Разработка и исследование элементов и устройств цифровой обработки сигналов и метода их эффективного использования в комбинированных кластерах

• Автор: Аль-Ханани Морад Абдулла Ахмад
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 214 с. : ил.

1.1 Постановка задачи разработки элементов и устройств для решения задач цифровой обработки сигналов на базе комбинированных кластеров.

1.2 Основные положения.

1.3 Анализ элементов и устройств, применимых для решения задач обработки сигналов в составе комбинированных кластеров

1.3.1 Вычислительные решения типа Vii

1.3.2 Высокопроизводительные аппаратные кластеры на базе ЦОС процессоров

1.3.3 Аппаратный акселератор на базе ix

1.3.4 Реконфигурируемые аппаратные ускорители на базе ПЛИС

1.4 Анализ современных методов к построению распределенных вычислителей, применимых для организации комбинированных кластеров с применением элементов и устройств цифровой обработки сигналов

1.4.1 Суперкомпьютеры суперЭВМ.

1.4.2 Многопроцессорные вычислители.

1.4.3 Кластеры на базе локальных вычислительных сетей.

1.4.4 Iтехнология.
1.5 Классификация комбинированных кластеров ЦОС
1.6 Заключение.
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ КОМБИНИРОВАННЫХ
КЛАСТЕРОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
2.1 Требования к элементам и устройствам комбинированных кластеров для решения задач ЦОС
2.2 Синтез обобщенной структуры элементов и устройств цифровой обработки сигналов в составе комбинированных кластеров.
2.3 Синтез коммутационных элементов и устройств обработки сигналов комбинированного кластера.
2.4 Синтез функционального базиса элементов и устройств цифровой обработки сигналов в составе комбинированного кластера
2.5 Синтез алгоритма работы модуля связи в режиме управления аппаратного кластера цифровой обработки сигналов.
2.6 Структура процесса распределения задач по элементам и устройствам комбинированного кластера при решении сложных вычислительных задач
2.7 Структура программного обеспечения элементов и узлов комбинированных кластеров на базе процессоров ЦОС.
2.8 Синтез узлов многослойных гибридных кластеров на базе программируемых логических интегральных схем
2.9 Разработка новых элементов и устройств на основе ПЛИС для реализации алгоритмов вейвлетапализа
2.9.1 Синтез функциональной схемыпотокового вычислителя цифровой вейвлетобработки сигналов в базисе ПЛИС
2.9.2 Синтез функциональной схемы специального функционально обособленного вычислителя цифровой вейвлетобработки сигналов в базисе ПЛИС.
2. Заточение.
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АЛГОРИТМОВ ЭФФЕКТИВНОГО
ИСПОЛЬЗВОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ КОМБИНИРОВАННОГО
КЛАСТЕРА В ЗАДАЧАХ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ.
3.1 Разработка обобщенного алгоритма работы комбинированного кластера
3.3 Разработка алгоритмов работы серверной и клиентских частей комбинированного кластера.
3.4 Пример параллельной реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов на базе
элементов и устройств комбинированных кластеров
3.5 Описание процесса распределенного решения задач цое на базе элементов и устройств комбинированных кластеров
3.5.1 Проблема организации вычислительного процесса в комбинированных кластерах.
3.5.2 Формирование формального описания процесса решения сложных задач на базе комбинированных кластеров
3.5.3 Оценка временных параметров выполнения вычислительных алгоритмов на
базе комбинированных кластеров
3.6 Метод цифровой обработки сигналов на базе комбинированных кластеров
3.7 Заключение.
ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В КОМБИНИРОВАННЫХ КЛАСТЕРАХ
4.1 Постановка задачи экспериментальной проверю результатов диссертационной работы.
4.2 Описание технической реализации
4.2.1 Реализация сетевого взаимодействия
4.2.2 Использование программных потоков.
4.2.3 Решение проблемы состояния состязания потоков.
4.2.4 Порядок обмена сообщениями между прораммами
4.2.5 Управление процессорным модулем из прикладной программы.
4.3 Исследование эффективности использования многослойного кластера для задачи медианной фильтрации изображений
4.3.1 Описание процедуры медианной фильтрации
4.3.2 Реализация алгоритма медианной фильтрации на базе комбинированных кластеров.
4.4 Исследование эффективности использования многослойного кластера для задачи вейвлетобработки гидроакустических данных
4.4 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ
1 Исходный текст программы сервера комбинированного кластера
2 Исходный текст программы клиентакомбинированного кластера.
ВВЕДЕНИЕ


Общий объем диссертации, включая список используемых источников и приложения, составляет 2 страниц. Содержание работы. Первый раздел работы посвящен анализу существующих элементов и устройств цифровой обработки сигналов, обзору распределенных вычислительных архитектур, применимых для построения комбинированных кластеров, их классификации и носит постановочный характер. В разделе вводятся такие опорные понятия для решаемой задачи обработки данных с применением параллельных принципов, как многослойные кластеры и проблемно ориентированные ядра. На основании проведенного анализа, делается вывод о целесообразности применения нового подхода, а именной использования оригинального способа обработки данных с применением элементов и устройств для построения комбинированных кластеров в целях реализации разных алгоритмов цифровой обработки сигналов сразу на нескольких уровнях вычислений в целях сокращения временных затрат. Большое внимание в разделе уделено вопросам классификации, оценке преимуществ и недостатков существующих решений поставленной проблемы с целью поиска новых путей для создания нового метода, компенсирующего недостатки аналогов. Раздел завершается сравнительной характеристикой всех рассмотренных методов и обоснованием необходимости создания нового метода к цифровой обработке сигналов, построенного на возможности соединения классических кластеров на ПЭВМ с применением наборов элементов и устройств разного типа, позволяющих решать большинство специализированных задач сигналов более быстро и эффективно, чем ПЭВМ и более дешево, чем суперЭВМ. Второй раздел диссертационной работе посвящен разработке элементов и устройств, соответствующих поставленной задаче построения комбинированных кластеров цифровой обработки сигналов. Кроме того, в разделе приведены конфигурации аппаратных модулей, построенных н абазе ПЛИС. Данные ускорители могут быть применены в качестве элементов и устройств комбинированных кластеров, так как являются оптимальными для решения сложных вычислительных задач цифровой обработки сигналов методами вейвлетанализа. Третий раздел диссертационной работы посвящен разработке алгоритмической базы для практической реализации предложенного подхода к построению комбинированных кластеров на базе специализированных элементов и устройств. Здесь приводится разработанный совокупный алгоритм распределения вычислений на многослойном кластере, основанный на предложенной структуре распределенных вычислений. Предлагается универсальная вычислительная структура и показан принцип обработки данных на комбинированном кластере. Синтезируются алгоритмы и блоксхемы работы серверной и клиентских частей комбинированного кластера. Далее приводится пример параллельной реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов на базе неоднородных кластеров по предложенному методу. Заключительная часть третьей главы посвящена формализации проблемы организации вычислительного процесса в комбинированных кластерах. Формируется описание метода к решению сложных задач на базе гибридных кластеров. Предлагается обобщенная структура комбинированного кластера и показаны ее отдельные ячейки. Формализуется метод к представлению неоднородного кластера в виде графовых схем. Показывается метод к иерархическому представлению задач на базе комбинированного кластера и проводится оценка временных параметров выполнения вычислительных алгоритмов на базе многослойных кластеров, а также выделяется определение эффективности этого процесса. Приводится описание способа решения задач цифровой обработки сигналов на базе комбинированных кластеров. Четвертый раздел диссертационной работы посвящен экспериментальной проверке полученных теоретических результатов. Здесь приводится описание проведенного эксперимента, рассматриваются разработанные программы для серверной и клиентской частей комбинированного кластера, а также приводятся результаты практической реализации алгоритмов фильтрации изображений больших размеров и реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов методами вейвлетанализа. В заключении излагаются основные результаты диссертационной работы.