Цмоць Іван Григорович. Компоненти обчислювальних систем узгоджено-паралельної обробки сигналів у реальному часі

Краткое описание

Цмоць Іван Григорович. Компоненти обчислювальних систем узгоджено-паралельної обробки сигналів у реальному часі : дис... д-ра техн. наук: 05.13.05 / Національний ун-т "Львівська політехніка". — Л., 2006. — 402арк. — Бібліогр.: арк. 332-355.

Цмоць І.Г. Компоненти обчислювальних систем узгоджено-паралельної обробки сигналів у реальному часі. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступенядоктора технічних наукза спеціальністю05.13.05 елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, Київ, 2006.
Дисертацію присвячено питанням розвитку теорії побудови пристроїв ОС реального часу, розробки нових методів, алгоритмів і структур для реалізації базових операцій і алгоритмів ЦОС та створенню компонентів обчислювальних систем узгоджено-паралельної обробки сигналів у реальному часі з високою ефективністю використання обладнання.
Розвинуто теорію побудови пристроїв ОС реального часу, яка ґрунтуються на методі просторово-часового відображення обчислювальних алгоритмів в узгоджено-паралельні структури, запропонованих принципах побудови, методах і засобах узгодження, розроблених нових методах, алгоритмах і структурах пристроїв для реалізації базових операцій та алгоритмів ЦОС, нових структурах паралельної пам’яті, отриманих аналітичних виразах оцінки основних параметрів і забезпечує створення пристроїв ОС узгоджено-паралельної обробки сигналів у реальному часі з високою ефективністю використання обладнання. Розроблено і орієнтовано на НВІС-реалізації нові методи та алгоритми прискореного обчислення базових операцій та алгоритмів ЦОС, структури операційних пристроїв, паралельної пам’яті та процесорів ОС узгоджено-паралельної обробки сигналів у реальному часі. Продемонстровано ефективність розвинутої теорії на прикладі розробки комплекту спеціалізованих НВІС та високопродуктивних процесорів і систем обробки сигналів у реальному часі з високою ефективністю використання обладнання.

У дисертаційній роботі на основі проведених досліджень вирішено важливу науково-технічна проблему розвинуто теорію побудови пристроїв ОС реального часу, розроблено нові методи, алгоритми та НВІС-структури операційних пристроїв, обчислювана здатність яких узгоджується з інтенсивністю надходження даних і створено компоненти ОС узгоджено-паралельної обробки сигналів у реальному часі з високою ефективністю використання обладнання. При цьому отримано такі основні результати:
1. Обґрунтовано необхідність створення, сформульовано вимоги та запропоновано принципи побудови компонентів і ОС узгоджено-паралельної обробки сигналів у реальному часі, розроблено базові структури операційних пристроїв, паралельної пам’яті та процесорів, отримано аналітичні вирази для оцінки їхньої швидкодії, затрат і ефективності використання обладнання.
2. Розроблено і використано метод просторово-часового відображення обчислювальних алгоритмів у узгоджено-паралельні структури, який завдяки врахуванню особливостей засобів реалізації, вимог конкретних застосувань і інтенсивності надходження даних забезпечує синтез обчислювальних пристроїв з високою ефективністю використання обладнання.
3. Розвинуто теорію побудови пристроїв ОС реального часу, яка ґрунтуються на методі просторово-часового відображення обчислювальних алгоритмів у узгоджено-паралельні структури, методах і засобах узгодження, розроблених нових методах, алгоритмах і структурах пристроїв для реалізації базових операцій та алгоритмів ЦОС, нових структурах паралельної пам’яті, отриманих аналітичних виразах оцінки основних параметрів і забезпечує створення пристроїв ОС узгоджено-паралельної обробки сигналів у реальному часі з високою ефективністю використання обладнання.
4. Розроблено нові алгоритми та структури пристроїв для узгоджено-паралельного виконання арифметичних операцій у системах реального часу:
множення дійсних і комплексних чисел, в яких завдяки врахуванню величини зміни операндів, узгодженню інтенсивністю надходження даних із обчислювальною здатністю пристроїв шляхом вибору тактової частоти роботи і розрядності каналів надходження операндів підвищено ефективність використання обладнання;
ділення та добування квадратного кореня, в яких за рахунок одночасного отримання двох розрядів результату підвищено швидкодію.
5. Розроблено новий метод і паралельні алгоритми прискореного обчислення базових операцій швидких алгоритмів ОТП, які ґрунтуються на операціях формування і підсумовування багаторядного коду без поширення перенесення та на їх основі синтезовано операційні пристрої для обчислення базових операцій алгоритмів ШПФ комплексної послідовності за основою два, чотири та розщепленою основою два-чотири як з часовим, так і частотним прорідженням, які мають на 20-30% більшу швидкодію ніж відомі.
6. Розроблено нові алгоритми та структури пристроїв узгоджено-паралельного обчислення сум парних добутків, в яких за рахунок врахування зміни величини операндів, узгодження інтенсивності надходження даних із обчислювальною здатністю шляхом вибору розрядності та кількості каналів надходження даних підвищено ефективність використання обладнання.
7. Розроблено нові узгоджено-паралельні алгоритми і структури пристроїв для паралельного та паралельно-потокового сортування інтенсивних потоків даних у реальному часі. Показано, що за рахунок узгодження сортувальної здатності з інтенсивністю надходження даних і введення зворотних зв'язків у пристрої паралельно-потокового сортування на основі методу витіснення підвищено ефективність використання обладнання на 40%.
8. З використанням методу порозрядного порівняння розроблено нові систолічні алгоритми і НВІС-структури для обчислення мінімальних і максимальних значень, медіанної фільтрації, які відрізняються від відомих простотою реалізації та малим конвеєрним тактом, який дорівнює часу спрацювання тригера і трьох логічних елементів типу "I".
9. Запропоновано принципи побудови, базові структури та методи синтезу паралельної пам’яті з заданими технічними характеристиками, отримано аналітичні вирази для оцінки їхньої швидкодії, затрат і ефективності використання обладнання. Розроблено нові структури спеціалізованої паралельної пам'яті, в яких за рахунок узгодження інтенсивності доступу до пам’яті з інтенсивністю надходження даних, врахування структури даних і особливостей алгоритмів розв'язання задач підвищено ефективність використання обладнання.
10. Показано, що вдосконалені швидкі алгоритми базових ОТП мають спрощені структури базових операцій та алгоритмів і забезпечують простоту переходу до загального та спеціальних випадків ШПФ і ШПХ. З використанням отриманих алгоритмів розроблено програмовані на розмір і вид базового ОТП потоково-конвеєрні НВІС-процесори та синтезовано з їх використанням матричні процесори для реалізації ОТП більших розмірностей у реальному часі.
11. Продемонстровано ефективність отриманих паралельних алгоритмів і методів проектування на прикладі розробки апаратно-штучної нейронної мережі, високопродуктивних процесорів і систем реального часу з високою ефективністю використання обладнання та комплекту спеціалізованих НВІС в складі: арифметично-комутуючого пристрою, пристрою множення комплексних чисел, генератора адрес і комутатора каналів, контролера багатопортової пам'яті та процесора 2-4-8-16-точкового ШКПФ-ШСПФ.
Всі нові технічні рішення захищені авторськими свідоцтвами та патентами на винаходи.