Фундаментальные основы построения суперкомпьютеров на схемах автоматной памяти – парадигма нового междисциплинарного направления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фундаментальные основы построения суперкомпьютеров на схемах автоматной памяти - парадигма нового междисциплинарного направления

Мараховский Л.Ф., д.т.н., профессор

Государственный экономико-технологический университет транспорта

Постановка проблемы. Ограничения элементной базы современных компьютерных систем, которые проявляются в современных интегральных схемах, (монофункциональный режим работы триггеров) не дает возможность системно подойти к созданию реконфигурируемых устройств компьютерных систем.

В предлагаемой работе автор излагает собственную оригинальную концепцию теоретических и практических разработок теории многофункциональных автоматов, схем автоматной памяти и построение на новых типовых устройств компьютерной техники и кратко показывает их преимущества перед устройствами, реализующих память на триггерах.

Парадигма нового междисциплинарного направления. Рассмотрим парадигму нового междисциплинарного направления - фундаментальные основы построения суперкомпьютеров на схемах автоматной памяти.

Новое междисциплинарное направление - фундаментальные основы построения суперкомпьютеров на схемах автоматной памяти, объединяющее теорию многофункциональных автоматов Мараховского, частным случаем которых являются автоматы Мили и Мура; теорию построения схем автоматной памяти: многофункциональных, которых расширяют элементную базу интегральных схем и частным случаем которых является схема RS-триггера, и многоуровневых; и методы построения новых реконфигурируемых устройств суперкомпьютера: регистров, счетчиков, устройств управления, процессоров и компьютеров на элементах автоматной памяти.

Все три фундаментальных направления описаны Л.Ф. Мараховским в литературе [1-29] и на них получены соответствующие патенты.

Что нового рассматривается и какой эффект образуется в каждого их научных направлений, которые составляют предлагаемое новое дисциплинарное направление, состоящее из теории автоматов, теории схем автоматной памяти и теории построения реконфигурируемых устройств суперкомпьютера на схемах автоматной памяти.

Теория многофункциональных абстрактных автоматов. В теории абстрактных автоматов рассмотрены:

Ш Принцип иерархического программного управления, в котором рассмотрено следующее:

1. принцип иерархического программного управления, который заключается в том, что информация, обрабатываемая и управляемая, разбиваются на частную и общую (не менее, как на два уровня), которые взаимосвязанная между собой по вертикали от общей информации к частной и обрабатываются параллельно по отношению друг к другу. Одной из основных временных характеристик обработки информации в этом случае является одновременная обработка общей и частной информации, что ускоряет обработку информации, а одной из функциональныз характеристик изменение алгоритма обработки частной информации при определенной обработке общей информации;

2. частная информация может обрабатываться однозначно, вероятностно или нечетко при иерархическом принципе программного управления, а общая («корневая») информация должна обрабатываться однозначно и определять режим обработки частной информации;

3. использование вероятностных и нечетких вычислений наряду с появившейся возможность многофункциональности при выборе вычислений расширяют функциональные возможности вычислительных устройств и создают предпосылки для повышения уровня машинного интеллекта.

Ш Теория многофункциональных абстрактных автоматов, в которой рассмотрено следующее:

1. теорема об обобщенной структурной полноте элементарных автоматов является одним из фундаментальных понятий теории автоматов, которая позволяет теоретически обосновать элементную базу, позволяющую решать задачу структурного синтеза произвольных конечных реконфигурируемых автоматов 1-го, 2-го и 3-го рода. Иными словами, элементную базу современных интегральных схем, необходимых для построения суперкомпьютера;

2. многофункциональные автоматы Мараховского (реконфигурируемых автоматов 1-го, 2-го и 3-го рода) являются открытой структурой, имеющей два множества входных сигналов: устанавливающих x(t) однозначно состояние в схеме памяти автомата и сохраняющих e(?) определенное подмножество состояний в схеме памяти автомата, что позволяет ему перестраивать алгоритм сохранения состояний;

3. автоматы Мараховского 3-го рода имеют два множества переходов: однозначные, при которых установленное состояние сохраняется при последующем сохраняющем сигнале, и укрупненные, которые осуществляют переход в новое состояние под воздействием сохраняющего входного сигнала. Иными словами, автоматы 3-го рода способны осуществлять переходы из одного состояния в другой по двум переменным x(t) и e(?) за один машинный такт T (T = t + ?), а также определять направление выходной информации, т. к. принадлежат одному определенному множеству состояний;

Ш Теории микроструктурного синтеза схем автоматной памяти, в которой рассмотрено следующее:

1. символьный язык описания многофункциональных схем памяти с открытой структурой, позволяющий по предложенным формулам, еще до построения многофункциональных схем памяти и их анализа, определить их основные параметры: число запоминающих состояний, число наборов устанавливающих x(t) входных сигналов и число наборов сохраняющих е(?) входных сигналов.

2. структурные схемы двух классов многофункциональных схем памяти, которые по функциональным возможностям аналогичны друг другу, но имеют различное количество внутренних связей и, соответственно, быстродействие;

3. методы имитационного моделирования многофункциональных схем памяти, а также даны формулы, определяющие их повышенную надежность, живучесть и снижение аппаратурных затрат на одно запоминаемое состояние, на количество внешних и внутренних связей по сравнению с триггерами.

Ш Теория микроструктурного синтеза многофункциональных схем памяти, в которой рассмотрено следующее:

1. символьный язык описания многоуровневых схем памяти с закрытой структурой, позволяющий по предложенным формулам, еще до построения многофункциональных схем памяти и их анализа, определить их число запоминающих состояний;

2. структурные схемы двух классов многоуровневых схем памяти, которые по функциональным возможностям аналогичны друг другу, но имеют общий автомат стратегии для всех групп многофункциональной схемы памяти и отдельные автоматы стратегии для каждой группы многофункциональной схемы памяти;

3. методы имитационного моделирования многоуровневых схем памяти, а также даны формулы, определяющие их повышенную надежность, живучесть и снижение аппаратурных затрат на одно запоминаемое состояние, на количество внешних и внутренних связей по сравнению с триггерами

Ш Теория проектирования типовых устройств суперкомпьютера, в которой рассмотрено следующее:

1. реконфигурируемые регистры на многоуровневых схемах памяти с различными автоматами стратегии;

2. реконфигурируемые реверсивные счетчики, имеющие более двух режимов работы;

3. реконфигурируемые устройства управления;

4. реконфигурируемые процессоры, использующие предложенные реконфигурируемые регистры, счетчики и устройства управления;

5. реконфигурируемые компьютеры, которые в состоянии изменять систему команд для решения определенного класса задач.

Размещено на http://www.allbest.ru/

архитектура многоуровневый процессор память

Четвертый уровень управления. Характер взаимосвязи между уровнями управления: алгоритмического, программного и микропрограммного и функций каждого из них в современных компьютерах определяют наиболее существенные особенности архитектуры и структуры процессоров и всей компьютерной системы [31]. Используя возможность создание многоуровневых реконфигурируемых устройств, в рамках парадигмы, был предложен четвертый уровень управления, названный милипрограммный уровенем. Милипрограммный уровень управления совместно с микропрограммным составил обобщенный полиграммный уровень управления (рис. 1) [14, 17].

Принцип построения полипрограммных процессоров реализуется за счет включения в структуру процессора специального блока памяти на многоуровневых схемах памяти для сохранения общей информации милипрограмм. Этот блок предоставляет дополнительные возможности в микропрограммных процессорах в направлении увеличения модификаций и изменения системы команд и еще в процессе работы приводит к возможности одновременной обработки общей и частной информации.

Новизна парадигмы. Главное и принципиальное в парадигме, предложенной Мараховским Л.Ф., для реализации научного междисциплинарного направления - это системный подход к построению реконфигурированных компьютерных устройств и систем с учетом реконфигурированных схем памяти.

1. Многофункциональные [15] и многоуровневые [13, 14] элементарные схемы памяти по быстродействию не уступают триггерам, и:

Ш Имеют меньше аппаратурных затрат на одно запоминаемое состояние (выигрыш в аппаратуре!);

Ш Имеют меньше на порядок внутренних связей, что очень важно при разработке интегральных схем;

Ш И самое главное - способны изменять структуру запоминания состояний в процессе работы и осуществлять определенное направление информации, что триггеры принципиально делать не в состоянии;

2. Созданы и запатентованы:

Ш Электронная вычислительная машина [16] на многофункциональных [15] и многоуровневых [13, 14] схемах памяти;

Ш Структурный автомат [11], в котором защищена теория автоматов 3-го рода;

Ш Микропрограммное устройство управления [20], на многофункциональных [15] и многоуровневых [13, 14] схемах памяти.

Вывод. Эти все реконфигурируемые устройства способны изменять алгоритм своей работы на «элементном» уровне за счет способности схем памяти [13-15] осуществлять свои переходы по двум переменным: устанавливающим и сохраняющим входным сигналам. Кроме этого, предложен четвертый уровень управления, который в программном управлении способствует ускорению выполнения операций и перестройки работы алгоритмов.

Литература

1. Мараховский Л. Ф. Комп'ютерна схемотехніка: навч. посібник. - К.: КНЕУ, 2008. - 360 с

2. Мараховский Л. Ф. Конечные автоматы с многофункциональной системой организации памяти: Учебн. пособие. -К.: УМК ВО, 1991. - 67 с.

3. Мараховский Л.Ф. Бездефектное проектирование функциональных схем средствами математического моделирования (в троичном исчислении: 0,1,) на ЦВМ./ Сб.: ”Проблемы надежности систем управления”, Наукова думка, Киев, 1973, с. 66-69.

4. Мараховский Л.Ф. Вопросы проектирования элементарных схем памяти Механизация и автоматизация управления. - К., 1980. - № 3.- Деп в УкрНИИНТИ.

5. Мараховский Л.Ф. Дискретные устройства с многофункциональной организацией памяти / Киевский институт народного хозяйства. - Киев, 1987.- 244 с. Деп. в УкрНИИНТИ. 30.12.87, № 3346 - Ук 87.

6. Мараховский Л.Ф. Концепция построения параллельных компьютерных систем: от схем автоматной памяти до полиграммных устройств // Труды международного симпозиума по истории создания первых ЭВМ и вклад европейцев в развитие компьютерных технологий - К.: «Феникс» УАННП, 1998. - С. 274-281.

7. Мараховский Л.Ф. Многоуровневые устройства автоматной памяти. І ч. Киев: УСиМ. - №1.- 1998.- С. 66-72

8. Мараховский Л.Ф. Многоуровневые устройства автоматной памяти. ІІ ч. Киев: УсиМ. - №2. - 1998. - С. 63-69

9. Мараховский Л.Ф. Многофункциональные схемы памяти. - Киев: УСиМ - № 6.-!996.- С. 59-69

10. Мараховский Л.Ф. Основы теории проектирования дискретных устройств. Логическое проектирование дискретных устройств на схемах автоматной памяти: монография. - Киев: КГЄУ, 1996.-128 c.

11. Мараховский Л.Ф. Устройства вычислительных машин с многофункциональной системой организации памяти: Учеьн. пособие, - К.: УМК ВО, 1992. - 56 с.

12. Мараховский Л.Ф., Байтлер В.И. Некоторые вопросы теории схем памяти типа R-S/ Электроника и моделирование, 1977. - №16. - С 53-57.

13. Мараховский Л.Ф., Воеводин С.В., Михно Н.Л., Шарапов А.Д. Имитационное моделирование цифровых логических схем и учебный процесс. / Доповідь на Другій Міжнародній конференції "Нові інформаційні технології в освіті для всіх: стан та перспективи розвитку"21-23 листопада 2007 Київ, Україна - С. 268-275.

14. Мараховский Л.Ф., Михно Н.Л. Математические основы многофункциональных автоматов 1-го и 2-го рода и автоматов 3-го рода. - М.: «Академія Тринитаризма», Эл№77-6567, пул.14296. 17.03.07. -36 с.

15. Мараховский Л.Ф., Чечик А.Л. и др. Пути познания закономерностей процессов эволюции сложных систем (Поиск и оценка выбора эффективных решений и автоматы 3-го рода): коллективная монография.- Одесса: ООО «Институт креативных технологий», 2012. -- 282 с.

16. Мараховський Л. Ф., Михно Н.Л. Определение входных слов элементарных многофункциональных схем автоматной памяти. Збірник наукових праць ДЕТУТ, Серія «Транспортні системи і технології», 2009, Вип. 14. - С. 139-151.

17. Мараховський Л.Ф. Концепція побудови паралельних комп'ютерних систем: від схем автоматної пам'яті до поліграмних пристроїв.// Праці міжнародного симпозіуму з історії створення перших ЕОМ та внеску європейців в розвиток комп'ютерних технологій - К.: «Феникс» УАИНП, 1998. - С. 274-281.

18. Мараховський Л.Ф., Воеводін С.В., Міхно Н.Л. Шарапов А.Д. Комп'ютерна схемотехніка: практикум для бакалаврів спец. «Інтелектуальні системи прийняття рішень».- Київ: КНЕУ, 2009. -245 с.

19. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л. Електронна обчислювальна машина. - Патент. Зареєстровано в Державному реєстрі патентів України на корисні моделі № 34167 від 25 липня 2008 р. - (51) МПК (2006) G06F 17/00 - Бюл. 14. 10 с.

20. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л. Елементарні багатофункціональні схеми автоматної пам'яті. / Збірник наукових праць ДЕТУТ, Серія «Транспортні системи і технології», 2008, Вип. 13. - С. 229-241

21. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л. Мікропрограмний пристрій керування. Патент. Зареєстровано в Державному реєстрі патентів України на винахід № 87871 від 28. 08 2009 р. - (51) МПК (2009) G06F 9/00 - Бюл. 16. - 6 с.

22. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л. Определение входных слов элементарных многофункциональных схем автоматной памяти. / Збірник наукових праць ДЕТУТ, Серія «Транспортні системи і технології», 2009, Вип. 14. - С. 139-151.

23. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л. Структурний автомат. - Патент.-Зареєстровано в Державному реєстрі патентів України на корисні моделі № 25816 від 27 серпня 2007 р. - (51) МПК (2006) G06F 1/00 - Бюл. 13.- 12 с.

24. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л. Схема пам'яті. - Патент. - Зареєстровано в Державному реєстрі патентів України на корисні моделі № 29581 від 25 січня 2008 р. - (51) МПК (2006) G05B 11/42 -Бюл. 2. - 14 с.

25. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л. Схема пам'яті. - Патент. - Зареєстровано в Державному реєстрі патентів України на корисні моделі № 29582 від 25 січня 2008 р. . - (51) МПК (2006) G05B 11/42 -Бюл. 2. - 10 с.

26. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л. Теория построения потенциальных элементарных схем автоматной памяти. - «Академія Тринитаризма», М., Эл№77-6567, пул.14508. 16.07.07. - 19 с.

27. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л., Гавриленко В.В. Математичні основи цифрових автоматів третього роду. - Вісник Національного транспортного університету. - Ч.2. - К.: НТУ.- Випуск 17, 2008. - С 329-335.. - 14 с.

28. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л., Зайцев О.В., Гавриленко В.В. Структурний синтез автоматів для одночасної обробки загальної та окремої інформації / Науковий вісник національного університету біоресурсів і природокористування України. - К., 2009 р. - Вип. 139. - С. 114-120

29. Мараховський Л.Ф., Міхно Н.Л., Погребняк В.Д. Схема пам'яті. - Патент. Зареєстровано в Державному реєстрі патентів України на корисні моделі № 34166 від 25 липня 2008 р. - (51) МПК (2006) Н03К 29/00 - Бюл. 14. -12 с.

30. Михно Н.Л. Способы построения реконфигурируемого процессора на «элементном» уровне / Збірник наукових праць ДЕТУТ, Серія «Тран-спортні системи і технології», 2011, Вип. 18. - С. 84-94.

31. Справочник по цифровой вычислительной технике: (процессоры и память) / Б.Н.Малиновский, Е.И.Брюхович, Е.Л.Денисенко и др. / Под ред. Б.Н.Малиновского. - К.: «Техніка», 1979. - 366 с.

Размещено на Allbest.ur