Введение к работе
Актуальное г ь проблемы.
Современный этап развития вычислительной техники характеризуется следующими двумя основными тенденциями. Это во-первых, децентрализация вычислительных средств, остро ставящая вопросы организации взаимодействия структурных объектов (модулей) вычислительных систем. Во-вторых, рост степени схемотехнической интеграции, существенным образом изменяющий ' требования к средствам информационного обмена ввиду изменений соотношений временных и конструктивных параметров объектов, их внутренних и внешних связей.
Значительно повышается уровень требований к методам анализа и синтеза средств взаимодействия объектов.
При построении ' распределенных вычислительных сред, включающих значительное число модулей обработки данных, на-первое место выдвигается организация их эффективного и корректного взаимодействия.
.. В рамках проблематики взаимодействия большое значение имеет решение вопросов логической состоятельности применяемых механизмов координации взаимодействия модулей. Корректность вычислительных процессов определяет допустимый характер взаимодействия между процессами в системе и накладывает определенные ограничения на структуру отношений между вычислительными операциями. Эти ограничения сказываются как при разработке алгоритмов и программ, реализуемых в многопроцессорных системах, так и яри проектировании архитектуры вычислительных Устройств параллельной обработки информации.
Упомянутые выше вопросы являются объектами исследования, по крайней мере, двух научных дисциплин: теории систем массового обслуживания и теории взаимодействующих процессов. Обе эти теории достаточно развиты, и имеются впечатляющие примеры их применения. Например, исследования в теории взаимодействующих процессов позволили разработать язык ОК-КАМ, а методы теории сетей массового обслуживания используются при вычислении характеристик реальных сетей ЭВМ.
В последнее время специалисты в. различных областях проявляют постоянно усиливающийся интерес к относительно новому научному направлению под названием теория дискретно-событийных систем (discrete event driven systems'- ДСС). Наиболее распространенным определением ДСС является ее понимание как динамической системы с дискретным пространством состояний и кусочно-постоянной фазовой траекторией. В рамках этого определения разработано большое количество моделей. Однако каждая их них, используя свои средства описания и анализа динамических объектов, не охватывает многих важных для приложений задач. К их числу принадлежат вопросы, связанные с построением управляющих пространств для асинхронных-многокомпонентных процессов, развивающихся в возбудимых однородных средах. Они составляют содержание исследований области распределенных вычислений в рамках так называемой "волновой идеологии" решения многих практически важных задач, которым в настоящее время уделяется практическое внимание многих специалистов,
Волновая методология в применении к совокупности взаимодействующих активностей -далека от полной формализации, поскольку построение адекватной модели в виде какого-либо пространства-структуры остается еще больше искусством, ' чем наукой.
Накош-иось много примеров физических, химических и биологических систем, в которых из хаотических состояний возникают высокоупорядоченные пространственно-временные структуры. Что в нихі>'общего? Какие аналогии возможны между структурами и процессами систем различного типа? Каковы их свойства? Ряд авторов привлекает для ответа на поставленные вопросы так называемый клеточно-автоматный подход, наглядно демонстрируя его фундаментальное значение решением узловых проблем моделирования реальности. В . этой связи нельзя не упомянуть о работах Н.Винера, А.Тьюринга,Дж. фон Неймана. Однако только в самые последние годы..в процессе осознания фундаментальной моделирующей роли клеточных автоматов произошел подлинный прорыв. Это осознание связано, в частности.
с последними работами Р. Фейнмана, а также С. Уолфрэма и некоторых других авторов, "которые взглянули на физические теории с алгоритмической точки зрения".
Сказанное позволяет считать актуальными исследования в области теории и практики построения асинхронных вычислительных сред с волновым принципом формирования управляющего пространства.
Целью' работы является совершенствование организации вычислительного процесса в двумерных клеточных средах с распределенной памятью и волновым принципом взаимодействия клеточной среды, а также в получении соответствующих рекомендаций, по аппаратно-программной поддержке дисциплины асинхронного взаимодействия.
Достижение поставленной цели, предусматривает решение следующих задач:'
1.' Исследование вопросов формального описания автоволнового процесса, развивающегося в однородных клеточных средах.
2. Анализ характеристических свойств автоволнового процесса. .
3.Выработка предложений по функциональной организации вычислительной системы, включающей центральную ЭВМ и клеточную среду.
4.Разработка программной модели элемента клеточной среды, механизма реализации асинхронного взаимодействия между элементами.'
М етоды исследования базируются на общей теории автоматов, теории алгебраических систем и коночных множеств, теории графов и сетей . используют результат теории самосинхронных схем' . систолических структур, формальные модели поведения-дискретных систем, а также накопленный к настоящему времени опыт проектирования асинхронных цепей.
Н а у ч н а я новизна проведенных исследований состоит в :
1) разработке моделей автоволнового процесса, развивающегося в однородных клеточных средах;
-
выявлении характеристических свойств автоволнового процесса на базе модели фазовых потоков;
-
установлении свойств недетерминированного развития волнового процесса и их влияния,на поведение клеточных сред;
-
разработке функциональной организаций вычислительной системы, программной модели элемента клеточной среды, механизма реализации локальных, правил асинхронного взаимодействия между элементами. .
Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:
сформулированы локальные правила взаимодействия клеток в пространстве по управлению двумерной клеточной среды в терминах значений фазовой переменной,позволяющие организовать и поддерживать автоволновой процесс в среде; :
разработаны процедуры формирования обобщенной волновой поверхности и декомпозиции последней, позволяющие получить спектр волновых поверхностей одиночных волн;
введены группы команд,выполняемые процессорами обработки данных клеток на каждом этапе работы вычислительной системы;определены форматы команд и их операционная семанти-. ка;предложены структуры данных в виде слов произвольной, "но конечной длины и процедуры их отображения в нелинейные структуры данных на клеточной среде.
Ап/обация рабаты. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на:
-городском семинаре "теория автоматов" секции вычислительной техники НТО РЭС им.А.С.Попова,Санкт-Петербург, 1992г.
- научно-технических конференциях профессорско-препода-
вательскбго состава СПбГЭТУ, 1993-1995гг. .
Реализация результатов. Результаты работы использовались:
при выполнении НИР по линии Института моделирования и интеллектуализации сложных систем (программно реализованы модели поведения отдельных клеточных автоматов),
на кафедре Вычислительной техники ЭТУ при выполнении госбюджетной НИР "Теория и методы моделирования сложных систем и информационных процессов".
- при разработке и внедрении отдельных модулей автоматизированной системы управления предприятием на лоот "Октябрьский электровагоноремонтный завод". .
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 2 печатных работах.одна из которых написана в соавторстве.
Структура и об-ъем работы .Диссерта-. ция состоит из введения,четырех глав с выводами, заключения, списка литературы . включающего 107 наименований , и одного приложения. Основная часть работы изложена на 110 страницах машинописного текста. Работа содержит 56 рисунков и 9 таблиц.