Методи і моделі створення відмовостійких інформаційно-управляючих систем, що функціонують у модулярній системі числення

7

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна

УДК 004.9(932):681.51-192

05.13.06 - інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Методи і моделі створення відмовостійких інформаційно-управляючих систем, що функціонують у модулярній системі числення

Барсов Валерій Ігорович

Харків 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, Заслужений винахідник України Сорока Леонід Степанович, Академія митної служби України, ректор.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Заслужений винахідник України Сорока Леонід Степанович, Академія митної служби України, ректор.

- доктор технічних наук, професор Дрозд Олександр Валентинович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри комп'ютерних інтелектуальних систем та мереж;

- доктор технічних наук, професор Мороз Борис Іванович, Академія митної служби України, декан факультету інформаційних та транспортних систем і технологій;

- доктор технічних наук, професор Рубан Ігор Вікторович, Харківський університет Повітряних Сил ім. Івана Кожедуба, начальник кафедри математичного та програмного забезпечення АСУ.

Захист відбудеться "27" квітня 2011 р. о 15.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.09 Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, площа Свободи, 4, ауд. 6-52.

З дисертацією можна ознайомитись у центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою 61077, м. Харків, площа Свободи, 4.

Автореферат розісланий "23"березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.051.09 С.І. Шматков.

Анотація

Барсов В.І. Методи і моделі створення відмовостійких інформаційно-управляючих систем, що функціонують у модулярній системі числення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2011.

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-прикладної проблеми підвищення відмовостійкості інформаційно-управляючих систем (ІУС) реального часу без зниження продуктивності обробки інформації на основі розробки методологічних основ створення інформаційної технології обробки інформації у модулярній системі числення (МСЧ). У дисертації отримані: математичні моделі відмовостійкості ІУС, які на відміну від відомих, засновані на використанні властивостей МСЧ та математична модель відмовостійкої ІУС реального часу, що функціонує у поліноміальній МСЧ. Розроблені: методи підвищення відмовостійкості ІУС у МСЧ, інформаційного стиснення цифрових табличних даних у МСЧ, контролю, діагностики та виправлення помилок у МСЧ.

Ключові слова відмовостійкість, інформаційна технологія, інформаційно-управляюча система, модулярна система числення, методологічні основи.

Аннотация

Барсов В.И. Методы и модели создания отказоустойчивых информационно-управляющих систем, функционирующих в модулярной системе счисления . - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.06 - Информационные технологии. - Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, 2011.

Диссертация посвящена решению важной научно-прикладной проблемы повышения отказоустойчивости информационно-управляющих систем (ИУС) реального времени без снижения производительности обработки информации на основе разработки методологических основ создания информационной технологии обработки информации в модулярной системе счисления (МСС).

В диссертации были получены следующие основные результаты. Показано, что существующие традиционные методы повышения отказоустойчивости ИУС основанные на использовании позиционной системы счисления (ПСС), не всегда удовлетворяют требованиям высокой отказоустойчивости и производительности таких систем. Предварительные результаты, полученные в процессе исследований перспективных методов повышения отказоустойчивости без снижения производительности обработки информации, позволили сделать вывод, что использование непозиционных кодовых структур в МСС позволяет решить поставленную в диссертации проблему.

С целью оценки и сравнительного анализа отказоустойчивости ИУС, функционирующих в ПСС и МСС, разработаны математические модели отказоустойчивости ИУС в МСС. Результаты расчётов и сравнительного анализа показали, что ИУС, функционирующая в МСС, обеспечивает более высокое значение вероятности безотказной работы, чем троированная система с мажоритарным контролем в ПСС, для произвольной разрядной сетки обработки информации. Данный эффект достигается при меньших аппаратных затратах чем в ПСС.

Разработан метод информационного сжатия цифровых табличных данных, который в отличие от известных основан на использовании кода информационного сжатия, что позволяет повысить отказоустойчивость ИУС и уменьшить аппаратные затраты при реализации устройств обработки информации.

На основе предложенной математической модели ИУС с использованием принципа активной отказоустойчивости в МСС был разработан метод повышения отказоустойчивости ИУС.

В диссертации сформулирована и решена задача оптимального резервирования ИУС в МСC. На основании результатов решения данной задачи синтезированы отказоустойчивые структуры ИУС для произвольной разрядной сетки обработки информации.

Разработаны методы контроля, диагностики и исправления ошибок в МСC, которые основаны на использовании принципа нулевизации чисел, представленных непозиционным кодом. Предложенные методы позволяют повысить оперативность контроля и сократить время исправления ошибок информации, что особенно важно для ИУС реального времени.

Разработаны методы реализации непозиционных операций в модулярной системе счисления, основанные на применении принципа сравнения унитарного однорядового кода. Это позволяет сократить время выполнения данных операций, что повышает общую производительность обработки информации в ИУС, функционирующей в МСС. Получили дальнейшее развитие математические основы реализации позиционных и непозиционных операций в полиномиальной МСС расширенных полей Галуа. Использование предложенных математических основ позволило разработать методы и алгоритмы обработки информации над полиномами произвольной размерности от одной переменной, что расширяет функциональные возможности ИУС по обработке информации.

Разработана обобщённая математическая модель отказоустойчивости ИУС реального времени, в полиномиальной МСС. Данная модель основана на представлении и обработке информации в виде полиномов произвольной степени от одной переменной, с учётом ограничений на точность, скорость и достоверность обработки данных. На основе данной модели предложена методика синтеза и разработана структурная схема отказоустойчивой и производительной ИУС реального времени, функционирующей в полиномиальной МСС. Предложена структура информационной технологии реализуемой ИУС, функционирующей в полиномиальной МСС.

Разработаны методологические основы создания информационной технологии обработки информации в МСС, суть которых составляют: понятийный аппарат теории модулярной арифметики; совокупность математических моделей надёжности ИУС, функционирующей в МСС; результаты решения прямой и обратной задачи оптимального резервирования в МСС; сформулированные концепции и принципы технической реализации позиционных и непозиционных операций в МСС; метод информационного сжатия табличных данных на основе использования специального кода информационного сжатия данных, что позволяет сократить количества оборудования ИУС и повысить надёжность системы; совокупность методов реализации позиционных и непозиционных операций в МСС; совокупность методов контроля, диагностики и исправления ошибок информации в МСС; математический аппарат непозиционного кодирования и обработки информации (сформулированные и доказанные научные утверждения, леммы, теоремы, а также разработанные модели и методы).

Предложен класс патентоспособных устройств для реализации разработанных в диссертации методов и алгоритмов обработки информации в МСС.

Ключевые слова отказоустойчивость, информационная технология, информационно-управляющая система, модулярная система счисления, методологические основы.

Summary

Barsov V.I. Methods and models of creating the faulttolerant information-management system that function in the modular number system. - Manuscript.

The thesis on competition of a scintific degree of doctor of technical sciences on speciality 05.13.06 - information technologies. - V.N. Karazin Kharkiv National University. - Kharkiv. - 2011.

The thesis is devoted the decision of the important scientific and practical problem of increasing a faulttolerance of the information-management system (IMS) of the real time without decreasing the productivity of data processing on the grounds of developing the methodological principles of creating the information technology of data processing in modular number system (МNS). It has been got in thesis: mathematical models of faulttolerance of IMS that unlike the known based on using the MNS characteristics and mathematical model of faulttolerance of IMS of the real time which function in polynomial МNS. The methods of increasing a faulttolerance of IMS in MNS, of information compression of digital table data in МNS, of control, diagnostics and correction of errors in МNS.

Keywords faulttolerance, information technology, information-management system, modular number system, methodological principles.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний етап розвитку інформаційно-управляючих систем (ІУС), що реалізують інформаційні технології, характеризується підвищеними вимогами із забезпечення продуктивності обробки інформації і відмовостійкості. Проте, не дивлячись на інтенсивний розвиток і впровадження сучасних технологій і методів, що застосовуються при створенні інформаційно-управляючих систем, в даній області залишаються ще не вирішені задачі і проблеми.

Одна з таких актуальних науково-прикладних проблем обумовлена об'єктивною суперечністю що викликане, з одного боку, одночасно високими вимогами до забезпечення відмовостійкості функціонування ІУС реального часу й до продуктивності обробки інформації в такій системі а, з іншого боку, недостатніми можливостями існуючих методів і засобів, що використовують двійкову позиційну систему числення (ПСЧ) забезпечити підвищені вимоги до надійності ІУС реального часу, без зниження продуктивності обробки інформації, при мінімальних додаткових апаратних витратах. Для усунення даної суперечності в дисертації формулюється і розв'язується важлива і актуальна науково-прикладна проблема - підвищення відмовостійкості інформаційно-управляючої системи реального часу без зниження продуктивності обробки інформації.

Дослідження, проведені як вітчизняними так і закордонними науковцями, в напрямку розвитку теорії і практики непозиційного кодування, показали, що застосовування в якості системи числення непозиційної модулярної арифметики може розв'язати вказану науково-прикладну проблему з істотно меншими, ніж в ПСЧ, додатковими витратами обладнання.

Проведений аналіз світового досвіду створення і експлуатації пристроїв, що реалізовують принципи модулярної системи числення (МСЧ), дозволяє виділити наступні основні напрями впровадження наукових розробок в цій області: програмна реалізація модулярних засобів обробки інформації; технології побудови програмних і апаратних модулярних засобів обробки інформації; апаратна реалізація модулярних засобів обробки інформації (модулярні ІУС К-340 РЛС "Дунай - 3У" комплексів протиракетної оборони (ПРО) А-35; ІУС 5Э53 багатоканального стрільбового комплексу "Аргунь" другої черги системи ПРО А-35, бортові ІУС літальних апаратів і т.д.).

Необхідно відзначити, що для сучасних і перспективних інформаційно-управляючих систем характерна тенденція підвищення надійності і відмовостійкості їх функціонування, без зміни інших технічних характеристик (продуктивності обробки інформації, габаритних характеристик, енергоспоживання).

Актуальність теми дисертаційних досліджень визначається тим, що застосування двійкової позиційної системи числення не завжди може забезпечити підвищені вимоги до відмовостійкості сучасних і перспективних ІУС реального часу без зниження продуктивності при мінімальних додаткових апаратних витратах. Тому дослідження і пошук шляхів рішення науково-прикладної проблеми підвищення відмовостійкості ІУС реального часу, без зниження продуктивності, є актуальною задачею. Одним з можливих інноваційних напрямів рішення сформульованої проблеми є застосування для створення ІУС модулярної системи числення, зокрема шляхом розробки методологічних основ, що дозволяють створити інформаційну технологію обробки інформації в МСЧ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження, які проводилися в межах даної дисертаційної роботи, виконувалися відповідно до Закону України "Про Концепцію Національної програми інформатизації" від 4 лютого 1998 р. №75/98-ВР, планами наукової й науково-технічної діяльності: Харківського ВКІУ РВ, Харківського НТУРЕ, Харківського НАКУ ім. Жуковського М.Є. (ХАІ), Української інженерно-педагогічної академії, Харківського НТУСГ ім. Петра Василенка, у межах наступних науково-дослідних робіт: "Дослідження й розробка методів і засобів оперативного обміну, обробки й відображення інформації в АСУ", звіт про НДР №488 (заключний) / Х.: ХВКІУ РВ, 1988; "Розробка апаратно-програмних засобів імітозахисту командної інформації в радіоканалах управління космічними апаратами", звіт про НДР №1520 (заключний) / Х.: ХТУРЕ, 1997; "Розробка методів моделювання та проектування багатоканальних систем з урахуванням взаємних зв'язків між каналами", звіт з НДР №1/2 (підсумковий), держбюджетної теми МОНУ / Х.: УІПА, 2004; "Теоретичні основи, методи й інструментальні засоби аналізу, розробки й верифікації гарантоздатних інформаційно-управляючих систем для аерокосмічних об'єктів і комплексів критичного застосування", звіт про НДР №Д503-45/2006 (заключний) / Х.: НАКУ ім. Жуковського М.Є. (ХАІ), 2008; "Дослідження й розробка високоефективних мікроелектронних обчислювальних і керуючих пристроїв з нетрадиційною архітектурою", звіт про НДР ДР №0104U005149 // Х.: ХНТУСГ ім. Петра Василенка, 2006; "Розробка та дослідження надшвидкодіючих і надійних систем і засобів обробки цифрової інформації на основі використання непозиційних кодових структур модулярної арифметики" звіт з НДР ДР №0107U001631 // Х.: ХНТУСГ ім. Петра Василенка, 2007; "Методологія створення відмовостійких і швидкодіючих засобів обробки цифрової інформації реального часу на основі застосування модулярної системи числення" НДР №0110U000668 // Х.: Міністерство аграрної політики України, ХНТУСГ ім. Петра Василенка, 2010-2014 рр.

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення відмовостійкості інформаційно-управляючої системи реального часу з урахуванням вимог до продуктивності обробки інформації.

Для досягнення поставленої мети на основі загальної науково-прикладної проблеми в дисертації формулюються й вирішуються наступні особистісні завдання досліджень:

1. Дослідити методи підвищення відмовостійкості ІУС реального часу без зниження продуктивності обробки інформації.

2. Розробити математичну модель відмовостійкості ІУС у МСЧ.

3. Розробити відмовостійкі структури ІУС у МСЧ.

4. Розробити метод підвищення відмовостійкості ІУС.

5. Розробити методи реалізації позиційних і непозиційних операцій у МСЧ.

6. Розробити методи контролю, діагностики й виправлення помилок у МСЧ.

7. Розробити методи реалізації непозиційних операцій у поліноміальній МСЧ.

8. Розробити методологічні основи створення інформаційної технології обробки інформації у МСЧ.

9. Розробити засоби обробки інформації в МСЧ.

Об'єкт дослідження - процеси обробки інформації в ІУС, що функціонує в модулярній системі числення.

Предмет дослідження - моделі і методи підвищення відмовостійкості і продуктивності ІУС реального часу на основі використання МСЧ.

Методи дослідження. В основу проведених в роботі досліджень були покладені принципи системного аналізу і методи досліджень складних технічних систем. При вирішенні особистісних завдань досліджень використовувалися наступні наукові методи досліджень: методи аналізу і синтезу, методи теорії чисел - при розробці методів реалізації основних модульних операцій в МСЧ; методи теорії вірогідності і методи теорії надійності - при розробці математичних моделей розрахунку відмовостійкості і відмовостійких структур, а також при розробці методу і методики оцінки і розрахунку надійності ІУС. При розробці методів контролю і виправлення помилок в модулярній системі числення були використані методи теорії чисел, теорії інформації і кодування, методи з теорії цифрових автоматів.

Наукова новизна отриманих результатів. Новим науковим результатом дисертації є формулювання і рішення важливої і актуальної науково-прикладної проблеми підвищення відмовостійкості інформаційно-управляючої системи реального часу без зниження продуктивності обробки інформації на основі розробки та впровадження методологічних основ створення інформаційної технології обробки інформації в модулярній системі числення.

В межах головного нового наукового результату отримано ряд особистісних наукових результатів.

1. Уперше отримано:

- метод підвищення відмовостійкості ІУС у МСЧ, що, на відміну від відомих, заснований на використанні принципу активної відмовостійкості, що дозволило синтезувати оптимальні відмовостійкі структури й підвищити надійність функціонування ІУС;

- метод інформаційного стиску цифрових табличних даних, який, на відміну від відомих, заснований на використанні кодів інформаційного стиску, що дозволяє підвищити відмовостійкість та продуктивність ІУС;

- методи контролю, діагностики й виправлення помилок у МСЧ, які, на відміну від відомих, засновані на принципі нулевізації, що дозволяє підвищити оперативність контролю й скоротити час виправлення помилок інформації.

2. Удосконалено:

- інформаційна технологія обробки інформації шляхом застосування методологічних основ створення інформаційної технології обробки інформації у МСЧ, що дозволяє створювати відмовостійкі та продуктивні ІУС реального часу;

- методи реалізації непозиційних операцій у МСЧ, заснованих на принципі порівняння унітарного однорядкового коду, що дозволяє скоротити час виконання операцій.

3. Одержали подальший розвиток:

- математичні моделі відмовостійкості ІУС, які, на відміну від відомих, засновані на використанні властивостей МСЧ з урахуванням особливостей функціонування трактів обробки інформації у МСЧ, що дозволяє підвищити надійність ІУС;

- математична модель відмовостійкості ІУС реального часу, в поліноміальній МСЧ, яка, на відміну від відомих, заснована на поданні й обробці інформації у вигляді поліномів довільного ступеня від однієї змінної та враховує наявність обмежень на точність, швидкість і безпомилковість обробки даних;

- методи реалізації непозиційних операцій у поліноміальній МСЧ, що розширює функціональні можливості ІУС з обробки інформації.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Розроблені алгоритми, що можуть бути обчислювально реалізовані: інформаційного стиску табличних цифрових структур і табличної обробки інформації, особливістю застосування яких є можливість одержання поліпшених характеристик з відмовостійкості й швидкодії ІУС за рахунок можливості скорочення до 70% кількості обладнання операційного пристрою; арифметичного й алгебраїчного порівняння операндів у МСЧ, які засновані на принципі одержання й порівняння унітарного однорядкового коду, що дозволяє зменшити час виконання операції порівняння в залежності від розміру розрядної сітки ІУС на 2 порядки; визначення зворотньої мультиплікативної величини числа, що дозволяє спростити й зменшити час виконання найбільш трудомістких операцій у МСЧ в 10 разів; контролю, діагностики й виправлення помилок у МСЧ, що дозволяють підвищити оперативність контролю й скоротити час виправлення помилок інформації на 60%; виправлення помилок у МСЧ із взаємно попарно непростими модулями, що дозволяють виправити помилку в залишку всього за 3 умовних часових такта, що раніше вважалося неможливим; виконання непозиційних операцій у поліноміальній МСЧ (ПМСЧ), що дозволяють зменшити час виконання непозиційних операцій до 2 умовних часових тактів.

2. Розроблено методику синтезу відмовостійкої і продуктивної ІУС реального часу, що функціонує в ПМСЧ.

3. Синтезовано структури відмовостійких ІУС у МСЧ, що дозволяють забезпечити при менших, у порівнянні з ІУС у ПСЧ, апаратних витратах (до 40%) більш високе значення вірогідності безвідмовної роботи =0,999999.

4. Доведено до рівня патентоздатних пристроїв методи та алгоритми, які розроблено у дисертаційній роботі.

Практичне значення результатів підтверджується впровадженням результатів дисертаційної роботи у:

- ДП ХПЗ ім. Т.Г. Шевченка - при розрахунках та порівняльному аналізі надійності та продуктивності спецпроцесорів обробки цифрової інформації (акт від 21 січня 2010 р.);

- ОКБ ДП ХПЗ ім. Т.Г. Шевченка - у НДР №10/2008-2010 "Розробка та дослідження інформаційних технологій обробки інформації на основі використання непозиційних кодових структур модулярної арифметики" (акт від 23 вересня 2010 р.);

- НТ СКБ "Полісвіт" ДНВП "Об'єднання Комунар" - при проектуванні перспективних ІУС реального часу (акт від 2 листопада 2010 р.).

У сукупності сформульовані принципи, сформульовані й доведені наукові твердження й теореми, отримані математичні основи реалізації позиційних і непозиційних операцій у МСЧ, розроблені моделі, методи, алгоритми й оптимальні структури ІУС становлять методологічні основи створення відмовостійких ІУС у МСЧ, без зниження продуктивності обробки інформації.

Розроблені в дисертаційній роботі методологічні основи створення інформаційної технології обробки інформації в МСЧ є базою для розробки й впровадження відмовостійких ІУС реального часу у МСЧ. Використання розроблених у дисертації методів і алгоритмів дозволяє підвищити безвідмовність функціонування ІУС без зниження продуктивності обробки інформації за рахунок значно меншої кількості обладнання, що вводиться додатково у порівнянні із ПСЧ (до 40%).

Особистий внесок здобувача. Отримано наукові результати, що забезпечують рішення всіх поставлених у дисертації завдань досліджень. Всі основні наукові й практичні результати дисертації отримані особисто автором. Роботи [15, 18-22, 26, 28, 29, 43, 45] були опубліковані без співавторів. У роботах, виконаних у співавторстві й опублікованих у фахових виданнях, які входять у перелік ВАК України, здобувачеві належать: у роботі [1] постановка й рішення завдання оптимального резервування у МСЧ, оцінка й порівняльний аналіз відмовостійкості функціонування ІУС у МСЧ; у роботі [2] сформульовано нейромережевий принцип обробки інформації у МСЧ; у роботі [3] розроблена математична модель паралельної організації обробки інформації у пристроях ІУС, що функціонує у МСЧ; у роботі [4] розроблені методи контролю, діагностики й виправлення помилок у МСЧ; у роботі [5] розроблені методологічні основи створення відмовостійких ІУС реального часу, у МСЧ без зниження продуктивності обробки інформації; розроблені математичні основи обробки поліномів довільного ступеня у МСЧ; у роботі [6] запропонована концепція створення систем паралельної обробки інформації на основі нейромережевого принципу у МСЧ; у роботі [7] розроблено алгоритм обробки чисел у заданій системі числення; у роботі [8] розроблено алгоритм паралельних перетворень цифрової згортки сигналу; у роботі [9] запропонована концепція прискореної обробки й аналізу сигналів; у роботі [10] теоретичне обґрунтування ефективності обробки комплексних чисел у МСЧ; у роботі [11] результати дослідження методу підвищення безвідмовності функціонування ІУС на основі застосування багатоверсійних мажоритарних структур паралельної обробки інформації; у роботі [12] запропонована концепція нейромережевої обробки інформації у МСЧ; у роботі [13] запропоновані концепція й метод обробки цифрової інформації у МСЧ; у роботі [14] розроблений метод підвищення відмовостійкості ІУС з урахуванням вимог з продуктивності; у роботі [16] запропоновано підхід до реалізації табличного принципу обробки інформації у МСЧ; у роботі [17] запропоновано підхід до створення швидкодіючих і надійних пристроїв ІУС у МСЧ; у роботі [23] досліджено метод матричної обробки цифрової інформації у МСЧ; у роботі [24] запропонована модель розпаралелювання процесу обробки інформації на рівні мікрооперацій у МСЧ; у роботі [25] сформульовано принцип обробки інформації у МСЧ на основі використання кільцевих регістрів зсуву; у роботі [27] розроблені програмні засоби контролю й виправлення помилок у МСЧ; у роботі [30] запропоновано ввести сукупність паралельних трактів обробки інформації; у роботі [31] запропоновано ввести блок обробки інформації з довільного модулю МСЧ; у роботі [32] розроблено алгоритм піднесення чисел до квадрату за модулем МСЧ; у роботі [33] запропоновано ввести блок для виявлення помилок інформації у МСЧ; у роботі [34] запропоновано ввести блок обробки комплексних чисел за комплексним модулем у МСЧ; у роботі [35] розроблено алгоритм обробки інформації у МСЧ за модулем три; у роботі [36] запропоновано ввести блок визначення лишків чисел за довільним модулем МСЧ; у роботі [37] розроблено алгоритм для піднесення полінома від однієї змінної в довільний ступінь за модулем три; у роботі [38] запропоновано ввести блок для виправлення помилок інформації у МСЧ; у роботі [39] запропоновано алгоритм для прискореної реалізації операцій модульного додавання двох операндів; у роботі [40] запропонована система контролю виконання модульних операцій додавання й віднімання у МСЧ; у роботі [41] запропоновано ввести блок аналізу ступеня при піднесенні операндів до квадрату за модулем МСЧ; у роботі [42] запропоновано використати МСЧ для створення систем паралельної обробки інформації; у роботі [44] запропоновано провести моделювання нейромережевої системи управління у середовищі МАТЛАБ; у роботі [46] запропоновано використати в промислових ІУС МСЧ; у роботі [47] обґрунтовано ефективність використання МСЧ для підвищення відмовостійкості та продуктивності обробки інформації у ІУС реального часу; у роботі [48] запропоновано використання нейромережевого підходу до управління складними нелінійними об'єктами; у роботі [49] запропонована методологія створення відмовостійких структур паралельної обробки інформації у МСЧ.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися й обговорювалися на науково-технічних і науково-практичних конференціях:

1. НТК "Пути повышения эффективности средств связи радиотехнического обеспечения и АСУ ВВС" (Харків 1990 р.).

2. НТК "Обработка информации и обеспечение надежности систем управления" (Харків 1996 р.).

3. Тридцять дев'ята та сорок перша НПК науково-педагогічних працівників, науковців, аспірантів УІПА (Харків 2006, 2008 рр.).

4. Міжнародна НПК "Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України" (Харків 2007 р.).

5. Восьма, дев'ята та десята міжнародні НПК "Современные информационные и электронные технологии". (Одеса, 2007, 2008, 2009 рр.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 56 друкованих працях, серед яких 5 монографій, 13 статей у наукових журналах, 10 статей у збірниках наукових праць, 12 авторських посвідчень і патентів України, а також 8 тез доповідей у збірниках НТК і НПК, 1 підручник із грифом МОНУ, 7 звітів про НДР.

У додатках наведені акти реалізації дисертаційних досліджень (додаток А), значення констант нулевізації (додаток Б), позиційні операції в ПМСЧ (додаток В).

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із введення, шести розділів, висновків за дисертацією, трьох додатків і списку використаної літератури. Повний обсяг дисертації становить 383 сторінки, у тому числі: 25 рисунків за текстом, 21 рисунок на 16 окремих сторінках, 19 таблиць за текстом, 91 таблиця на 65 окремих сторінках, бібліографія з 213 найменувань на 23 сторінках, 3 додатка на 33 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми досліджень, формулюються проблема, мета і задачі досліджень, визначається об'єкт і предмет досліджень, викладена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, їх впровадження і апробація, особистий внесок здобувача в розробку теми дисертації.

У першому розділі на основі аналізу стану і перспектив розвитку ІУС реального часу показано, що подальший розвиток систем обробки інформації пов'язаний з переходом до паралельних обчислень. Проведені дослідження дозволяють зробити висновок, що традиційний підхід до створення ІУС, який заснований на застосуванні ПСЧ, не дозволяє кардинально поліпшити її основні характеристики, і, в першу чергу, такі як відмовостійкість і продуктивність. відмовостійкість інформаційний модулярний числення

Дослідження методів підвищення відмовостійкості і продуктивності ІУС реального часу показало, що існує очевидна проблема: з одного боку, постійне зростання вимог до швидкісних характеристик ІУС приводить до необхідності організації паралельних обчислень, а з іншого боку, при цьому збільшується частота виникнення відмов і зростає час простою системи, викликаний необхідністю пошуку і ліквідації несправностей. Рішення проблеми підвищення відмовостійкості системи обробки інформації припускає забезпечення рівня продуктивності обробки інформації, що вимагається, і навпаки при рішенні проблеми підвищення продуктивності ІУС необхідно забезпечити рівень відмовостійкості, що вимагається.

Дана обставина обумовлює необхідність формулювання концепцій пошуку нетрадиційних шляхів підвищення відмовостійкості і продуктивності ІУС, функціонуючих у реальному часі. Спираючись на фундаментальні поняття і положення теорії порівняння запропонована оригінальна система числення, в якій число (операнд) представляється набором якнайменших лишків від послідовного ділення операнда на сукупність взаємно попарно простих чисел, тобто МСЧ. З алгоритму представлення чисел у МСЧ, витікає, що всі модульні операції виконуються незалежно і паралельно над однойменними розрядами (лишками). Показано, що застосування МСЧ, яка дозволяє штучно розпаралелювати алгоритми обробки інформації на всіх рівнях, є основним резервом підвищення відмовостійкості і продуктивності ІУС. Одним з перспективних напрямків вирішення проблеми підвищення відмовостійкості ІУС реального часу без зниження продуктивності обробки інформації є використання для створення інформаційно-управляючих систем МСЧ, зокрема на основі розробки методологічних основ створення ефективної інформаційної технології, що враховують всі особливості обробки інформації в модулярній системі числення. У цьому випадку узагальнена структурна схема ІУС у МСЧ є набором окремих пристроїв обробки інформації (ПОІ), функціонуючих незалежно один від одного і паралельно в часі, причому кожний за своїм певним модулем .

Запропонована трьохрівнева модель інформаційної технології обробки інформації в МСЧ, на основі якої розроблено модель ІТ, що реалізується підсистемою обробки інформації ІУС у МСЧ (рис.1).

Відповідно до завдань , що реалізуються підсистемою обробки інформації ІУС, використовуючи сукупність принципів, моделей, методів і алгоритмів реалізації позиційних і непозиційних операцій, операцій контролю, діагностики і виправлення помилок у МСЧ, відбувається переробка первинної інформації х(t) з метою отримання інформаційного продукту Х(k). При цьому, відповідно до алгоритму функціонування ІУС, за управляючими сигналами u(t), здійснюється організація обмінних операцій між точністю і швидкістю обробки інформації, з використанням сукупності моделей, методів і алгоритмів U=(u1,…, uп). При виникненні відмов, що спричиняють виникнення помилок, за сигналами корекції помилок z(t), здійснюється виправлення інформації Х(k). У результаті даної процедури одержуємо відкоректований інформаційний продукт Х'(k). При виявленні відмов ПОІ, відповідно до заданої програми, з використанням безлічі методів і алгоритмів О =(о1,…,ок) здійснюється реконфігурація структури ІУС.

Для оцінки ефективності застосування отриманих методів і алгоритмів підвищення відмовостійкості ІУС, функціонуючих у МСЧ, запропоновано використовувати. як основний показник для оцінки надійності, вірогідність безвідмовної роботи P(t). Також у розділі сформульовано математичну постановку проблеми досліджень.

Таким чином, недоліки систем обробки інформації, що обумовлені використанням двійковою ПСЧ, підвищені вимоги до відмовостійкості сучасних і перспективних ІУС реального часу, а також отримані попередні позитивні результати використання МСЧ для підвищення відмовостійкості і продуктивності ІУС визначили тему, науково-прикладну проблему, мету і особистісні задачі даної дисертації.

У другому розділі дано наукове обґрунтування можливості використання МСЧ для створення відмовостійких і продуктивних ІУС. Сформульовано і доведено ряд наукових положень, які дозволили показати, що при синтезі ІУС у МСЧ, можна отримати якісно нові наукові і практичні результати, що поліпшують основні характеристики ІУС (продуктивність, відмовостійкість та ін.), за рахунок організації принципово нової структури ІУС і застосування нових оригінальних методів і алгоритмів обробки інформації.



Рис. 1. Модель ІТ, що реалізується підсистемою обробки інформації в МСЧ

Досліджено і теоретично обґрунтовано модель відмовостійкості ІУС, що функціонує в МСЧ. Показано, що реалізація модульних операцій кінцевого поля Галуа GF(M) зводиться до реалізації модульних операцій паралельно над кожним з n кінцевих полів , для . У цьому аспекті відомий математичний апарат теорії чисел, який служить основою для побудови формалізованої моделі відмовостійкості ІУС, що функціонує в МСЧ, буде адаптивний до класу цілочисельних задач, які вирішуються ІУС реального часу.

Принцип реалізації модульних операцій одночасно в n полях Галуа для , можна поширити і на гіперкомплексну числову область, зокрема, просте поле Галуа GF(M) може бути розширено до поля комплексних чисел , тобто

.

З використанням формалізованої моделі відмовостійкості ІУС розроблена і досліджена математична модель надійності ІУС у МСЧ на основі використання пасивної відмовостійкості. Дослідження даної моделі показали, що ІУС у МСЧ з двома контрольними основами надійніше тройованої ІУС у ПСЧ. Виходячи з властивостей МСЧ, вірогідність безвідмовної роботи ІУС у МСЧ можна представити як вірогідність безвідмовної роботи ІУС у ПСЧ для випадку ковзаючого резервування з навантаженим резервом. У цьому випадку формула для визначення вірогідності безвідмовної роботи має вигляд

,

де - вірогідність безвідмовної роботи тракту обробки інформації (ТОІ) за найбільшою (найменш надійною) основою МСЧ; - інтенсивність відмов устаткування ТОІ в МСЧ по .

Була отримана математична модель відмовостійкості, що враховує як надійність комутатора, так і використання r резервних ТОІ, яка представлена наступним виразом:

де - інтенсивність відмов автомата надійності; - інтенсивність відмови перемикаючого пристрою; - інтенсивність відмови одного ТОІ; 2 - інтенсивність відмов контрольних ТОІ.

У теоретичному плані ця математична модель надійності дозволяє досліджувати всі основні види резервування (структурне, інформаційне і функціональне), що обумовлені властивостями МСЧ.

Таблиця 1

	ПСЧ	МСЧ
	I	II	III	IV
0	1	1	1	1
0,2	0,819	0,912	0,926	0,986
0,4	0,670	0,746	0,775	0,922
0,6	0,549	0,573	0,613	0,816
0,8	0,449	0,424	0,468	0,687
1	0,368	0,306	0,328	0,558
1,2	0,301	0,225	0,254	0,439
1,4	0,247	0,151	0,187	0,337

З використанням запропонованої математичної моделі надійності був розроблений метод підвищення відмовостійкості ІУС у МСЧ, який на відміну від відомих заснований на використанні принципу активної відмовостійкості.

Проведена порівняльна оцінка надійності ІУС з різними характеристиками (табл. 1) показує, що застосування МСЧ з однією контрольною основою (III) і з двома контрольними основами (IV) забезпечує більш високе значення вірогідності безвідмовної роботи, ніж нерезервована ІУС у ПСЧ (І) і тройована система з мажоритарним контролем (II) для довільної розрядної сітки обробки інформації, навіть при менших апаратних витратах (до 40%). При цьому ефективність застосування МСЧ для підвищення надійності ІУС зростає із збільшенням довжини розрядної сітки ІУС.

У третьому розділі проведено дослідження можливих принципів реалізації основних позиційних і непозиційних операцій у МСЧ.

Показано, що підвищення надійності і продуктивності ІУС можливе шляхом застосування в ПОІ табличного принципу реалізації арифметичних операцій. Тому великий теоретичний і практичний інтерес представляє задача інформаційного стиснення вмісту таблиць основних модульних операцій у МСЧ.

Дана задача тісно пов'язана з розробкою, як методів спеціального кодування і синтезу алгоритмів, що вдосконалюють структуру модульних таблиць, так і з формулюванням, розробкою і застосуванням нових принципів, методів і алгоритмів реалізації модульних операцій.

Інтенсивний розвиток і розповсюдження нейромережевих технологій обробки інформації дозволив сформулювати нейромережевий принцип реалізації модульних операцій у МСЧ. Даний принцип припускає проведення перспективних досліджень у напрямі збільшення розмірності простору рішень при реалізації паралельних обчислень в реальному часі.

На основі використання властивості симетричності таблиць щодо діагоналі, вертикалі і горизонталі, що проходять між числами і , розроблений метод інформаційного стиснення цифрових табличних даних і ряд ефективних процедур інформаційного стиснення табличних цифрових структур з використанням коду інформаційного стиснення (КІС).

Процедура визначення результату операції модульного множення за допомогою КІС наступна. Якщо задано два операнди в КІС , то для того, щоб отримати добуток цих чисел за модулем , достатньо знайти добуток і інвертувати його узагальнений індекс , у випадку, якщо відмінно від , тобто , де

При використанні даної процедури ПЗП, що реалізує операцію модульного множення, конструктивно зменшуються в чотири рази.

Важливі науково-практичні результати можна отримати, досліджуючи можливості реалізації однієї модульної операції за допомогою таблиць, що реалізують зворотну їй операцію, використовуючи відповідні процедури. При дослідженні цифрових властивостей таблиць модульних операцій додавання і віднімання отримано співвідношення

, (1)

де , - вхідні операнди, представлені в КІС.

З виразу (1) отримуємо

. (2)

Вираз (2) можна представити в наступному вигляді:

.

Отже, для отримання результату операції модульного додавання в КІС достатньо знати результат операції модульного віднімання. Результат операції модульного віднімання за допомогою ПЗП, що реалізує операцію модульного додавання, можна визначити з використанням наступного виразу отриманого з (2)

.

Схематично цю процедуру можна представити у вигляді:

.

Для спрощення реалізації операції модульного множення пропонується наступний підхід. При обчисленні значень або не завжди існує однозначна відповідність вигляду , тому вузли ПЗП, для яких позначаються знаком "+", а шина ПЗП, що коректує, об'єднує ці вузли таблиці і видає сигнал, що вказує на відсутність необхідності корекції результату операції. За відсутності сигналу шини ПЗП, що коректує до результату операції необхідно додати величину , тобто . Для спрощення реалізації модульної операції множення в негативній області пропонується вузлам таблиці ПЗП привласнювати значення , або значення . У цьому випадку відбувається самокорекція результату операції. Внаслідок цього немає необхідності в суматорі за модулем .

Також запропонована процедура порозрядної табличної реалізації дозволяє скоротити кількість логічних елементів, які використовуються, і спростити зв'язки між ними.

Пропонується принцип реалізації пристрою для виконання операції модульного множення при введенні знака числа в явному вигляді. Для цього число супроводжується його знаком , тобто операнд представиться у вигляді . Якщо , то , а якщо , то . У вихідному регістрі міститиметься результат операції модульного множення в спеціальному КІС .

На основі розглянутих процедур синтезовано пристрій обробки інформації ІУС у МСЧ, що здійснює три модульні операції - множення, додавання і віднімання. Запропонований ПОІ дозволяє приблизно на 70% скоротити кількість устаткування ІУС незалежно від типу операцій, що реалізуються, що раніше було можливо тільки для операції модульного множення.

Існуючі методи визначення позиційних характеристик, зокрема методи порівняння чисел в МСЧ, мають істотні недоліки, головним з яких є необхідність перетворення операндів з МСЧ в позиційну систему числення і зворотньо. Тому в даній роботі був розроблений та досліджений метод порівняння чисел, в основі якого лежать ефективні процедури арифметичного і алгебраїчного порівняння операндів в МСЧ, що використовують принцип отримання і порівняння унітарного однорядкового коду без безпосереднього перетворення операндів, що порівнюються з коду МСЧ в позиційний код і зворотньо.

Була запропонована процедура реалізації операції арифметичного порівняння операндів у МСЧ з константою. У даному випадку виконується порівняння не безпосередньо операндів і , а величин і

Розроблений метод дозволяє перейти від реалізації операції арифметичного порівняння до реалізації операції алгебраїчного порівняння. У цьому випадку операнди А і В, що порівнюються, мають по одному додатковому знаковому розряду, тобто число супроводжується ознакою знака

Таким чином операнди, що порівнюються, представляються у вигляді:

,

.

На основі запропонованого методу розроблені алгоритми для його реалізації. Показано, що із збільшенням довжини машинного слова ІУС, що характерно для сучасної тенденції розвитку таких систем, ефективність застосування принципу однорядкового кодування, в порівнянні з практично існуючими, зростає.

Також в розділі був запропонований метод визначення зворотньої мультиплікативної величини числа за довільним mi модулем МСЧ, в основі якого лежить заміна операції ділення на операцію множення, де дільник замінюється на співмножник , тобто . Таким чином, у МСЧ потрібно порівняти операнди вигляду . Ця задача стоїть і при реалізації операції перетворення чисел з МСЧ у ПСЧ і зворотньо. Перша процедура, що реалізує даний метод, ґрунтується на застосуванні теореми Ферма, у відповідності, до якої , або . Дана процедура дозволяє знаходити зворотну мультиплікативну величину числа при простому значенні .

Друга процедура, визначення ґрунтується на використанні теореми Вільсона у відповідності, до якої . Використовуючи даний вираз, можна записати

,

,

,

тоді .

Для значень , можна отримати

,

де позначатиме перемноження натуральних чисел від 1 до , виключаючи число z. З погляду простоти технічної реалізації більш апробованим є алгоритм, що реалізує першу процедуру.

У четвертому розділі проведене дослідження коригуючих можливостей кодів МСЧ, які показали, що введення додаткових надмірних основ дозволяє будувати високоефективні кодові конструкції, що не тільки знаходять помилку, але і визначають місце її виникнення, використовуючи тільки одну контрольну основу, що неможливо при існуючих методах контролю і виправлення помилок у ПСЧ. Сформульована теорема, що дозволяє знайти факт перекручення числа , на основі якої запропонована наступна процедура визначення і виправлення помилкового лишку в МСЧ. Визначаються всі проекції числа за всіма основами МСЧ . Отримані проекції порівнюються з робочим діапазоном . Визначається проекція числа, для якої , і виправляється помилковий лишок за формулою

,

де - ортогональний базис МСЧ; - вага ортогонального базису.

Проведено порівняльний аналіз способів виправлення помилок при . Показано, що більшу ефективність має розроблений метод виправлення помилок ІУС, заснований на використанні умовної альтернативної сукупності (УАС) чисел у МСЧ, що дозволяє підвищити інформативність альтернативної сукупності (АС) W(A) про місце і величину помилки.

Розглянуто дві процедури визначення АС . Перша полягає в тому, що АС встановлюється перевіркою кожної з основ . Недолік даної процедури - великі апаратні і часові витрати на визначення АС.

Друга процедура припускає, що операнд приводиться до вигляду , тобто проводиться нулевізація числа . Далі складається таблиця значень відповідностей числа можливим помилкам , з якої визначається АС, що шукається. Друга процедура, порівняно з першою, дозволяє скоротити апаратні і часові витрати при визначенні АС, проте недолік другої процедури полягає в тому, що в АС містяться надмірні основи.

Усунути недоліки, які властиві розглянутим процедурам, можна шляхом отримання додаткової інформації про можливі перекручені лишки операнда . Ця інформація міститься у всіх можливих АС операнда . Сутність запропонованої процедури полягає в тому, що всі можливі АС визначаються на кожному з інтервалів попадання операндів. Після цього визначаються загальні для цих інтервалів основи , за якими можлива помилка. Цей набір основ і визначає АС, що шукається. Скорочення кількості основ в АС підвищує інформативність АС W(A) про місце і величину помилки. Розроблена структурна схема процесу стягання АС до помилкової основи.

Також пропонується процедура контролю і діагностики ІУС на основі оцінки вірогідності вибору робочої гіпотези про помилковість лишку за -ю основою МСЧ, яка дозволяє зменшити кількість перевірочних операндів, скоротити час виправлення помилок, проте не дозволяє скоротити кількість основ в АС. У даному випадку визначається залежність між приведеним коефіцієнтом розподілу помилок і значенням . Критерієм вибору робочої гіпотези про помилковість лишку за основою є максимальне значення коефіцієнта розподілу помилок. Розроблено алгоритм визначення помилкової основи при оцінці вірогідності вибору робочої гіпотези, за рахунок виконання нулевізації перекрученого операнда . За значенням здійснюється звернення до таблиць . В -му інтервалі визначається найбільше із значень . В цьому випадку основа , для якої значення при є тою, що шукається.

Запропоновано метод виправлення помилок у МСЧ на основі використання часових числових перетинів, що дозволяє спростити реалізацію процесу визначення АС у МСЧ і виправляти не тільки багатократні помилки в одному лишку, але і багатократні помилки в різних лишках. Для усунення надмірності АС пропонується визначати значення . Сутність пропонованого методу числових перетинів полягає в тому, що АС визначається не у всьому інтервалі , що містить , а в перетині цього інтервалу, що дозволяє істотно скоротити кількість основ, за якими можлива помилка, і приводить до зменшення числа операндів, що перевіряються, тобто до зменшення часу стягання до помилкової основи. Розглядається варіант пристрою, що реалізує даний метод. Метод часових числових перетинів є оптимальним варіантом методу підвищення інформативності АС у МСЧ. Але розглянутий метод визначення АС потребує значного об'єму устаткування блоку пам'яті (БП), що реалізує функцію Ф .

Сутність наступного запропонованого методу виправлення помилок полягає у визначенні АС чисел у МСЧ шляхом використання властивості симетрії значень в БП, що аналітично виражається співвідношенням:

.

Даний метод дозволяє виправляти не тільки багатократні помилки в одному лишку, але і багатократні помилки в різних лишках і спростити реалізацію процесу визначення АС в МСЧ.

Одним із методів визначення правильності числа є метод нулевізації, що полягає в переході від початкового числа до числа . При виконанні такої послідовності перетворень виключається можливість виходу за робочий діапазон МСЧ. Якщо , то початкове число правильне і лежить в діапазоні , якщо , то число неправильне і лежить в діапазоні , для .

Запропоновано метод, що дозволяє проводити на кожному етапі нулевізацію одночасно за двома основами. Час нулевізації зменшується удвічі. Але метод парної нулевізації не є оптимальним з погляду швидкодії, оскільки операції додавання і вибірка чергової константи нулевізації рознесені в часі. Тому розроблено метод парної нулевізації чисел з попередньою вибіркою цифр, що знімає вищенаведений недолік. У пропонованому методі в деяких часових тактах поєднуються операції підсумовування і вибірка чергової константи нулевізації, а також вибірка чергової константи і підготовка значень цифр, за якими на наступному етапі нулевізації проводитиметься вибірка чергової константи нулевізації. У процесі вибірки константи, за значеннями і , з відповідних таблиць можуть бути вибрані значення за один такт. У цьому випадку немає необхідності мати цифри за основами і , що дозволяє зменшити розрядність констант нулевізації до значення

.

Розроблений метод парної нулевізації чисел з попередньою вибіркою цифр дозволяє значно зменшити час корекції однократних і багатократних помилок і для довільної розрядної сітки, отримати виграш в швидкодії, в порівнянні з парною нулевізацією до 25%, а в порівнянні із звичайною нулевізацією до 62,5% відповідно, в залежності від кількості основ n, що використовуються в МСЧ (рис. 2).

На основі аналізу розробленого графа співвідношення між основними характеристиками ІУС в режимі обмінних операцій запропонована структура пристрою, що одночасно реалізує структурне, інформаційне і функціональне резервування в МСЧ шляхом заміни одним справним контрольним трактом одночасно декілька непрацездатних робочих трактів.

Проведено дослідження лінійних кодів у МСЧ, основи якої не є взаємно простими числами. Показано, що малоефективне використання лінійних кодів для виправлення помилок, яким з рівною вірогідністю відповідають довільні перекручення лишків кодових слів у МСЧ.

Для визначення необхідних і достатніх умов виявлення однократних помилок за допомогою лінійних кодів сформульована і доведена теорема. На основі даної теореми розроблена наступна процедура виявлення однократних помилок. Перевіряється лишок за основою . Для цього визначається сукупність значень

Якщо , то перевіряється другий лишок і т.д. Для отримання значень складається матриця G. Якщо визначник матриці дорівнює нулю, то число - правильне, а якщо , то число - неправильне. На основі синтезованого алгоритму розроблено пристрій для його реалізації, на який отримано патент України.