МТУСИ
Интеллектуальные системы
Дизайн И.. Гайдель 2007
Лекции 7-8
Дизайн И. Гайдель 2007
Проектирование сложных вычислительных структур
Использование сетевых моделей, основанных на сетях Петри (СП), всегда привлекало исследователей, начиная с момента появления данного формализма. В настоящее время, с возрастанием интереса к распределенным структурам, многоагентным системам и алгоритмам взаимодействия отдельных подсистем, интерес к СП только возрастает.
Аппарат СП широко используется при решении вопросов, связанных с проектированием и верификацией сложных систем, с построением программных средств на основе сетевых моделей и оценки возможности распараллеливания программ, с применением сетевых моделей для описания и анализа автоматизированных систем, сетевых протоколов, вычислительных сетей, многопроцессорных системы и др.
Дизайн И. Гайдель 2007
Проектирование сложных вычислительных структур
Кроме этого, СП являются инструментом, эффективно поддерживающим структурный подход к проектированию сложных систем. При использовании структурного подхода выделяют следующие основные этапы:
1) описание функций, которые должна выполнять проектируемая
система;
2)выработка ряда гипотез, касающихся структур подсистем, из которых будет состоять проектируемая система (декомпозиция);
3)формирование из данных подсистем законченных структур- кандидатов (синтез);
4)проведение анализа каждой синтезированной структуры с целью определения характеристик, что позволяет сократить число структур-кандидатов и, в конечном итоге, выбрать окончательную структуру, наилучшим образом описывающую систему с заданным функционалом.
Инвариантом при прохождении данных этапов является функционал, заложенный при описании проектируемой системы.
Дизайн И. Гайдель 2007
Проектирование сложных вычислительных структур
При исследовании свойств СП-моделей было показано, что множество синтезированных СП-моделей (структур-кандидатов), образует метрическое пространство, на котором можно ввести различные шкалы, количественно оценивающие каждую СП-модель.
Наличие механизма построения альтернативных структур- кандидатов, а также наличие инструментария количественной оценки данных структур, позволяет проектировщику получить все множество возможных структур, реализующих заданный функционал, и выбрать из этого множества структуры, являющиеся оптимальными по заданному критерию.
Проблема использования описанного подхода на практике состоит в NP- сложности задачи получения множества альтернативных вариантов, что существенно ограничивает практическое использование данного подхода.
Одним из подходов при решении проблем NP-сложности является ввод ряда ограничивающих условий (построение базы знаний), позволяющих уменьшить число рассматриваемых вариантов, и тем самым снизить сложность решаемой задачи.
Дизайн И. Гайдель 2007
Проектирование структур матричных процессоров
Одним из методов достижения высокой производительности систем обработки данных реального времени является использование процессорных матриц – специализированных вычислительных структур, состоящих из множества относительно простых устройств (процессорных элементов), объединённых в однородные параллельные системы.
Рассмотрим подход к проектированию различных конфигураций матричных процессоров, основанный на структурном анализе сетей Петри и тензорной методологии.
Дизайн И. Гайдель 2007
Проектирование структур матричных процессоров
Дизайн И. Гайдель 2007
a 33 a 32 a 31
a 2 3 a 22 a 21
a 13 a 12 a 11
Проектирование структур матричных процессоров
Граф потока данных
D |
|
D |
|
D |
|
|
C |
31 |
C |
32 |
C |
33 |
D - задержки |
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
D |
|
D |
|
Задержи введеныдля |
|
|
|
|
|
|
продвижения по индексу К. |
C |
21 |
C |
22 |
C |
23 |
|
D |
|
D |
|
D |
|
|
C |
11 |
C |
12 |
C |
13 |
|
b |
11 |
b |
12 |
b |
13 |
|
b |
21 |
b |
22 |
b |
23 |
|
b |
31 |
b |
32 |
b |
33 |
|
Для чего вводятся задержки? В первый момент времени на ПЭ подаются элементы матрицы А (a11, a21, a31) и матрицы В (b11, b12, b13) . Но к перемножению готов только ПЭ11 – только на этот ПЭ одновременно подаются элементы матриц А и В (синхронизация). До ПЭ21 еще не дошел элемент b11, до ПЭ12 не дошел элемент a11. Это будет сделано только на следующем такте работы МП. До остальных ПЭ данные дойдут еще с большей задержкой. Поэтому на ПЭ вводится задержка, для организации одновременной подачи входных данных. 
Дизайн И. Гайдель 2007
Проектирование структур матричных процессоров
Оценим, в чем преимущество матричных процессоров.
Для этого определим - за сколько тактов будет выполнена операция умножения А(3,3) × В(3,3) на однопроцессорном компьютере.
Будем считать, что за один такт происходят операции умножения элементов матриц А и В (αik × bkj) , а также сложение полученного произведения с частичной суммой.
Что такое частичная сумма?
c'11 = α11×b11 и c’’11 = α11×b11 + α12×b21
-это примеры частичных сумм.
c11 = α11×b11 + α12×b21 + α13×b31
-полная сумма, описывающая получение элемента с11 матрицы С.
Дизайн И. Гайдель 2007
Проектирование структур матричных процессоров
Пусть матричный процессор и соответствующий процессорный элемент (ПЭ) имеют следующий вид:
Подача элементов матрицы В
накапливающий регистр для формирования частичных сумм
умножитель
сумматор a
b
Подача элементов матрицы А
Матричный процессор |
Структура процессорного элемента |
Дизайн И. Гайдель 2007
Проектирование структур матричных процессоров
Рассмотрим организацию входных данных и принцип работы матричного процессора.
Вопрос: почему элементы матриц А и В подаются со смещением?
11 |
12 |
13 |
21 |
22 |
23 |
31 |
32 |
33 |
Ответ: для организации задержек с целью одновременной подачи элементов матриц А и В на ПЭ. 