Високопродуктивні спеціалізовані обчислювальні структури для обробки даних

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор, заслужений винахідник України Жуков Ігор Анатолійович, Національний авіаційний університет, директор Інституту комп'ютерних технологій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Фабричев В'ячеслав Анатолійович, Національний авіаційний університет, професор кафедри безпеки інформаційних технологій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Візор Ярослав Євстахійович, Інститут кібернетики ім. В.М.Глушкова НАН України, старший науковий співробітник.

Захист відбудеться "_24_" _жовтня_ 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.07 Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий "_22_" _вересня_ 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.062.07,

кандидат технічних наук, доцент О.П. Мартинова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток інформаційних і телекомунікаційних технологій, їх упровадження в різні галузі людської діяльності пов'язані з розробкою та побудовою складних і розвинутих інформаційно-обчислювальних систем. Вони стали невід'ємною частиною спеціалізованих обчислювальних систем. Водночас з розширенням меж застосування обчислювальних систем підвищуються вимоги до їх швидкодії та надійності у складі систем критичного застосування, особливо в обчислювальних структурах (ОС) обробки навігаційної інформації. Засоби підвищення продуктивності ОС, такі як використання кеш пам'яті, перехід до розподілених обчислень, використання зовнішньої пам'яті великої розмірності та інші, призводять до появи в системі великої частини затримок, можливих непрогнозованих відмов, виправлення яких вносить затримку в обчислювальний процес і навіть простій в роботі самих систем.

До таких систем слід віднести системи навігації повітряних суден. Розробка високопродуктивних спеціалізованих ОС орієнтована на вирішення навігаційних завдань, таких, наприклад, як літакокерування на етапах польоту, зльоту, посадки та ін. особливо актуально в реалізації структур для підвищення продуктивності роботи авіа тренажеру. Вимоги до продуктивності вітчизняних спеціалізованих ОС також ростуть, причому швидше ніж інтенсивність застосування їх за рахунок фактору вартості. Це, природно, вимагає відповідного підвищення ефективності функціонування спеціалізованих ОС, які використовуються для розрахунків завдань великої розмірності, обчислень кінцевих різниць, обчислень тригонометричних функцій, матричної арифметики, швидкого перетворення Фур'є, системи диференціальних рівнянь, обробки сигналів і зображень, лінійного програмування, рішення завдань математичної фізики й ін.

Розвинуті у роботі положення ґрунтуються на результатах досліджень відомих вітчизняних та іноземних вчених, зокрема Боюн В.П., Бурцев В.С., Гамаюн В.П., Жуков І.А., Євдокімов В.Ф., Каляєв І.О., Малиновский Б.М., Палагін О.В., Пухов Г.Є., Самофалов К.Г., Стасюк О.І., Тарасенко В.П., Фабричев В.А., Хєндлер В., Хокни Р. та ін.

Підвищення вимог до швидкодії та надійності багатопроцесорної архітектури у складі спеціалізованих ОС, пов'язано також з необхідністю конструювання таких систем, що відповідають структурі розв'язуваних завдань. Тому завдання підвищення ефективності проблемно-орієнтованих ОС і спеціалізованих обчислювальних пристроїв для обробки даних безумовно є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у рамках науково-дослідної роботи Національного авіаційного університету (НАУ) за темою № 139-ДБ04 “Дослідження принципів побудови паралельних обчислювальних структур для розв'язання задач великої розмірності” (номер державної реєстрації № 0100U003953), у рамках науково-дослідної роботи НАУ за темою №312-Х06 “Післягарантійне обслуговування програмного забезпечення автоматизованої системи аеронавігаційного обслуговування ППЗ АС АНО та розробка експлуатаційної документації на АС АНО. Також результати дисертаційної роботи впроваджені на підприємстві ДП “Орізон - Навігація” для розробки бортового авіаційного обладнання супутникової навігації при виконанні науково-дослідної роботи “Високопродуктивні спеціалізовані обчислювальні структури для обробки даних”, а також у навчальному процесі на кафедрі комп'ютерних систем та мереж Інституту комп'ютерних технологій (НАУ).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка високопродуктивних спеціалізованих обчислювачів для обробки даних у комп'ютерних системах. Основні завдання дослідження, у відповідності з поставленою метою, полягають у наступному:

1.Аналіз відомих методів і апаратно-програмних засобів підвищення продуктивності обчислювальних систем.

2.Дослідження характеристик спеціалізованих ОС.

3.Розробка нових методів паралельних обчислень спеціальних функцій, рішення систем рівнянь для навігаційних задач.

4.Аналіз і розробка високопродуктивних ОС для обробки навігаційної інформації з високою точністю.

Об'єктом дослідження є процес обробки даних в ОС, що вирішує проблеми підвищення ефективності систем шляхом збільшення продуктивності і надійності.

Предметом дослідження є високопродуктивні спеціалізовані ОС.

Методи досліджень. Для дослідження та розробки високопродуктивних спеціалізованих ОС використовуються положення системного аналізу, теорії обчислювальних систем, елементи теорії інформації, алгоритмів, методи теорії множин, методи комп'ютерного, аналітичного і математичного моделювання та методи прикладного програмування.

Наукова новизна одержаних результатів визначається наступними положеннями: навігаційний інформація обчислювальний програмний

1. Вперше розроблено метод та структуру автоматичного залежного спостереження авіаційних об'єктів для забезпечення надійної навігації.

2. Вперше розроблено високопродуктивну конвеєрну структуру обчислювача сум парних добутків матриці, на основі паралельно-конвеєрних принципів обробки даних, що дозволяє зменшити час обробки даних в півтора рази, та вперше розроблено програмний комплекс для визначення продуктивності базових векторних операцій реалізованих з використанням паралельних методів оптимізації.

3. Удосконалено обчислювальну структуру для реалізації тригонометричних функцій синусу та косинусу на основі модифікованого ітераційного методу і конвеєрного принципу обробки даних, що дозволяє підвищити швидкодію в три рази з урахуванням точності, відповідній цьому методу, та величини розрядної сітки оброблюваної інформації.

4. Вперше запропоновано новий спосіб та структури організації обчислювальних операцій з використанням кодів "M із N", що дозволяє підвищити надійність результатів обчислень та зберігання інформації.

Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи визначається тим, що нові науково-технічні рішення доведені до структурних та функціональних схем. Надані рекомендації щодо побудови арифметичних пристроїв, які супроводжуються кількісними оцінками потрібних експлуатаційних характеристик.

Наведені нові наукові результати можуть бути використані для практичних розробок проблемо-орієнтованих обчислювальних систем критичного застосування зі спеціалізованими пристроями.

Отримані результати дисертаційної роботи впроваджені на підприємстві ДП “Орізон - Навігація” для розробки бортового авіаційного обладнання супутникової навігації при виконанні науково-дослідної роботи “Високопродуктивні спеціалізовані обчислювальні структури для обробки даних”, а також у навчальному процесі на кафедрі комп'ютерних систем та мереж Інституту комп'ютерних технологій НАУ, що підтверджено відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. У роботах, написаних у співавторстві, здобувачеві належать:

[1] - новий підхід до представлення двійкової інформації у високопродуктивних паралельних обчислювальних системах;

[2] - підхід до організації обчислювальних операцій мережі, призначений для підвищення продуктивності та рівня достовірності результатів обчислень;

[3] - підхід до організації обчислювальних операцій, з урахуванням особливостей представлення двійкової інформації у паралельних обчислювальних системах;

[4] - апаратна реалізація контролю інформації із застосуванням парафазного коду;

[5] - схеми автоматичного контролю на основі парафазного коду для підвищення продуктивності та рівня достовірності даних;

[6] - високопродуктивна конвеєрна структура обчислювача сум парних добутків матриці для зменшення часу обробки інформації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на наукових семінарах кафедри комп'ютерних систем та мереж Інституту комп'ютерних технологій НАУ, на Міжнародних і регіональних конференціях, а саме: V Міжнародна наукова конференція студентів та молодих вчених "ПОЛІТ-2005" (м. Київ, Україна), 12 Міжнародна конференція з автоматичного управління "АВТОМАТИКА-2005" (м. Харків, Україна), VI Міжнародна наукова конференція студентів та молодих вчених "ПОЛІТ-2006" (м. Київ, Україна), VIІ Міжнародна науково- технічна конференція "АВІА-2006" (м. Київ, Україна), Всеукраїнська наукова конференція студентів, аспірантів та молодих вчених "Інтелектуальний потенціал молоді в науці та практиці" (м. Хмельницький, Україна), VІІ Міжнародна науково-технічна конференція "ПОЛІТ-2007" (м. Київ, Україна), VIІІ Міжнародна науково-технічна конференція "АВІА-2007" (м. Київ, Україна), восьма Міжнародна науково-технічна конференція "Современные информационные и электронные технологии" (м. Одеса, Україна).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 18 наукових працях, із них 8 - у фахових виданнях [1-8], 2 - патенти України [9-10] та 8 - у матеріалах конференцій [11-18].

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота, що викладена на 178 сторінках друкованого тексту, складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, що містять основні результати, списку використаної літератури з 122 найменувань, 2 актів впровадження, 47 рисунків, 11 таблиць та 2 додатків. Основний текст дисертації викладено на 150 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність обраної теми, сформульовано мету роботи та основні задачі дослідження, а також відзначено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі проаналізовано особливості ОС, які входять до складу систем критичного застосування, особливості підвищення продуктивності обчислювальних систем, ефективність використання сучасних систем масового паралелізму та їх продуктивності.

Встановлено [1, 5], що для забезпечення підвищення продуктивності систем критичного застосування, типовим прикладом яких є високопродуктивні спеціалізовані обчислювачі, необхідна розробка нових архітектурних методів побудови обчислювальних систем, а також вдосконалення і розробка нових методів організації обчислювальних процесів. Забезпечити високу продуктивність обчислювальної структури головним чином можливо за рахунок розпаралелювання процесу обчислень.

Поставлено основні завдання дослідження:

- розробити структури спеціалізованих обчислювачів для обчислення спеціальних функцій і рішення систем рівнянь;

- розробити структури для обробки та обчислень із високою точністю;

- розробити метод та структуру автоматичного спостереження авіаційних об'єктів;

- розробити ОС для обчислення навігаційних задач при моделюванні навігаційних завдань.

У другому розділі розглянуто особливості функціонально структурної організації спеціалізованих та проблемно-орієнтованих обчислювальних систем, що дозволяють підвищити продуктивність та точність обробки даних при зменшенні апаратних витрат.

Проаналізовано принципи організації спеціалізованих обчислювачів, орієнтованих на визначений клас вирішуваних задач.

Показано, що сучасна високопродуктивна спеціалізована ОС, орієнтована на виконання визначеного класу авіаційних задач, має базуватися на таких засадах:

- підвищення швидкості обробки інформації;

- універсальність алгоритмічного забезпечення;

- використання пристроїв зменшує проведення корекції координат місця розташування повітряного судна;

- зменшення матеріальних витрат.

Запропоновано ОС спеціалізованих блоків для обчислення відстані між повітряними судами (ПС) з урахуванням параметрів польоту (структура пристрою обчислення відстані між літаками зареєстровано в Укрпатенті 01.06.2007, висновок про видачу патенту на корисну модель № 200706107), приведено алгоритми та структури обчислення моделі руху ПС на трасі та в зоні посадки (структуру пристрою обчислення сум парних добутків зареєстровано в Укрпатенті 12.06.2007, висновок про видачу патенту на корисну модель № 200706585). В основу розроблених ОС покладено уніфікований алгоритм, що описується формулами:

, , .

Розроблені імітаційні моделі конкретних ОС, що використовуються при математичному моделюванні ряду навігаційних завдань та керуванням руху повітряних суден.

У третьому розділі досліджено можливість практичного рішення проблеми автоматичного контролю в обладнанні та встановлено, що одним з найбільш ефективних способів підвищення достовірності результатів обчислень [4, 5] є представлення чисел кодами “M із N”, де N - кількість позицій в кодовій комбінації, що представляють цифру; М - кількість “одиниць” в цій комбінації. Загальна кількість можливих комбінацій при фіксованих параметрах М та N визначаються виразом:

С^M_N= (N!)/(M!.(N -- М)!),

з яких значення, які дорівнюють 2^L, де (L=2,3,4,...), представляють зацікавленість в аспекті узгодження пристроїв, які працюють в такому представлені інформації з двійковими пристроями.

Поставимо певну елементарну кон'юнктивну форму у відповідність кожному кодовому слову в коді “М із N”, і позначимо її як . Вираз не можна мінімізувати, поки будь-які із двох елементарних кон'юнктивних форм будуть двонаправленими [4]. Припустимо формулу:

= v ,

де X¹ = (х1, …, xk) і X^* = (хk+1, …, xk), а коефіцієнт розкладання. Якщо n-k>k, то виконується наступний крок розкладання для кожного , в результаті для кожного виконується умова p ? K.

При розділені цілого набору кодового слова “М із N” на два піднабори A1 і A2 (А=A¹vA²) отримаємо дві вихідні самоконтролюючі схеми С. Виходячи з того, що кожна пара ключових слів ортогональна, вихідний вектор схеми C може дорівнювати або 10 або 01. Якщо припустити, що різні змінні y₁, y₂, …, y_2l-1, y_2l відповідають різним функціям розкладання й коефіцієнтам розкладання вираження, то

= y₁y₂ v y₃y₄ v … v y_2l-1, y_2l.

Будь-який добуток функції, реалізованій в логічній комірці LC активується, принаймні, один раз для всіх кодових слів коду “М із N”. Будь-який добуток функції розкладання, що реалізує LC, активується принаймні один раз під час прибуття всіх кодових слів коду “М з N”. Підсхема реалізації функцій розкладання i-го рівня показана на рис. 1. Підсхема містить k (або менше) входів і l_i виходів, які відповідають різним функціям розкладання на i-ті рівні. Загальна кількість логічних комірок LC дорівнює .

Доведено, що використання методів паралельного виявлення помилок, які базуються на кодах виявлення помилок, та застосування цифрових схем є потужним засобом захисту цифрових систем від невизначених помилок, спричинених як випадковими, так і періодичними несправностями.

У четвертому розділі розроблено метод автоматичного залежного спостереження авіаційних об'єктів для забезпечення точної та надійної навігації, а також розроблені структури високопродуктивних спеціалізованих обчислювачів.

Отримання повного набору навігаційно-пілотажних параметрів, необхідних для виконання польотів у режимах від зльоту до посадки (без наземного забезпечення), можливе при використанні набору вимірювачів таких як: супутникові навігаційні системи ГЛОНАСС/GPS, радіовисотомір, датчики аерометричної інформації, курсовертикаль, метеонавігаційна радіолокаційна станція і системи інструментальної посадки. Супутникова навігаційна система є універсальним, практично автономним засобом визначення повного набору траєкторних параметрів та інформаційно забезпечує рішення завдань літаководіння. Однак, якщо вимір часу поточних географічних координат і відповідних складових шляхової швидкості є високоточними, з погляду літаководіння в горизонтальній площині, то вимір висоти і вертикальної швидкості точності не задовольняють рішення завдань заходу на посадку та вертикальне ешелонування.

Структура апаратури літаководіння (АСМ) передбачає об'єднання обчислювальної потужності в обчислювальний блок (ОБ) і багатофункціональний пункт управління та індикації (БПУІ), що дозволяє виконати всі вимоги, що висуваються до апаратури обчислювальної системи літаководіння:

багаторежимного пульту управління та індикації;

комплексного пульта керування радіотехнічними системами;

системи контролю загального устаткування літака;

системи завантаження і зберігання бортової бази даних і програм;

системи попередження критичних режимів;

системи польотного і наземного контролю бортового радіоелектронного обладнання (БРЕО);

системи збору та локалізації інформації та системи технічного обслуговування;

бібліотеки технічної документації літака і довідковій інформації;

наявність комп'ютера для автоматизованого планування польоту з відображенням результатів у текстовому, графічному та картографічному вигляді.

Реалізація структури АСМ може досягатися лише поєднанням у своєму складі 10 процесорів, з яких чотири є центральними процесорами блоків і шість є процесорами, що управляють роботою модулів введення-виведення.

Відмінними ознаками центральних процесорів, що реалізовані на базі процесорів серії R3000 - 1890ВМ1Т (закордонний аналог - R3081), є можливість для усунення пікових обчислювальних навантажень. Скориставшись цим, використаємо наступний поділ обчислювальних завдань між блоками АСМ одного напівкомплекту:

- завдання навігації, комплексної обробки інформації, прийому, обробки інформації отриманої від літакових систем, видачу інформації в літакові системи (крім системи екранної індикації - СЕІ) виконуються обчислювальним блоком;

- завдання керування, індикації, введення, зберігання в роботи з базами даних, планування польотів, всі допоміжні обчислення та видача інформації в СЕІ виконуються (БПУІ). Для виконання завдань зберігання баз даних БПУІ у своєму складі має постійну перепрограмувальну пам'ять обсягом до 512 Мбайт.

Використання процесорів у модулях введення-виведення дозволило створити інтелектуальні блоки введення-виведення, які звільнили центральний процесор від операцій пов'язаних із введенням-виведенням інформації з послідовних каналів і від операцій обробки та видачі разових команд.

Обмін інформацією між центральними процесорами та процесорами модулів вводу-виводу проходить через двохпортову пам'ять, яка дозволяє виконувати обміни між процесорами з мінімальними втратами часу і продуктивності. Структура блоків АСМ, що використовується, і протокол обміну дозволяють центральному процесору одержувати перетворену у формат внутрішнього подання інформацію, отриману від літакових пристроїв не більш ніж через 10 мс від надходження інформації на входи АСМ. Використання інтерфейсу із двохпортовою пам'яттю є основним внутрішньо міжпроцесорним інтерфейсом. Обчислювальний блок є основним обробним і керуючим блоком АСМ, який містить у собі приймач сигналів супутникової навігаційної системи, центральний процесор і модулі введення-виведення для сполучення із зовнішніми (літаковими) системами.

Обчислювальний блок одержує та обробляє інформацію від супутникових навігаційних систем і літакових навігаційних датчиків, обчислює координати та швидкість літака. Використовуючи інформацію, отриману від БПУІ, обчислює і видає системам літака інформацію для керування літаком на маршруті.

Інформаційні зв'язки всередині АСМ влаштовані таким чином, щоб забезпечити максимальну гнучкість і високу надійність апаратури в цілому. Для цього використовується система прямих і перехресних зв'язків. При такій системі зв'язків кожна із блоків апаратури має прямі зв'язки з усіма іншими пристроями, що входять у систему. Розподіл функцій між БПУІ та ОБ визначило побудову схеми зв'язку, що сполучає обладнання. Обчислювачі СЕІ підключені до БПУІ, а інші пристрої підключені до обчислювальних блоків. У процесі роботи проводиться постійний взаємний моніторинг результатів обчислень обчислювальних блоків №1 й №2, за результатами якого визначається працездатність системи в цілому. За результатами аналізу отриманої інформації приймається рішення про придатність отриманої інформації для використання в розрахунках. Структурна схема БПУІ наведена на рис. 2.

При розробці БПУІ потрібно враховувати необхідність виконання завдань:

- введення, зберігання та використання бази даних аеронавігаційної інформації, яка з'єднується з портативним персональним комп'ютером каналами Ethernet, USB або RS-232;

- введення, зберігання бази даних електронної карти;

- індикація графічної інформації на екранах БПУІ;

- управління радіотехнічними засобами літака будь-якого з двох пультів в автоматичному і ручному режимах роботи;

- діагностичний бортовий контроль та забезпечення технічного обслуговування;

- запис льотної інформації та вивантаження її на зовнішній носій;

- оперативний аналіз стану пілотажно-навігаційного обладнання з індикацією на екранах БПУІ.

Рішення поставлених завдань реалізовано в модулі центрального процесора (рис. 3).

Відмінними ознаками, що характеризують обраний модуль центрального процесору, є: тип R3081 паралельний асинхронний, з обробкою інформації у формі з фіксованою і плаваючою комою; розрядність АЛУ - 32 біт; формати операндів - 8, 16, 32, 64, 128 біт; система команд - тип “MIPS1”; продуктивність - 13 MFLOPS для 50 МГц; ОЗП SDRAM (синхронне динамічне) - об'єм 90 Мбайт; ОЗП SRAM (статичне) - об'єм 4 Мбайт; ПЗП - об'єм 4 Мбайт; ПЗП DATA FLASH, об'єм 64 Мбайт.

В структурі АСМ реалізовано модуль вводу-виводу (рис.4).

Розроблений та представлений обчислювальний блок, призначений для визначення навігаційних параметрів у сигналах супутникових навігаційних систем і передачі навігаційних параметрів у центральний процесор, має переваги у відношенні до своїх аналогів, в особливості при передачі інформації через послідовний RS порт в модуль процесора, має кількість каналів приймача - 24. Реалізація обчислювального блоку зображена у вигляді структурної схеми (рис. 5).

Проведений аналіз та моделювання роботи обчислювального блоку показали необхідність наявності автоматичного регулювання посилення (АРП) сигналів супутникових навігаційних систем з максимально можливою швидкодією необхідною для коректної роботи імпульсних сигналів псевдосупутників.

Основна селекція, що визначає показники перешкодозахищеності від позасмужкової перешкоди всього прийомного тракту, забезпечується фільтрами. Створити прийнятну альтернативу фільтрам на основі LC-фільтрів неможливо.

За результатами розрахунків (при використанні антенного підсилювача: Кус=(28(1) дб; Кш не більше 3 дб, загасання у ВЧ лінії не більше 10 дб), аналогова частина приймача, побудованого за даною структурною схемою, задовольняє вимоги в частині забезпечення захищеності від безперервних радіоперешкод у діапазоні GPS/SBAS і ГЛОНАСС. Коефіцієнт підсилення від входу базового модуля до входу квантувача для кожного тракту при цьому становить від 45 до 50 дб.

Необхідні і розрахункові характеристики захищеності від безперервних радіоперешкод у діапазоні GPS/SBAS і ГЛОНАСС по антенного входу наведені на рис. 6.

Для забезпечення перешкодозахищеності від внутрішньосмужкової перешкоди необходіно встановити наступні вузли: АРУ з максимально можливою швидкодією, детектор наявності перешкод і нелінійний фільтр.

Отримані результати дозволяють стверджувати, що розроблені супутникові навігаційні засоби мають ряд переваг у порівнянні з діючими засобами навігації в авіації.

До основних переваг супутникової навігації варто віднести забезпечення точної та надійної чотирьохвимірної навігації (три координати та час) у всіх районах і на всіх висотах польоту повітряних суден і, як наслідок:

- зниження ризику катастроф, пов'язаного з неточністю інформації про місце розташування повітряного судна, особливо в тих районах польоту повітряних суден, де використання традиційних засобів неможливо або економічно недоцільно;

- використання єдиного засобу навігації для забезпечення всіх етапів польоту повітряних суден, включаючи точні заходи на посадку, у тому числі на аеродроми, необладнані радіолокаційними станціями;

- можливість реалізації автоматично залежного спостереження, що забезпечить підвищення пропускної здатності при скороченні поздовжніх і бічних інтервалів поділу повітряних суден у тих районах, де організація спостереження при використанні радіолокаційних станцій неможлива або економічно недоцільна;

- підвищення економічності польотів повітряних суден при високій точності літаководіння та використанні зональної навігації за рахунок скорочення польотного часу і економії палива;

- зниження витрат на обслуговування повітряного руху та на експлуатацію повітряних суден при заміні різнотипного бортового устаткування єдиними засобами.

Тенденції розвитку показують необхідність переходу бортового устаткування на апаратуру нового покоління - інтегральні комплекси бортового устаткування, які будуть створюватися на основі сучасних технологій.

Таким чином, отримані результати дають можливість синтезувати широкий клас високопродуктивних обчислювальних структур з регулярною розрядно-логічною організацією, які забезпечують обробку інформації за інтервал проходження сигналу між входами та виходами елементів схеми. Це дозволяє організовувати поточну обробку даних в системі у реальному часі. Завдяки однорідності логічної структури обчислювача забезпечується простота та ефективність реалізації на замовних інтегральних схемах, базових матричних кристалах або програмованих інтегральних схемах.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У дисертації наведено теоретичне обґрунтування і одержано нове вирішення актуальної наукової задачі розробки високопродуктивних обчислювальних структур обробки навігаційної інформації. Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Проаналізовано вимоги до спеціалізованих ОС. Встановлено, що пікова продуктивність обчислювальних систем підвищується, у той час як реальна продуктивність на різних класах завдань залишається низкою;

2. Проведено дослідження принципів побудови обчислювальних структур, і встановлено, що основні з них полягають у використанні кеш пам'яті, перехід до розподілених обчислень і використання зовнішньої пам'яті великої ємності;

3. Розглянуто сучасні математичні моделі процесів навігації ПС. Визначено коло обчислювальних завдань, які необхідно вирішувати на етапах навігації ПС;

4. Розроблено паралельні і паралельно-конвеєрні структури для ітераційного обчислення тригонометричних й алгебраїчних функцій. Швидкодія і точність обчислень значно підвищені завдяки введенню високошвидкісних засобів корекції аргументів і проміжних результатів обчислень. Перехід від обчислень однієї функції до обчислення іншої функції здійснюється програмно, шляхом зміни значень керуючого вектора. Завдяки такій організації трансформація обчислювальної структури та перехід до нового завдання виконуються за один такт, тобто практично миттєво;

5. Розроблено програмний комплекс для визначення продуктивності базових векторних операцій, реалізованих із використанням паралельних методів оптимізації;

6. Запропоновано новий спосіб та структури організації обчислювальних операцій із використанням кодів "M із N", що дозволяє підвищити надійність результатів обчислень та зберігання інформації;

7. Розроблено метод та структуру автоматично залежного спостереження авіаційних об'єктів для забезпечення надійної навігації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Жуков І. А., Гуменюк В.О., Синельніков О.О. Новий підхід до представлення двійкової інформації у високопродуктивних паралельних обчислювальних системах // Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. праць. К.: НАУ, 2005. Вип. 12. С. 6-11.

2. Синельніков О.О. Mathlab та його застосування для підвищення ефективності високопродуктивних обчислень // Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. праць. К.: НАУ, 2005. Вип. 3(14). С. 129-132.

3. Жуков І.А., Синельніков О.О. Особливості використання двійкової інформації у паралельних обчислювальних системах для реалізації схем контролю // Вісник НТУ “ХПІ” Системний аналіз, управління та інформаційні технології: Зб. наук. праць. Харків: НТУ “ХПІ”, 2005. Вип. 55. С. 31-36.

4. Синельніков О.О., Пащенко Н.В., Ло Цзянь Ер. Організація надійного зберігання і контролю передачі данних в комп'ютерних системах // Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. праць. К.: НАУ, 2006. Вип. 3(18). С. 125-128.

5. Гуменюк В.О., Пащенко Н.В., Синельніков О.О. Використання парафазного коду для підвищення надійності зберігання і передачі даних в комп'ютерних системах // Вісник Хмельницького національного університету: Зб. наук. праць. Х.: ХНУ, 2007. Вип. 3. С. 100-103.

6. Zhukov I.A., Sinelnikov A.A., Antipov A.A. Structure of high efficiency the specialized calculator for modeling problems of navigation // Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. праць. К.: НАУ, 2007. Вип. 1(19). С. 173-176.

7. Жуков І.А., Синельніков О.О. Обчислювальна структура програмного комутатору в комп'ютерних системах та мережах // Інформаційні технології та комп'ютерна інженерія: Зб. наук. праць. Вінниця.: ВНТУ, 2007. Вип. 2(9). С. 152-155.

8. Жуков І.А., Синельніков О.О., Антіпов А.О. Метод та обчислювальні структури для забезпечення надійної авіаційної навігації // Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. праць. К.: НАУ, 2007. Вип. 2(20). С. 72-78.

9. Пат. 25491 Україна, МКИ G 06 F 7/49 Пристрій для множення елементів скінчених полів GF(2ⁿ) Жуков І.А., Кубицький В.І., Синельніков О.О. Україна - № u200703644; Заявл. 02.04.07; Опубл. 10.08.07; Бюл. 12. 4 с.

10. Пат. 25555, Україна, МКИ H 03 K 17/04 Програмуючий комутатор Жуков І.А., Аль Шибані Салім, Синельніков О.О., Пащенко Н.В. Україна - № u200704060; Заявл. 12.04.07; Опубл. 10.08.07; Бюл. № 12. 4 с.

11. Гуменюк В.А., Синельников А.А. Формирование парафазного кода и возможность его применения в параллельных вычислительных системах // ПОЛІТ-2005: Матеріали V міжнародної наукової конференції студентів та молодих учених. Київ, 12-13 квітня 2005 р. Київ; 2005. С. 55.

12. Жуков І.А., Гуменюк В.О., Синельніков О.О. Застосування неподільних кодів у високопродуктивних паралельних обчислювальних системах // АВТОМАТИКА-2005: Матеріали 12-й міжнародної конференції з автоматичного управління. Харків, 30 травня - 3 червня 2005 р. Харків; 2005. Т. 3. С. 16.

13. Синельников А.А. Формирование парафазного кода и возможность его применения в параллельных вычислительных системах // ПОЛІТ-2006: Матеріали VІ міжнародної наукової конференції студентів та молодих учених. Київ, 11-12 квітня 2006 р. Київ; 2006. С. 116.

14. Синельніков О.О., Гуменюк В.О. Формування парафазного коду та можливість його застосування в паралельних обчислювальних системах // Інтелектуальний потенціал молоді в науці та практиці - 2006: Матеріали Всеукраїнської наукової конференції студентів, аспірантів та молодих вчених. Хмельницький, 23 травня 2006 р. Хмельницький; 2006. Ч. 2. С. 86-87.

15. Синельников А.А., Пащенко Н.В. Применение неразделимых кодов для повышения уровня достоверности результатов вычислений в сетях и системах // АВІА-2006: Матеріали VIІ міжнародної науково-технічної конференції. Київ, 25-27 вересня 2006 р. Київ; 2006. Т. 1. С. 13.61-13.64.

16. Пащенко Н.В., Синельніков О.О. Обчислювальна структура для прискорення мультиплікативних операцій на основі парафазного коду // ПОЛІТ-2007: Матеріали VІІ міжнародної наукової конференції студентів та молодих учених. Київ, 12-13 квітня 2007 р. Київ; 2007. С. 64.

17. Paschenko N.V., Synelnikov O.O. New approach of fpga based checker for m-out-of-n codes // АВІА-2007: Матеріали VІIІ міжнародної науково-технічної конференції. Київ, 25-27 квітня 2007 р. Київ; 2007. Т. 1. С. 13.45-13.48.

18. Гуменюк В.А., Синельников А.А., Пащенко Н.В., Ло Цзянь Єр. Повышение производительности параллельных вычислительных систем на основе представления данных неразделимыми кодами // СІЕТ - 2007: Современные информационные и электронные технологии: труды восьмой международной научно-практической конференции. Одесса, 21-25 мая 2007 г. Одесса; 2007. С. 158.

АНОТАЦІЯ

Синельніков О.О. Високопродуктивні спеціалізовані обчислювальні структури для обробки даних. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.13 - обчислювальні машини, системи та мережі. - Національний авіаційний університет, МОН України, Київ, 2007.

Дисертаційну роботу присвячено розробці високопродуктивних спеціалізованих обчислювальних систем для обробки даних в комп'ютерних системах.

Розглянуто особливості функціонально структурної організації спеціалізованих обчислювальних систем, що дозволяють підвищити продуктивність та точність обробки даних при зменшенні апаратних витрат. Розроблено паралельні та паралельно-конвеєрні структури для ітераційного обчислення тригонометричних та алгебраїчних функцій. Швидкодія і точність обчислень значно підвищені завдяки введенню високошвидкісних засобів корекції аргументів і проміжних результатів обчислень.

Розроблено високопродуктивні спеціалізовані структури, що дозволяють організовувати поточну обробку навігаційних даних в системі у реальному часі, а також, реалізацію автоматичного залежного спостереження у тих районах, де організація спостереження при використанні радіолокаційних станцій неможлива або економічно недоцільна для забезпечення точної та надійної навігації.

Запропоновані методи та структури, нові науково-технічні рішення можуть бути використані при розробці високопродуктивних спеціалізованих структур на інтегральних схемах, базових матричних кристалах або програмованих інтегральних схемах.

Ключові слова: паралельна обчислювальна структура, паралельно-конвеєрна обчислювальна структура, високопродуктивні структури, спеціалізовані обчислювальні структури.

АННОТАЦИЯ

Синельников А.А. Высокопродуктивные специализированные вычислительные структуры для обработки данных. Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.13 - вычислительные машины, системы и сети. - Национальный авиационный университет, Киев, 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке высокопроизводительных специализированных вычислительных систем для обработки данных в компьютерных системах.

Рассмотрены особенности функционально структурной организации специализированных и проблемно ориентированных вычислительных систем, которые позволяют повысить производительность и точность обработки данных при уменьшении аппаратурных затрат. Разработано параллельные и параллельно-конвейерные структуры для итерационного вычисления тригонометрических и алгебраических функций. Быстродействие и точность вычислений значительно повышены благодаря введению высокоскоростных средств коррекции аргументов и промежуточных результатов вычислений.

Разработаны высокопроизводительные специализированные структуры, которые разрешают организовывать текущую обработку навигационных данных в системе в реальном времени, а также, реализацию автоматического зависимого наблюдения в тех районах, где организация наблюдения при использовании радио локационных станций невозможная или экономически нецелесообразная для обеспечения точной и надежной навигации.

Предложенные методы и структуры, новые научно-технические решения могут быть использованы при разработке высокопроизводительных специализированных структур на интегральных схемах, базовых матричных кристаллах или программированных интегральных схемах.

Ключевые слова: параллельная вычислительная структура, параллельно-конвейерная вычислительная структура, высокопроизводительные структуры, специализированные вычислительные структуры.

SUMMARY

Synelnikov O.O. High-performance particularized computing structure for data processing. Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of the candidate of Technical science on specialty 05.13.13. computers, systems and networks. National aviation university Ministry of Education and Science of Ukraine, Kiev, 2007.

The thesis is devoted to the developing of high-performance dedicated computing systems for data processing in computer systems.

The peculiarities of structural organization of the dedicated and problem-oriented computing systems that allow raising productivity and accuracy of data processing at the same time minimization of equipment costs are considered. Parallel and parallel-pipeline structures for iterative calculation of trigonometrical and algebraic functions are designed. Processing speed and calculation accuracy are greatly enhanced due to application of high-speed arguments and intermediate outputs correction facilities.

The high-performance dedicated structures that allow organization of current navigation data processing at real-time application, realization of automatically dependent control at those regions where radar stations are can not be used or economically inexpediently for assurance of accurate and reliable navigation, are designed.

The offered methods and structures, new scientific and technical decisions can be used on developing high-performance dedicated structures on integrated circuits and PLD.

Key words: parallel computing structure, parallel-pipeline structures, high-performance structures, high-performance dedicated structures.

Размещено на Allbest.ru