Мультипроцессор для анализа информационного пространства. 2. Инфраструктура векторно-логического анализа

ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2011 Управление, вычислительная техника и информатика № 2

УДК 658.512.011:681.326:519.713

В.И. Хаханов, С.В. Чумаченко

МУЛЬТИПРОЦЕССОР ДЛЯ АНАЛИЗА ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА. 2. ИНФРАСТРУКТУРА ВЕКТОРНО-ЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Представлены параллельные векторные мультипроцессорные неарифметические процесс-модели, ориентированные на новые эффективные решения практических задач синтеза и анализа: минимизация булевых функций, поиск дефектов, восстановление работоспособности, распознавание образов, принятие решений, разработка цифровых фильтров, создание дружественных серверов, сайтов и порталов.

Ключевые слова: мультипроцессор, анализ информации, логическое ассоциативное отношение, процесс-модель.

Современный рынок электронных и информационных технологий очень нуждается в новых носителях больших объемов информации, эффективных структурах данных для хранения и поиска требуемой информации, новых интеллектуальных и компьютерных средствах, точно и быстро обеспечивающих любые запросы пользователя. Современные компьютеры ориентированы в своей основе на арифметические вычисления, а поэтому не всегда являются эффективным инструментом для решения логических, ассоциативных и поисковых задач в существующем океане информации. Поэтому актуальным представляется разработка новых специализированных технологий, ориентированных на создание цифровой системы на кристалле с ограниченной системой логических команд для анализа в реальном масштабе времени больших информационных массивов, организованных в эффективные структуры данных. Такие информационно-ориентированные процессоры могут поддерживать как серверную, так и клиентскую стороны компьютерной сети путем встраивания в системную плату или их соединения через один из портов, например с использованием USB. Если исключить из рассмотрения арифметические операции, которые не свойственны человеческому мозгу, то все ресурсы мозгоподобного компьютера можно переориентировать на повышение мощности и производительности вычислителя для чрезвычайно большого класса проблем логического, ассоциативного анализа, распознавания образов, диагностирования и поиска информации.

Цель данного исследования - существенное (х100) повышение быстродействия процедур решения актуальных прикладных задач путем мультипроцессорной и параллельной реализации ассоциативно-логических векторных операций для анализа графовых и табличных структур данных в дискретном булевом пространстве без использования арифметических операций.

Для достижения цели необходимо решить задачи, связанные с разработкой векторно-логических процесс-моделей встроенного диагностирования цифровых систем на кристаллах, поиска квазиоптимального покрытия, использующие средства логического ассоциативного мультипроцессора, параллельные операции вычислительных процессов и подсчета критериев качества.

Источники. 1. Ассоциативно-логические структуры данных для мозгоподобных вычислительных процессов [1 - 5]. 2. Мультипроцессорная аппаратная платформа информационно-логического анализа [6 - 9]. 3. Модели и методы дискретного анализа, синтеза и диагностирования цифровых изделий [10 - 15].

1. Инфраструктура векторно-логического анализа

Инфраструктура - совокупность моделей, методов и средств описания, анализа и синтеза структур данных для решения функциональных задач. Модель (системная) - совокупность взаимосвязанных, определенных в пространстве и времени компонентов с заданной адекватностью описывающая процесс или явление и используемая для достижения поставленной цели при наличии ограничений и метрики оценивания качества решения. Здесь ограничения есть аппаратурные затраты, время разработки и производства до появления изделия на рынке (time-to-market), подлежащие минимизации. Метрика оценивания решения при использовании модели определена двоичным логическим вектором в дискретном булевом пространстве. Концептуальная модель вычислительного изделия представлена совокупностью управляющего и операционного автоматов. Системная модель LAMP функциональности использует GALS (Global Asynhronus Local Synchronus)-технологию создания иерархических цифровых систем с локальной синхронизацией отдельных модулей и одновременно глобальной асинхронностью функционирования всего устройства [13].

В целях детализации структуры векторного процессора и секвенсора ниже представлены аналитические и структурные процесс-модели, которые приводятся к анализу А-матрицы по столбцам или строкам. Первая из них представлена на рис. 1 и предназначена для определения множества допустимых решений относительно входного запроса mb.

m™ =\'[(mb л Ai) mb]; i=1

Ai = (mb ЛА)-

Рис. 1. Поиск всех допустимых решений

Вторая структура (рис. 2) осуществляет поиск оптимального решения на множестве найденных в первой процессной модели путем анализа строк. Кроме того, вторая модель имеет и самостоятельное применение, ориентированное на определение однозначного и многозначного решения, например, при поиске дефектов в цифровой системе на кристалле.

Limb LI

А—

&

гг

@

a

mb =

Vma=1 Vma=0

zl

&

— 1

1

mb

&

md

№

m

c

Рис. 2. Структура выбора оптимального решения

Все операции, представленные в двух моделях процессов, являются векторными. Процесс-модель анализа строк (см. рис. 1) формирует вектор ma - идентификации допустимых mai = 1 или противоречивых mai = 0 решений относительно входного условия mb за n тактов обработки всех m -разрядных векторов таблицы А = card(m х n). Качество (допустимость) решения определяется для каждого взаимодействия входного вектора mb и строки Аі є А на блоке (девекторизации) дизъюнкции. Матрица А может быть модифицирована путем ее пересечения с

П

входным вектором на основе использования операции Ai = (mb л Аі), если необ-

i=1

ходимо исключить из А-таблицы все незначимые для решения координаты и векторы, отмеченные единичными значениями вектора ma. Интересное решение для задач диагностирования путем анализа строк таблицы, представленное на рис. 2, необходимо интерпретировать следующим образом. После выполнения диагностического эксперимента формируется двоичный вектор экспериментальной проверки ma, который маскирует А-таблицу неисправностей для поиска одиночных или кратных дефектов. Векторы mb и mc используются для накопления результатов выполнения операций конъюнкции и дизъюнкции. Затем осуществляется логическое вычитание из первого регистра mb содержимого второго вектора mc с последующей записью результата в регистр md. Для реализации второго уравнения, которое формирует множественное решение, элемент and заменяется функцией or. Схема имеет также переменную выбора режима поиска решения: single или multiple. Процесс-модель использует в качестве входного условия вектор ma, который управляет выбором векторной операции and, or для обработки единичных А (mai = 1) є А или нулевых Аі (mai = 0) є А строк A-таблицы. В результате выполнения n тактов осуществляется накопление единичных и нулевых относительно значений координат вектора ma решений в регистрах А1, А0 соответственно. Априори в указанные регистры заносится вектор единиц и нулей: А1 = 1, А0 = 0. После обработки всех n строк A-таблицы за n тактов выполняется векторная конъюнкция содержимого регистра А1 с инверсией регистра А0 , которая формирует результат в виде вектора mb, где единичные значения координат определяют решение. При анализе таблицы неисправностей цифрового изделия единичным координатам вектора mb соответствуют столбцы, отождествляемые с номерами дефектов или неисправных блоков, подлежащих восстановлению или ремонту.

Можно пойти еще дальше в части сервисного обслуживания функциональных модулей: на универсальной структуре системы векторного логического анализа решить оптимизационную задачу восстановления работоспособности. С помощью минимального числа ремонтных запасных строк и/или столбцов, например, памяти, необходимо покрыть все обнаруженные в ячейках неисправности. Технологическая и математическая культура векторной логики в данном случае предлагает простое и интересное схемотехническое решение для получения квазиоптималь-ного покрытия, рис. 3. Преимущества: 1) Вычислительная сложность процедуры: Z = n векторных операций, равное числу строк таблицы. 2) Минимум аппаратных затрат: таблица и два вектора mb, ma - для хранения промежуточных покрытий и накопления результата в виде единичных координат, соответствующих строкам таблицы, которые составляют квазиоптимальное покрытие. 3) Отсутствие класси-

ческого деления задачи покрытия на поиск ядра покрытия и дополнения. 4) Отсутствие сложных процедур манипулирования ячейками строк и столбцов. Недостаток - получение не всегда оптимального покрытия, что является платой за технологичность векторной процедуры, представленной на рис. 3.

m = (mb v At );

\mai = v[(mb v Ai)Лтъ]• l i=1

Ci

umn\

-Ат

1

&

Рис. 3. Процесс-модель поиска квазиоптимального покрытия

Здесь имеется операция девекторизации, которая на последнем этапе превращает векторный результат в бит mai вектора ma по функции or mai = v[(mb v A ) л mb ]. В общем случае операция девекторизации в алгебре векторных операций записывается в виде <бинарная операция> <вектор>:

vAi, л m, л (m v At ). Обратная процедура - векторизация есть конкатенация булевых переменных: ma (a, b, c, d, e, f, g, h). В процедуре поиска покрытия априори векторы mb = 0, ma = 0 обнуляются. Квазиоптимальное покрытие накапливается за n тактов в векторе ma путем последовательного сдвига. Биты, заносимые в регистр ma, формируются схемой or, которая выполняет девекторизацию, путем анализа входного полученного результата [(mb v Ai ) л mb ] на присутствие единиц.

Следующий пример интересен функциональной законченностью цикла диагностирования, когда после получения квазиоптимального покрытия данная информация используется для восстановления работоспособности дефектных ячеек памяти [9]. Размерность модуля памяти - 13x15 ячеек не влияет на вычислительную сложность получения покрытия десяти дефектных ячеек с помощью резервных строк (2) и столбцов (5) (рис. 4).

1 1

1 1

1 1 1

1

1 1

1 1 1

1

1 1

1

1

1 1

Рис. 4. Модуль памяти с резервом и таблица покрытия

a

Для решения оптимизационной задачи выполняется построение таблицы покрытия (см. рис. 10) неисправных ячеек, которая имеет строки - резервные ресурсы для покрытия дефектов: (С2, С3, С5, С7, С8, С2, Я2, Я4, Я5, Я7, Я8, Я9), а столбцы представляют собой дефекты ячеек:

С^2,2, -^2,5, ^2,8, ^4,3, -^5,5, ^5,8, ^7,2, ^8,5, ^9,3, ^9,7 ) ,

подлежащие ремонту. Здесь столбцы соответствуют координатам дефектных ячеек, а строки идентифицируют резервные компоненты (строки и столбцы), которые могут восстановить работоспособность неисправных координат. Процесс-модель, рис. 2, дает возможность получить оптимальное решение в виде

1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

которому соответствует покрытие

R = {С2, C3, C5, C7, С8}

как одно из трех

R = C2,C3,C5,C7,C8 VC2,C3,C5,C8,R VC2,C5,C8,R4,R

возможных минимальных решений для таблицы неисправностей. Технологическая модель встроенного диагностирования и ремонта памяти представлена на рис. 5. Она имеет четыре компонента: 1) Testing - тестирование модуля (UUT -Unit Under Test) с использованием эталонной модели (MUT - Model Under Test) для формирования вектора экспериментальной проверки ma, размерность которого соответствует числу тестовых наборов. 2) Diagnosis - поиск дефектов на основе анализа таблицы неисправностей A. 3) Optimization - оптимизация покрытия дефектных ячеек ремонтными строками и столбцами на основе анализа таблицы A. 4) Repairing - восстановление работоспособности памяти путем замены адресов (AD - Address Decoder) неисправных строк и столбцов, представленных вектором ma , на адреса компонентов из ремонтного запаса SM - Spare Memory [9].

ma =

Рис. 5. Модель встроенного тестирования и восстановления памяти

Процесс-модель встроенного сервисного обслуживания работает в реальном масштабе времени и позволяет поддерживать в работоспособном состоянии, без вмешательства человека, цифровую систему на кристалле, что является интересным решением для критических технологий, связанных с дистанционной эксплуатацией изделия.

Предложенные процесс-модели анализа (графа) ассоциативных таблиц, а также введенные критерии качества логических решений позволяют решать задачи квазиоптимального покрытия, диагностирования дефектов программных и/или аппаратных блоков. Модель векторных вычислений послужила основой для разработки специализированной мультипроцессорной архитектуры, ориентированной на поиск, распознавание и принятие решений на использовании структур ассоциативных таблиц.

Заключение

Существующие программные аналоги не предлагают чисто ассоциативнологических маршрутов поиска, распознавания и принятия решений в дискретном информационном пространстве [4, 5, 15]. Практически все они используют универсальную систему команд современного дорогостоящего процессора с математическим сопроцессором. Кроме того, аппаратные специализированные средства логического анализа, которые могут выступать прототипами [1, 6, 7], как правило, ориентированы на побитовую или невекторную обработку информации.

Для устранения недостатков программных аналогов и аппаратных прототипов в работе предложен новый подход векторно-логической обработки ассоциативных данных с полным исключением арифметических операций, влияющих на быстродействие и аппаратную сложность, который оказался удачно реализуемым на основе использования современной микроэлектронной аппаратуры в виде мультипроцессорной цифровой системы на кристалле.

Фактическая реализация подхода основывается на предложении инфраструктуры, которая включает следующие компоненты: 1. Процесс-модели анализа ассоциативных таблиц на основе использования векторных логических операций для поиска, распознавания образов, принятия и оценивания решений в векторном дискретном булевом пространстве. Модели ориентированы на достижение высокого быстродействия параллельного векторного логического анализа информации и подсчета критериев качества решения. 2. Мультипроцессорная архитектура параллельного решения ассоциативно-логических задач с минимальным множеством векторных логических операций и полным исключением арифметических команд, что обеспечивает высокое быстродействие, минимальную стоимость и незначительное энергопотребление LAMP, имплементированного в кристалл программируемой логики. 3. Новые векторно-логические процесс-модели встроенного диагностирования цифровых систем на кристаллах, поиска квазиоптимального покрытия, использующие средства логического ассоциативного мультипроцессора, параллельные операции вычислительных процессов и подсчета критериев качества.

Достоверность и практическая значимость полученных результатов подтверждается созданием инфраструктуры мультипроцессора для диагностирования и восстановления работоспособности компонентов памяти в цифровой системе на кристалле. Дальнейшие исследования направлены на разработку прототипа логического ассоциативного мультипроцессора в целях решения актуальных задач по-

иска, распознавания и принятия решений с помощью предложенной инфраструктуры векторного логического анализа.

Статья является продолжением работы [16].

ЛИТЕРАТУРА

1. Бондаренко М.Ф., Дударь З.В., Ефимова И.А. и др. О мозгоподобных ЭВМ // Радиоэлектроника и информатика. Харьков: ХНУРЭ. 2004. № 2. С. 89-105.

2. Cohen A.A. Addressing architecture for Brain-like Massively Parallel Computers // Euromicro Symposium on Digital System Design (DSD'04). 2004. P. 594-597.

3. Кузнецов О.П. Быстрые процессы мозга и обработка образов // Новости искусственного интеллекта. 1998. № 2.

4. Васильев С.Н., Жерлов А.К., Федосов Е.А., Федунов Б.Е. Интеллектуальное управление динамическими системами. М.: Физико-математическая литература, 2000. 352 с.

5. Липаев В.В. Программная инженерия. Методологические основы: учебник. М.: Теис, 2006. 608 с.

6. A.C. №1439682. 22.07.88. Регистр сдвига / Какурин Н.Я., Хаханов В.И., Лобода В.Г., Какурина А.Н. 4с.

7. Гайдук С.М., Хаханов В.И., Обризан В.И., Каменюка Е.А. Сферический мультипроцессор PRUS для решения булевых уравнений // Радиоэлектроника и информатика. 2004. № 4(29). С. 107-116.

8. Хаханов В.И., Литвинова Е.И., Гузь О.А. Проектирование и тестирование цифровых систем на кристаллах. Харьков: ХНУРЭ, 2009. 484 с.

9. Хаханов В.И., Хаханова И.В., Литвинова Е.И., Гузь О.А. Проектирование и верификация цифровых систем на кристаллах. Verilog & System Verilog. Харьков: Новое слово, 2010. 528 с.

10. Акритас А. Основы компьютерной алгебры с приложениями: пер. с англ. М.: Мир, 1994. 544 с.

11. Аттетков А.В., Галкин С.В., Зарубин В.С. Методы оптимизации. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 440 с.

12. Abramovici M., Breuer M.A. and Friedman A.D. Digital System Testing and Testable Design // Comp. Sc. Press. 1998. 652 р.

13. Densmore D., Passerone R., Sangiovanni-Vincentelli A. A Platform-Based taxonomy for ESL Design // Design & Test of computers. 2006. P. 359-373.

14. Малышенко Ю.В. и др. Автоматизация диагностирования электронных устройств / под ред. В.П. Чипулиса. М.: Энергоатомиздат, 1986. 216 с.

15. Трахтенгерц Э.А. Компьютерные методы реализации экономических и информационных управленческих решений. М.: СИНТЕГ, 2009. 396 с.

16. Хаханов В.И., Литвинова Е.И. Мультипроцессор для анализа информационного пространства. 1. Архитектура логического ассоциативного мультипроцессора // Вестник Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика. 2010. № 1(14). С. 95-108.

Хаханов Владимир Иванович

Чумаченко Светлана Викторовна

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

E-mail: hahanov@kture.kharkov.ua; ri@kture.kharkov.ua

Поступила в редакцию 14 сентября 2010 г.