Проект "пульс": (описание идеи)

Вид материала

Программа

Содержание Преимущества эмуляции Более того, в Системе Эмуляции допускается многовекторность сигнала в каждой цепи! Рис. 7 Фрагментация рисунка проекта "вглубь"вариант третий

Подобный материал:

• Программа «Школа волонтеров Пульс», 453.36kb.
• Проект посвящен вопросам эксплуатации кц-1 кс «Игринская», 23.57kb.
• Как начинается проект?, 59.12kb.
• Настоящий Проект перспективного развития школы на 2011-2015 годы продолжает основные, 711.77kb.
• Тематическое планирование уроков в 7 классе, 894.98kb.
• Описание современной модели доступного и качественного образования в Хабаровском крае, 55.82kb.
• Конкурс инновационных проектов «Новый Алтай», 29.46kb.
• Анализ требований к проекту сайта (см табл. 9) 18 Согласование выработанной идеи проекта, 590.25kb.
• В. А. Заботина Утверждаю Начальник своуо в. Г. Кобозева Положение конкурс, 38.14kb.
• Программа производства и сбыта Формирование каналов сбыта продукции. Разработка мероприятий, 1030.06kb.

- системы автоматики и АСУ ТП масштаба предприятия;

- бортовые системы управления;

- системы диспетчеризации и принятия решений;

- организация мощных вычислительных матриц;

- универсальная среда проектирования нейрокомпьютеров;

- проектирование интеллектуальных систем нового поколения:

Экспертных Систем, систем понимания, машин Баз Знаний и других направлений

Искусственного Интеллекта (ИИ);


Как видно из приведенного списка, Универсальная Платформа Эмуляции рассчитана на применение в достаточно широком спектре приложений, но, по большому счету, она может быть применена везде, где необходимы какое-то управление, вычисление или моделирование процессов (вернее даже сказать – их эмуляция в режиме реального времени).


Ниже в статье будет уделено внимание рассмотрению той идеи, что проектирование по настоящему сложных систем станет возможным благодаря, во-первых - возможности разработки пользовательских проектов на уровне Систем и во-вторых – непосредственному и совместному участию в проектах специалистов разных специальностей без посредничества программистов, когда графический язык проектирования уровня структурных схем станет основой не только самих проектов, но и языком межпрофессионального общения.


Преимущества эмуляции


Итак, принципиальное различие между известными системами графического программирования (ниже, для краткости, – Систем Программирования) от системы, основанной на принципах схемной эмуляции (Системы Эмуляции), состоит в том, что в последней – отсутствует этап генерации исходных/исполняемых кодов с последующими этапами их компиляции или интерпретации.

Это явный признак, который "лежит на поверхности". Тем не менее, именно идея отказа от всякого рода кодов и работа Системы Исполнения непосредственно по рисунку проекта – служит источником большого числа положительных возможностей, которые принципиально недоступны Системам Программирования. А именно:


1) Система Эмуляции позволяет проектировать на уровне Структурных Схем;


Не лишним будет еще раз напомнить, что работа любого графического компилятора в графических Системах Программирования состоит в просмотре рисунка проекта (притом, достаточно тривиальным способом, в порядке - "слева-направо" и "сверху-вниз") и генерации по нему программных кодов. А раз мы возвращаемся к программированию, то совершенно очевидно, что на каком бы графическом языке мы не рисовали схему - будь-то язык последовательных функциональных блоков (SFC), релейных диаграмм (LD) или функциональных блоковых диаграмм (FBD) - она непременно будет приведена к обычному рисунку алгоритма программы.

Иначе никакой компилятор или интерпретатор не сможет ее обработать, другими словами, - привести к последовательности программных операторов исходного, промежуточного или исполняемого кода. Поэтому назовем, для краткости, такой уровень графического представления проектов – Уровнем Алгоритмов.

Графическое программирование для Системы Эмуляции может быт выполнено на уровне языка Структурных Схем (СС). Такой язык обладает гораздо большими функциональными возможностями по отношению к Уровню Алгоритмов и по сложности он соответствует уровню разработки электронных систем при системотехническом проектировании. Назовем такой уровень представления проектов – Уровнем Систем.

Средой, в которой проекты такого уровня могут быть исполнены, может быть исключительно среда программы схемной эмуляции, но никак не среды компилирования или интерпретации.

К тому же, проектирование на уровне структурных схем позволит поднять степень представления рисунков проектов на более высокий уровень, действительно понятному самому широкому кругу специалистов. Потому что, будучи даже графическими, такие языки как SFC, LD или FBD - все равно остаются языками программирования (да еще и с ограниченными возможностями) и требуют участия в проекте программиста.

Ниже я попытаюсь показать, что язык СС – соответствует более высокому уровню представления проектов, чем Уровень Алгоритмов и что CASE - SoftLogic системам вообще не под силу компиляция и исполнение проектов, представленных на уровне СС.

Для этого, для начала, выделю всего три параметра определения сложности графической схемы. Это - наличие и вид обратных ветвей (цепей, связей) примененных в проекте, сложность временных соотношений сигналов в разных ветвях рисунка проекта по отношению друг к другу, а также сложность вида сигналов в каждой отдельной ветви.

■ обратные связи и их виды

Обратные связи (ОС) – есть важнейший атрибут любых проектов, составленных в виде принципиальных, функциональных или структурных схем. Существуют ли обратные связи в программировании? В общепринятом смысле – их там нет! То, что обычно можно увидеть на рисунках алгоритмов программ, приближенно напоминающих обратные связи, – это всего лишь изображения т.н. циклов. Примеры, характерных для программирования видов циклов, приведены на рис.1а, б.

Они наглядно демонстрируют, что ветви a, b и c – это т.н. "указатели" на адрес компоненты, с которой программу следует повторить, пока в компонентах k2, k5 и k6 (соответственно) будут соблюдаться определенные условия.

Указателями такие ветви называются потому, что всего лишь соответствуют команде на загрузку в регистр адреса процессора адреса команды, с которой последовательное выполнение некоторой цепочки программных операторов будет повторена.

Но всякие ли даже циклы способны "переварить" современные компиляторы? Под словом "переварить" следует однозначно понимать ситуацию, когда, встретившись с такой "штукой", каждый из них будет в состоянии ее распознать и грамотно вставить сгенерированный блок операторов в тело программы. Оказывается, что современные компиляторы в состоянии распознать и закодировать только простые и вложенные циклы, подобно изображенным на рисунке 1а и 1б.

А все от того, что основной принцип программирования для архитектуры фон Неймана гласит, что прерывания для процессора могут быть только вложенными. Потому как внутри самих процессоров они реализуется стековыми регистровыми структурами.



рис. 1а Простые циклы.



рис. 1б Простые вложенные циклы

Поэтому абсолютным нонсенсом, с точки зрения программирования будет выглядеть, к примеру, проект, содержащий т.н. перекрестные обратные связи, изображенные на рис. 2.



a)

б)

рис. 2 а, б Примеры перекрестных обратных связей.

Принцип схемной эмуляции, конечно же, не нарушает основополагающих принципов программирования, свойственных архитектуре фон Неймана, но он позволяет смоделировать среду, в которой такие "нарушения" имитируются.


Я употребил слово "имитировать" потому как любая программа, в том числе и схемной эмуляции, попав в среду современных процессоров, должна мириться с ее особенностями – регистровой структурой – идеологией, которая остается неизменной на протяжении всей истории ее существования.

Это касается случая, когда Модуль Эмуляции будет запущен на PC- или иной микропроцессорной платформе. К тому же, скорость эмуляции в этом случае будет соизмерима со скоростью исполнения обычных программ, что годится для случая управления относительно медленными технологическими процессами.

Понятно, что "родной" для него средой , в которой ему не надо будет чего-либо "нарушать" может быть среда микросхемы программируемой логики.


■ учет временных соотношений сигналов в цепях проекта

Как уже много раз подчеркивалось мною в этой статье, все проекты, представленные на каких-либо известных графических языках Систем Программирования непременно сводятся к простому списку программных операторов, которые могут быть исполнены процессором последовательно.

Поэтому, первейшей задачей любого графического компилятора в СП является определение порядка размещения программных модулей (Mn) в теле программы, согласно связям (ветвям) соединяющих графические образы соответствующих им компонент (Kn) на рисунке проекта.

К примеру, на рис. 3а представлена схема проекта на уровне языка FB. На рис. 3б представлен вариант ее программной реализации, представленной в виде последовательности сгенерированных компилятором программных модулей.




Рис. 3а Проект системы содержащий параллельные ветви



Рис. 3б Порядок выполнения программных модулей для рис. 3а.

Графические Компиляторы в Системах Программирования просматривают схему (рисунок) проекта по правилу: "слева – направо", "сверху – вниз". В результате - формируется статическая цепочка программных модулей исходных кодов. И ситуация здесь может доводиться до абсурда: когда вид сгенерированного программного кода может зависеть даже от места расположения определенной компоненты на экране дисплея!!! Этим недостатком графических компиляторов умело пользуются, к примеру, программисты, поднаторевшие в среде IsaGraf.

Как показано на рис. 3б, модуль М3 может быть расположен только в конце тела программы, поскольку оба входных его параметра (идентификаторы - α, β) должны быть определены к началу его исполнения.

О какой же динамичности процессов в таком случае может идти речь?

В свою очередь, в Системе Эмуляции вычисление значений в каждой ветви рисунка проекта осуществляется параллельно, соблюдая при этом всю динамику распространения процессов между ветвями. Если проектирование системы управления будет вестись на уровне Структурной Схемы (уровне систем), то в проект, представленный на рис. 3а может быть вложен совершенно другой смысл, к примеру, как на рис. 4. Здесь подразумевается, что при изменении сигнала на входе компоненты К1 с уровня логического нуля ("0") до уровня логической единицы ("1"), на выходе К3 формируется строб (импульс).



Рис. 4 Фрагмент проекта на уровне структурной схемы (уровень системы)

Приведенный на рис.4 фрагмент наглядно показывает, что сложный во времени вид сигнала на выходе компоненты К3 может формироваться в результате "гонки" сигналов, проходящих одновременно по параллельным ветвям 1 и 2 схемы, что есть совершенно нормальным явлением для уровня схем электронных систем. Но представляется абсолютным нонсенсом для схем алгоритмов, составленных в среде Систем Программирования.

Сложный вид сигналов в Системах можно получить не только путем организации гонок сигналов по разным цепям, но и применением обратных связей на одной компоненте, как это показано на Рис. 5



Рис. 5 Фрагмент структурной схемы представленной на уровне СС.


Формирования строба – пример, конечно, частный и примитивный. Но сама идея учета временных соотношений сигналов между различными ветвями схемы проекта может с успехом применяться, к примеру, в цепях селекции паттернов (цепочек импульсов) тех же самых нейронных сетей.


■ сложный вид и природа сигналов в каждой цепи

Программные переменные (идентификаторы), используемые в Системах Программирования, ни коим образом не привязаны к ветвям алгоритма. Располагают их в отдельных частях программы - области описания идентификаторов, а при исполнении этой самой программы каждому из них выделяется отдельная область оперативной памяти. Управляются (изменяются) идентификаторы изнутри программных модулей.

И даже тогда, когда идентификатор – не константа, а описывает какую-либо переменную (например, температуру в объекте управления) – природа его все равно остается достаточно статичной. Потому что за один цикл любой программы - "считывание сигналов с датчиков → обработка входных сигналов по определенному алгоритму → формирование управляющих сигналов на исполнительные органы" - он (идентификатор) может быть изменен программой только один раз и только из одного места.

Потому как современные языки программирования не позволяют иного, а нарушение этого правила может привести программу в непредсказуемое состояние, другими словами – к аварии.


В Системе Эмуляции любая программная переменная строго привязана к определенной ветви рисунка и за полный цикл эмуляции может гарантированно изменяться столько раз, сколько этого будет требовать логика работы спроектированной схемы.


В то же время, кардинальным отличием Системы Эмуляции от всех известных Систем Программирования является способность работать с такими атрибутом схем как сигнал.

В течении полного цикла эмуляции сигналы могут перемещаться по ветвям рисунка проекта ( как на рис. 4). Естественно, что поскольку каждый сигнал перемещается по своей цепи, то на определенных компонентах схемы могут быть выявлены сколь угодно сложные их смещение друг относительно друга. Все это – и служит источником формирования сигналов любой по форме сложности.

Более того, в Системе Эмуляции самим компонентам разрешается генерировать сигналы любой формы сложности, как, например, паттерны - для случая нейронной сети. Или последовательности импульсов - для случая генератора тактовых импульсов.

Особо подчеркну, что Системе Эмуляции под силу так называемое многозначное кодирование состояний сигналов в ветвях схемы. Это значит, что по ветвям графической схемы проекта могут передаваться не только сигналы дискретной логики или аналоговые сигналы, но также значение импеданса и т.д. Что является чрезвычайно полезным при проектировании, опять-таки, нейронных структур, а также – организации двунаправленных потоков данных.

Более того, в Системе Эмуляции допускается многовекторность сигнала в каждой цепи!

Под этим следует понимать, что по одной и той же цепи могут одновременно передаваться как уровни аналогового сигнала, так и дискретного. Реализация такого наложения (модуляции) может стать весьма полезной, к примеру, при проектировании таких систем – как тех же самых нейронных сетей.

Все это дает разработчику возможность разрабатывать в среде эмуляции не только простые алгоритмы управления, соответствующие уровню Систем Программирования, но и представлять проекты на системном уровне в виде Структурных Схем.


2) Простое распараллеливание и синхронизация процессов;


При традиционном программировании на программиста возлагается задача выявления всех параллельных участков в программе и организации процесса синхронизации всех ее ветвей посредством, к примеру, механизма семафоров. Практически с появлением первых языков параллельного программирования возникло и стремление как можно больше таких операций переложить на компилятор, уменьшив, таким образом, зависимость этапа программирования от субъективного фактора (читай – программиста).


Тем не менее, задача эта еще настолько далека от окончательного разрешения, что ей можно было бы еще уделить тома трудов и годы работы… если бы не рождение идеи использования схемного эмулятора как среды исполнения. Именно эта идея все потуги по развитию инструментария параллельного программирования превратила в бессмысленное занятие, потому что всех тех проблем, которые свойственны традиционным системам, в ней просто не существует.

В принципе, можно сказать, что отличительной чертой любого схемного симулятора от обычных программ есть: во-первых – работа непосредственно по графическому рисунку схемы и, во-вторых, - формирование всех параллельных потоков в программной модели устройства, с соблюдением условий распространения сигналов в ветвях рисунка проекта.

Авторская программа схемной эмуляции отличается от обычных симуляторов еще и тем, что делает все это в режиме реального времени и реальном окружении периферийной среды.


3) Простое масштабирование;


Под масштабированием следует понимать возможность наращивания суммарной мощности системы эмуляции путем простого добавления в нее некоторого числа однотипных плат – Универсальных Платформ Эмуляции.

Идея масштабирования в Системе Эмуляции основана, всего лишь (!), на механизме разбиения рисунка проекта на фрагменты и размещения каждого такого фрагмента в отдельной платформе.

Хотелось бы указать на три варианта фрагментации:


вариант первый – "фрагментация вширь". Это случай, когда один большой проект условно делится на N частей, каждая из которых, к примеру, будет локально управлять своим объектом (рис.6).



Рис. 6 Фрагментация рисунка проекта "вширь"


В этом случае графический рисунок алгоритма управления разбивается на фрагменты и каждый фрагмент размещается на отдельной платформе. Каждая платформа управляет локально только тем станком, алгоритм управления которым соответствует фрагменту рисунка в нее загруженному. И все! Межплатформенный обмен синхронизирующими сигналами по сетевому интерфейсу организовывается Системой Эмуляции автоматически и основывается на естественном принципе многопоточности алгоритма эмуляции.

Еще раз подчеркну, что Система Эмуляции, находящаяся в среде фон Неймана

(микропроцессорной платформе), только имитирует всякую параллельность. Тем не менее, уже это позволяет реализовать распараллеливание процессов, не прибегая к традиционным методам организации межпроцессорного обмена и синхронизации процессов (использования разного рода "флагов", "семафоров" и т.п.).

Современным Системам Программирования такое не под силу. В случае распараллеливания общего процесса всю "графику" необходимо отложить в сторону и "вручную" (средствами языков программирования) разрабатывать программное обеспечение межпроцессорного обмена и синхронизации процессов.


вариант второй - "фрагментация вглубь". Это соответствует случаю, когда ресурсов

одной платформы недостаточно для размещения в ней всего алгоритма управления

одним объектом управления (станком). В этом случае общий рисунок проекта, опять же,

разбивается на фрагменты, каждый из которых загружается в отдельную платформу. Все

платформы, в этом случае, находятся на одном объекте управления и физически также

объединены с помощью сетевого интерфейса (рис. 7).



Рис. 7 Фрагментация рисунка проекта "вглубь"


вариант третий - смешанный, когда задействованы одновременно оба предыдущих варианта.


4) Система Эмуляции – это, по сути, "машина потоков";


Механизм масштабирования, приведенный выше, основывается на естественном принципе алгоритма эмуляции – многопоточности.

Многопоточность процессов поддерживается как на уровне самой платформы, так и вне ее. Примеры рассмотренные на рис. 6 и 7 касаются как раз второго случая, которое назовем – межплатформенной многопоточностью. Тогда принцип многопоточности в пределах самой эмулирующей платформы можно назвать – внутриплатформенной многопоточностью.

И если во втором случае разделение ресурса программной модели проекта пользователя происходит на межплатформенном уровне, то в первом – может быть использовано на межпроцессорном уровне самой платформы. Данное свойство Системы Эмуляции может с успехом быть использовано при создании мультипроцессорной системы.

Выше я уже говорил, что программные симуляторы не нарушают основополагающих принципов программирования, свойственных архитектуре фон Неймана, но они определяют среду, которая позволяет имитировать такие "нарушения".

Поэтому, для полного раскрытия свойств алгоритма эмуляции – многопоточности процессов, – необходимо поместить его в "родную среду". Под этим словосочетанием следует понимать, что речь идет про среду, в которой алгоритм эмуляции будет реализован на аппаратном уровне.

Сделать это можно либо использовав заказные микросхемы, что есть чрезвычайно дорогостоящий путь, либо использовав микросхемы так называемой программируемой логики.

Микросхемы ПЛИС со структурой FPGA подходят для этих целей наилучшим образом, потому как изначально являются устройствами параллельного действия и поэтому наилучшим образом соответствуют реализации концепции потоков.

Таким образом, центральным элементом такой платформы будет являться микросхема программируемой логики, в которую аппаратно прошит модуль схемной эмуляции. Разворачиваемая им в среде той же микросхемы программная модель проекта пользователя формирует множество потоков, которые, собственно и управляют порядком обработки компонент графической схемы проекта.

На множество процессоров, находящихся на такой платформе, будет возлагаться только выполнение элементарных арифметико-логических операций над операндами, подаваемых на их входы вместе с потоками программной модели.

Для роли наиболее подходящего звена, связующего потоки программной модели с процессорными элементами, подходит сетевой концентратор (switch), который по своей природе также является устройством параллельного действия.


Реализованная на таком уровне эмулирующая платформа будет лишена фоннеймановских атрибутов: раздельного хранения команд и данных, счетчика команд и многочисленных регистров процессора, а значит и последовательного выполнения команд.

Среда, в которой порядок выполнения задачи пользователя определяется не счетчиком команд, а движением потоков данных в программной модели задачи пользователя, придает архитектуре платформы эмуляции все атрибуты машины потоков.

Здесь нелишне было бы напомнить, что мировое развитие теории и практики машин потоков данных, так и не вышло дальше экспериментальных образцов. Причиной этому стало упорное стремление сохранить такую архитектуру, в которой программа пользователя представляла бы собой последовательную запись команд, пусть даже управляемую данными, а не счетчиком команд, как в среде фон Неймана.

В данной статье приводится описание машины потоков, построенной на принципах схемной эмуляции, и показывается, что такая архитектура свободна от недостатков, свойственных машинам потоков традиционной архитектуры.


5) Отсутствует эффект "узкого горлышка" для мультипроцессорных систем;

Под этим термином в вычислительной технике подразумевается эффект ограничения мощности мультипроцессорной системы, приводящий к замедлению ее работы, вызванный ограниченной пропускной способностью канала память – процессоры. Из-за этого эффекта решение мультипроцессорной обработки, в традиционных вычислительных системах, приводит лишь к частичному успеху. Согласно гипотезе Минского (Minsky), ускорение, достигаемое при использовании параллельной системы, пропорционально двоичному логарифму от числа процессоров. То есть, при использовании 1000 процессоров на одной платформе возможное ускорение оказывается равным всего 10 (!).

Мультипроцессорная система, построенная на принципах схемной эмуляции, свободна от этого недостатка, потому что, как об этом уже не раз говорилось, центральным местом архитектуры системы эмуляции является программная модель пользовательского проекта, основанная на принципах многопоточности. В среде аппаратной реализации авторского модуля эмуляции – микросхемы программируемой логики – такая много поточность трансформируется в потоки непересекающихся сигналов, каждый из которых посредством сетевого концентратора (являющегося по своей природе также прибором параллельного действия) "находит" свободный процессорный элемент.

Процессоры в архитектуре платформы эмуляции не управляют процессом обработки информации, а лишь реализуют операции над поступающими на их входы операндами.

При такой архитектуре возможна лишь обратная ситуация, когда количество активированных потоков, в какой-то момент времени, окажется больше числа свободных процессоров. В таком случае на уровне программной модели всего-лишь произойдет "притормаживание" некоторых связанных процессов до появления свободного процессорного элемента.


6) Существенно повышается надежность управляющих систем;


Напомню, в начале статьи говорилось, что результатом совместной работы заказчика с технологом является некий алгоритм, представленный в виде графического рисунка или словесного описания – что выступает основой документа, называемого техническим заданием. Программисту необходимо проделать неформальную операцию перевода этого документа в язык машинных кодов – программного продукта предоставляемого заказчику.

До чего доводит такое "неформальное" участие – также говорилось. Резюмирую это только одной фразой – наличием практически в любом ПО, выдаваемого заказчику, скрытых ошибок. Ошибок, которые не удалось выявить на этапе разработки и тестирования.

К чему приводит наличие скрытых ошибок тоже говорилось. К тому, что "местами" программа может работать не так, как изначально было задумано.

Надежность проектов, разработанных на уровне Системы Эмуляции, повышается в сравнении с проектами, разработанными в среде Систем Программирования благодаря следующему:

- проект разрабатываемой системы создается в рисунке непосредственно прикладным специалистом - технологом, химиком, физиком, биологом и т.д.;

Это позволяет, наконец-то, реализовать во всей красе давнюю мечту проектировщиков о единой спецификации проекта в цепочке всех специалистов, участвующих в реализации проекта.

Возможность составлять проекты исключительно в виде графических схем и позволит представителям различных профессиональных групп работать с единой сквозной документацией и однозначно понимать друг друга.

Проектирование систем на уровне рисунков функциональных, структурных и прочих схем - более информативно, наглядно, понятно всем и позволяет быстрее провести разработку.

Система Эмуляции рассчитана на конечных пользователей совершенно не владеющих какими-либо языками программирования и требует от них только способности выразить свои мысли в рисунке проекта на функциональном уровне.