Введение к работе
Актуальность работы. Создание современных средств автоматизации управления осноиано на постоянно развивающихся принципах построения системно-ориентированной приборной продукции, включающих: интеллектуализацию средств автоматики, открытость систем по программам и аппаратуре, использование сетевой архитектуры различной конфигурации, введение распределенности и децентрализации обработки информации, реализацию новых информационных технологий. Мультимикроконтроллеры (ММК), являющиеся объектом исследований в данной работе, представляющие дискретную микро-контроллерную сеть для реализации сложных логических алгоритмов параллельно-последовательной структуры, удовлетворяют указанным принципам и находят широкое применение в управлении. Однако расширение сферы использования современных средств автоматизации приводит к постановке новых задач при разработке мультимикроконтроллерных устройств.
'Гак, важнейшими требованиями к управляющим устройствам ответственного применения являются отказоустойчивое! ь и безостановочность (не-прсрышюсть) их функционирования в условиях отказов. Обеспечение непрерывной работы мульгимикроконтроллсра в условиях отказов возможно, если мулы «микроконтроллер (МК) самостоятельно, без управлення извне, оперативно рсконфигурлруст структуру, перенастраивает работоспособные микроконтроллеры и восст^ааиливает функционирование с требуемой точки управляющего процесса. Быстрое выполнение указанных процедур достигается при их аппаратурной (программчо-нсзааиснмоП) реализации.
Аппаратурные средства обеспечения отказоустойчивости для сохранения огкрытости мультимпкроконтроллсра (прежней структуры связей, масштабируемости, гибкости) должны также как и исходный мультимикрокоіггроллер иметь распределенную и децентрализованную структуру обработки данных о состояниях микроконтроллеров. Существующие методы обеспечения отказоустойчивости управляющих систем не позволяют организовать оперативные распределенные однородные средства реконфигурации и перенастройки муль-
4 тимикроконтроллера. В связи с этим актуальной является задача разработки аппаратурных средств обеспечения опсазоустойчивостн, сохраняющих все прежние положительные качества исходного мультимикроконтроллера.
Результаты исследований кооперативной деятельности (синергетики) элементов неравновесных систем любой природы (физика, химия, биофизика, биология и т.д.) по образованию новой структуры после разрушения прежней показывают на принципиальную возможность построения устройства обеспечения отказоустойчивости (своеобразного интеллектуального слоя) мультимикроконтроллера на принципах самоорганизации. При использовании синер-гетического подхода под структурой мультимикроконтроллера понимается упорядоченность элементов-микроконтроллеров и элементов - программных модулей (ПМ), реализующих частные алгоритмы управления. А самоорганизация сводится к образованию маршрутов перемещения программных модулей (программопереноса) от источника неравновесности (отказавшего элемента) к источнику притяжения программных модулей (резервному элементу) и настройке микроконтроллеров, находящихся на маршруте программопереноса. Устройство самоорганизации (самоорганизующая оболочка) должно представлять автоматную сеть клеточного автомата программопереноса и настройки м икроконтроллеров.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов, алгоритмов, устройств самоорганизации программопереноса мультимикроконтроллера, обеспечивающих высокие значения отказоустойчивости и корректирующей способности при сохранении масштабируемости и непрерывности управления.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Разработка сииергетнческого подхода к самоорганизации мультимих-роконтроллера, отвечающего требованиям к организации обеспечения отказоустойчивости ММК.
-
Разработка методов к алгоритмов клеточной самоорганизации про-граммопсреноса мультимнкрокоіпроллера, реалт>тощих синергетический подход.
-
Построение клеточной самоорганизующей оболочки мультимикро-коїпгроллера, выполняющей клеточные алгоритмы распределенной сети автоматов программопереноса микроконтроллеров.
-
Получение и исследование надежностных и временных характеристик отказоустойчивого мультнмнкроконтроллера с клеточной самоорганизующей оболочкой.
Методи исследования основаны на использовании математического аппарата и методов теории графов, теории конечных автоматов и дискретных систем, теории клеточных автоматов, теории надежности технических систем, теории самоорганизации в неравновесных системах, теории алгоритмов параллельных подстановок.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
-
Разработаны локальные правила поведения клетки для построения траекторий потенциального программопереноса (фазового портрета), позволившие исключить из рассмотрения направлення перемещения программных модулей, приводящие в точки пространства, из которых нет путей дальнейшего движения ПМ.
-
Разработаны локальные правила поведения клетки для формирования траекторий реального переноса программных модулей, позволившие проводить перенастройку микроконтроллеров на маршрутах программопереноса.
-
Разработаны локальные правила устранения конфликта при столкновении фронтов воли переноса программных модулей от различных отказавших микроконтроллеров, обеспечившие построение маршрутов для всех источников волн путем подчинения наиболее приоритетному маршруту.
-
Разработаны системы параллельных подстановок представления клеточных алгоритмов программопереноса, обеспечивающие одновременные вы-
числения потенциальных, реальных перемещений и настройки микроконтроллера в клетках самоорганизующей оболочки.
-
Получены и доказаны соотношения для оценки d-отказоустойчивости и программной избыточности в зависимости от числа направлений трансляционного переноса для замкнутых и разомкнутых структур, позволяющие проводить обоснованный выбор алгоритма для самоорганизующей оболочки.
-
Получены характеристики корректирующей способности и оценки временных потерь на самоорганизацию для разработанных клеточных оболочек и показаны области эффективного использования каждого из разработанных алгоритмов.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в реализации синергетического подхода к построению самоорганизующего слоя мультимнк-роконтроллера, что позволило разработать новые решения по структурно-функциональной организации автомата настройки микроконтроллера клеточной сети самоорганизации и отказоустойчивого масштабируемого мультимик-роконтроллера с распределенным и сосредоточешшм самоорганизующим слоем. Полученные решения могут быть реализованы на СБИС ПЛИС и другой перспективной элементной базе.
Реализация и внедрение результатов в диссертационной работе.
Данная работа выполнена в соответствии с программой ПТ614 "Многопроцессорные ЭВМ с параллельной структурой и системы виртуальной реальности" (приказ министерства общего и профессионального образования Российской Федерации № 572 от 03.03.98 г.) по направленню "Самоорганизующиеся отказоустойчивые многопроцессорные устройства".
Результаты работы внедрены в учебном процессе Курского государственного технического университета по дисциплине "Отказоустойчивые многопроцессорные платформы", в СКБ ПС ОАО "Счетмаш" (г. Курск).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XXV ГАГАРИН-СИ IE ЧТЕНИЯ. Международная молодежная иаучная конференция (г. Мсск&а,
7 1999 г.), 1-я Всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии" "в" науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 1999 г.). Международная конференция "Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации" (г. Ульяновск ,1999 г.), 7-й Всероссийский семинар "Нейроинформптика и ее приложения" (г. Красноярск, 1999 г.), 2-я Всероссийская научно-техническая конференция "Новые информационные технологии и системы" (г. Пенза, 1993 г.), 2-я Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Электроника и информатика- 97" (г. Зеленоград ,1997 г.), Российская научно-техническая конференция "Современные проблемы сварочной науки и техники" (г. Воронеж ,1997 г.), Научно-техническая конференция "Материалы и упрочняющие технологии" (г. Курск, 1998 г.), Международная конференция "Оптико-электронные приборы и устройства в системах управлення в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" (г. Курск, 1997,1999 г.г.). Международная техническая конференция "Медико-экологические информационные гехнолопш-98" (г. Курск ,1998 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы п 29 работах, в том числе в 9 статьях, п 7 тезисах докладов, в 10 доюіадах или их материалах, в 3 патентах на изобретение.
Основные научные положения, выносимые па "защиту:
-
Сннсргстичсский подход к построению самоорганизующего слоя ММК, основанный на самоорганизации процесса программопереноса.
-
Метод, алгоритмы, устройства ретрансляционной самоорганизации, обеспечивающие параллельное формирование мариюутов программопереноса с использованием ретрансляционных виртуальных связей.
-
Метод, алгоритмы, устройства адаптивной самоорганизации, обеспечивающие параллельное построение маршрутов программопереноса с использованием перенастройки направлений приема и передачи программных модулей.
-
Алгоритм и устройство комбинированной самоорганизации, сочетающие особенности адаптивного и ретрансляционного программопереноса.
-
Соотношения по отказоустойчивости, программной избыточности для разработанных методов самоорганизации и результаты их сравнительного анализа.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем диссертации составляет 170 страниц, из них 39 страниц составляют рисунки и графики, 10 страниц - список использованных источников.
