Методы и средства автоматизированного сопряжения функциональных узлов и блоков в приложениях для реконфигурируемых вычислителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Раскладкин, Максим Константинович

• Раскладкин, Максим Константинович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Раскладкин, Максим Константинович

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ПОСТРОЕНИЯ МАСШТАБИРУЕМЫХ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

1.1 Методы и средства создания масштабируемых параллельных программ для многопроцессорных систем.

1.2 Архитектура реконфигурируемых вычислительных систем.

1.3 Методы и средства создания масштабируемых программ для реконфигурируемых систем.

1.4 Принципы создания средств масштабирования интерфейсов и вычислительных компонент. '

1.5 Выводы.

2 МЕТОДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНВЕЙЕРНЫХ БЛОКОВ В ПРИЛОЖЕНИЯХ ДЛЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ.

2.1 Основные параметры конвейерных вычислительных блоков.

2.2 Интерфейс последовательного взаимодействия конвейерных вычислительных блоков.

2.3 Интерфейсы конвейерных вычислительных блоков при произвольных ( параметрах распараллеливания.

2.4 Синхронизация информационных потоков для конвейерных схем.

2.5 Выводы.

3 МЕТОДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОЦЕДУРНЫХ БЛОКОВ В ПРИЛОЖЕНИЯХ ДЛЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ.

3.1 Необходимость реализации в структуре ПЛИС процедурных блоков обработки информации.

3.2 Сопряжение процедурных блоков.

3.3 Методы сопряжения конвейерных и процедурных вычислительных блоков.

3.4 Выводы.

4 СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СОПРЯЖЕНИЯ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ И УЗЛОВ ДЛЯ ПРИЛОЖЕНИЙ РВС.

4.1 Синхронный интерфейс.

4.2. Асинхронный интерфейс.

4.3. Интерфейс загрузки конфигурационных файлов в ПЛИС.

4.4. Интерфейс сопряжения с управляющей host-машиной.

4.5. Программа модернизации интерфейсов.

4.6. Программа обслуживания библиотек.

4.7. Применение средств автоматизированного сопряжения функциональных блоков и узлов для приложения РВС.

4.8. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства автоматизированного сопряжения функциональных узлов и блоков в приложениях для реконфигурируемых вычислителей»

Применение вычислительных систем, в первую очередь, определяется качеством прикладных программ (приложений) для них. Даже для широко распространенных однопроцессорных персональных компьютеров и рабочих станций реальная производительность вычислительных устройств при выполнении прикладных программ значительно снижается по сравнению с декларируемой пиковой производительностью. Это связано с неэффективностью организации вычислительного процесса, медленным обращением к оперативной памяти, скорость доступа к которой в последние годы значительно меньше, чем скорость выполнения операций над операндами с плавающей запятой.

В области высокопроизводительных параллельных систем ситуация осложняется еще больше: реальная производительность при выполнении расчетоемких прикладных программ может снижаться на два десятичных порядка [1]. При выполнении прикладных программ на многопроцессорных системах существенное влияние на реальную производительность оказывает коммутационная система информационных связей между процессорами. Известно, что скорость доступа к данным, расположенным в соседнем процессоре, может быть до 3-х десятичных порядков ниже, чем скорость обращения к собственным данным [2, 3]. Кроме того, необходимо обеспечить синхронизацию вычислительных процессов, выполняемых в различных процессорах [4, 5]. Это приводит к росту накладного времени, необходимого для организации параллельного вычислительного процесса [6].

Большинство параллельных программ для многопроцессорных систем с традиционной архитектурой создаются как множество последовательных вычислительных процессов, каждый из которых реализуется на отдельном процессоре [7]. Для информационной связи между процессорами при решении задачи создаются отдельные процедуры межпроцессорных обменов. Как правило, такие процедуры разрабатываются для определенной конфигурации многопроцессорной системы, поэтому при наращивании вычислительного ресурса необходимо существенно перерабатывать исходный текст параллельной прикладной программы. Автоматическое распараллеливание последовательных программ для ряда архитектур многопроцессорных систем неэффективно и приводит к значительному падению реальной производительности [2, 8, 9].

В этой связи более целесообразно использовать средства масштабирования параллельных прикладных программ [10], которые позволяют реализовывать прикладную программу для различных конфигураций многопроцессорных систем.

Масштабирование прикладных программ в настоящее время достаточно широко используется программистами при решении задач различных предметных областей для многопроцессорных систем с традиционной архитектурой. Для таких приложений широкое распространение получили модели параллелизма, ориентированные на многопроцессорные вычислительные системы кластерного вида, которые представляют собой множество процессоров с собственной локальной памятью, связанной с коммутационной средой [11,12].

Большинство методов и средств создания масштабируемых параллельных программ для распространенных типов вычислительных систем основывается на введении в исходный код параллельных программ параметров масштабирования, которые изменяются на этапе компиляции программ (в некоторых случаях на этапах исполнения) для вычислительного ресурса, на котором будет выполняться программа. Наиболее часто используемыми при построении прикладных программ на основе передачи сообщений являются коммутационные библиотеки на основе стандарта MPI (Message Passing Interface) [13]. Данный стандарт, разработанный в 1993 году, более пятнадцати лет является базовым средством для создания приложения для многопроцессорных вычислительных систем (МВС).

В то же время все разработанные методы и средства синтеза масштабируемых параллельных прикладных программ, доведенные до уровня стандартных решений, ориентированы на мультипроцедурную организацию вычислений, когда параллельная прикладная программа представляет собой множество взаимосвязанных последовательных процессов, каждый из которых реализуется на отдельном процессоре или процессорном элементе [14, 15].

Для других типов организации вычислений, которые потенциально обладают более высокой реальной производительностью [16, 17], стандартные средства масштабирования параллельных прикладных программ применить практически невозможно. К числу устройств подобного типа относятся: графические ускорители [18], мультитредовые многоядерные процессоры [19] и реконфигурируемые вычислительные системы [20].

Долгое время считалось, что процессоры и процедуры, последовательно выполняемые на них, образуют единственную возможность создания аппаратно-программных средств вычислительных систем [21, 22]. Появление программируемых логических интегральных микросхем (ПЛИС) кардинально изменило данную ситуацию, обеспечив возможность создания аппаратно-программных средств принципиально новым образом. Вычислительные системы на базе ПЛИС принято называть реконфигурируемыми вычислительными системами (РВС). Аппаратным компонентом реконфигурируемых вычислительных устройств является совокупность ПЛИС, на которые пользователь отображает пространственно реализуемое виртуальное вычислительное устройство. Конфигурационная программа для ПЛИС реализуется не последовательно во времени, а занимает определенную группу логических устройств. Такая организация аппаратно-программных средств позволяет значительно повысить удельную производительность вычислительной системы - производительность в единицах аппаратных затрат [20].

Реконфигурируемые вычислительные системы обеспечивают значительно более высокий рост производительности при увеличении аппаратного ресурса по сравнению с системами традиционной архитектуры, основанной на применении стандартных процессоров. Это достигается за счет структурно-процедурной организации вычислений [23, 24], когда каждой решаемой задаче создается адекватная ей вычислительная структура. Применение подобных систем, несмотря на их высокую цену, экономически более целесообразно, так как увеличение производительности значительно опережает стоимость аппаратного ресурса.

Благодаря постоянно растущему быстродействию и степени интеграции элементов, а также относительно невысокой стоимости, ПЛИС становятся все более популярными среди разработчиков различных средств вычислительной техники. С каждым годом растет число серийно выпускаемых реконфигурируемых вычислителей, а также увеличивается производительность как отдельных модулей, так и РВС на их основе. Причем рост производительности реконфигурируемых систем превосходит рост производительности мультимикропроцессорных систем. Наличие широких возможностей реконфигурирования, поддержанных удобными САПР, и высокая экономическая эффективность современных ПЛИС позволяют сделать однозначный вывод о том, что они являются наиболее перспективной элементной базой для построения РВС.

Из зарубежных производителей, ведущих разработку вычислителей на ПЛИС, можно выделить компании Starbridge Systems, Nallatech, DiniGroup. Наиболее успешными отечественными разработками в данной области являются вычислительные модули производства НПО «Роста» (г. Москва), ФГУП «НИИ «Квант», г. Москва и НИИ МВС ЮФУ (г. Таганрог).

Появление ПЛИС позволило отказаться от прежнего подхода, в котором отдельным микросхемам отводилось определенное постоянное функциональное назначение, и перейти к более прогрессивной архитектуре, когда в любой микросхеме может быть реализовано любое функциональное устройство, которое необходимо в данном месте решающего поля. В этом смысле решающее поле является своего рода аналогом сверхбольшой ПЛИС, объединяющей в себе суммарные аппаратные ресурсы [20].

Особенность архитектуры РВС заключается в том, что в процессе конструирования она не формируется окончательно, а остается в определенном смысле незавершенной и открытой [20, 23, 24]. Окончательное программирование архитектуры РВС включает создание функциональных узлов (элементарных процессоров) для выполнения вычислений, настройку прямых информационных каналов в коммутаторах между элементарными процессорами, настройку блоков распределенной памяти на реализацию процедур чтения и записи информационных массивов. Аппаратно-программные средства РВС позволяют синтезировать произвольные соединения между компонентами системы, создавая необходимые вычислительные структуры. Совокупность вычислительных структур, созданных в рамках базовой архитектуры РВС, образует виртуальный проблемно-ориентированный вычислитель, структура которого адекватна информационному графу (подграфу) решаемой задачи [23, 24].

В то же время для реконфигурируемых вычислительных систем отсутствуют стандарты построения интерфейсов вычислительных блоков. В настоящее время пользователи, как правило, создают специализированные интерфейсы для каждой отдельной задачи, что приводит к существенному увеличению времени создания приложений. Зачастую создание интерфейсной части приложения для реконфигурируемой системы занимает больше времени, чем реализация вычислительных функций, которая строится на основе библиотеки функциональных элементов, содержащей сумматоры, умножители, счетчики, контроллеры распределенной памяти и т.д.

Как правило, для РВС методы и средства масштабирования прикладных программ ограничены исключительно масштабированием вычислительных функциональных устройств и не затрагивают масштабирование функции коммутации и загрузки-выгрузки данных, которые зачастую определяют эффективность применения РВС для решения расчетоемких приложений.

Если для многопроцессорных систем аппаратные интерфейсы являются сформированными и при масштабировании приложений осуществляется преобразование только программных интерфейсов, то для реконфигурируемых систем необходимо создавать и аппаратные, и программные интерфейсы для связи компонент.

Реализация в ПЛИС типовых аппаратных интерфейсов, эффективных для микропроцессоров фон-неймановской архитектуры, не целесообразна, так как в ПЛИС реализуются информационные графы, в то время как для программ микропроцессоров характерны управляющие графы. Прямая реализация традиционных интерфейсов в структуре ПЛИС приведет к значительному и неоправданному снижению доступного вычислительного аппаратного ресурса для выполнения приложений.

Традиционные средства интерфейсов МВС не подходят для РВС, которые реализуют не процедурную обработку во времени, а структурную обработку в пространстве. Существующие средства для РВС или механически повторяют известные решения для МВС (MPI, ОрепМР и т.д.), что приводит к большим аппаратным расходам, или в каждом случае пользователь самостоятельно разрабатывает интерфейс для конкретной задачи, что часто приводит к непропорциональным затратам как времени, так и оборудования.

В этой связи актуальной является разработка методов и средств построения интерфейсов нового типа для реконфигурируемых вычислительных систем, которые должны занимать минимальный ресурс при обеспечении гарантоспособности информационных взаимодействий блоков и узлов РВС. Новые средства должны обеспечивать автоматизированное масштабирование интерфейсных схем, используемых в приложениях при изменении аппаратного ресурса РВС, обеспечивая сохранение высокой реальной производительности системы.

Объектом1 исследования являются методы создания программных средств сопряжения функциональных устройств в прикладных программах для РВС. и

Целью диссертации является сокращение времени создания масштабируемых прикладных программ для реконфигурируемых вычислительных систем.

Средством достижения указанной цели является создание средств автоматизированного масштабирования интерфейсных решений, обеспечивающих бесконфликтную информационную взаимосвязь между компонентами РВС в процессе реализации приложения для различных вариантов распараллеливания.

Создание средств автоматического масштабирования интерфейсов в настоящее время не представляется возможным, поскольку для выбора рационального варианта реализации вычислительного процесса в структуре ПЛИС или совокупности информационно взаимосвязанных ПЛИС необходимо рассмотреть огромное число комбинаций вариантов построения приложений. Выбор рационального варианта структурной реализации вычислений целесообразно осуществлять на основе интерактивных подсказок пользователю. По этому пути идут разработчики современных средств распараллеливания как для традиционных многопроцессорных систем, так и для реконфигурируемых вычислительных систем.

Среди отечественных исследований в области масштабирования приложений для РВС можно отметить работы Левина И.И., Каляева И.А., Коновальчика П.М., Абламейко C.B., Абрамова С.М. Среди зарубежных специалистов - Kent Gilson, Jim Yardley, Mike Dini.

Методы исследований. При проведении исследований были использованы основы теории вычислительных машин, теория графов, теория множеств, теория массового обслуживания, методы математической статистики. Экспериментальные исследования проведены на действующих образцах реконфигурируемых вычислительных систем.

Научная задача, решаемая в диссертации, состоит в создании методов и средств синтеза масштабируемых интерфейсных решений для автоматизированного сопряжения функциональных узлов и блоков различных типов в прикладных программах для реконфигурируемых вычислителей, обеспечивающих сокращение времени создания приложений для РВС при заданной удельной производительности системы.

Для достижения поставленной цели решены следующие частные задачи:

1) проведен анализ методов разработки масштабируемых прикладных программ для МВС с традиционной архитектурой;

2) проведен анализ принципов построения, архитектур и методов организации вычислений в РВС;

3) разработаны принципы синтеза масштабируемых интерфейсов, позволяющих реализовывать различные варианты распараллеливания и конвейеризации вычислений, а также различные степени параллелизма;

4) разработаны и исследованы методы для автоматизированного сопряжения конвейерных вычислительных блоков в прикладных программах для РВС;

5) разработаны и исследованы методы для автоматизированного сопряжения процедурных вычислительных блоков в прикладных программах для РВС;

6) разработаны библиотеки типовых масштабируемых интерфейсов для

РВС;

7) разработаны и исследованы инструментальные программные средства для автоматизированного сопряжения функциональных узлов и блоков в прикладных программах для РВС.

Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней разработаны:

1) принципы построения масштабируемых интерфейсов в прикладных программах для РВС, обеспечивающие высокую удельную производительность при решении широкого класса задач;

2) метод сопряжения конвейерных блоков в прикладных программах для РВС, позволяющий повысить удельную производительность за счет более рационального использования ресурсов и сбалансированного управления параметрами конвейерных блоков и отличающийся от известных методов адаптацией параметров смежных конвейерных блоков;

3) модернизированный метод сопряжения процедурных блоков в прикладных программах для РВС, позволяющий выбрать рациональные размеры буферов при сохранении гарантоспособности реализации приложений в РВС и отличающийся от известных возможностью автоматизированного изменения степени параллелизма;

4) новая структура программных средств, обеспечивающая интерактивное сопряжение функциональных блоков и узлов в прикладных программах для РВС, отличающаяся от известных включением библиотеки интерфейсных решений, программных средств обслуживания библиотек и программы Interconnect, реализующей модернизацию графа решаемой задачи в соответствии с разработанными методами. ч

Практическая значимость. В диссертации решена актуальная научная задача разработки методов и средств синтеза масштабируемых интерфейсных решений для автоматизированного сопряжения функциональных узлов и блоков различных типов в прикладных программах для реконфигурируемых вычислителей, обеспечивающих сокращение времени создания приложений для РВС при заданной удельной производительности системы.

Созданные методы и средства позволяют в 1,5 — 3 раза сократить время создания прикладных программ для РВС, а также многократно сократить время переноса (портации) приложения на РВС других архитектур и конфигураций, что подтверждено актами внедрения результатов диссертации.

Созданная библиотека интерфейсов позволила унифицировать процесс разработки прикладных программ и обеспечила снижение экономических затрат на сопровождение и модернизацию приложений, реализованных в различных организациях и ведомствах.

Созданные программные средства позволили в 2-4 раза сократить время обнаружения неисправности в изготавливаемых модулях РВС и системах за счет локализации выполняемых тестов и, как следствие, ускорить производство высокопроизводительной вычислительной техники.

Разработанная на основе средств автоматизированных преобразований интерфейсов и библиотеки интерфейсных решений система мониторинга базовых параметров РВС обеспечивает надежное функционирование различных вычислительных комплексов на различных технических объектах, что подтверждается актами внедрения.

Использование результатов работы. Материалы диссертации использовались при выполнении ряда НИОКР. К наиболее значимым НИОКР относятся:

-НИР «Разработка технологии создания многопроцессорных систем со структурно-процедурной организацией вычислений для мониторинга систем цифровой связи», шифр "ССПВ", 2004-2006 гг., выполняемая в рамках федеральной целевой программы «Национальная технологическая» база на 2002-2006 годы», раздел III «Технологии вычислительных систем»;

- ОКР «Разработка технологии создания высокопроизводительных модульно-наращиваемых многопроцессорных вычислительных систем с программируемой архитектурой на основе реконфигурируемой элементной, базы», шифр "Медведь", выполняемая в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 г» по госконтракту №02.447.11.1007 от «6» июля 2005 года;

- ОКР «Разработка эскизной конструкторской документации на макет базового модуля модульно-наращиваемой мультипроцессорной системы (МНМС) на основе реконфигурируемой элементной базы и программных средств поддержки масштабируемых программ для решения задач обработки информации и управления в реальном времени на различных конфигурациях МНМС, в том числе при деградации вычислительного ресурса» в рамках мероприятия 1.12-САЗ по программе Союзного государства «Развитие и внедрение в государствах-участниках Союзного государства наукоёмких компьютерных технологий на базе мультипроцессорных вычислительных систем», шифр "Триада", 2006;

- ОКР «Создание семейства высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем с динамически перестраиваемой архитектурой на основе реконфигурируемой элементной базы и их математического обеспечения для решения вычислительно трудоемких задач», выполняемой в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по государственному контракту № 02.524.12.4002 от 20.04.2007 г. на выполнение опытно-конструкторских работ, шифр «Большая медведица».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-технических конференциях.

На международной научно-технической конференции «Искусственный интеллект. Интеллектуальные и многопроцессорные системы», 2006 г., с. Кацивели, Украина; на ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, 2008г. 2009г., 2010г. Ростов-на-Дону; на международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы», 2007г., 2009г., пос. Дивноморское; на международной конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах», 2009г., Владимир; на международной научной конференции «Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ'2010)», 2010г., Челябинск.

Наиболее значительными публикациями по теме диссертации являются:

1) Раскладкин, М.К. Программно-аппаратный комплекс контроля критических параметров реконфигурируемых систем [Текст] / З.В. Каляев, М.К. Раскладкин // Известия ЮФУ. Технические науки. - №7(108), 2010. - С.227-233.

2) Раскладкин, М.К. Синтез масштабируемых интерфейсов для реконфигурируемых вычислительных систем [Текст] / М.К. Раскладкин //Материалы седьмой Международной научно-технической конференции «Искусственный интеллект. Интеллектуальные и многопроцессорные системы». - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. - Т. 2. - С. 111-113.

3) Раскладкин, М.К. Интерфейсы контроллера базовых модулей для реконфигурируемых многопроцессорных систем [Текст] / М.К. Раскладкин // Материалы Международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы - 2007». -Таганрог: Изд-во ТТИЮФУ, 2007. -Т.1. - С. 121-125.

4) Раскладкин, М.К Проблемы синтеза масштабируемых интерфейсов для программируемых логических интегральных схем [Текст] / М.К. Раскладкин // Искусственный интеллект. - Донецк: Наука 1 освгга, 2009. - №.4. - С.288-296.

5) Раскладкин, М.К. Библиотека масштабируемых интерфейсов для реконфигурируемых вычислительных систем на основе ПЛИС [Текст] / М.К. Раскладкин // Материалы Девятой международной конференции-семинара «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах». - Владимир: Изд-во ВГУ, 2009. - С. 329-331.

Положение, выдвигаемое на защиту:

- сопряжение процедурных и конвейерных блоков в едином вычислительном контуре в прикладных программах для РВС, обеспечивающее повышение удельной производительности системы при сохранении гарантоспособности вычислений.

Результаты, выносимые на защиту:

- метод сопряжения конвейерных блоков в прикладных программах для

РВС;

- модернизированный метод сопряжения процедурных блоков в прикладных программах для РВС;

- структура программных средств автоматизированного сопряжения функциональных блоков и узлов в прикладных программах для РВС.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Раскладкин, Максим Константинович

4.8. Выводы

1. На основании разработанных в главах 2 и 3 методов синтеза масштабируемых интерфейсов и методов их распараллеливания и конвейеризации предложена структура аппаратно-программных средств, которые обеспечивают автоматизированное сопряжение функциональных блоков и узлов для приложений РВС.

2. Разработана и создана библиотека базовых интерфейсов, включающая в себя синхронный интерфейс, асинхронный интерфейс и интерфейс загрузки конфигурационных файлов в ПЛИС. Созданные конфигурационные программы элементов библиотеки апробированы при решении вычислительно-трудоемких задач на ряде вычислительных модулей РВС различных архитектур и конфигураций.

3. Разработана библиотека межблочных интерфейсов и созданы конфигурационные программы следующих библиотечных элементов: прямого интерфейса, интерфейса «конвейер-конвейер», интерфейса синхронизации информационных потоков, интерфейса «конвейер-процедура», интерфейса «процедура-конвейер», интерфейса «процедура-процедура». Предложенные реализации межблочных интерфейсов апробированы использованием при масштабировании прикладных задач на РВС.

4. Разработаны и созданы следующие компоненты аппаратно-программных средств автоматизированного сопряжения функциональных блоков и узлов для приложений РВС: библиотека интерфейсов сопряжения с управляющей host-машиной, программа Interconnect, реализующая модернизацию вычислительных и интерфейсных блоков, программа обслуживания библиотек, библиотека правил модернизации интерфейсов; библиотека сценариев модернизации интерфейсов. Созданный комплекс аппаратно-программных средств автоматизированного сопряжения функциональных блоков и узлов для приложений РВС реализован и использовался для ряда РВС различного назначения и производительности.

5. Совокупность предложенных аппаратно-программных средств автоматизированного сопряжения функциональных блоков и узлов для приложений РВС по опыту практического использования в различных организациях обеспечивает повышение скорости создания прикладных программ для РВС в 1,5-3 раза, существенно сокращает временные затраты на перенос (портацию) прикладного решения при изменении конфигурации системы и сокращает сроки проведения функционального контроля вычислительных модулей, подтверждением чему служат акты внедрения результатов диссертационного исследования в производственных и научно-исследовательских организациях, представленные в Приложении 4.

162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной научный результат диссертации заключается в разработке методов и средств синтеза масштабируемых интерфейсных решений для автоматизированного сопряжения функциональных узлов и блоков различных типов в прикладных программах для реконфигурируемых вычислителей, обеспечивающих сокращение времени создания приложений для РВС при заданной удельной производительности системы.

При проведении исследований и разработок в диссертации получены следующие теоретические и прикладные результаты.

1. Показано, что большинство существующих методов масштабирования для МВС ориентировано на реализацию множества взаимосвязанных последовательных процессов и не подходит для РВС, которые реализуют не процедурную обработку во времени, а структурную обработку в пространстве с помощью совокупных вычислительных систем.

2. Показано, что методы и средства масштабирования прикладных программ для РВС ограничены исключительно масштабированием вычислительных функциональных устройств и не затрагивают масштабирование функций коммутации и загрузки-выгрузки данных, которое зачастую определяет эффективность применения РВС для решения расчетоемких приложений.

3. Доказано, что для эффективного масштабирования прикладных программ для РВС необходимо разработать масштабируемые интерфейсы нового типа, занимающие минимальный ресурс и обеспечивающие гарантоспособность информационных взаимодействий РВС.

4. Разработаны принципы построения масштабируемых интерфейсов в прикладных программах для РВС, обеспечивающие высокую удельную производительность при решении широкого класса задач.

5. Разработан метод сопряжения конвейерных блоков в прикладных программах для РВС, отличающийся от известных адаптацией параметров смежных конвейерных блоков.

6. Показано, что: существуют функциональные преобразования, которые обеспечивают высокую удельную производительность только при их процедурной реализации в прикладных программах для РВС.

7. Разработан модернизированный метод сопряжения процедурных блоков в прикладных программах для РВС, отличающийся от известных возможностью автоматизированного изменения степени параллелизма.

8. Разработаны; библиотеки конфигурационных программ для межблочных интерфейсов;, базовых . интерфейсов обмена, интерфейсов сопряжениях управляющей host-машиной.

91 Разработаны библиотеки правил модернизации интерфейсов в зависимости; от степени дрпустимого параллелизма приложения и сценариев модернизации интерфейсов для определенных прикладных задач или предметных областей.

10. Разработана инструментальная программа Interconnect, реализующая модернизацию вычислительных и интерфейсных блоков; в соответствии с разработанными методами.

11. Разработана новая структура1 программных средств, обеспечивающая интерактивное, сопряжение функциональных блоков и узлов в прикладных программах для РВС, отличающаяся, от известных включением библиотеки интерфейсных решений; программных средств обслуживания библиотек и программы Interconnect.

Основные; научные результаты диссертации опубликованы в; работах [78, 80, 89, 90, 96]. Предложенные в диссертации новые результаты строго аргументированы и оценены по сравнению* с известными работами; в рассматриваемой области. Полученные научные результаты используются практически на, различных предприятиях и организациях России, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Все научные результаты, полученные при решении научной задачи создания методов и средств синтеза масштабируемых интерфейсных решений для автоматизированного сопряжения функциональных узлов и блоков различных типов в прикладных программах для реконфигурируемых вычислителей, обеспечивающих сокращение времени создания приложений для РВС при заданной удельной производительности системы, получены автором лично.

Таким образом, в диссертации решена новая научная задача, которая является актуальной и имеет существенное научно-практическое значение. Внедрение полученных в диссертации результатов вносит значительный вклад в развитие высокопроизводительных вычислительных систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Раскладкин, Максим Константинович, 2010 год

1. Аладышев, О.С. СуперЭВМ: области применения и требования к производительности Текст. / О.С. Аладышев, Н.И. Дикарев, А.П. Овсянников [и др.] // Известия ВУЗов. Электроника, 2004. №1. - С. 13-17.

2. Корнеев, В.В. Параллельные вычислительные системы Текст.: монография / В.В. Корнеев; под ред. В.В. Корнеева. М.: «Нолидж», 1999. -320 с.

3. Слуцкин, А.И. Российский суперкомпьютер с глобально адресуемой памятью Текст. / А.И. Слуцкин, Л.К. Эйсымонт // «Открытые системы». М., 2007. - № 9.

4. Затуливетер, Ю.С. Текст. / Компьютерные архитектуры: неожиданные повороты / Ю.С. Затуливетер // HARD'n'SOFT, 1996. №2. - С. 89-94.

5. Митропольский, Ю. Текст. / Суперкомпьютеры и микропроцессоры / Ю. Митропольский // Электроника: наука, технология, бизнес, 2000. №2. - С. 18-21.

6. Воеводин, В.В. Параллельные вычисления Текст.: монография / В.В. Воеводин, Вл.В. Воеводин; под ред. В.В. Воеводина. С-Петербург: БХВ-Петербург, 2002. - 599 с.

7. Ивенс, Д. Системы параллельной обработки Текст.: монография / Д. Ивенс; под ред. Д. Ивенса. М.: Издательство «Мир», 1985.

8. Торгашев, В. А. Семейство суперкомпьютеров с динамической архитектурой концептуальные основы Текст. / В.А Торгашев, И.В. Царёв // Искусственный интеллект, 2009. - №4.

9. Бурцев, B.C. Вычислительные процессы с массовым параллелизмом Текст. / B.C. Бурцев // Электроника. Наука, технология, бизнес, 2002. №1.10. http://www.parallel.ru11. http://ru.wikipedia.org/wiki/Beowulf

10. Савин, Г.И. Кластеры Беовульф Текст. / Г.И. Савин, П.Н. Телегин, Б.М. Шабанов // Известия Вузов. Электроника, 2004. №1. - С.7-12.

11. Group W, Lusk E, Skjellum A. Using MPI. Portable Parallel Programming with the Message-Passing Interface. MIT Press, 1994.

12. Валях, E. Последовательно-параллельные вычисления Текст.: монография / Е. Валях; под ред. Е. Валяха. М.: Мир, 1985.

13. Воеводин, В.В. Информационная структура алгоритмов Текст.: монография / В.В. Воеводин; под ред. В.В. Воеводина. М.: Изд-во МГУ, 1997.

14. Siegel L.J., Siegel H.J., Swain P.H. Performance Measures for Evaluation Algorithms for SIMD-Machines // IEEE Trans. Software Eng. V. 8. -№ 4. - Pp. 319-331.

15. Хокни, P. Параллельные ЭВМ. Архитектура, программирование и алгоритмы Текст.: монография: [пер. с англ.] / Р. Хокни, К. Джессхоуп. М.: Радио и связь, 1986. - 392 с.

16. Адинец, А. Графический вызов суперкомпьютерам Текст. / А. Адинец, Вл.В. Воеводин // Открытые системы, 2008. №4.

17. Корнеев, В.В. Вычислительные системы Текст.: монография / В.В. Корнеев; под ред. В.В. Корнеева. М.: Гелиос АРВ, 2004. - 512 с.

18. Хэндлер, В. Новая архитектура ЭВМ как увеличить параллелизм, не увеличивая сложности Текст. / В. Хэндлер; под ред. Д. Ивенса // Системы параллельной обработки. - М.: Мир, 1985. - С. 10-44.

19. Поспелов, Д.А. Введение в теорию вычислительных систем Текст.: монография / Д.А. Поспелов; под ред. Д.А. Поспелова. М.: Сов. радио, 1972. -280 с.

20. Каляев, A.B. Многопроцессорные вычислительные системы с программируемой архитектурой Текст.: монография / A.B. Каляев; под ред. A.B. Каляева. М.: Радио и Связь, 1984. - 240 с.

21. Каляев, А.В. Модульно-наращиваемые многопроцессорные системы со структурно-процедурной организацией вычислений Текст.: монография / А.В. Каляев, И.И. Левин; под ред. А.В. Каляева. М.: Янус-К, 2003. - 380 с.

22. Грегори, Р. Эндрюс. Основы многопоточного, параллельного и распределенного программирования Текст.: монография: [пер. с англ.] / Эндрюс Р. Грегори. Изд-во Вильяме, 2003.

23. Message-Passing Interface Forum, Document for a Standard Message-Passing Interface, 1993. Version 1.0. http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/.

24. Крюков, В. А. Разработка параллельных программ для вычислительных кластеров и сетей Текст. / В.А. Крюков // Информационные технологии и вычислительные системы. М.:, ИМВС РАН, 2003, - №1-2. - С.42-61.

25. Message-Passing Interface Forum, MPI-2: Extension to the Message-Passing Interface, 1997. http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/.

26. Foster I. Designing and Building Parallel Programs. Addison Wesley, 1994. http://www-unix.mcs.anl.gov/dbpp/text/nodel .html.

27. Проект ИПС РАН. Т-система. http.V/parallelm/parallel/mssia/map/data/projectl5.html

28. PCF Fortran. Version 3.1. Aug.l, 1990.

29. Bannon P. Alpha 21364: A Scalable Single-chip SMP. Compaq Computer Corporation, Microprocessor Forum. 13 October 1998.

30. Barroso L., Gharachorloo K., Novatzyk A., Verghese B. Impact of ChipLevel Integration on Performance of OLTP Workloads. Proc. of The Sixth International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA). January, 2000.

31. Diefendorff К. Power4 Focuses on Memory Banwidth. Microprocessor R Vol. 13. October 6,1999. — Ne 13.36. (Clark D. Blue Gene and the race toward petaflops capacity. IEEE ConcurmntfL. Pp. 5-9, January-March 2000.)37. http://www.openmp.org.

32. High Performance Fortran Forum. High Performance Fortran Language Specification. Version 2.0, January 1997.40. http://www.keldysh.ru/dvm/

33. Комухаев Э. Развитие рынка ПЛИС // Chip news, 2004. №9.

34. The Programmable Logic Data Book//Xilinx Inc. 2009.

35. Грушвицкий, Р.И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики Текст.: монография / Р.И. Грушвицкий, А.Х. Мурсаев, Е.П. Угрюмов; под ред Р.И. Грушвицкого. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 608 с.

36. Каляев, З.В. Разработка методов и средств автоматического масштабирования параллельных программ в многозадачной операционной системе реконфигурируемых многопроцессорных вычислительных структур

37. Текст.: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.13.11: защищена 28.12.2207: утверждена 23.05.2008 / Каляев Захар Владимирович. Таганрог, 2007. - 171 с. — Библиогр.: с. 164-170.

38. Каляев, A.B. Многопроцессорная система со структурно-процедурной организацией вычислений Текст. / A.B. Каляев, И.И. Левин // Сборник научных трудов «Научная секция МИФИ-2001». М.: МИФИ, 2001. - Т. 2. - С. 206-207.

39. Каляев, A.B. СТОРК-компьютер многопроцессорная вычислительная система со структурной организацией вычислений Текст. / A.B. Каляев, И.А. Каляев // Электронное моделирование. - Киев, 1996. - № 4. -С.5-14.

40. Левин, И.И. Ресурсонезависимое параллельное программирование Текст. / И.И. Левин // Искусственный интеллект. Донецк: Наука i освгга, 2002. -№3. - С.277-285.

41. Ясинявичус, Р. Параллельные пространственно-временные вычислительные структуры Текст.: монография / Р. Ясинявичус; под ред. Р. Ясинявичуса. Вильнюс: Мокслас, 1988. - 183 с.

42. Каляев, A.B. Унифицированная элементная база для построения реконфигурируемых под задачу вычислительных систем Текст. / A.B. Каляев, И.И. Левин, Б.Г. Фрадкин // Известия ВУЗов. Электроника, 1997. № 1. - С. 7583.

43. Комолов, Д.А. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera Max+Plus II и Quartus II Текст.: краткое описание и самоучитель / Д.А. Комолов, P.A. Мяльк, A.A. Зобенко [и др.]. М.: РадиоСофт, 2002. - 352 с.

44. Стешенко, В.Б. ПЛИС фирмы Altera: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры Текст.: монография / В.Б. Стешенко. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2002. - 576 с.69. http:// www.altera.com

45. ГОСТ Р 50754-95. Язык описания аппаратуры цифровых систем VHDL. Описание языка. Текст.

46. Поляков, А.К. Языки VHDL и VERILOG в проектировании цифровой аппаратуры Текст.: монография. Издательство: Солон-Пресс ISBN: 5-98003016-6, 2003.-320 с.74.http://www.mentor.com/products/esl/bighlevelsynthesis/catapultsynthesis/

47. Раскладкин М.К. Проблемы синтеза масштабируемых интерфейсов для программируемых логических интегральных схем // Искусственный интеллект. Донецк: Наука i освгга, 2009. - №.4. - С.288-296.

48. Уэйкерли, Дж. Проектирование цифровых устройств Текст.: монография / Дж. Уэйкерли; под ред. Дж. Уэйкерли. Издательство: Постмаркет, 2002. - Т. I.

49. Зотов, В.Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы XILINX® Текст.: монография / В.Ю. Зотов. -М.: Горячая линия-Телеком, 2006. 520 е., ил. ISBN 5-93517-165-1.

50. Саати, Т.Л. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения Текст.: монография / Т.Л. Саати; под ред. Т.Л. Саати; пер.с англ. -М.: Изд-во «Советское радио», 1971. 520 с.

51. Раскладкин, М.К. Интерфейсы контроллера базовых модулей для реконфигурируемых многопроцессорных систем Текст. / М.К. Раскладкин // Материалы Международной научно-технической конференции «МВУС-2007». Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. - Т. 1. - С. 121-125.

52. Гончаров, Ю. Интерфейс LVDS и его применение Текст. / Ю. Гончаров // Компоненты и технологии. № 3,4. 2001.93. http://ru.wikipedia.org/wiki/LVDS

53. Раскладкин, М.К. Средства программно-аппаратного мониторинга РВС Текст. / М.К. Раскладкин // Труды IV Международной научной конференции «Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ'2010)». -Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. С. 211-219.

54. Раскладкин, М.К. Программно-аппаратный комплекс контроля критических параметров реконфигурируемых систем Текст. / М.К. Раскладкин // Известия ЮФУ. Технические науки. №7(108), 2010. - С.227-233.