Система структурно-процедурного моделирования

Секция вычислительной техники

УДК 681.325.5

В.Ф. Гузик

СИСТЕМА СТРУКТУРНО-ПРОЦЕДУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

В данной статье рассмотрено применение структурно-процедурных принципов при расширении свойств существующего виртуального моделирующего стенда (УТБ), разрабатываемого университетом Южной Каролины, США. Основная идея предлагаемого решения заключается в объединении достоинств структурного подхода (проблемная ориентированность и высокая производительность) с достоинствами процедурного подхода (универсальность и гибкость модификации).

Предлагаемое решение задачи расширения функциональных возможностей моделирующего стенда состоит в использовании процедурно-структурных методов программирования для синтеза внешних по отношению к ТВ моделей и разработке реализующих эти методы новых программно-аппаратных средств. Такие средства включают мультитранслятор, программную систему структурного моделирования и аппаратно-реализованный многопроцессорный акселератор, повышающий производительность ТВ. Акселератор состоит из четырехпроцессорно-го кластера, выполненного в виде платы расширения персонального компьютера на базе сигнальных процессоров ADSP-21160 (SHARC). Совокупность вышеописанных средств образует структурно-процедурный расширитель УТБ.

Одним из важных путей повышения производительности моделирующих систем (МС) процедурного типа является включение в их архитектуру многопроцессорных акселераторов и организация на их основе процедурно-структурных вычислительных процессов. Такой подход, при сохранении достоинств процедурных моделей, а именно, их универсальности, простоты модификации, малой зависимости от объема используемого оборудования, позволяет обеспечивать наглядность и простоту программирования структурных компонент при уменьшении общего времени моделирования. Однако эффективная реализация такого подхода возможна лишь в том случае, если исполняемые программы, написанные на различных алгоритмических языках, будут транслироваться едиными инструментальными средствами, способными генерировать требуемые объектные коды как для процедурной, так и для структурной частей МС. В качестве такого инструментария был предложен и разработан мультитранслятор (МТ) продукционного типа [1], ядро которого инвариантно относительно входных алгоритмических языков, а в качестве акселератора предложена, разработана и изготовлена многопроцессорная система структурного моделирования на базе сигнальных процессоров (ADSP-акселератор).

При разработке МТ и ADSP-акселератора предполагалось, что исходная моделирующая система представляет собой виртуальную моделирующую среду, ориентированную на программную имитацию физических процессов, протекающих в сложных энергетических цепях [2], и работающую под управлением операционной системы персонального компьютера (РС). Внутренние модели ТВ син-

тезируются на базе специальных библиотечных элементов, программы которых предварительно пишутся на внутреннем языке среды моделирования.

То обстоятельство, что количество и номенклатура библиотечных элементов изначально ограничены, а их дополнение на языке моделирующей среды для не имеющего специальной подготовки пользователя связано с существенными трудностями, ограничивает ее функциональные возможности. С другой стороны, используемый в PC классической архитектуры последовательный метод обработки информации в свою очередь ограничивает производительность развернутой на ней моделирующей системы. Поэтому для повышения производительности VTB в предлагаемой архитектуре используется многопроцессорный акселератор, а для унификации процесса трансляции структурных и написанных на различных алгоритмических языках внешних процедурных программ используется не обычный, а многоязыковый мультитранслятор, ядро которого не меняется при изменении входных языков программирования. Причем грамматики этих языков предварительно описаны на ранее разработанном языке описания грамматик в едином формате и представлены в виде соответствующих грамматических модулей. В частности, в настоящее время были разработаны грамматические модули языков моделирования ACSL, MODELICA, универсального языка PASCAL и специализированного языка для системы программирования структурного вычислителя-языка структурного моделирования SML.

Таким образом, основу архитектуры разработанного структурно-процедурного расширителя VTB составляют следующие блоки:

♦ мультитранслятор (МТ), реализующий преобразование процедурных программ и программ, написанных на языке структурного моделирования, во внешние модели VTB. Внешние модели взаимодействуют с VTB через модуль связи МТ-VTB;

♦ система подготовки программ структурных моделей (СПСМ), система визуального программирования структурного вычислителя. Данная система обладает редактором структурных моделей (Модель-визард СПСМ);

♦ программно-аппаратная система моделирования, реализующая непосредственно расчет моделируемых систем, в её состав входит ADSP-акселератор и модуль распараллеливания структурных программ. Связь данной системы с моделирующим стендом осуществляется посредством модуля связи.

Рассмотрим особенности работы процедурно-структурной системы моделирования. Моделируемые физические системы представляются в виде процедурных и структурных программ. Эти исходные процедурные и структурные программы преобразуются мультитранслятором в стандартный код (С-код). При процедурной реализации этот код при помощи компоновщиков натуральной или сигнальной связи (Модуль связи МТ-VTB) преобразуется в VTB-формат и поступает на исполнение. Таким способом к VTB могут подключаться внешние программы моделируемых процессов, написанные не только на процедурных языках, но и на языке структурного программирования. В тех случаях, когда структурные программы должны исполняться на многопроцессорном ADSP-акселераторе, они перед загрузкой в процессоры акселератора предварительно преобразуются к параллельному виду и через модуль распараллеливания поступают на исполнение непосредственно в акселератор.

Кроме объема набора функциональных возможностей и уровня производительности, так же важным фактором оценки системы моделирования является

простота программирования. В этой связи необходимо отметить особенность предлагаемого подхода к построению процедурно-структурного расширителя УТБ - это использование в нем специальной системы подготовки программ структурных моделей (средства визуального программирования) и мультитранс-лятора. Достоинство СПСМ состоит в том, что наряду с синтезом структурных моделей она позволяет создавать внешние (импортируемые) модели УТВ тем же методом визуального программирования, что и при создании его собственных моделей. Однако, в отличие от УТВ, при генерации библиотечных элементов в СПСМ не требуется организации специального УТВ-формата, а достаточно использования соответствующих математических моделей, представленных в общем виде. На основе этих моделей модель-визард СПСМ автоматически формирует программные модули тех библиотечных элементов, которые нужны пользователю для набора требуемой внешней модели. Причем, схема самой внешней модели набирается из библиотечных элементов на специальном наборном поле непосредственно на экране монитора. Если требуемый библиотечный элемент СПСМ подготовлен в виде процедурной программы на каком-либо из доступных МТ языков программирования или в виде SML-программы, он транслируется МТ, а после трансляции поступает непосредственно в блок библиотечных элементов СПСМ. Иными словами, мультитранслятор в данном случае расширяет функциональные возможности не только УТВ, но и СПСМ, вернее, расширяет функциональные возможности их моделей-визардов.

Таким образом, реализуется три возможных способа запуска внешних моделей. Первый - подготовленная СПСМ исполнительная программа через модуль связи МТ-УТВ может непосредственно подключаться к ядру УТВ в виде соответствующей внешней модели. Эта же исполнительная программа, при необходимости, может быть реализована непосредственно на РС. Эти способы реализуют процедурный способ моделирования. Кроме того, исходная задача может поступить на модуль распараллеливания, где она представляется в параллельном виде. Далее она может быть исполнена ADSP-акселератором полностью автономно -структурный способ моделирования. Совместный синтез моделей на РС или УТБ, а также и на ЛЭ8Р-акселераторе при использовании соответствующего модуля связи реализует способ структурно-процедурного моделирования.

Таким образом, для подготовки и реализации внешних моделей УТВ в предлагаемой архитектуре наряду с мультитранслятором используются: система подготовки визуальных программ структурных моделей СПСМ, модуль связи МТ -УТВ, программно-аппаратная система моделирования и связывающий ее с РС и УТВ модуль связи. Все эти модули составляют разработанный структурно-процедурный расширитель УТБ.

Как видно из вышеописанного, наиболее полнофункциональным способом моделирования является структурно-процедурный способ. Первоначально предполагается, что подготовка задачи к моделированию осуществляется при помощи персонального компьютера (РС), поскольку основные требования к решению данной проблемы - реализация гибкого и удобного (визуального) интерфейса программирования. Непосредственно решение задачи моделирования производится полностью на многопроцессорной высокопроизводительной вычислительной структуре (МВС), где обеспечивается получение решения при минимальных временных затратах. Поэтому при подготовке задачи к загрузке на МВС большое внимание уделяется её максимальной адаптации к структуре вычислителя. Однако в ряде случаев аппаратных ресурсов может не хватить для моделирования сложных задач или часть задачи уже представлена на РС. В этом случае используется

PC в качестве хост-ЭВМ и дополнительного процессорного узла, что позволяет расширить функциональность и одновременно повысить производительность всей системы для некоторого класса задач.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гузик В.Ф., Чернухин Ю.В. и др. Принципы построения универсального транслятора продукционного типа // Методы кибернетики и информационные технологии. Саратов. 1999. №3. С.20-28.

2. Guzik V.Ph., Zolotovsky V.E., Chernukhin Y. V., Tretyakov S. V., Muntyan O.A. Structural modeling for simulation of power electronic systems//COMPEL 2000-The 7th workshop on computers in power electronics, IEEE Inc., 2000.

УДК 007.52

Ю.В. Чернухин АКСИОМАТИКА ЦИФРОВЫХ НЕЙРОПРОЦЕССОРОВ

Первая формально-логическая модель естественного нейрона была предложена Мак-Каллоком и Питсом в 1943 году [1]. При создании этой модели ее авторы постулировали лишь статическую составляющую нервных процессов и аксо-дендритные взаимодействия нервных клеток при передаче и восприятии ими нервных импульсов. Аксиоматика более совершенных динамических и разностных моделей нейрона учитывает не только динамическую составляющую информационных процессов в нервных клетках, но и тот факт, что передаваемая между ними информация кодируется интенсивностью импульсных потоков. Несмотря на простоту, сети искусственных формально-логических и динамических нейронов (нейроэлементов) позволяют решать довольно сложные проблемы из области распознавания образов. Однако до сих пор неясно, как на их основе создавать адаптивные, самооптимизирующиеся и эволюционирующие нейроподобные ансамбли и сети моделирующего, вычислительного и управляющего типа.

В докладе показано, что отмеченная проблема решается путем перехода от нейроэлементов к таким нейропроцессорам и нейропроцессорным сетям [2], аксиоматический базис которых допускает изменение всех параметров реализуемой цифровой модели, постулирует различные типы взаимодействия нервных клеток друг с другом и имеет следующий вид:

1. Цифровой нейропроцессор строится на базе динамической модели информационных процессов в нервной клетке, разностная аппроксимация которой осуществляется путем использования простейшей формулы численного интегрирования - формулы Эйлера, а реализующий ее нейропроцессор работает в квазистационарном режиме [2];

2. В процессе функционирования нейропроцессора допускаются изменения не только его синаптических весов и порога, но также коэффициента инерционности, шага разностной схемы и остальных параметров реализуемой информационной модели;

3. Операционный базис нейропроцессора включает такие нейрооперации, как формальный нейрон, суммирующий нейрон, динамический нейрон и т.п. Смена нейроопераций осуществляется в моменты достижения переменными параметрами и, прежде всего, параметром инерционности и шагом разностной схемы, соответствующих критических значений [3];