tóm tắt luận án nghiên cứu thuật toán điều khiển thích nghi luồng tham chiếu để nâng cao tốc độ cho các hệ xử lý song song chuyên dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CHU ĐỨC TOÀN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI LUỒNG THAM CHIẾU ĐỂ NÂNG CAO TỐC ĐỘ CHO CÁC HỆ XỬ LÝ SONG SONG CHUYÊN DỤNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2013 Công trình được công bố tại: Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đỗ Xuân Tiến PGS.TS. Nguyễn Hữu Công Phản biện 1:……………………………………………… Phản biện 2:…………………………………………… Phản biện 3:……………………………………………… Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại……………………………………………. Vào hồi………….giờ, ngày…… tháng……năm……. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Đại học KTCN; Trung Tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên; Thư viện Quốc Gia Việt Nam. 1 TÓM TẮT LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết đề tài Nhiều lĩnh vực mới như đồ họa máy tính, trí tuệ nhân tạo, phân tích số, tính toán song song trong công nghiệp dầu khí, các thiết bị không người lái, thiết bị nhận dạng bám sát đa mục tiêu di động , đòi hỏi phải xử lý một khối lượng dữ liệu rất lớn với tốc độ rất cao. Hầu hết những bài toán này, những máy tính tuần tự là không đáp ứng được yêu cầu thực tế. Nghiên cứu về hệ xử lý song song hiện nay tập chung hai hướng nghiên cứu chính như sau: Một là nghiên cứu các hệ xử lý đa năng như siêu máy tính (Suppercomputer), máy tính lớn (Mainframe), máy tính mini (Minicomputer) thực hiện đa năng: cấu trúc phần cứng và chức năng phần mềm của máy tính cần phải được tổ chức đa chức năng rất phức tạp. Mô hình toán cũng rất phức tạp, vượt qua khỏi cơ cấu tính toán thông thường. Do vậy, khi áp dụng cho các ứng dụng chuyên dụng, tốc độ xử lý của chúng thường chậm hơn so với khả năng của bộ vi xử lý, thông số thời gian thực khó kiểm soát một cách chính xác Hệ xử lý song song đa năng quy mô rất lớn kèm theo cơ cấu phần mềm vận hành cấu trúc này rất phức tạp. Vì vậy các hệ máy tính này có giá thành rất đắt. Đây là vấn đề khó khăn khi giải quyết các bài toán đặc thù có yêu cầu tốc độ nhanh, giá thành rẻ phù hợp với điều kiện nền kinh tế Việt Nam. Hai là nghiên cứu các hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng đó là: Hệ xử lý song song chuyên dụng phục vụ một hay một lớp bài toán cụ thể, gần nhau về chức năng. Do đó, phương thức thao tác, cấu trúc tập hợp dữ liệu cần xử lý, cấu trúc dữ liệu kết quả đều xác 2 định trước, nên dễ phân rã chức năng hơn; dễ lựa chọn cách tổ chức dữ liệu và phương pháp xử lý thích hợp với yêu cầu tốc độ. Với nhiệm vụ cụ thể và cấu trúc dữ liệu xác định, có thể xây dựng thuật toán xử lý tối ưu, cấu trúc phần cứng thích hợp, tận dụng tài nguyên hệ thống hợp lý. Do chức năng của hệ xử lý song song chuyên dụng là hữu hạn và tường minh, nên chương trình Monitor được xây dựng ở mức tối ưu nhất, dễ hiệu chỉnh và quan trọng hơn là đáp ứng nhanh yêu cầu của các tiến trình vận hành trong hệ thống. Qua phân tích ở trên đề tài luận án lựa chọn theo hướng nghiên cứu thứ hai là hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng. Trong hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng, không gian nhớ dùng chung (KGNDC) rất quan trọng: là nơi lưu trữ các cơ sở dữ liệu cần xử lý, chứa chương trình điều hành Khi nhiều luồng tham chiếu truy cập vào bộ nhớ dùng chung cùng một thời điểm có thể dẫn đến xung đột, hệ thống lúc đó có thể bị treo hoặc tốc độ truy cập thấp, hiệu năng của bộ nhớ dùng chung giảm không đáp ứng được yêu cầu tốc độ của bài toán đặt ra. Phần quan trọng của KGNDC là các bộ điều khiển luồng tham chiếu. Trên cơ sở đó vấn đề cần giải quyết là tổng hợp cơ cấu điều khiển thích nghi luồng tham chiếu tới KGNDC nhằm giảm thiểu tối đa xác suất xung đột khi truy cập tài nguyên dùng chung, nâng cao tốc độ tính toán có ý nghĩa rất quan trọng. Từ những phân tích trên, việc đặt ra bài toán nghiên cứu hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng đáp ứng tốc độ xử lý nhanh và có độ tin cậy cao, giá thành hợp lý là cần thiết và là cơ sở hình thành đề tài của luận án: “Nghiên cứu thuật toán điều khiển thích nghi luồng tham chiếu để nâng cao tốc độ cho các hệ xử lý song song chuyên dụng ”. 3 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu luận án là KGNDC trong hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng. - Phạm vi nghiên cứu của luận án là giới hạn trong việc xây dựng mô hình toán học tham chiếu tới KGNDC trong hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng, chỉ rõ các điều kiện ràng buộc giữa các thông số và các thông số có thể thay đổi điều khiển được để tổng hợp hệ điều khiển thích nghi luồng tham chiếu tới KGNDC nhằm nâng cao hiệu năng giảm thiểu xác suất xung đột khi truy cập tài nguyên dùng chung. 3. Phương pháp nghiên cứu của luận án - Dựa trên lý thuyết kinh điển là lý thuyết hàng đợi, lý thuyết xác suất cụ thể là quá trình Morkov dừng, phân bố Poát - xông để xây dựng và tính toán hiệu năng cho mô hình toán học tham chiếu tới KGNDC trong hệ xử lý song song đa CPU. - Mô tả toán học mô hình bộ nhớ dùng chung trong hệ xử lý song song đa CPU. - Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi luồng tham chiếu sử dụng công nghệ đương đại FPGA. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn luận án 4.1. Về mặt khoa học Ý nghĩa khoa học là nghiên cứu triển khai ứng dụng các bộ điều khiển thích nghi luồng tham chiếu tới KGNDC cho hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng nhằm nâng cao hiệu năng, nâng cao tốc 4 độ, giảm thiểu tối đa xác suất xung đột khi truy cập tài nguyên dùng chung. 4.2. Về thực tiễn Kết quả nghiên cứu sẽ làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và học viên cao học cũng như các nhà nghiên cứu quan tâm nghiên cứu về hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng. Từ kết quả nghiên cứu của đề tài này làm cơ sở cho nhiều nghiên cứu tiếp theo nhằm đưa ứng dụng rỗng rãi các hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng vào hệ thống thực tế ở Việt Nam, nhất là các hệ thống có yêu cầu cao về tốc độ. 5. Cấu trúc luận án Luận án bao gồm ba chương thuyết minh, phần kết luận và tài liệu tham khảo. Chương 1. Kiến trúc hệ xử lý song song đa CPU 1.1. Tài nguyên hệ thống 1.1.1. Tài nguyên phần cứng 1.1.2. Tài nguyên phần mềm 1.2. Các định nghĩa về hệ xử lý song song 1.3. Phân loại hệ xử lý song song - Michel J.Flynn đưa ra 4 mô hình kiến trúc hệ xử lý song song là: (i) mô hình SISD; (ii) Mô hình SIMD; (iii) mô hình MISD; (iv) mô hình MIMD. 5 - Handler phân loại hệ xử lý song song dựa trên cấp độ song song và cấp độ xử lý theo cơ chế đường ống của cấu trúc phần cứng. 1.4. Kiến trúc chung của hệ xử lý song song đa CPU 1.4.1. Mô hình 1.4.2. Những vấn đề liên quan đến hiệu năng 1.5. Kiến trúc của hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng 1.5.1. Các đặc trưng của hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng a) Chức năng chuyên dụng Chức năng chuyên dụng còn được thể hiện trên cấu trúc dữ liệu mà hệ phải xử lý. Cấu trúc dữ liệu này phần lớn là dữ liệu véc tơ do có cấu trúc phần tử giống nhau và chúng xắp xếp có thứ tự (như cấu trúc: cự ly-phương vị-độ cao) cho phép dễ dàng véc tơ hoá cơ sở dữ liệu này. Hệ quả là dễ thực hiện các thao tác xử lý dữ liệu theo cơ chế đường ống - một cơ chế nâng cao hiệu năng của hệ xử lý. b. Cấu trúc phần cứng tối giản Do hệ xử lý song song chuyên dụng thực hiện một nhiệm xác định và nhiệm vụ này được xác lập chỉ trên một lớp bài toán nên các thông số cấu trúc được xác định khá chính xác. Hệ quả là khâu tổ chức phần cứng sẽ bảo đảm sự tối giản bằng các thuật toán phân hoạch chuẩn. c. Tốc độ và hiệu năng cao d. Độ tin cậy cao 6 Đây là một yêu cầu, đồng thời cũng là đặc điểm của hệ xử lý song song chuyên dụng. Thoạt nhìn có vẻ như yêu cầu này là xung đột với yêu cầu về tốc độ cao của hệ. Tuy nhiên, khác với máy tính đa dụng, hệ xử lý song song chuyên dụng phần lớn là hệ thống khó bảo trì, thậm chí không thể bảo trì (như các hệ xử lý đặt trên vệ tinh, trên các tên lửa tự dẫn, hoặc nằm trong hệ thống cảnh báo sớm đặt dưới lòng biển ) nên nó đòi hỏi độ tin cậy phải cao. 1.5.2. Kiến trúc của hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng a. Mô hình hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng b. Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng c. Lệnh rẽ nhánh 1.6. Luận giải, định hướng nghiên cứu của đề tài Qua việc phân tích, giới thiệu về hệ xử lý song song đa CPU đa năng và hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng mục (1.4) và (1.5). Đối với hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng, hiệu năng phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ truy cập vào các tài nguyên chung, nhưng quan trọng nhất là KGNDC vì ở đây khả năng xung đột là cao nhất (vì tần suất sử dụng KGNDC cao hơn nhiều so với các tài nguyên khác như I/O port, thiết bị ngoại vi…). Một trong những nhiệm vụ của khâu tổng hợp hệ thống là giảm thiểu khả năng xung đột khi tham chiếu vào KGNDC của các đơn CPU là một nhiệm vụ quan trọng. Ví dụ: Hệ thống giám sát các phương tiện bay. Các phương tiện bay: (i) ở các cự ly khác nhau (ii) tốc độ cũng rất khác nhau. Các thông số cần giám sát cho một đối tương bay: (i) cự ly (ii) phương vị 7 và (iii) độ cao, khi kiểm soát được các thông số này thì mới có thể vẽ được quỹ đạo bay. Từ đó mới có thể đưa ra các quyết định khác (tiêu diệt, không tiêu diệt…). Hình 1.13. Cự ly quan sát của hệ Vành khăn c ự ly ngoài cùng N1024 t t Vành khăn cự ly N1023 Vành khăn cự ly N1 Xung kích phát tần số 375 Hz Xung ph ản xạ từ mục tiêu trên các cự ly khác nhau Chu k ỳ lặp lại của xun g U 8 - Tình hình nghiên cứu trong nước: Công trình nghiên cứu “ Xử lý bài toán cấp 1 cho thông tin tình báo ra đa”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Quốc Phòng, tác giả Nguyễn Văn Liên (2010-2012). Trong đó đề tài này chỉ rõ cần phải xử lý đồng thời cả tham số cự ly, phương vị và độ cao cho 1024 vành khăn cự ly. Nhưng đề tài cũng chưa đề cập đến KGNDC. - Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Công trình nghiên cứu điển hình có 3 tác giả nghiên cứu từ năm 2000 đến nay vẫn tiếp tục nghiên cứu về hệ xử lý song song. Công trình nghiên cứu công bố năm 2000, Baghdadi A., Zergainoh N. E. Năm 2004, Chou Y., Fahs B., AND Abraham S, cũng trong năm 2004 có công trình của tác giả: Ken Mai, Ron Ho, Elad Alon, Dean Liu, Dinesh Patil, Mark Horowitz. Tuy nhiên các đề tài này đều ứng dụng cho hệ thống lớn đa CPU đa năng, các siêu máy tính. Do vậy các đề tài này nghiên cứu không hạn chế về số lượng CPU có thể hàng nghìn CPU. Vì vậy mà nhiều tham số ràng buộc chặt chưa được chỉ rõ, việc vẽ đồ thị khảo sát trong miền rất rộng gặp nhiều khó khăn. Còn hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng, số lượng CPU không quá nhiều, phân rã chức năng tốt. 1.7. Kết luận chương 1 Với việc đánh giá và phân tích ở chương một đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Giới thiệu những nét khái quát nhất về hệ xử lý song song đa năng và hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng. - Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu là hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng cụ thể là KGNDC. [...]... Định hướng nghi n cứu hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng theo hướng ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển luồng tham chiếu tới KGNDC trong hệ xử lý song song đa CPU cụ thể là cơ cấu điều khiển thích nghi luồng tham chiếu tới KGNDC nhằm giảm thiểu tối đa xác suất xung đột khi truy cập tài nguyên chung Trên cơ sở nghi n cứu các bước đầu về hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng, trong... chuyên dụng, trong chương 2 luận án sẽ đi sâu nghi n cứu, phân tích, xây dựng mô hình toán học tham chiếu tới KGNDC Chương 2 Xây dựng mô hình toán học tham chiếu bộ nhớ chung trong hệ xử lý song song đa CPU 2.1 Cơ sở lý thuyết Để xây dựng mô hình toán học cho cơ chế điều khiển tối ưu luồng tham chiếu trong hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng dựa vào các yêu cầu của các hệ xử lý chức năng được diễn tả... KGNDC sẽ được sử dụng ở chương 3 trong việc xây dựng hệ thống có cơ cấu điều khiển thích nghi luồng tham chiếu tới KGNDC cho hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng Chương 3 Xây dựng mô hình điều khiển thích nghi cho hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng 3.1 Xây dựng phần mềm khảo sát 3.1.1 Xây dựng modul chính phần mềm khảo sát Hình 3.1 Giao diện phần mềm tính toán hiệu năng hệ xử lý song song đa CPU 3.1.2... tính toán hiệu năng hệ xử lý song song đa CPU trong quan hệ với chu kỳ bộ nhớ dùng chung Tc 15 Hình 3.2 Giao diện phần mềm tính toán hiệu năng hệ xử lý song song đa CPU trong quan hệ với chu kỳ bộ nhớ dùng chung Tc 3.1.3 Xây dựng modul phần mềm tính toán hiệu năng hệ xử lý song song đa CPU trong quan hệ với số lượng luồng tham chiếu n Hình 3.3 Giao diện phần mềm tính toán hiệu năng hệ xử lý song song... trong điều khiển đầu vào Bộ điều khiển thích nghi sử dụng công nghệ FPGA λ Eyc ∆e - Bộ điều khiển thích nghi m Bộ điều khiển FPGA FPGA ĐT ĐK E Eout El E p PE p  QEl Hình 3.10: Sơ đồ khối điều khiển thích nghi cho hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng 3.4 Công nghệ FPGA 3.4.1 Tái kiến trúc phần cứng bằng chương trình 3.4.2 Thiết kế hệ thống trên FPGA 3.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển thích nghi theo tham. .. thời gian tham chiếu là ít hơn nhiều so với thời gian làm việc trên các hệ đơn CPU của hệ thống 2.2 Xây dựng mô hình toán học tham chiếu bộ nhớ dùng chung trong hệ xử lý song song đa CPU 2.2.1 Mô hình truyền thống tham chiếu bộ nhớ dùng chung trong hệ xử lý song song đa CPU Bộ nhớ dùng chung MUX Control + Kênh địa chỉ + Kênh điều khiển Hình 2.1 Tham chiếu bộ nhớ dùng chung trong hệ xử lý song song 2.2.2... xác suất để một tham chiếu thành công El    1  2q  q  (1  2q  q ) 2  4q (1  q) 2(1  q) (2.25) 2.3 Kết luận chương 2 Chương 2 luận án đã giải quyết được các vấn đề sau: 14 - Đã xây dựng được mô hình toán học tham chiếu tới KGNDC cho hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng, ràng buộc các tham số có thể tính toán và điều khiển được như kích thước hàng đợi m, b… - Mô hình toán học tham chiếu KGNDC... suất truy cập, sẽ điều khiển để cấu trúc FPGA thay đổi kích thước hàng đợi cho các bank bộ nhớ cho phù hợp với tần suất này Kết luận chung và kiến nghị 1 Kết luận: Hệ xử lý song song đa CPU ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, kể cả dân sự và quân sự Với kỹ thuật và công nghệ tiên tiến hiện nay hướng nghi n cứu thiết kế hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng có hiệu năng cao, cấu trúc... theo tham số kích thước hàng đợi m Tập hợp các kết quả thu được của luận án được sử dụng như một công cụ hỗ trợ cho việc thiết kế tổng hợp các hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng, đáp ứng yêu cầu thực tiễn Các giải pháp kỹ thuật được đưa ra đều khả thi và các công nghệ tiên tiến hiện nay đều cho phép thực hiện 2 Kiến nghị Luận án mới dừng lại ở mô hình điều khiển thích nghi theo một tham số hệ thống... thực hiện một tham chiếu sẽ thành công, (iii) trạng thái đang thực hiện tham chiếu sẽ không thành công Giả sử tồn tại các đại lượng: q - xác suất để một luồng tham chiếu đang ở trạng thái tự do khởi tạo một tham chiếu;  - xác suất để luồng tham chiếu này ở trạng thái tự do;  - xác suất luồng tham chiếu thực hiện một tham chiếu thành công;  - xác suất để luồng tham chiếu thực hiện một tham chiếu không . NGHI N CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI LUỒNG THAM CHIẾU ĐỂ NÂNG CAO TỐC ĐỘ CHO CÁC HỆ XỬ LÝ SONG SONG CHUYÊN DỤNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã. cậy cao, giá thành hợp lý là cần thiết và là cơ sở hình thành đề tài của luận án: Nghi n cứu thuật toán điều khiển thích nghi luồng tham chiếu để nâng cao tốc độ cho các hệ xử lý song song chuyên. hệ xử lý song song đa năng và hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng. - Lựa chọn được đối tượng nghi n cứu là hệ xử lý song song đa CPU chuyên dụng cụ thể là KGNDC. 9 - Định hướng nghi n