автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему: Коммутационная структура с параллельной идентификацией для многопроцессорных вычислительных систем

Автореферат диссертации по теме "Коммутационная структура с параллельной идентификацией для многопроцессорных вычислительных систем"

На правах рукописи

Мальцева Наталия Сергеевна

КОММУТАЦИОННАЯ СТРУКТУРА С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИЕЙ ДЛЯ МНОГОПРОЦЕССОРНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05 13 05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань - 2008 г.

Работа выполнена в Астраханском Государственном Техническом Университете

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Жила Владимир Васильевич

доктор технических наук, доцент Дмитриев Вадим Николаевич

Ведущая организация- Саратовский государственый

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор

Защита состоится 1 июля 2008 г в 9-00 часов на заседании диссертационного совета Д 307.00101 при Астраханском Государственном Техническом Университете по адресу 414025 г. Астрахань, ул Татищева, 16, главный корпус, аудитория 305

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу. 414025 г Астрахань, ул Татищева, 16

Автореферат разослан «31»мая2008г

Гусев Владимир Георгиевич кандидат технических наук, доцент Осовский Алексей Викторович

Учёный секретарь диссертационного сове-д т н, проф

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. На современном этапе развития общества сфера применения многопроцессорных вычислительных систем (МВС) непрерывно расширяется, охватывая все новые области в различных отраслях науки и производства

Важной особенностью МВС является способ организации связей между устройствами (процессорами) системы Он влияет на скорость обмена информацией между процессорами, а, следовательно, и на производительность всей системы Ключевым элементом, определяющим быстродействие и производительность МВС, являются коммутационные системы (КС)

В настоящее время ведется разработка новых технологий коммутации, в частности, оптических приборов, реализующих функции коммутации и обработки в сочетании с новыми методами разделения сигналов на основе волновых и временных признаков Внедрение таких технологий позволит значительно повысить быстродействие МВС, однако они пока остаются дорогими и малодоступными Альтернативой подобным устройствам является разработка классических КС с переходом к новым методам коммутации и новой архитектуре коммутационных систем. Большой вклад в исследование принципов построения классических КС внесли В В Аладьин, Н И Артюхин, А А. Архангельская, Л А Бассалыго, В А Гармаш, И И, Б С Голыптейн, Грушко, Э Б Ершова, О Н Иванова, А В Каляев, В И Кодачигов, Б С Лившиц, О Е Ляшко, В А Мельников, Г В Метельский, В И Нейман, ЮП Офман, НА Прокопец, Я В Фидаин, АД Харкевич

Современные коммутационные системы позволяют производить настройку системы в пачечном режиме только последовательными методами, что существенно снижает скорость настройки системы и передачи информации В связи с этим возникает актуальный вопрос повышения производительности МВС методом параллельной идентификации каналов данных, позволяющим производить настройку свободных каналов данных КС на фоне передачи информации. Также необходимо снизить количество коммутационных ячеек в системах с количеством входов от 1024 до 4096.

Актуальность темы также подтверждается ее соответствием, утвержденным 21 05 2006 Президентом Российской Федерации В В.Путиным приоритетным направлениям развития науки, техники и критических технологий Российской Федерации в части развития информационно-телекоммуникационных систем и разработки интеллектуальных систем управления (№ Пр-843).

Целью настоящего исследования является повышение производительности МВС на основе метода параллельной идентификации каналов данных на фоне передачи информации в многозвенных КС

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи.

- провести анализ патентной информации и открытой технической документации ведущих разработчиков коммутационных систем для МВС, исследование и анализ общих свойств и принципов функционирования ячеек и блоков коммутации,

- обосновать выбор формализованной модели многозвенного коммутационной системы с параллельной идентификацией каналов данных,

- разработать функциональные схемы ячейки и блока коммутации для многозвенного коммутационного поля с параллельной идентификацией каналов данных для МВС,

- разработать принципы построения многозвенных коммутационных структур с параллельной идентификацией каналов данных и алгоритма поиска свободных каналов данных,

- разработать метод параллельной идентификацией каналов данных многозвенной КС для МВС,

- построить имитационные модели поиска свободных каналов данных, ячейки коммутации, блока коммутации многозвенной КС с параллельной идентификацией каналов данных

Объектом исследования является коммутационная структура с параллельной идентификацией свободных каналов данных

Предметом исследования является

-алгоритм параллельной идентификации свободных каналов данных в многозвенной КС,

-алгоритм работы ячейки и блока коммутациимногозвенной КС

При разработке многозвенной коммутационной системы с параллельной идентификацией свободных каналов данных применялись методы вычислительной техники, булевой алгебры, компьютерного моделирования, теории множеств, теории цифровых автоматов

- разработан метод параллельной идентификации каналов данных на фоне передачи информации в многозвенной КС,

- разработана функционально-логическая схема ячейки коммутации многозвенного коммутационного поля с параллельной идентификацией каналов данных на фоне передачи информации,

- разработана функционально-логическая схема блока коммутации многозвенной коммутационной системы с параллельной идентификацией каналов данных на фоне передачи информации

На защиту выносятся следующие положения:

- структурная и функциональная схемы ячейки коммутации для КС с параллельной идентификацией свободных каналов данных (патент на полезную модель 73568 Российская Федерация, МПК Н03К17/04, Ячейка коммутации для многокаскадной коммутирующей системы / В В Жила, Н С Мальцева, Е А Барабанова (1111). - № 2007147277/22; заявл 18 12 07, опубл 20 05 08),

- метод параллельной идентификации каналов данных КС для МВС, отличающийся от известных тем, что настройка системы производится на фоне передачи информации,

- функциональная схема блока коммутации для КС с параллельной идентификацией свободных каналов данных. Данный блок отличается от известных тем, что в нем изменена структура ячеек коммутации и введены дополнительные шины управления, производящие настройку системы на фоне передачи информации

- алгоритм поиска свободных каналов связи в многозвенных КС с параллельной идентификацией каналов данных

Практическая значимость работы.

Разработанные в диссертации структурная и функциональная схемы блока коммутации многозвенной КС с параллельной идентификацией свободных каналов данных ориентированы на реализацию в виде интегральной схемы Использование разработанного блока коммутации в виде интегральной схемы в МВС позволит сократить время установления соединений Возможно также итерационное наращивание элементов, что позволяет более эффективно использовать ячейки коммутации при увеличении числа входов в системе Многозвенные КС, построенные на разработанных блоках коммутации, содержат меньшее число ячеек коммутации при возможности проведения параллельной идентификации каналов данных на фоне передачи информации

По результатам исследований получен патент на полезную модель 73568 Российская Федерация, МПК Н03К17/04, Ячейка коммутации для многокаскадной коммутирующей системы / В.В Жила, Н С Мальцева,

Е А Барабанова (RU) - № 2007147277/22, заявл 18 12 07, опубл 20 05 08

Полученные результаты работы используются в учебном процессе в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет».

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной НИР ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет», «Анализ и синтез элементов и устройств телекоммуникационных, информационно-измерительных систем и систем управления» / Научный руководитель д-р техн наук Дмитриев В Н ГР №01 2 006 08076, Астрахань АГТУ, 2005-2006 гг.

Личный вклад автора. Автор диссертации разработал метод параллельной идентификации каналов данных на фоне передачи информации, структурную, функциональную схему и имитационную модель ячейки и блока коммутации многозвенной КС с параллельной идентификацией каналов данных на фоне передачи информации

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской конференции с международным участием (Улан-Удэ, 2006), Российской школе-конференции с участием молодых ученых и преподавателей (Москва, 2006), на XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях MMTT-XIX» (Воронеж, 2006), на XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-ХХ» (Ярославль, 2007), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2004-2008)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 6 таблиц, список литературы включает 97 наименований

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, перечислены основные научные результаты диссертации, приведены практическая ценность и область применения результатов

Первая глава посвящена анализу существующих ячеек коммутации, используемых в МВС. Сделан обзор архитектур КС, построенных на основе этих ячеек

Зависимость числа ячеек коммутации К от количества входов систем коммутации N определяется по формулам:

К = ЛГ2 — в матричной системе,

К = (2 п-\) (2 N + И2 /п2) ,-в трехзвенной КС,

где п - число входов блока коммутации,

К = (2 п-1) [2 N + 2 N (2-п-\)/п+^ (2 п-\)/п4\ - в пяти-звенной КС

Проведенный анализ коммутационных структур большой емкости, используемых в МВС, показывает, что ячейки коммутации в матричных схемах используются весьма неэффективно (рис 1)

О 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500

количество входо» коммутодоошкт системы

Рис 1 Зависимость числа ячеек коммутации КС от числа входов

Это связано с тем, что в каждом ряду и в каждом столбце матричного коммутатора может работать одновременно только одна ячейка коммутации, даже при условии поступления по всем линиям требования на установление соединения

Количество ячеек коммутации можно существенно снизить, если выполнить КС не в виде матрицы, а в виде многозвенной системы При

использовании коммутационных структур с количеством входов до 32 (рис 1) выгодно использовать матричную структуру, при большем количестве входов (от 32 до ИЗО) оказывается более эффективным трехзвенное построение, при дальнейшем увеличении входов системы (от 1130 до 4096) наиболее эффективной становится пятизвенная система Таким образом, применение принципов многозвенного построения КС при числе входов от 1130 до 4096 позволяет снизить количество ячеек коммутации по сравнению с трёхзвенной системой в среднем на 26,4% и на 90 % по сравнению с матричной КС.

Большое влияние на структуру коммутационных систем оказывает метод настройки Настройка КС - это установка всех ее ячеек в определенные состояния для выполнения требуемого соединения, при этом все системы подразделяются на системы с централизованной и децентрализованной настройкой Известны многозвенные КС, предложенные К А Клоссом, В.Е Бенешем, а также сортирующие схемы, но алгоритм их настройки в пачечном режиме, за исключением перебора всех возможных вариантов соединений, не известен

Существующие ячейки коммутации (А С 575697 В В Жила, А С 1233214 В В Жила, AB Каляев, О.В Макаревич; А.С 42210 Н И Витиска, В.И. Кодачигов, О В Макаревич, П М. Рыбаков) позволяют производить настройку системы параллельными методами, но имеют недостаток, заключающийся в том, что этап настройки и этап передачи информации должны быть разъединены во времени, а это существенно увеличивает время настройки системы

Анализ литературных источников и патентной информации позволил сделать следующие выводы:

- применение матричных и трёхзвенных коммутационных систем с числом входов от 1024 до 4096 в МВС не выгодно, так как требуются большие аппаратные затраты;

- не известны алгоритмы настройки многозвенных коммутационных систем для МВС, позволяющие производить настройку коммутационных истем в пачечном режиме на фоне передачи информации,

- не известны принципы построения многозвенных коммутационных систем для МВС, позволяющие реализовать соответствующие алгоритмы,

- известный алгоритм работы и логическая структура ячейки памяти (A.C. 1233214) может служить основой для диссертационного исследования

В результате проведенного анализа работ по предметной области сделан вывод и поставлена задача исследования, разработать на базе

теории множеств метод параллельной идентификации каналов данных в многозвенной КС, позволяющий повысить производительность МВС за счет сокращения времени настройки КС и снизить число коммутационных ячеек за счет многозвенности.

Во второй главе обоснован выбор формализованной модели трехзвенной КС с параллельной идентификацией каналов данных, выполненной на базе теории множеств.

Многозвенная КС с параллельной идентификацией каналов данных является сложной системой, и при описании модели параллельной настройки в данной работе используются элементы теории множеств Для упрощения расчетов докажем возможность проведения параллельной идентификации в трехзвенной системе

Обозначим входы трехзвенной коммутационной системе (КБ) как множество Ми =