ТРТУ;
IX Всероссийской научной конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». - Таганрог, 2008;
Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные технологии в науке, инженерии и управлении» «КомТех-2009». - Таганрог, 2009;
55-й Всероссийской и научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ в 2009;
56-й Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ. - Таганрог, 2009;
V ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН Таганрог, 2009;
VII Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление». ТТИ ЮФУ -Таганрог, 2009;
57-й Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ. - Таганрог, 2011.
Структура работы.
Материал основной части диссертационной работы изложен на 180 страницах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, списка литературы из 114 наименований на 10 листах, содержит 6 таблиц, 66 рисунков и 2 приложения на 21 листе. Общий объем диссертации, включая список используемых источников и приложения, составляет 212 страниц.
