Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный этап развития вычислительной :хники характеризуется активными поисками новых принципов обработки ^формации, новых архитектур ЭВМ и вычислительных систем. Рост потреб-эсти в решении сложных задач определяет прогресс в этом направлении. В істоящее время отсутствуют общепризнанные взгляды на перспективные ти-я вычислительных средств, которые будут наиболее эффективными в бли-айшем будущем. Твердо установленным лвляется тот факт, что эффектив-эсть вычислительных средств зависит от таких технических характеристик, їк производительность, надежность, стоимость и живучесть, тесно связанных ежду собой. В отношении скорости обработки данных на ЭВМ следует отме-ить, что возможности практически исчерпаны и производительность близка к горетнчески достижимой для используемой технологии производства эле-ентной базы.
Основными путями к повышению производительности и расширению ункциональных возможностей ЭВМ являются совершенствование техноло-ии производства средств вычислительной техники и внедрение новых, более ффективных способов организации и проведения вычислений, т.е. новых вы-ислительных структур. Анализ известных подходов, используемых при раз-аботке высокопроизводительных вычислительных структур, показывает, что се они имеют общую отличительную особенность, суть которой состоит в аироком применении тех или иных форм параллельной обработки. Главный [уть увеличения производительности - повышение уровня совмещения опе-іаций в ЭВМ, т.е. повышение уровня параллелизма.
В отличие от общепринятого, существует два перспективных направле-шя б области разработки вычислительных средств, использование которых іриводкт к кардинальному повышению производительности и надежности ЭВМ. Первым направлением является применение непозиционных кодовых -груктур в модулярной системе счисления (МСС). В таких ЭВМ обеснечн. ч-ггея решение задачи существсітого повышения производительности (за счет эаспараллеливания процесса вычисления на уровне операндов) и задачи обесд іечсния отказоустойчивости и живучести (путем введени" избыточных моду-іей МСС). Ко второму направлению относится подход, связанный с использо-їанием систем счисления с иррациональными основаниями (коды Фибоначчи и коды золотой пропорции), одним из свойств которых является возможность маскирования отказов типа константа 0 или 1.
Синтез этих направлений приводит к значительному улучшению ост ных характеристик ЭВМ В этом случае вычислительные структуры реали ются в виде отдельных трактов, каждый из которых использует, например, і ды Фибоначчи. Подобные структуры представляют ЭВМ, функционируюи в позиционно-остаточной системе счисления. Вследствин малоразряднсч остатков МСС в подобной комбинированной вычислительной системе моя быть повышено быстродействие операций базового набора (сложение, вы< тание и умножение) за счет использования табличных методов, а одиночн отказы в каждом тракте не влияют на ее функционирование. Дальнейшее р вигне этого подхода приводит к построению многоуровневых вычислите, ных структур, в которых эти свойства многократно усиливаются.
Существует ряд областей техники, в которых назрела острая необхо; мость в кардинальном повышении отказоустойчивости и производительно* средств обработки данных. В связи с этим исследования, связанные с раз боткой многопроцессорных ЭВМ с параллельной структурой, а также выч лительных систем на базе оптических ЭВМ отнесены в настоящее вреш числу приоритетных направлений развития науки и техники Российской < дерации и считаются критическими технологиями федерального уровня.
Эти обстоятельства и предопределяют постановку в данной работе гг, блемы повышения надежности и быстродействия вычислительных струкі путем использования модулярной и фибоначчиевой систем счисления.
Работы по нх практическому применению начались рядом ученых у давно, однако, проводились лишь по отдельным частным вопросам. При эт не учитывались особенности построения алгоритмов выполнения операщ характерные для МСС. Не решена задача оптимального выбора основан системы счисления для любых методов проектирования СП. Аналга получі ных схемотехнических решений проводился исходя га существующего урої развития технологической базы ВТ. В настоящее время отсутствуют систеї тизированные исследования по обобщению современного состояния непо цнонных вычислительных структур. Практическому внедрению МСС так препятствует отсутствие оптимальных структур СП для различных диапазої разрядных сеток. Главной научной задачей является разработка алгоритми ских и аппаратных структур блоков, реализующих модульные операции ба вого набора с минимизацией аппаратурных или временных затрат. Ключа вопрос - создание быстродействующих устройств с высокой пропускной сі собностью, выполняющих немодульные операции, тамг; ksk орэобрезосг* кодов чисел между МСС и ПСС.
При разработке оптимальных по производительности и аппаратурным ратам модульных сумматоров необходимо решить задачу обеспечения вы» ой степени унификации и интеграции арифметических блоков и узлов, кным вопросом является отсутствие общих критериев оценки скоростных актеристик и аппаратурных затрат схемотехнических решений.
В научном плане решение этой проблемы определяет необходимость работки основ методологии алгоритмов выполнения операций базового на-а непозиционных спецпроцессоров (СП), а в практическом плане - разра-ку требований к техническим решениям узлов и блоков операционных уст-ств, исходя из их сравнительного анализа на основе разработанных крите-в.
Исходя из актуальности сформулированной научной проблемы, цепью оты является: разработка основ методологии алгоритмов реализации ос-ного набора операций непозиционных спецпроцессоров и принципов плоения их структур.
Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих оеных задач:
-
формирование методологии единого системного подхода при раз-отке основ теории структурного синтеза непозиционных СП и вычислимых трактов; п
-
разработка и классификация патентоспособных схемотехнических іений вычислительных трактов комбинационного и послсдовательностного ов;
-
оптимизация аппаратурных затрат при проектировании арнфмети-сих устройств комбинированного типа;
разработка:
-
методики рационального выбора оснований системы счисления различных методах проектирования спецпроцессоров;
-
способа совмещения в вычислительной структуре модулярной и оначчиепой систем счисления для повышения ее отказоустойчивости;
-
алгоритмических процедур реализации операций табличной рметики, позволяющих существенно сокрапггь- аппаратурные затраты при-гроснии вычислительных трактов СП;
7) алгоритмов повышенной производительности для проведения немо
дных операций в модулярной системе счисления;
8) алгоритмов выполнения операций базового набора для построения
ислитсльных трактов на основе метода кольцевого вращения;
9) многоуровневых операционных устройств и анализ их основи; характеристик по предложенным критериям.
Методы исхдедованим. При решении оставленных задач использова методы теории надежности, математического программирования, теории ^ сел, элементы комбинаторики и математическою анализа, методы і сор групп и полей, теории конечных разностей, элементы теории возвратных і следовательностей и теории функциональных уравнений
На зашиту выносятся следующие основные научные положения:
-
Основы теории структурного синтеза нспозициониых СИ, ра»| ботанные на базе известной математической модели надежности снештроп соров, функционирующих в МСС. Использование згой теории позволило і лучить оптимальные, в надежностном плане, структуры СП для различи диапазонов разрядных сеток.
-
Методика рационального выбора оснований МСС для различи методов проектирования СП, которая явилась следствием постановки и реп ния общей задачи минимизации количества оборудования при заданных і бованиях н точности вычислений.
-
Теоретические основы алгоритмов выполнения модульных (МІГ ций, анализ которых для табличного метода и метола кругового вршцо проведен на основе предложенных н обоснованных критериев оценки шиш турныхн временных затрат.
4. Методика определения граничных параметров затрат оборудо
низ при юбсстных методах построения непозмцмонных СП. область приме
гаи которой может быть расширена путем распространения ее на модулы. тракты, ввиду инвариантности полученных результотоа относительно чис сого диапазона.
5. Сравнительная оценка эффективности и теоретическое обосно
юіе предлагаемого комплекса патентоспособных технических решений оси
пых узлоа спецпроцессоров.
Научися пшіхіа состоят а следующем:
1. Проведенный анализ путей улучшения основных технических разстернстик средств вычисдитеяыюм' техники доказал их глубокую віан: связь со свойствами модулярной и фибоначчиевой систем счисления, что зшхтзет предложить нозый полход к построению нспозишюнкых спецпрсі; сороа, основашшП на согдаестноы ксполъз&агнил этих encteu.
-
Впервые сформулирована и решена серия обратных задач опти-шыюго резервирования в МСС для различных методов построения спецпро-ссоров и диапазонов разрядных сеток, результаты, решения которых позво-їли ра»работать теоретические основы синтеза структур СП и получить оп-мальные, в надежностном плане, структуры.
-
Разработан и теоретически обоснован оригинальный метод выбора тулей системы счисления, реализация которого способствует значительно-i сокращению затрат оборудования при проектировании СП на основе разах методов, отличных от первоначально используемого сумматорного.
-
Предложены алгоритмы информационного сжатия табличных іфровьіх структур и алгоритмические процедуры, применение которых по-оляст увеличить быстродействие модульных операций вычислительных актов, реали-юванных на базе кольцевых регистров сдвига.
-
Раїработаньї новые критерии оценки аппаратурных и временных трат, при помощи которых произведена классификация алгоритмов выполним арифметических операций по модулю, а в полученную систему тради-юнные алгоритмические процедуры включены как частные случаи.
6. Сформулированы основные принципы построения многоуровне-jx вычислительных структур в МСС, в результате развития которых выведс-л и доказаны основные математические соотношения, определяющие пре-:л1>ные оценки аппаратурных затрат и скоростных характеристик как нспо-1ЦИОННЫХ СП так и их вычислительных трактов.
7 Обоснована идентичность архитектурных решений спецпроцессо-1в и модульных трактов, при условии их рациональной организации, что по-юляст использовать большинство известных и полученных в работе научных пультатов при проектировании вычислительных структур в МСС на двух плг.чных уровнях.
Практическая ценность работы:
Данная работа тесно связана с вопросами построения мультимикропро-
:ссорных вычислительных систем и цифровых оптических процессоров, к>
>рые являются критическими технологиями федерального уровня. Практиче-
<ая значимость проведенных исследований состоит в следующем: *
-
Стггсзированы высоконадежностные струкг; ы СП для различ-ых видов резервирования и точностных характеристик процесса вычислений.
-
При шшкзе результатов струхгурного синтеза СП получены дан-ыс о целесообразных областях применения непозиционных спецпроцессоров.
-
Предложен алгоритм определения рациональной глубины рез вирования СП, функционирующих в МСС, с учетом требований по их мод ннзацнн.
-
Введены и обоснованы пригодные для инженерной практики к; терии для сравнительной оценки характеристик вычислительных трактов.
-
Определены перспективные алгоритмы реализации модульн операций для отображения на аппаратные структуры вычислительных трак-комбинационного и последовательностного типа.
-
Разработан ряд эффективных алгоритмических процедур техни ской реализации непозиционных операций в МСС.
-
Создан и классифицирован комплекс патентоспособных блоко узлов СП, работающих в МСС.
Реализация и внедрение результатов работы.
Представленные в диссертации исследования являются результатом учной работы, проведенной в ряде научно-исследовательских институт предприятий и вузов (Воронежском НИИ связи, НИИ электронной техни Харьковском НПО «Импульс», Воронежском госуниверситете. Ставропо ском ВВИУС, Воронежской лесотехнической академии и др.). Работы выи нялись в рамках 18 научно-исследовательских работ, проводимых по закат Министерства обороны. Реализацию данной работы также можно представ двумя направлениями: первое связано с использованием результатов в про водстве, второе - в учебном процессе.
Результаты проведенных исследований по первому направлению поч лили разработать ряд методик по защите и сжатию цифровой ннформац повысить надсхеностныг показатели разрабатываемых систем, определить т пко-технические требования к разрабатываемым образцам вычислители техішхи. Разработанные табличные алгоритмы проведения арифметнчесі операций использованы при разработке эскизного проекта по теме 55Ф, зерной лшшн свази и в формирователе пространстветю-врсмснноп и па метрической структур радиосетей.
Исследования, реализованные в учебном процессе, были использован тематике дипломных работ для повышения крнптостойкостн систем гюро пой защиты и адресации абонентов вычислительных систем коллектив» пользования, а также в соответствующих спецкурсах для демонстрации вы коскоростных методов обработки цнфрозой информации нглозгдохншь сигнальными процессорами.
Кроме того, научные результаты работы включены в учебное пособие « гказоустойчивость специализированных процессоров автоматизированных стем угфавления и средств связи», изданное Ставропольским' ВВИУС.
Апробации работы. Научные результаты и положения диссертационной боты докладывались и обсуждались на 24 научно-технических конферснци-
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конфе-нциях и семинарах, в том числе: на международной научно-технической нферснции «Передача, обработка и отображение информации» (Домбай, '94); на II международной конференции «Алгебраические, вероятностные, омстричсские, комбинаторные и функциональные методы в теории чисел» оронсж.1995), на II межведомственной научно-технической конференции Іроблсмние вопросы сбора, обработки и передачи информации в сложных лиотехнических системах (Пушкин, 1995), на Ш международной конферен-іи «Современные проблемы теории чисел и ее приложения» (Тула, 1996), на эронежской весенней математической школе «Современные методы в тео-ги краевых задач» (Воронеж, 1996), на третьей межведомственной научно-хннческой конференции «Проблемные вопросы сбора, обработки и передачи іформшши в сложных радиотехнических системах» (Пушкин, 1997), на все-ссийской научной конференции «Современные методы подготовки специа-істов и совсршснсгнованис систем и средств наземного обеспечения авиа-іи» (Воронеж, 1997).
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано г печатных работ, в том числе монография «Проектирование непозиционных ісішализироваккмх процессоров».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, ести глав и заключения, «пложенных на 273 страницах машинописного тек-а, содержит 34 рисунка, 65 таблиц, список литературы из 152 наименовали и 3 приложений объемом а 8 страниц.
