Введение к работе
Актуальность проблемы. Растущие требования к быстродействию и точности вычислительных средств, предназначенных для управления летательными аппаратами, определяют поиск новых путей для их удовлетворения.
В последнее время все большее распространение получзют распределенные вычислительные системы с массовым параллелизмом (МРР-системы). Главной проблемой паралельных вычислений является проблема синхронизации вычислительных процессов внутри системы. В многопроцессорных вычислительных системах принципиально возможны три вида синхронизации: "жесткая", глобальная синхронизация, самосинхронизация^ частности по потоку данных) и асинхронные вычисления. Первый вид - это глобальная синхронизация (синхронизация с внешним синхрогенератором). В этом случае обмен информации между процессорными элементами (ПЭ) системы возможен только в строго определенные моменты времени, которые задаются синхрогенетратором или системным контроллером. Этот способ оправдывает себя при сравнительно небольшом числе ПЭ или в узкоспециализированных (систолических) сетях ПЭ. Существенным недостатком таких систем является неудовлетворительная наращиваемость или расширяемость. Частично эта проблема решается использованием самосинхронизации по потоку данных (или запросов). В этом случае обмен информации между ПЭ осуществляется по мере готовности данных. Если нужных данных нет, то ПЭ находится в состоянии ожидания.
При эксплуатации вычислительных систем, имеющих глобальную синхронизацию или самосинхронизацию было обнаружено, что существует критическое число одновременно работающих ПЭ, остальные ПЭ простаивают в ожидании данных. Производительность не увеличивается при росте числа ПЭ в вычислительной системе. Более того,затраты на синхронизацию могут привести к снижению производительности при увеличении числа ПЭ.
Для того- что—бы избежать этих негативных последствий., можно воспользоваться асинхронными вычислениями. При асинхронных вычислениях ПЭ работают циклически, независимо друг от друга. Простои из-за ожидания данных исключены. В начале каждого цикла счета ПЭ берет те данные, которые имеются у него на текущий момент времени. Если новых данных нет, то он использует старые. Хотя существует теория асинхронных вычислений, которая используется при
решении систем линейных и нелинейных уравнении, краевых задач итерациоными
методами, асинхронные вычисления пока не нашли широкого применения в системах управления, работающих в масштабе реального времени.
Целью данной работы является исследование асинхронной организации вычислений в многопроцессорных вычислительных сетях, разработка методов и средств оценки их эффективности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- проведен анализ возможности различных способов синхронизации
вычислений в бортовых вычислительных системах, на основе которого определено
место асинхронных вычислений в иерархической бортовой вычислительной сети;
разработана обобщенная сетевая математическая модель асинхронной вычислительной системы, позволяющая формально описывать различные способы организации асинхронных вычислений и архитектуры асинхронных сетей;
проведено исследование временных задержек в асинхронных сетях ПЭ, которое позволило получить предельные оценки временных параметров асинхронной сети ПЭ;
сделан анализ дополнительных временных задержек, возникающих в асинхронных конвейерах;
исследовано изменение области устойчивости системы управления при введении асинхронных вычислений;
- разработаны общие критерии (достаточные условия) устойчивости
асинхронных систем управления, ориентированные на обобщенную сетевую модель
асинхронных вычислений;
- разработана методика определения влияния асинхронност на качестве
управления системы управления, путем определения индекса изменения качества
системы управления;
используя индекс изменения качества, исследовано поведение стандартных звеньев систем управления при типовых воздействиях npv асинхронной организации вычислений;
Методы исследования. Решение перечисленных задач базируется нг использовании математического аппарата и основных результатов теории графов теории вероятностей и математической статистики, теории сходимости численны; методов, линейной алгебры, теории регулирования, на изучении и обобщения опыт;
разработки и отладки программ распределения ресурсов в многопроцессорных вычислительных системах.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
метод асинхронной организации вычислений в сетях ПЭ, работающих в реальном времени;
-
метод определения задержек в асинхронных сетях ПЭ;
-
метод определения устойчивости асинхронных систем управления;
-
метод оценки влияния асинхронности на качество управления;
5) метод распределения ресурсов в многопроцессорной вычислительной
системе.
Достоверность полученных теоретических результатов работы подтверждается корректностью использования математического аппарата, согласованностью исходных предположений с выводами, полученными при стендовых испытаниях асинхронной вычислительной системы вертолета.
Практическая ценность и реализация результатов работы. В ходе работы над диссертацией были исследованы возможные способы организации вычислений в гетерогенных распределенных бортовых вычислительных системах, сформулированы требования к синхронизации вычислительных процессов.
Разработанные в диссертации теоретические основы асинхронной организации вычислений позволяют эффективно решать в реальном масштабе времени функциональные задачи управления летательным аппаратом в вычислительных системах с высокой степенью параллелизма.
Разработан и отлажен программный инструментарий для комлектации асинхронной бортовой вычислительной системы функциональными задачами управления ЛА.
Результаты диссертационной работы внедрены и используются в ОКР, ведущихся по двум темам. Внедрение созданных методов позволило повысить эффективность и производительность, надежность и живучесть бортовых вычислительных систем за счет асинхронной организации вычислений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на шести научно-технических конференциях и семинарах:
III Российско-китайский семинар. Красноярск,1994.
Межвузовская научно-техническая конференция ДНДС-95. Чебоксары, 1995.
Международный научно-технический семинар "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях." Рязань, 1995.
Всероссийская научно-техническая конференция "Вычислительные системы бортового базирования -95", Москва, 1995.
Научно-техническая конференция "Высокопроизводительные
вычислительные системы двойного применения для цифровой обработки сигналов и распознавания образов", Москва, 1996.
Международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления и обработки информации", Алушта, 1996.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано двенадцать печатных работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения и 6 приложений, содержание которых изложено на 135 страницах, содержит 20 рисунков, 9 таблиц, список литературы на 75 наименований.
