Введение к работе
Актуальность проблемы. В наше время практически нет отраслей науки и техники, где не применялись бы методы , связанные со статистическим моделированием или испытанием . Это методы имитационного моделирования, Монте-Карло, зашиты информации, формирования случайных и псевдослучайных сигналов и т.п. Все более широкое применение они находят и в нетехнической сфере: в медицине, демографии , социологии , биологии и др.
Сложность решаемых задач этими методами быстро растет и существенно опережает рост производительности вычислительных систем С ВС) Сувеличивается размерность, повышается требуемая точность и т.п.). Эти же причины ведут к росту стоимости решения задач детерминированными методами. Статистические же методы довольно просты для реализации.
Повышение производительности ВС возможно за счет увеличения быстродействия, повышения степени интеграции элементной базы, параллелизации вычислительных процессов с применением соответствующих средств. Однако они уступают производительности функционально ориентированных ВС, которая достигается введением специальной структуры информации, специализированных модулей, процессоров, сопроцессоров и других аппаратно-программных средств, системы команд, введением системного и специального программного обеспечения на языках низкого уровня. Все это обеспечивает более полную адекватность структур функций, вычислительного процесса и архитектуры ВС. Поэтому наряду с разработкой параллельных алгоритмов для статистических методов создаются и аппаратные средства, которые позволяют повысить производительнось на несколько порядков.
Именно поэтому во многих отраслях науки разрабатываются проблемно ориентированные системы СПОС) на основе функционально ориентированных (ФОС): процессоров, сопроцессоров, транспьютерных систем и других аппаратных средств . В системах статистического моделирования СССМ) имеется множество фундаментальных работ как по методам, так и по средствам. Решению таких задач посвящены работы отечественных, и зарубежных ученых: Аманна Я.А., Бакановича Э.А., Бусленко Н.П.. Бухараева Р.Г., Володина И.Н. .Гавела Я., Гладкого B.C., Голенко Д.И., Гондарева В.П., Данильченко И. А., Данчеева В. П., Добриса Г. В., Доценко В. И., Ермакова СМ., Живетиной Т.М., Захарова В.М.. Карасова А. С.-Б., Ки-эьянова Б. Ф., Кнута Д., Корна Г., Кузнецова В. М., Левина В. К..
Леусенко А. Е.. Лоренца А.А., Марчука Г. И. , Мельникова Ю. Н. , Михайлова Г. А. , Мороза П. А., Морозова А. М., Орлова М. А., Песо-иина В.А., Растригина Л.А., Рудоманова В.И., Романовича A.M., Свердлика А. Н., Сергеева' Н. Н., Соболя И. М., Столова Е. Л., Таус-ворта Р., Тетерича Н.М.. Урецкого Я.С.. Фараджева Р.Г., Федорова Р. Ф., Хамитова Г. П., Чабдарова Ш. М., Четверикова В. Н., трейдера Ю. А., Яковлева В. В. и др.
Большое количество работ посвящено теории и методам построения отдельных средств, причем, наибольшее из них по генераторам случайных и псевдослучайных равномерно распределенных чисел (ГСЧ и ГПСЧ). Несмотря на их обилие, для ГСЧ не выявлены обшиє закономерности, а отсюда появляется множество не всегда обоснованных вариантов. Кроме того, устройства нетехнологичны, т.к. строятся на аналоговой элементной базе и не годятся для современных. ВС. Разрабатываемые ранее ГСЧ действительно имели большую зависимость от внешних условий .
Практически все разработчики под ГСЧ и ГПСЧ подразумевали на самом деле генераторы кодов, а не чисел. По этой причине они не соответствовали.архитектурным требованиям ВС по информационной и системной совместимости. По ГПСЧ дело обстоит несколько ху же, т.к. практически нет аппаратных методов для различного преде тавления информации, например, для чисел с плавающей точкой.
Нисколько не лучше обстоит дело и с генераторами с произвольным Сэаданным) законом СГПЗ) распределения, т. к. появляются еще проблемы возможностей задания законов, определения достаточн универсальных и простых методов. Аналогичные проблемы возникают и при построении преобразователей случайных последовательностей.
Указанные недостатки приводили к тому, что имелись лишь отдельные блоки для специальных систем: приставки,блоки и элементы к ЭВМ. Практически не разрабатывались вопросы архитектур и их элементов высокопроизводительных аппаратно программных ФОС, не осуществлялась проработка системных, методологических,методических вопросов, теории и методов построения модулей всего технологического процесса статистического моделирования. В связи с этим возникает актуальная проблема, решаемая в диссертации.
Цель работы. Разработка методов и создание средств высокопроизводительных функционально ориентированных вычислительных систем статистического моделирования, включающие теоретическое обобщение и' разработку элементной базы, новых аппаратно реализуемых методов и алгоритмов, доведение их до инженерных методик проектирования и создания серийно способных устройств. 2
Для достижения цели необходимо провести исследования и решить следуйте задачи :"
- исследовать современные методы , структуры и блоки ССМ ,
а также определить критерии- их построения ;
- произвести обобщение методов и структур и разработку ге
нераторов с равномерным и заданным распределением случайных чи
сел и представлением информации , совместимым с ВС ;
разработать методы построения технолотачных ГРРСЧ на современной элементной базе ВТ ;
разработать методы и алгоритмы преобразователей стохастических потоков ;
- исследовать архитектурные элементы ССМ ;
-.исследовать возможные направления развития методов , бло
ков и архитектур ССМ .
Научная новизна .
В работе осуществлено теоретическое обобщение и решение научной проблемы создания аппаратно программных средств и устройств высокопроизводительных функционально ориентированных вычислительных систем статистического моделирования,имеющей важное народно - хозяйственное значение .
В процессе исследований получены следующие новые научные результаты . выносимые на защиту .
-
Проведен системотехнический анализ ССМ с точки зрения ФОС , на основе которого определены систематизированный набор задач и архитектурные требования к структурным элементам и предложены критерии их построения .
-
Проведено обобщение и систематическое исследование методов генерирования равномерно и произвольно распределенных случайных и псевдослучайных чисел на основе нелинейных динамических систем со стохастическим аттрактором и различным представлением информации, предложена их логическая структура. Предложены, исследованы и разработаны методы и устройства ГРРСЧ с использованием распределенных источников шума: микрошумов переключательных элементов ИС С ГСЧ разрабатывались двух типов: со стохаским аттрактором и с кваэидетерминированными процессами).
-
Проведена систематизация аппрокснмационных методов ГПЗ и предложен метод сплайн-аппроксимации с суперпозицией порядковых статистик и наименьшим количеством узлов. Предлагается обобщение метода условных вероятностей непрерывных, сингулярных и дискретными распределений. Впервые предлагается как перспективное направление разработка ГШ на основе нелинейных систем. Предложены
методы построения схем на современной элементной базе (параллельные, конвейерные), показывается, что использование RISC -процессоров, транспьютеров делает перспективными классические методы, особенно для многомерных задач.
4. Впервые предлагается использовать методы оптимального хранения и поиска информации в базах данных для организации информации в ГПЗ и ГСЧ .
-
Проведен исчерпывающий анализ интегрирующих преобразователей, которые одновременно являются и измерителями статистических характеристик.
-
Предлохен метод, проведен полный анализ и разработаны методы синтеза и схемные реализации формирования марковских цепей, описываемых разностными уравнениями с несовместными коэффициентами. Предложены методы и схемные реализации смешанных, аналоге стохастических преобразователей, проведен их детальный анализ. Предлагается использовать такие преобразователи в качестве схем контроля, в том числе оперативного .
-
Предложена и проведена архитектурная увязка блоков для построения ФОС С сопроцессоров и процессоров ).
ПРАКТИЧЕСКАЯ ценность состоит в создании, на основе предложенных математических моделей, методов, методик, алгоритмов, аппаратных, программных и микропрограммных средств для высокопроизводительных ФОС, архитектурно совместимых с ВС; впервые проведена полная разработка всех блоков и системных вопросов, сопроцессоров, процессоров и внешних устройств; разработаны методики практического проектирования ГРРСЧ на интегральных схемах (матричных кристаллах, микропроцессорах, ПЛИСах FGLA и т.д.), также БИС и аппаратуры контроля; разработана, предложена в качестве проекта ГОСТа и апробирована система тестирования ГСЧ и ГПСЧ; разработана программная поддержка статистической обработки информации нетрадиционными методами С с использованием генерации случайных чисел) для экспертной медицинской системы .
РЕАЛИЗАЦИЯ результатов. Разработанные методы , алгоритмы и устройства использовались: в Казанском НИИ радиоэлектроники в серийном устройстве ГСЧ для защиты информации, а также БИС ГСЧ » БИС его контроля ва базовых матричных кристаллах для тех же целей; в серийном "Устройстве ввода случайных чисел" ЕС 6903 (устройство фактически являлось терминальным функционально ориентированным процессором) и сопроцессоре статистического моделирования для терминальной ЭВМ ЕС 1007 (архитектура, структура, блоки, программная и микропрограммная поддержка, языковой интерфейс),
выпускавшимися Казанским НПО ВС; в сопроцессоре для ПЭВМ типа PC ,. XT/AT С с аппаратной и программной поддержкой в. языковым лнтер-. фейсомЗ. разработанном в Казанском филиале института проблем информатики РАН по конкурсной теме РАН; в проекте ГОСТа ло системе тестирования генераторов ГСЧ и ГПСЧ); в пакете программ для ста-- .тистической обработки информации, использующимся в учебном про-и .цесее в Казанском государственном техническом университете по ккафедре ЭВМ; в- программной системе статистической обработки информации нетрадиционным методом Сс использованием генерации случайных- чисел) для экспертной медицинской системы, работающей в .ряде медицинских учреждений г. Казани .
,. мТехнические решения защищены 10 авторскими свидетельствами. Работы проводились по госбюджетным и хоздоговорным темам, по темам и- договорам с Казанским НИИ радиоэлектроники, по комплексным договорам с .НИИ ВС Казанского НПО ВС по теме: "Исследование и разработка специализированных процессоров ЭВМ СРяд 2 и хР.яд 3) для .сети ЭВМ"; по теме, утвержденной Минвузом СССР на 1981 - 1985 годы, приказ >N 1236 от 29-12-81; по конкурсным те--мам РАН. РФ:.. "Сопроцессорные средства ПЭВМ для статистического . моделирования и обработки информации" и "Методы и средства крип-, трграфической зашиты информации от несанкционированного использования в ПЭВМ и ЛВС".
АПРОБАЦИЯ работы . Основные положения и результаты докладывались и обсуждались, на Всесоюзной школе-семинаре "Генерирование случайных функций"- Сг. Иркутск, 1973г.3; II Поволжской конферен-. ции по автоматическому управлению. с г- Казань. 1974 г.); Республиканской научно-практической-конференции "Пути повышения эффек-. тивности АСУ Сг. Казань, 1976 г.); V Всесоюзной конференции "Дальнейшее развитие аналоговой и:аналога-цифровой техники" Сг.Москва,. 1977 г.); VII Всесоюзном симпозиуме по проблеме избыточности в информационных системах Сг. Ленинград. 1977г.3;.1 Всесоюзном симпозиуме "Вероятностные вычислительные методы -и средства" Сг.Москва, 1978 г.); Всесоюзной школе-семинаре по-вероятностным . автоматам Сг- Славск. 1978 г.3; на II и III Всесоюзных симпозиумах по вероятностным автоматам Сг. Тбилиси, 1975 г., г. Казань, 1983 г.); IV Всесоюзном симпозиуме "Проблемы создания преобразователей формы информации" Сг. Киев. 1980 г.3; Всесоюзной научно-технической конференции "Вероятностные методы и средства" Сг. Новгород, 1983 г.); VII Всесоюзной школе-семинаре "Вероятностные автоматы и их приложения" Сг.Киев. 1984 г.); на Всесоюзных шко-лахтсеминарах по вероятностным автоматам С1972-1980г.г.3; Респу-
бликанской научно-практической конференции Сг. Казань, 1983г.); Межреспубликанской научно-технической конференции "Вероятностные автоматы и их приложения" Сг. Тбилиси, 1986 г.); XIV Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ЕрНИИММ Сг. Ереван, 1986 г.); на VI Всесоюзном межотраслевом симпозиуме Сг. Новосибирск, 1986 г.); Республиканской конференции "Повышение эффективности использования мини- и микро-ЭВМ в автоматизированных системах" Сг. Казань, 1988 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Компьтерные методы исследования проблем теории п техники передачи дискретных сигналов по радиоканалам "Сг.Москва, 1990г.); научно-технической конференции "Проблемы разработки и внедрения микромодульных систем в ЭВМ" Сг. Казань, 1990 г.); научно-техническом семинаре "Программное обеспечение ЕС ЭВМ.ГОВМ и комплексов АРМ" Сг. Минск, 1990 г.); научно-технической конференции "Научный потенциал вузов-программе, "Конверсия" КГТУ" Сг. Казань, 1992 г.); на VIII Всесоюзном совещании по методам Монте-Карло в вычислительной математике и математической физике Сг. Новосибирск, 1991 г.); на межреспубликанской конференции "Современные проблемы алгоритмизации" Сг. Ташкент, 1991 г.); на ежегодных конференциях Казанского авационного института; на конференциях Казанского научного центра РАН и на научно-технических советах ИЛИ РАН и Казанского филиала ИЛИ РАН С1990- .1992 гг.).
ПУБЛИКАЦИИ по работе. Результаты опубликованы в 80 печатных работах, 20 отчетах по научно-исследовательским темам , получены 10 авторских свидетельства на изобретения .
СТРУКТУРА и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, приложений, списка использованной литературы. Объем работы : 365 с. основного машинописного текста, 27 рисунков , и 6 - таблиц .
