Способ и система выполнения распределенного аналого-цифрового суммирования и управления его выполнением
METHOD AND SYSTEM OF EXECUTION OF DISTRIBUTED ANALOG-DIGITAL SUMMING AND MANAGEMENT OF ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к разделу вычислительной техники, в частности к способам и техническим средствам, выполняющим операции суммирования количества сигналов, одновременно генерируемых многими источниками сигналов, а также суммирования генерируемых этими источниками чисел. Такие операции типичны для задач поиска данных с определением количества данных, имеющих заданные при поиске логические и численные признаки, а также для многих эвристических задач. Изобретение направлено на ускорение указанных операций суммирования при упрощении способа управления этими операциями.
Известен использованный в качестве прототипа способ, опубликованный в статье: Стецюра Г.Г. Компьютерная сеть с быстрой распределенной перестройкой своей структуры и обработкой данных в процессе их передачи (Журнал Проблемы управления, №1, 2017.). http://pu.mtas.ru/archive/Stetsyura_117.pdf
Этот способ отличается следующими положительными качествами. В прототипе рассмотрены способ и система, объединяющая оптическими беспроводными связями большое количество компьютеров или подобных им программируемых устройств (далее объектов), которые обеспечивают быстрое взаимодействие объектов при поиске и обработке больших объемов данных, в частности при выполнении распределенных операций счет и суммирование.
В прототипе система имеет три вида устройств (узлов): объект, модуль связи, системный информатор.
Объект выполняет внутренние для него действия (вычисления, хранение данных), требуемые решаемой объектом задачей. Он также выполняет действия по организации взаимодействия узлов сети. Объект посылает модулям связи и получает от них оптические сигналы. Сигналы могут быть нескольких типов, различающихся качественно, например частотой. Для взаимодействия узлов используются сигналы - импульсный, длящийся известное всем узлам сети время, и непрерывный, длительность которого переменная и определяется источником сигнала. Объект посылает узлам сообщения - специальным образом организованные последовательности оптических сигналов.
1
2
2
1
Модуль связи MS получает сигналы от объекта и, используя ретрорефлектор, отражает без задержки каждый поступающий сигнал его источнику. MS использует поступающие к нему импульсные или непрерывные сигналы одного типа для модуляции ими сигналов другого типа. Пусть группа объектов посылает в конкретный MS непрерывные сигналы типа ƒ, и один из объектов посылает дополнительно сообщение сигналами ƒ. Пусть MS разрешено модулировать сигналами ƒ сигналы ƒ, копируя последними поступающее сообщение. Тогда это сообщение получат все объекты группы. Таким образом, MS не создает новые сигналы, для связи между объектами он использует только сигналы объектов.
Объект использует демультиплексор, который посылает сигналы любому MS сети, выбранной им в текущий момент группе MS или всем MS сети, информатору.
1
1
2
1
Объект посылает в MS оптический сигнал *ƒ, наличие которого запретит возврат объектам сигнала ƒ. Модуль MS имеет элемент памяти. Объект посылает в MS оптические сигналы *ƒ и *ƒ для перевода элемента памяти в состояние «включен/выключен» соответственно. В состоянии «включен» MS запрещен возврат полученного от объектов сигнала ƒ.
2
1
2
si
Системный информатор отличается от MS только тем, что он при получении сигнала ƒ вместо сигнала ƒ, модулированного сигналом ƒ, создает характерный только для информатора ненаправленный сигнал ƒ и посылает его всем объектам сети.
1
1
2
2
1
Организация связей между объектами сети. Объект - источник сигналов не посылает сигналы непосредственно приемнику. Вместо этого выполняется следующая процедура. Объект - приемник сигналов выбирает MS, через который приемник будет получать предназначенные ему сигналы. Этому MS приемник посылает непрерывный сигнал ƒ. Объект - источник посылает выбранному приемником MS непрерывный сигнал ƒ и сообщение сигналами ƒ. MS пересылает сигналы источника приемнику, модулируя сигналами ƒ сигнал ƒ приемника. Объект, как указано выше, посылает сигналы конкретному MS, одновременно их группе, одновременно всем модулям связи сети.
В прототипе показано, что непосредственно в приведенных сетевых средствах осуществляется не только быстрый поиск данных и распределенные логические операции, но также распределенные операции последовательного поразрядного счета и суммирования чисел, находящихся в сообщениях.
Недостаток способа прототипа в следующем. Во многих его применениях требуется решать две задачи: подсчитывать количество объектов, отвечающих условиям их поиска, и суммировать одновременно посылаемые объектами числа. Так как в прототипе распределенные операции поразрядного счета и суммирования чисел выполняются последовательно, то это замедляет выполнение операций, делая время их выполнения зависящим от количества участников операции. Взаимодействие объектов рассчитано только на использование оптических сигналов с применением ретрорефлекторов. Объекты могут выбирать соединение с любым MS из группы MS, что требует наличия у объектов средств выбора конкретного MS. Хотя такой способ обладает большой гибкостью, для многих применений он излишне сложен в реализации и управлении взаимодействием участвующих в суммировании устройств.
Задача настоящего изобретения для способа состоит, во-первых, в разработке способа устранения присущей прототипу задержки в выполнении операций счета и суммирования цифр и чисел; во-вторых, в упрощенном управлении взаимодействием участвующих в суммировании устройств, в частности, используется связь с единственным модулем MS, что устраняет действия по выбору конкретного MS из группы MS.
Известна система, выполняющая действия по способу прототипа. Она объединяет оптическими беспроводными связями большое количество компьютеров (объектов) и обеспечивает быстрое взаимодействие объектов при поиске и обработке больших объемов данных, в частности при выполнении распределенных операций счет и суммирование. В прототипе система имеет три вида устройств: объект, модуль связи, системный информатор. В системе прототипа связи объектов синхронизованы, что позволяет передавать сообщения так, что они поступают к MS одновременно, с наложением сигналов сообщений, или одно за другим без пауз между ними (Журнал Проблемы управления, №1, 2017.). http://pu.mtas.ru/archive/Stetsyura_117.pdf.
Недостаток системы в прототипе состоит в том, что она распределенные операции поразрядного счета и суммирования чисел выполняет последовательно, что замедляет действия системы, делая время их выполнения зависящим от количества объектов, участвующих в операции. Взаимодействие объектов системы рассчитано только на использование оптических сигналов с применением ретрорефлекторов, объекты должны иметь средства соединения с произвольным модулем MS из группы MS. Хотя такая система обладает большой гибкостью, для многих применений она излишне сложна. Она использует сложные средства управления взаимодействием участвующих в суммировании устройств.
Задача настоящего изобретения для системы состоит в разработке системы устройств, устраняющих присущую прототипу задержку в выполнении операций распределенного счета и суммирования чисел и в упрощении структуры применяемых системой устройств и средств управления ими, в частности, система имеет единственный модуль MS.
Технический результат способа состоит в том, что способ устраняет задержку в распределенных операциях суммирования одиночных сигналов и групп чисел, и выполняет их со временем, не зависящим от количества участников операции. Способ упрощает управление взаимодействием участников операции, что расширяет область применения способа.
Технический результат способа достигается тем, что в нем источники сообщений (ИС), соединенные каналами связи с модулем распределенного суммирования (МРС), включающим в себя приемник сигналов ИС, устройство управления с приемником команд, управляющих суммированием и направляемых от ИС - инициатора команд для выполнения в МРС и в другие ИС, аналого-цифровой преобразователь сигналов (АЦП), источник синхросигнала и источник цифрового сообщения, посылаемого одновременно всем ИС, взаимодействуют с МРС так, что МРС при получении от инициатора команды суммирования посылает одновременно всем ИС синхросигнал, в ответ на который ИС посылают хотя бы частично совпадающие по времени на входе в МРС сигналы с одинаковой энергией, энергию которых МРС или суммирует и полученный суммированный сигнал в АЦП преобразует в цифровое значение, одновременно посылаемое всем ИС, или суммированный сигнал непосредственно, без АЦП, преобразуется в сигнал с фиксированной энергией, идентичный сигналам ИС, который также одновременно посылается всем ИС.
Технический результат для системы устройств состоит в том, что система содержит аналого-цифровой преобразователь, ускоряющий по сравнению с прототипом выполнение распределенных операций счета и суммирования чисел, также содержит средства управления действиями МРС и средства, организующие посылку команд в источники сообщений и синхронизацию работы участвующих в операциях счета и сложения источников сообщений при выполнении указанных операций.
Технический результат для системы устройств достигается тем, что она содержит источники сообщений (ИС), соединенные каналами связи с модулем распределенного суммирования (МРС), включающим в себя подключенный к каналам связи приемник сигналов ИС, выход которого подключен к устройству управления с приемником команд, принимающим от ИС - инициатора команд команды, управляющие суммированием и направляемые для выполнения в МРС и в ИС, выход приемника сигналов ИС подключен также к входу в аналого-цифровой преобразователь сигналов (АЦП); первый выход устройства управления подключен к входу включения в работу АЦП, выход АЦП подключен к источнику цифровых сигналов (ИЦС), соединенному со всеми каналами связи, передающими сигналы от МРС к входам находящихся в ИС приемников сигналов от МРС; второй выход устройства управления подключен к источнику синхросигнала (ИСС), подключенного ко всем каналам связи; третий выход устройства управления подключен к входу ИЦС.
Техническая сущность и принцип действия предложенной системы устройств поясняются чертежами.
Фиг. 1 показывает общую структуру системы.
Фиг. 2 показывает организацию модуля распределенного суммирования.
Фиг. 3 показывает организацию источника сообщений.
Приведенные на чертежах устройства системы следует рассматривать как пример технической реализации предложенной в патенте системы.
Краткое описание предложенного способа. В способе энергия создаваемых источниками сигналов суммируется в модуле распределенного суммирования, преобразуется в электрический сигнал с уровнем сигнала, пропорциональным указанной суммарной энергии, для которого аналого-цифровым преобразованием определяется его цифровое значение, которое передается источникам суммируемых сигналов. Это позволяет в источнике сигналов определить количество суммируемых сигналов, переданных всеми источниками. Эти же действия позволяют суммировать значения передаваемых источниками цифр.
Способ позволяет сигнал с суммированной энергией без привлечения аналого-цифрового преобразования переводить в сигнал, подобный сигналу, поступающему в модуль распределенного суммирования от источников сообщений, и отсылать этот сигнал источникам сообщений.
Способ обеспечивает управление при помощи команд, получаемых от инициатора операций суммирования, действиями МРС и действиями участвующих в суммировании источников сообщений.
Под источником сообщений (ИС) здесь и далее понимается устройство, способное взаимодействовать с МРС и другими источниками сообщений в соответствии с пунктами формулы изобретения. Указанные действия в ИС задается внешнее программируемое устройство, например компьютер.
Краткое описание предложенной системы устройств.
Для выполнения действий способа система устройств содержит источники сообщений (ИС), соединенные каналами связи с модулем распределенного суммирования (МРС), включающим в себя подключенный к каналам связи приемник сигналов ИС, выход которого подключен к устройству управления, принимающего команды управления действиями МРС и ИС при подготовке суммирования и непосредственно суммировании, выход приемника сигналов ИС подключен также к входу в аналого-цифровой преобразователь сигналов (АЦП); первый выход устройства управления подключен к входу включения АЦП, выход АЦП подключен к источнику цифровых сигналов (ИЦС), соединенному одновременно со всеми каналами связи, передающими сигналы от МРС к входам находящихся в ИС приемникам сигналов от МРС; второй выход устройства управления подключен к источнику синхросигнала (ИСС), подключенного ко всем каналам связи; третий выход устройства управления подключен к входу ИЦС, что позволяет МРС посылать всем ИС цифровой сигнал со значением логическая единица при поступлении от источников сообщений суммарного сигнала.
Эта система выполняет операции счета и суммирования значений цифр чисел одновременно для групп чисел, делая время выполнения операции не зависящим от количества участников операции.
Предложенный способ распределенного аналого-цифрового суммирования и управления его выполнением для подготовки к выполнению суммирования и его проведению использует следующие команды.
1. Команда разрешения / запрета МРС пересылать в источники сообщений команды, поступающие от инициатора операции суммирования.
2. Команда суммирования - инициирует в ИС заданный инициатором вариант операции суммирования и запускает передачу от МРС в ИС синхросигналов. Команда имеет описанные ниже модификации в передаче синхросигналов.
3. Команда настройки состояния аппаратуры МРС. Команда опционная, может потребоваться при расширении возможностей МРС.
Способ осуществляет указанные ниже шаги.
Шаг 1.
Источник сигналов - инициатор операции суммирования посылает через МРС выбранным им источникам сигналов - участникам операции команду на проведение суммирования, содержащую условия, которым должна отвечать операция, например, это может быть суммирование одиночных сигналов или суммирование цифр чисел. Различия в этих операциях приведены ниже. Инициатор может командой, также посылаемой через МРС, потребовать от участников суммирования уведомления об их готовности к проведению операции.
Шаг 2.
Инициатор суммирования посылает в модуль распределенного суммирования (МРС) команду суммирования. В зависимости от заданных в команде условий МРС посылает источникам сигналов одиночный синхросигнал или группу заданного количества синхросигналов, следующих с заданной частотой.
Шаг 3.
Условие для выполнения шага 3. Для выполнения суммирования приемник сигналов ИС в МРС должен линейно суммировать энергию поступающих сигналов. Его аналоговый выход соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который преобразует аналоговое показание приемника в цифровое показание, посылаемое одновременно всем источникам сигналов, подключенным к МРС. Сигналы источников при поступлении в МРС должны хотя бы частично совмещаться во времени и в совокупности восприниматься как единый сигнал. В частном случае источникам сигналов заданы времена доставки их сигнала в МРС, что позволяет им посылать сигнал так, чтобы сигналы всех ИС поступили в МРС одновременно. Все источники сигналов посылают сигналы, имеющие одинаковые временные параметры и энергию.
Для выполнения суммирования инициатор суммирования должен иметь возможность посылать в МРС команды, управляющие действиями МРС, и через МРС посылать в ИС команды, управляющие ИС, например команда проверки готовности ИС, указанная в шаге 1 способа. При передаче таких команд, а также при передаче некоторых видов данных от ИС потребуется пересылка поступающих в МРС сигналов без суммирования.
Выполнение Шага 3.
Вариант посылки от МРС одиночного синхросигнала источникам сигнала.
Получив синхросигнал, источники сигналов передают сигналы синхронно, так что они совпадают по времени при поступлении в приемник сигналов, находящийся в МРС.
В результате МРС получит сигнал с суммарной энергией посланных в него ИС двоичных сигналов. Сигнал будет оцифрован в АЦП и результат одновременно отправлен инициатору поиска и объектам, которые наблюдают за выполняющим оцифровку сигналов модулем МРС. Получив цифровые значения, объекты определяют общее количество посланных в МРС сигналов. Таким образом, для каждой группы сигналов, проступающей в МРС одновременно, определяется их количество, а для последовательности таких групп (например, шкалы логических признаков) формируется соответствующая гистограмма для всех разрядов шкалы.
Интервал времени выполнения счета не зависит от количества ИС, участвующих в нем, и состоит из двойного интервала времени прохождения сигнала между МРС и наиболее удаленным от него ИС и времени, требуемого для преобразования аналогового сигнала в цифру.
Если уровень энергии суммарного сигнала, поступающего на приемник МРС, превышает линейный участок работы приемника, то это обнаруживает АЦП, и МРС дополняет посылаемое от него цифровое значение отметкой об указанном превышении.
Получив эту информацию, инициатор суммирования может уменьшить размеры группы ИС, посылающих одновременно сигналы в МРС. Для этого инициатор, например, уточняет запрос, уменьшая количество ИС, участвующих в операции суммирования.
Изложенная операция позволяет также суммировать любые числа, одновременно передаваемые ИС в модуль МРС. Для этого выполняется следующий способ суммирования.
Способ суммирования чисел. Пусть суммируемые числа заданы в позиционной системе счисления с основанием p, но цифры чисел представлены последовательностями (шкалами) двоичных разрядов так, что в шкалу записывается единица только в ее разряд, соответствующий значению цифры. Например, в десятичной системе счисления цифра 3 будет представлена как 000000100.
Сохраним приведенные выше шаги 1 и 2 способа суммирования. Шаг 3 выполняется со следующими отличиями. Каждый ИС посылает сигнал, если в разряде шкалы записана единица. Шкалы источников поступают в МРС с совмещением одноименных разрядов шкалы. Для суммарного сигнала в разряде шкалы приемник сигналов выдает аналоговый электрический сигнал, значение которого, пропорциональное энергии поступивших оптических или электрических сигналов от ИС. АЦП переводит этот аналоговый сигнал в цифровую форму. Такие действия выполняются для всех разрядов шкалы.
В результате для каждого разряда шкалы определяется количество источников, пославших соответствующие разряду цифры, и формируется цифровое значение этого количества. Для цифры будет создано количество сумм, равное основанию системы счисления. Все цифры числа обрабатываются одинаково. Источники сообщений получают результаты суммирования для цифр числа и собственными средствами из этих сумм формируют значение соответствующего числа.
При достаточно точной синхронности работы ИС модулю МРС достаточно послать только один синхросигнал для синхронного суммирования большого количества чисел, посылаемых в одном сообщении. Если одного синхросигнала недостаточно, то применяется указанная выше последовательность группы синхросигналов.
При длительности сигналов, достаточной, чтобы сигналы хотя бы частично совмещались по времени на входе в МРС, сигналы синхронизации могут быть исключены.
Таким образом, операция суммирования выполняется за время, не зависящее от количества одновременно участвующих в этой операции ИС.
Ретрансляция поступающих в МРС сигналов без суммирования. Этот режим работы МРС включается по управляющее команде от ИС и полученные от одного или группы ИС сигналы пересылает в ИС не только без суммирования, но и с нормализованным уровнем сигнала так, что отправляемые в ИС сигналы по виду и уровню сигнала не отличаются от сигнала источника, направляемого в МРС.
Подробное описание предложенной системы устройств.
Предложенная система устройств организована и действует в соответствии с предложенным способом следующим образом.
На фиг. 1 показана общая структура системы. Здесь модуль распределенного суммирования (1) соединен каналами связи (2) с источниками сигналов (3). Каждый канал связи обеспечивает одновременную передачу сигналов в двух направлениях. Канал связи может быть проводным или беспроводным.
На фиг. 2 показан модуль МРС, содержащий приемник суммируемых сигналов источников сигналов (4), устройство управления (5), аналого-цифровой преобразователь (6), передатчик синхросигналов (7) и передатчик цифровых сигналов (8).
На фиг. 3 показан источник сигналов, содержащий источник (9) направляемых в МРС сигналов, приемник (10) получаемых от МРС цифровых сигналов и синхросигналов, и устройство управления (11), связанное каналом (12) компьютером, организующим взаимодействие с МРС.
Компоненты системы взаимодействуют следующим образом. Компьютер инициатора операции суммирования по каналу (12) посылает в устройство управления (11) указанные в способе команды, которые через источник (9) поступают в приемник (4) МРС. Затем команды поступают в устройство управления МРС (5), которое посредством источника (7), посылает по каналам (2) адресованные источникам сообщений команды и синхросигналы и разрешает АЦП (6) принимать суммируемые сигналы. Приемник (10) в источнике сигналов (3) получит синхросигнал, направит его в устройство управления (11), которое перешлет синхросигнал в компьютер, и последний передаст в (11) сигнал в МРС для выполнения суммирования.
Более быстрый вариант связи с компьютером: компьютер заранее пересылает для суммирования сигнал, цифру, число или группу чисел в (11). Остальные действия суммирования выполняет устройство (11).