Проблема обґрунтування вибору характеристик електронно-обчислювальних машин реального часу для розв’язання задач керування та обробки даних

Методика являє собою сукупність етапних наказів у вибраній послідовності, відповідно до яких відбувається орієнтація проектування шуканої СЕОМ РЧ, аби надати їй комплекс властивостей (характеристик), дійсно потрібних (на рівні існуючих знань і прийнятих гіпотез) у даній ситуації. Сутність наведеної сукупності орієнтуючих наказів полягає в тому, що в загальному випадку на кожному етапі з множини варіантів рішень для даного етапу вибираються ті варіанти, описувальні характеристики яких задовольняють вимоги, вироблені на попередньому етапі, й з інформаційно-перетворюючих властивостей та функціонального призначення в багатоетапному проектуванні СЕОМ РЧ яких випливають вимоги до множини варіантів рішень для наступного етапу.

У такий спосіб параметри допустимого розв'язання даної задачі породжують вимоги до швидкості обчислень стосовно алгоритмів керування, а ті в свою чергу - вимоги до швидкодій технічних засобів реалізації, далі - вимоги до властивостей структур і т.д.

Оперування методикою має вигляд формально-творчої процедури, коли на кожному етапі проектувальники діють за єдиним планом, застосовуючи формальні елементи (область допустимих значень, ієрархію вимог та пов'язані з ними методи) і удаючись до творчої діяльності (пошуки придатних варіантів рішень, у тому числі пряме винахідництво). Таким чином, реалізація даної методики (як і всього ЗП) у загальному випадку має риси науково-дослідного процесу більшої або меншої складності, що є особливо виразним у нетривіальних ситуаціях розробки та використання СЕОМ РЧ, коли пошуки нових постановок і розв'язків стають визначальними в діяльності проектувальників.

Зрозуміло, що дана методика не є засобом для розв'язання усіх задач, які існують у проектуванні СЕОМ РЧ, наприклад задач проектування інтегральних схем та складання програм, що вимагає своїх методів і мусить проводитися паралельно з використанням методики. При цьому методика охоплює істотний аспект проектування, що є особливо важливим стосовно СЕОМ РЧ і очевидно необхідним для проектування останніх у випадках високовідповідального застосування, коли важливо точно знати, які характеристики дійсно потрібні (а які не потрібні: наприклад щодо того, чи можна знизити вимоги до швидкодії та до якої межі) у даній конкретній ситуації, на забезпечення чого і спрямоване багатоетапне оперування ТЗ, починаючи з вивчення передумов вибору рішень на стадії передпроектування шуканої СЕОМ РЧ. Крім супроводження процесів детального (звичного) проектування, методика відчутно корисна при аванпроектуванні, коли необхідно оперативно і продуктивно (порівняно в короткий термін і з більш ефективним використанням основних вихідних даних) сформувати достатньо реалістичні уявлення про властивості шуканої СЕОМ РЧ, що конкретно потрібні, та про можливості їхнього забезпечення.

У п'ятому розділі розглядаються деякі приклади розв'язання задач на різних етапах застосування методики обґрунтованого вибору характеристик СЕОМ РЧ. Наведені приклади близькі до задач проектування деяких СЕОМ РЧ стосовно практики автора. Їхні постановки мають сенс визначених фрагментів етапних ТЗ, а результати - відповідно сенс придатних (допустимих) варіантів етапних рішень. Приклади підібрані так, щоб вони мали самостійне науково-практичне значення.

Приклад 1. Розглядається одна траєкторна задача (опорна ситуація) для вироблення алгоритму керування рухом об'єктів по типу літака, який потрібно вкласти в деяку СЕОМ РЧ. Дана ситуація є такою. Існує протидія двох об'єктів приблизно одного класу, що рухаються у вертикальній площині, і шуканим розв'язком тут є траєкторія одного з об'єктів (рис. 9). При цьому об'єкт E, що в початковий момент часу знаходиться на початку нерухомої системи координат, рухається по прямій y?0 з постійною швидкістю VE. Разом з E рухається деяка “заборонена зона” для другого об'єкта P, яка має форму чверті кола радіусом R з центром у точці розташування E. У початковий момент часу P знаходиться на тій же прямій правіше об'єкта E на відстані l і може рухатись у верхній півплощині з постійним модулем швидкості VP = VE = V за траєкторіями, що складаються із спряжених дуг кіл радіусом R та спряжених з ними відрізків прямих.

Мета для P полягає у втечі від переслідування E і в зайнятті такого місця на прямій y?0, коли P стає лівіше E на відстані ?, внаслідок чого P із об'єкта, що переслідується, перетворюється на об'єкт, що переслідує. У початковій та в заключній точках траєкторії SP вектор швидкості VP спрямований вздовж осі X. Необхідно знайти таку SP із заданого класу, рухаючись якою і не зупиняючись в “забороненій зоні” (яка є відкритою областю), P досягне своєї мети в мінімальний термін. Тобто для даної постановки необхідно знайти таку SP, довжина якої буде мінімальною.

Вибір виду SP залежить від l. При (3р/2 + 1)R ? l параметри SP визначаються виразами SP =

= 2рR + z; z = Ѕ(l + д - 2рR), а при ?рR ? l < (3р/2 + 1) -- виразами SP = 4бR; б - sinб = (l + д)/4R.

Тобто в першому випадку P рухається назустріч E, а у другому -- пропускає його. Підхід до шукання у другому випадку базується на використанні тієї властивості, що мінімальна траєкторія в заданому класі має мінімальну проекцію на вісь X. Специфіка постановки задачі така, що для її розв'язання використовуються переважно геометричні методи, у зв'язку з чим було доведено декілька тверджень, наприклад: “За умови 2р ? S ? 3р + 2 для фіксованої довжини S = 4г траєкторії P мінімальна проекція ПS буде у тієї траєкторії, що складається з трьох спряжених дуг кола з параметрами

”

Знайдена SP стає вихідною для формування відповідного алгоритму керування рухом об'єкта P у реальному часі.

Приклад 2. Розглядаються два способи (рис. 10, 11) реалізації матричного множення, що входять до множини допустимих варіантів, вибір яких залежить від конкретної ситуації проектування. Вирази для матриці C, що обчислюється за вихідними m-розрядними матрицями A з рядками a та B зі стовпцями b, є такими:

C = A Ч B; ; i, j, l = 1, 2, ... , m.

Перший спосіб орієнтований на використання, наприклад, у ситуації, коли перемноження матриць реалізується у спецпроцесорі, який виконує обчислення в темпі функціонування деякої основної ЕОМ, у тому розумінні, що швидкість переробки інформації в сопроцесорі має відповідати швидкості видачі елементів матриць A і B (та прийому елементів матриці C). Сутність способу (коли розрядність елементів збігається з розрядністю матриць - рис. 10) полягає в конвеєрній організації обчислень сум парних добутків відповідних елементів рядків та стовпців шляхом порозрядних перемножень подвійних кодів з одночасними зсувами і подальшим повним додаванням, у процесі чого утворюються та послідовно упорядковано виводяться елементи матриці C. Реалізація здійснюється у блоках, що складаються зі зсувних лінійок регістрів і суматорів, де рядки по черзі надходять до своїх циклічно замкнутих лінійок, а стовпці - до послідовно з'єднаних загальних лінійок. Спосіб дозволяє в режимі окремого перемноження отримувати результат у тактах ? за час T = 3m2ф, а в режимі потокового перемноження пар матриць - за T = m2ф.

Другий спосіб орієнтований на використання в ситуаціях оперування розрідженими матрицями, особливо коли кількість ненульових елементів K, дії над якими, по суті, визначають результат перемноження, виявляється значно меншою кількості m усіх елементів. Сутність способу полягає в наданні ненульовим елементам матриць A і B індексів, які є порядковими номерами цих елементів, та в оперуванні ними, що передує необхідному оперуванню безпосередньо матричною інформацією (базову схему показано на рис. 11). Спосіб дозволяє (при простій реалізації) зменшити до трьох разів кількість тактів; при комбінованій реалізації, що базується на компактному розміщенні в ЕОМ масиву ненульових елементів, це зменшення може виявитись більш значним.

Приклад 3. Розглядаються два варіанти організації переробки інформації у реальному часі стосовно деякого двоканального комплексу, де в рамках першого каналу здійснюється розв'язання однієї задачі керування, а в рамках другого - однієї задачі обробки даних. Наприклад, стосовно керування рухом об'єкта по типу гелікоптера, що є носієм радіолокаційної або гідроакустичної станції для розпізнавання обстановки. Сутність першого варіанту полягає в поєднанні процесів розв'язання обох задач в єдиній СЕОМ РЧ, що працює в режимі розділення часу, а сутність другого - в розподіленні розв'язання кожної задачі своїми СЕОМ РЧ. Вибір того чи іншого варіанту значною мірою залежить від вимог надійності та економічності в даній ситуації.

У шостому розділі наводяться результати подальшого розвитку ЗП й використання його положень для оцінки обґрунтованості деяких тверджень у теорії проектування. Розглядається постановка, коли метою проектування (передпроектування) є розширення множини R придатних, тобто задовольняючих вимоги ТЗ у вигляді I = I(W(и)), варіантів з розглядуваної множини в характеристиках G = G(V(и)), що спрощено записується так:

Розширення R пов'язане з пошуками не тільки нових варіантів ЕОМ з кращими характеристиками, але й шляхів зниження вимог в I до без втрати функціональних властивостей U, що перетворює варіанти є G з гіршими характеристиками в придатні (для чого мають існувати передумови задачі D), які можна подати фрагментами F (див. рис. 4). Останнє означає появу додаткової мети проектування у вигляді

У контексті це означає перехід від загального ТЗ до низки часткових, виконання вимог яких локалізується у спецпроцесорах, що приводить до більш економічної структури, ніж у випадку з єдиною ЕОМ.

Розглядаються особливості оперування ТЗ на СЕОМ РЧ на рівні проектування алгоритмів стосовно однієї ситуації керування рухом деякого літального апарата, коли нормальний рух траєкторією A (рис. 12) порушується стороннім впливом, внаслідок чого цей рух дезорієнтується в напрямку 0-5. Необхідні визначені коректуючі впливи для “відновлення нормальності” у вигляді руху хоча б траєкторією у напрямку 5-6-7-8-9, що регламентується таблицею (рис. 13), яка є виразом неініціального автомата Мура. Показано, що верифікаційні можливості лише при одному формальному оперуванні (аби уникнути руху неприпустимою траєкторією Bґ) є недостатніми. Тому доводиться удаватись також до змістовної верифікації при установленні дійсно потрібних сигналів керування, в тому числі на стадії передпроектування, де розглядаються, наприклад, базові питання керованості, стабілізації та міцності апарата, і використовувати ці дані як визначальні при проектуванні. У сьомому розділі досліджуються оцінки ЗП до обґрунтування вибору рішень. Показано, що порівняння таких об'єктів, як критеріальний та задачний підходи, у загальному випадку не піддається прямому кількісному оцінюванню. У заключному розділі підбиваються підсумки дисертаційних досліджень.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі проведені дослідження щодо вирішення проблеми обґрунтування вибору характеристик ЕОМ реального часу, яка посідає провідне місце у проектуванні спеціалізованих ЕОМ для використання у високовідповідальних системах керування та обробки даних, і отримані такі основні результати.

1. Розроблено новий розділ теорії обґрунтованого проектування ЕОМ - аванпроектування (передпроектування) спеціалізованих ЕОМ реального часу, що викликано, в першу чергу, потребами головних конструкторів проектів у практично корисному методичному апараті для формування достатньо продуктивних прикидних уявлень про дійсні цілі, можливості та напрямки проектування на базі вихідної інформації про конкретну ситуацію функціонального використання даної СЕОМ РЧ.

2. Розроблено новий метод обґрунтування вибору характеристик ЕОМ, проектованих для направленого використання, - задачний підхід, який базується на першочерговому установленні з подальшими етапними трансформаціями області допустимих значень параметрів розв'язуваних задач за супровідних умов з нижньою межею, що розглядається як вихідне (початкове) технічне завдання на проектування ЕОМ по суті її функціонального призначення.

3. Розроблено конкретизацію задачного підходу - методику аванпроектування спеціалізованих ЕОМ реального часу, яка базується на оперуванні граф-схемою процесу вирішення даної задачі в часі й направлена на послідовне формування релевантних уявлень про шукану СЕОМ РЧ у вигляді вимог до її характеристик, починаючи з визначальних функціональних характеристик і продовжуючи на забезпечувальних технічних характеристиках, що випливають звідси.

4. Розроблено методичні засоби структуризації проектної інформації, що підвищує ефективність обґрунтованого проектування в рамках задачного підходу, включаючи методи передзадач та опорних ситуацій, а також квазілінійний порядок на множині векторів вимог з області допустимих значень до сукупності характеристик, що описують розглядувані варіанти ЕОМ.

5. Розв'язано задачі, які є представниками з циклу обґрунтованого проектування спеціалізованих ЕОМ реального часу, в тому числі пошуки оптимальних алгоритмів керування та пропозиції з відповідними способами переробки матричної інформації відповідно до специфіки використання їх у структурі СЕОМ РЧ і до специфічного виду матриць.

6. Розвинуто уявлення про обґрунтоване проектування та встановлено, що процес надання ЕОМ (СЕОМ РЧ) дійсно потрібних властивостей більш складний, ніж це вважалося раніше й обмежувалося критеріальним підходом, і в загальному випадку обумовлює використання більш тонких методів оперування великим обсягом більш глибокої інформації, що є характерним для задачного підходу.

7. Показано, що в загальному випадку реалізація задачного підходу є складним науково-дослідним процесом у багатоетапній процедурі переходу від образу шуканої СЕОМ РЧ в уяві її користувачів до образу в уяві розробників, де оперування формальними елементами (“допустима область”, “граф-схема”) доповнюється (також у загальному випадку) творчими пошуками придатних насичувальних даних (наскільки це можливо).

8. Показано, що в умовах меншої формалізовності та автоматизовності переходу “від задач до ЕОМ” у порівнянні з переходом “від ЕОМ до задач” зростає роль інтуїції (людський фактор) і що якість проектування в рамках задачного підходу стає суттєво залежною не лише від параметрів ситуації, але й від таланту учасників: від винахідливості у вирішеннях і розумності в постановках (що може привести різних проектувальників до різних результатів при використанні одних і тих же вихідних даних і методичних прийомів).

9. Показано, що складність “не завжди результативного” задачного підходу порівняно з компактним і “завжди результативним” критеріальним підходом служить природною платою за більш високу якість вибору й більшу узагальненість методу за одночасної можливості більш диференційовано реагувати на суттєво відмінні ситуації (що зумовлює перспективу застосування задачного підходу в обґрунтуванні вибору проектних рішень широкої природи).

10. Отримані результати досліджень були використані в більш ніж 15 темах, які виконувалися згідно з постановами директивних органів колишнього СРСР і були спрямовані на створення автоматизованих об'єктів нової техніки; в одній темі, що виконувалася за програмою ЛНА ЧАЕС, і ще в одній, яка була заданою рішенням Президії НАН України й стосувалася розробки методики обґрунтування вибору рішень за задачним підходом.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ ПРАЦЯХ

1. Мороз-Подворчан И.Г. О применении критериев выбора ЭВМ // Кибернетика. - 1983. - № 4. - С. 66-68.

2. Мороз-Подворчан И.Г. Об обосновании выбора ЭВМ // Там же. - 1983. - № 5. - С. 6-9.

3. Мороз-Подворчан И.Г. Об особенностях ЭВМ, работающих в реальном времени // Управляющие системы и машины. - 1986. - № 2. - С. 16-22.

4. Мороз-Подворчан И.Г. О методике обоснованного выбора ЭВМ, работающих в реальном времени // Там же. - 1987. - № 4. - С. 8-12.

5. Мороз-Подворчан И.Г. К вопросу об оптимальном выборе // Кибернетика. - 1988. - № 5. - С. 76-82.

6. Об одной задаче преследования и убегания / С.Ф. Кривой, А.П. Криковлюк, И.Г. Мороз-Подворчан и др. // Кибернетика и системный анализ. - 1992. - № 3. - С. 38-44.

7. Мороз-Подворчан И.Г. К проблеме обоснования выбора характеристик ЭВМ реального времени для решения задач управления и обработки данных // Управляющие системы и машины. - 1995. - № 6. - С. 44-51.

8. Мороз-Подворчан И.Г. Формирование технического облика специализированных ЭВМ реального времени на основе задачного подхода // Там же. - 1996. - № 4/5. - С. 68-74.

9. Мороз-Подворчан И.Г. О задачном подходе к обоснованию выбора характеристик проектируемых ЭВМ // Доп. НАН України. - 1995. - № 8. - С. 76-77.

10. Мороз-Подворчан И.Г. О методе опорных ситуаций в обосновании выбора решений // Там же. - 1996. - № 7. - С. 61-63.

11. Мороз-Подворчан И.Г. Об одном сопроцессоре переработки матричной информации // Управляющие системы и машины. - 1998. - № 1. - С. 93-95.

12. Мороз-Подворчан И.Г. Об особенностях составления ТЗ на проектирование специализированных ЭВМ // Там же. - № 5. - С. 56-59.

13. Мороз-Подворчан И.Г. О методе предзадач в обоснованном проектировании специализированных ЭВМ // Там же. - 1999. - № 2. - С. 47-49.

14. Мороз-Подворчан И.Г. Об использовании методов задачного подхода при оценках производительности многопроцессорных ЭВМ // Там же. - № 5. - С. 14-15.

15. Мороз-Подворчан И.Г. Об ограниченных возможностях сравнительных оценок методов выбора решений в проектировании ЭВМ // Там же. - 2000. - № 3. - С. 56-58.

16. Мороз-Подворчан И.Г. О начальном этапе обоснованного проектирования ЭВМ в рамках задачного подхода // Кибернетика и системный анализ. - 2000. - № 2. - С. 174-179.

17. Мороз-Подворчан И.Г. Об особенности обоснования выбора решений для двух направлений проектирования ЭВМ // Доп. НАН України. - 2000. - № 4. - С. 94-97.

18. Мороз-Подворчан И.Г. О многоэтапной процедуре обоснованного выбора характеристик проектируемых ЭВМ // Там же. - № 5. - С. 96-101.

19. Мороз-Подворчан И.Г. Об одном порядке на множестве проектных требований к характеристикам специализированных ЭВМ // Там же. - 2001. - № 9. - С. 93-95.

20. Мороз-Подворчан И.Г. Об одном ограничении автоматизируемости процесса проектирования вычислительных систем реального времени // Там же. - № 12. - С. 62-65.

21. Мороз-Подворчан И.Г. Об одном способе перемножения разреженных матриц // Управляющие системы и машины. - 2002. - № 5. - С. 13-15.

22. Мороз-Подворчан И.Г. Об одном ситуационно-структурном подходе к аванпроектированию специализированных ЭВМ // Доп. НАН України. - 2003. - № 2. - С. 67-70.

23. Мороз-Подворчан И.Г. Об особенностях верификации при оперировании техническими заданиями на проектирование специализированных ЭВМ // Там же. - № 8. - С. 65-69.

АНОТАЦІЇ

Мороз-Подворчан І.Г. Проблема обґрунтування вибору характеристик ЕОМ реального часу для розв'язання задач керування та обробки даних. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.13 - обчислювальні машини, системи та мережі. - Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, Київ, 2005.

Досліджено проблему обґрунтування вибору проектних рішень. Розроблено задачний підхід до обґрунтованого вибору характеристик спеціалізованих ЕОМ реального часу, що підвищує якість проектування. Результати досліджень були ефективно використані при проектуванні низки різних автоматизованих об'єктів нової техніки, що функціонують у реальному часі. Загальні положення задачного підходу можуть бути поширені на області обґрунтування вибору проектних рішень широкої природи, включаючи складноорганізовані системи.

Ключові слова: область допустимих значень параметрів, ієрархія вимог до ЕОМ, багатоетапне проектування ЕОМ реального часу.

Мороз-Подворчан И.Г. Проблема обоснования выбора характеристик ЭВМ реального времени для решения задач управления и обработки данных. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.13 - вычислительные машины, системы и сети. - Институт кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертационные исследования, ориентированные на разработку актуального раздела теории обоснованного проектирования ЭВМ - аванпроектирования (предпроектирования) специализированных ЭВМ реального времени, - привели к таким основным результатам. Получено решение проблемы обоснования выбора характеристик ЭВМ реального времени, занимающей центральное место в проектировании специализированных ЭВМ для встраивания в высокоответственные системы управления и обработки данных.

Разработан более эффективный, чем критериальный, задачный подход к обоснованию выбора вариантов проектных решений, отображающий постепенный переход от представлений об искомой ЭВМ в функциональных характеристиках, которые устанавливаются пользователями, к представлениям в обеспечивающих технических характеристиках, получаемых разработчиками (насколько это удается). Подход базируется на первоочередном формировании и последующих этапных трансформациях области допустимых значений параметров решаемых задач, которая служит развернутым ТЗ на проектирование, более информативным, чем сосредоточенное ТЗ критериального вида.

Разработана методика обоснованного проектирования (выбора целей, средств и направления проектирования) на начальных (задающих) этапах, являющаяся конкретизацией задачного подхода применительно к специализированным ЭВМ и базирующаяся на составлении и этапных насыщениях проектными данными граф-схемы переработки управляющей информации в ЭВМ во времени, что интерпретирует процессы решения данных задач управления в автоматизируемых системах.

Детализация задачного подхода выразилась в разработке связанных с повышением качества составления и выполнения ТЗ положений, включая методы предзадач и спорных ситуаций, а также квазилинейный порядок на множестве векторов требований к характеристикам проектируемых ЭВМ. Кроме того, рассмотрены конкретные задачи, иллюстрирующие применение методики аванпроектирования специализированных ЭВМ реального времени на этапах. Выбранные задачи - одна траекторная задача, задачи переработки матричной информации, одна задача двухканальной переработки информации - также имеют самостоятельное научно-практическое значение.

В целом основной тезис задачного подхода, особенно важный в случае специализированных ЭВМ, состоит в утверждении, что более обоснованное (с меньшими потерями релевантной информации) проектирование данной ЭВМ должно начинаться в сфере ее предполагаемого использования и продолжаться в сфере ее непосредственной разработки с рас-смотрением бульшего числа подходящих вариантов постановок и решений, что в значительной степени зависит от человеческого фактора. И хотя по сравнению с компактным и “всегда результативным” критериальным подходом “не всегда результативный” задачный подход, реализация которого в общем случае является, по сути, научно-исследовательским процессом, выглядит ощутимо громоздким, такую сложность следует считать необходимой платой за более высокий уровень обоснованности результатов проектирования. Полученные результаты были использованы в первую очередь при выполнении ряда директивно заданных тем, направленных на создание автоматизированных объектов новой техники, которые функционируют в реальном времени. Общие положения задачного под-хода распространимы на обоснование выбора проектных решений широкой природы, в том числе в области различных сложноорганизованных систем.

Ключевые слова: область допустимых значений параметров, иерархия требований к ЭВМ, многоэтапное проектирование ЭВМ реального времени.

Moroz-Podvorchan I.G. The problem of substantiation of the parameters choice towards real-time computers for control and date processing. - Manuscript.

Thesis for doctor's degree by speciality 05.13.13 - computers, systems and networks. The Institute of Cybernetics named after V.M. Glushkov of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2005.

The problem of substantiation of the designed decisions choice is investigated. A comprehensive approach is elaborated to substantiation of the choice of special real-time computers parameters which raises quality of designing

The obtained results were efficiently used in a number on some projects concerning the different automatized objects of new technics functioning in real time.

Some general thesises of the comprehensive approach also can be used in substantiation of the project decisions choice in the broad sense including systems with complex structure.

Key words: domain of permissible values of parameters, hierarchy of requirements, multilevel designing of real-time computers.

Размещено на Allbest.ru