Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Автореферат'
Защита состоится 2007 года в часов на заседании диссертационного совета при Волгоградском государственном медицинском университете по адресу: 400131,...полностью>>
'Закон'
В целях обеспечения гарантий прав и свобод человека и гражданина в сфере миграции, в соответствии со статьей 32 Федерального конституционного закона ...полностью>>
'Закон'
Федеральным законом от 22 августа 2004 года N 122-ФЗ (Российская газета, N 188, 31.08.2004) (о порядке вступления в силу см. статью 155 Федерального ...полностью>>
'Исследование'
Вычислительная техника открыла широкие возможности для изу­чения процессов, происходящих в природе и обществе. Среди задач, успешно моделируемых на к...полностью>>

«Белорусский государственный технологический университет» (2)

Главная > Автореферат диссертации
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

УДК 004.7 (043.3)

ЖИЛЯК

Надежда Александровна

Синтез функциональных схем ДЛЯ многоканальных вторичных вычислений

в РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

по специальности 05.13.15 – Вычислительные машины, комплексы

и компьютерные сети

Минск 2011

Работа выполнена в учреждении образования «Белорусский государственный технологический университет».

Научный руководитель

Кудрявцев Владимир Иванович, доктор технических наук, заместитель технического директора закрытого акционерного общества «Мосэнергоремонтсервис»

Официальные оппоненты:

Дудкин Александр Арсентьевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории идентификации систем государственного научного учреждения «Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси»

Чудовский Валерий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры информатики и компьютерных систем Белорусского государственного университета

Оппонирующая
организация

Открытое акционерное общество

«АГАТ-СИСТЕМ»

Защита диссертации состоится 9 июня 2011 г. в 14.00 на заседании совета по защите диссертаций Д 02.15.04 при учреждении образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» по адресу: 220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6, корп. 1, ауд. 232, тел.: 293-89-89, e-mail:

dissovet@bsuir.by.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники».

Автореферат разослан « » мая 2011 г.

Ученый секретарь совета

по защите диссертаций,

доктор технических наук, доцент А. А. Иванюк

ВВЕДЕНИЕ

Основной функцией современных измерительных комплексов является осуществление многоканальных вторичных вычислений. От качества этих вычислений зависит достижение измерительными комплексами решающих конкурентных преимуществ включая улучшение метрологических характеристик измерений, расширение ассортимента технических объектов, которые могут быть использованы в качестве первичных измерительных преобразователей, осуществление функциональной интеграции, в ходе которой один измерительный сигнал может быть использован для измерения более чем одной измеряемой величины, увеличение количества измерительных каналов, обслуживаемых одним измерительным комплексом. Поскольку измерения осуществляются в режиме реального времени, это накладывает дополнительные жесткие требования по производительности многоканальных вторичных вычислений. В этих условиях необходимое усложнение многоканальных вторичных вычислений для получения конкурентных преимуществ возможно только в ходе процесса синтеза функциональных схем соответствующих вычислительных структур, при котором исключено влияние человеческого фактора на надежность, скорость и стоимость проектирования такого рода схем.

Проблемам синтеза функциональных схем посвятили свои исследования ряд отечественных и зарубежных ученых, среди которых необходимо отметить С.В. Тарарыкина, А.А. Петровского, А.С. Кобайло, Р. Реймана, Х. Гома, Д. Кронина, А. Купера и др. Наиболее полно принципиальные решения для синтеза функциональных схем на современном этапе развития этого научного направления изложены в теории синтеза вычислительных структур реального времени А.С. Кобайло. В ней предусмотрен синтез функциональных схем, поддерживающих использование современных технологий управления вычислительными структурами, включая конвейеризацию и распараллеливание вычислительного процесса. Однако данная теория не имеет примеров практического использования из-за отсутствия адаптации ее методов к реализации в вычислительных системах с ограниченными вычислительными ресурсами и к условиям, предъявляемым к синтезу функциональных схем для многоканальных вторичных вычислений. К последним относится обеспечение многовариантной и многокритериальной оптимизации синтезируемых решений и обеспечение корректности математических моделей, лежащих в основе процесса синтеза. Процесс синтеза функциональных схем многоканальных вторичных вычислений не может быть разработан и внедрен в производство в качестве программного приложения без комплексного исследования и решения данных проблем.

Таким образом, разработка методов и алгоритмов синтеза функциональных схем многоканальных вторичных вычислений на базе теории синтеза вычислительных структур реального времени для осуществления их в вычислительном процессе синтеза в реальных вычислительных устройствах и с учетом специальных требований, предъявляемых к ним при проектировании измерительных комплексов, является актуальной задачей.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Связь работы с крупными научными программами и темами

Диссертационная работа выполнена в рамках следующих научно-исследовательских программ и тем:

  1. НИР «Исследование и разработка методов и средств построения высокоскоростных интерфейсов, программируемых и программно-перестраиваемых электронных приборов и систем» (шифр «Тест», № госрегистрации 2006441) Государственной комплексной программы научных исследований «Физические и технологические основы создания новых материалов, элементной базы и разработка устройств опто-, микро-, наноэлектроники, информационно-измерительных систем и приборов» (ГКПНИ «Электроника»), утвержденной Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 28.11.2005 г. № 1339.

  2. НИР «Исследование и разработка схемотехнических, конструктивных и технологических методов построения нового поколения средств измерений электрических величин» (№ госрегистрации 20062443) ГКПНИ «Электроника», утвержденной Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 28.11.2005 г. № 1339.

  3. НИР «Исследование методов построения преобразователей входных сигналов для создания конкурентоспособных радиоэлектронных и контрольно-измерительных приборов нового поколения» (№ госрегистрации 20062444) ГКПНИ «Электроника», утвержденной Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 28.11.2005 г. № 1339.

  4. ОКР «Разработать и подготовить к производству многоканальное устройство сбора и обработки измерительной информации для промышленного применения (шифр «Регистратор») (№ госрегистрации 2002542) Государственной научно-технической программы «Приборостроение», раздел «Приборы и средства измерений», утвержденной Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 08.01.2004 г. № 5.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационного исследования является разработка методов и алгоритмов оптимизации синтеза функциональных схем многоканальных вторичных вычислений измерительных комплексов с использованием теории синтеза вычислительных структур реального времени. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

  1. Разработать на базе формального метода синтеза вычислительных систем реального времени алгоритм его реализации для операционной части многоканальных вторичных вычислений в условиях ограничений времени и памяти, задействованных в вычислительном процессе.

  2. Разработать алгоритм синтеза функциональной схемы операционной части многоканальных вторичных вычислений измерительных комплексов с минимизацией объема вычислений и контролем корректности вычислений.

  3. Разработать метод оценки и выбора из множества синтезированных работоспособных структур оптимальной по заданным критериям в условиях вариативной многокритериальной оптимизации.

  4. Исследовать особенности и возможности синтеза функциональной схемы управления многоканальными вторичными вычислениями в рамках теории синтеза вычислительных структур реального времени с определением обобщенной структуры функциональной схемы управления многоканальными вторичными вычислениями.

  5. Применить разработанный процесс синтеза функциональных схем многоканальных вторичных вычислений при разработке современного измерительного комплекса и оценить конкурентоспособность данного процесса синтеза.

Объектом исследования является процесс синтеза функциональных схем многоканальных вторичных вычислений. Предметом исследования являются методы выбора оптимального синтезируемого решения, алгоритм синтеза функциональных схем, математическая модель, обобщенный граф алгоритма и обобщенная структура для синтеза функциональной схемы управления многоканальными вычислениями.

Положения, выносимые на защиту

  1. Алгоритм синтеза вычислительных структур реального времени (ВСРВ), основывающийся на положениях теории синтеза ВСРВ и отличающийся возможностью точного планирования вычислительного ресурса памяти вне зависимости от количества синтезируемых решений, а также гибкостью вычислительного процесса относительно выделенного времени для процесса синтеза.

  2. Алгоритм синтеза функциональной схемы (ФС) операционной части многоканальных вторичных вычислений (МВВ), основанный на алгоритме синтеза ВСРВ, отличающийся тем, что с целью уменьшения время работы процессора и объема используемой памяти усекается дерево поиска решений и осуществляется контроль их корректности.

  3. Метод оценки и выбора из множества работоспособных систем оптимальной по заданным критериям, отличающийся тем, что с целью сокращения время работы процессора и объема машинной памяти, а также обеспечения многокритериальной оптимизации синтеза в качестве математической модели выбрана характеристическая булева функция, позволяющая использовать преимущественно ресурсоэкономные операции суммирования и осуществлять минимизацию операций.

  4. Математическая модель и обобщенная структура ФС управления МВВ, основывающиеся на положениях теории синтеза (ТС) ВСРВ, отличающиеся тем, что позволяют сократить количество операций алгоритма в каждом измерительном канале на одну, а в обобщенной структуре функциональной схемы управления многоканальными вторичными вычислениями это позволяет сократить количество функциональных устройств на одно.

Личный вклад соискателя

Все результаты и положения, выносимые на защиту, получены автором лично. Научный руководитель принимал участие в постановке задач, определении возможных путей их решения, в предварительном анализе, обсуждении результатов теоретических и практических исследований, проведённых автором самостоятельно. Часть представленных исследований проведены в сотрудничестве со специалистами 22-го отдела ОАО «МНИПИ».

Апробация результатов диссертации

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Х Республиканской научной конференции студентов и аспирантов высших учебных заведений Республики Беларусь «НИРС–2005» (БГУИР, Минск, 2006 г.); IX Республиканской научной конференции студентов и аспирантов (ГГУ, Гомель, 2007 г.); Международной научно-технической конференции «Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов» (БГТУ, Минск, 2006 г., 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Организационно-техническое управление в межотраслевых комплексах» (Минск, БГТУ, 2007 г.); 62, 63, 64, 65, 66-й конференции БГТУ (БГТУ, Минск, 2005–2010 гг.); 71, 72, 73-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (БГТУ, Минск, 2007 г., 2008 г.); Международной научно-технической конференции «Приборостроение–2008» (БНТУ, Минск, 2008 г.), V Международной научно-методической конференции (БГУИР, Минск, 2010 г.).

Опубликование результатов диссертации

По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе: 3 тезиса и 7 докладов в научных журналах и сборниках; в рецензированных сборниках – 7 статей. Общий объём статей, опубликованных в изданиях, которые рекомендует ВАК Беларуси, составляет 2,5 авторских листа; общий объём других рецензируемых научных публикаций составляет 1 авторский лист.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

Полный объем диссертации составляет 148 страниц. Диссертация содержит: 6 приложений на 42 страницах, 21 рисунок на 21 странице, 4 таблицы на 4 страницах, библиографический список из 107 наименований литературных источников включая собственные публикации на 9 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во ведении рассмотрены проблемы, связанные с исследованиями, проведенными в диссертационной работе, которые направлены на разработка методов и алгоритмов синтеза ФС МВВ на базе ТС ВСРВ и их использование при разработке новых измерительных комплексов с целью повышения их конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынках.

В первой главе диссертационной работы проанализировано современное состояние проблем в области синтеза вычислительных структур в процессах управления, измерения, регистрации и анализа данных. Приведен анализ методов синтеза вычислительных структур реального времени. Определены основные проблемы применения теории синтеза вычислительных структур реального времени при проектировании измерительных комплексов, сформулированы цель и задачи исследований.

Увеличение мощности многоканальных вторичных вычислений измерительных комплексов (ИК) определяет повышение достоверности измерительных данных и увеличение количества технических объектов, которые могут быть использованы в качестве первичных измерительных преобразователей, позволяет увеличить количество измерительных данных без увеличения количества первичных измерительных преобразователей. При этом в МВВ должно сочетаться использование огромного разнообразия математических инструментов и алгоритмов с жесткими ограничениями реального времени и минимизацией используемых вычислительных и аппаратных ресурсов. В наибольшей степени данным требованиям соответствуют специализированные вычислительные процессоры, усложнение которых прямо связано с достигаемыми при этом конкурентными преимуществами. Таким образом, наибольшие возможности получения такого рода преимуществ возможны при автоматическом проектировании или синтезе ФС МВВ, в ходе которого может быть достигнуто практически неограниченное усложнение проектируемых вычислительных структур при достаточной надежности и скорости проектирования и его низкой стоимости относительно ручного проектирования.

Процесс синтеза функциональных схем МВВ состоит из двух этапов: синтеза функциональных схем операционной части МВВ, в соответствии с которой осуществляются вторичные вычисления по нескольким измерительным каналам, и синтез функциональной схемы управления МВВ, которая организует выполнение вторичных вычислений в составе МВВ в режиме реального времени и с минимизацией вычислительных ресурсов. Соответственно, результатом такого ожидаемого синтеза будут две функциональные схемы. Они могут быть представлены также в виде графа вычислительной структуры (ГВС).

Среди известных формальных методов синтеза средств вычислительной техники наибольшее распространение получили методы синтеза цифровых автоматов и логико-комбинаторного синтеза структур. Однако для синтеза ВС, ориентированных на реализацию аналитических выражений или алгоритмов не булевого характера, описанные методы являются принципиально непригодными. Исходя из этого их невозможно применить для синтеза ФС операционной части МВВ.

Для управления структурами реального времени, к которым относятся структуры, обеспечивающие МВВ, необходима высокая точность формирования временных интервалов. Основным недостатком управляющих устройств, синтезированных методом цифровых автоматов, является формирование управляющих сигналов в соответствии с логическими выражениями без учета временной зависимости между этими сигналами. Применение микропрограммного принципа построения устройств управления нецелесообразно по причине необходимости больших объемов быстродействующей памяти и вследствие низкой точности формирования временных интервалов.

Решение проблемы синтеза ВСРВ становится возможным с появлением теории синтеза ВСРВ. В рамках данной теории возможно решение как задачи синтеза функциональной схемы операционной части МВВ, так и задачи синтеза функциональной схемы управления МВВ. Однако для этого необходимо представить решение для синтеза неограниченного количества синтезируемых решений в реальном вычислительном процессе, минимизации объема вычислений, контроля корректности вычислений и вычислений в условиях вариативной многокритериальной оптимизации синтезируемых решений. Кроме того, вследствие эвристического, а следовательно, ненадежного вывода математической модели синтеза функциональной схемы управления МВВ необходимо дополнительное исследование процесса соответствующего синтеза в рамках указанной теории.

Во второй главе диссертационной работы на основании теории синтеза ВСРВ проведен анализ процесса синтеза функциональной схемы операционной части многоканальных вторичных вычислений; определены режим и метод такого синтеза в условиях ресурсных ограничений и разработан метод оценки и выбора из множества работоспособных синтезированных структур оптимальной по заданным критериям в условиях вариативного многокритериального выбора.

При синтезе функциональной схемы операционной части МВВ теория синтеза ВСРВ подразумевает выполнение последовательности процедур, и может быть представлена в виде операций, реализованных в режиме последовательных и циклических вычислений (рисунок 1). И в том, и в другом случае формируются четыре кэша решений, два из которых используются в операции 19. При последовательном режиме реализации алгоритма два из кэшей (n2 и n3), стремятся к неограниченному росту, так как количество решений в них ограничивается только задачей синтеза, а это область конкурентных отношений.

При этом процесс синтеза может выйти за пределы ограничений выделения памяти для данного вычислительного процесса и его неплановой остановкой. Кроме того, такое экстенсивное использование ресурса памяти приведет к резкому замедлению процесса синтеза вследствие использования все более медленной памяти. Также экстенсивное использование памяти уменьшает возможности распараллеливания вычислительного процесса синтеза.

Синтез функциональной схемы операционной части МВВ в режиме циклических вычислений предусматривает минимизацию объема используемой памяти.

Диаграмма синтеза функциональной схемы операционной части МВВ в режиме последовательных и циклических вычислений представлена на рисунке 1.

Шаг алгоритма

Кэши решений I

Кэши решений II

Процесс синтеза ВС

1. Формирование графа вычислительного алгоритма (ГВА)

n1 = 1

n1 = 1


2. Определение полных путей ГВА

n1 = 1

n1 = 1

3. Назначение уровней временной иерархии вершинам ГВА

n1 = 1

n1 = 1

4. Назначение функциональных устройств вершинам ГВА

n1 = 0;

n2 →∞

n1 = 1;

n2 = 1


5. Формирование для каждого вектора назначения соответствующего вектора реализации

n2 →∞

n1 = 1; n2 = 1

6. Формирование на основании векторов реализации графов алгоритма с буферной памятью

n2 →∞

n1 = 1;

n2 = 1

7. Формирование усеченных путей уровней временной иерархии

n2 →∞

n1 = 1; n2 = 1

8. Определение конвейеризируемых путей и ступеней конвейера

n2 →∞

n1 = 1; n2 = 1

9. Определение множества свертываемых вершин

n2 →∞

n1 = 1;

n2 = 1

10. Построение вычислительного графа алгоритма (ВГА)

n2 = 0;

n3 →∞

n1 = 1; n2 = 1;

n3 = 1


11. Предварительная проверка работоспособности вычислительной структуры реального времени

n3 →∞

n1 = 1; n2 = 1;

n3 = 1

12. Формирования вектора временной развертки

n3 →∞

n1 = 1; n2 = 1;

n3 = 1

13. Формирование вектора требований к памяти для хранения промежуточных результатов

n3 →∞

n1 = 1; n2 = 1;

n3 = 1

14. Дополнительная проверка работоспособности

n3 →∞

n1 = 1; n2 = 1;

n3 = 1

15. Построение ВГА с регистровыми файлами

n3 →∞

n1 = 1; n2 = 1;

n3 = 1

16. Разработка ГВС

n3 →∞

n1 = 1; n2 = 1;

n3 = 1

17. Построение функционала временной развертки

n3 →∞

n1 = 1; n2 = 1;

n3 = 1

18. Определение такта вычислительной структуры

n3 →∞

n1 = 1; n2 = 1;

n3 = 1

19. Выбор из множества работоспособных синтезированных структур структуры, наилучшим образом удовлетворяющей заданным критериям оптимальности в соответствии с условием

n4 = 1

n1 = 1; n2 = 1;

n3 = 1; n4 = 1

Рисунок 1 – Диаграмма синтеза функциональной схемы операционной
части МВВ в режиме последовательных и циклических вычислений


Скачать документ

Похожие документы:

  1. «Белорусский государственный технологический университет» (1)

    Автореферат диссертации
    кандидат экономических наук, доцент, учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет», кафедра полиграфических производств
  2. И. К. Асмыкович Белорусский государственный технологический университет

    Документ
    Студенты младших курсов технических университетов имеют реальную возможность заниматься учебно-исследовательской работой по прикладной математике только используя хорошо развитую систему прикладных математических пакетов для ЭВМ.
  3. Отчёт научно-исследовательской и организационно-методической деятельности белорусского государственного медицинского университета

    Реферат
    Основные направления научной деятельности Белорусского государственного медицинского университета в 2008 году соответствовали профилю подготовки врачей на лечебном, педиатрическом, стоматологическом, медико-профилактическом и военно-медицинском
  4. «Белорусский государственный экономический университет» (1)

    Автореферат диссертации
    ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫСТАНДАРТИЗАЦИИ ФИНАНСОВОГО КОНТРОЛЯ И УЧЕТА В СИСТЕМЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯЭКОНОМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СУБЪЕКТОВХОЗЯЙСТВОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
  5. «Белорусский государственный экономический университет» (2)

    Автореферат диссертации
    Панков Дмитрий Алексеевич, доктор экономических наук, профессор, заведующий кафедрой, УО «Белорусский государственный экономический университет», кафедра бухгалтерского учета,

Другие похожие документы..