多机环境下系统程序并行化的实现方法

本文给出了多处理机环境对系统程序的要求,阐述了系统程序并行化研制过程中遇到的问题和解决办法,给出了实现临界段互斥的三种处理方法及其性能评价。     

指挥和控制(C2)理论:控制科学面临的挑战

在军用指挥控制系统领域中,控制科学和系统工程学科的研究者有很多机会遇到各种挑战性的研究课题,这正是这篇展望性文章的前提所在。事实上,只有在不确定性分布动态决策领域中取得新的进展,才谈得上分析和设计各种复杂的、生存力强和响应快速的C2系统。而描述、分解和分析这类系统还需要系统工程工具的进步。因此,为了迎接C2系统提出的多学科性挑战,为了提高相应的C2理论开发的科学技术水平,为了促进未来军用C2系统的开发,理所当然地要求扩展控制科学的研究范围。因为未来军用C2系统必须满足苛刻的工作性能、生存性能和响应性能的要求,所以这一任务无疑是艰巨的,也只有控制科学家和工程师才能够胜任。作者坚信,军用C2系统中出现的方法论、理论、算法和结构等方面的问题具有普遍意义。在许多民用C2系统中,例如空中交通管制、自动运输系统、制造系统、核电站等等,在改善系统可靠性的研究中也提出了十分类似的问题。所有这些军用和民用C2系统都有着如下的共同特点:系统高度的复杂程度、普遍地具有多个决策站的分布决策过程、要求出现多重故障仍能可靠运行,人与计算机决策支持系统以及斗算机辅机的相互交联,等等。此外,它们都要求开发出新型的组织形式和系统结构,这些形式和结构能够为C2过程的任务目标与物理硬件之间提供协调的接口。这里所谓的物理硬件泛指传感器、通讯设备,计算机硬件与软件,作用硬件——武器与机械等等,用来执行整个支持全局C2过程的指挥、控制和通讯(C3)系统。军用C3系统的重点是开发出一整套全新的控制/估计/决策的科学技术方法。这些方法不仅遍及控制科学研究的各种理性本源,而且经进一步发展后,还能适用于很大一部分民用复杂系统。另外,军用C3系统给出了一类日益复杂的问题的例子,而这类问题是控制科学家和工程师不得不频繁地遇到并寻求方法解决的。这些军用C2过程和C3系统提出了最苛刻的工作性能要求,指出了量化其工作性能度量(MOP,measures ofperfmance)和有效性度量(MOE,meausresof effectiveness)的迫切性,并且还要求全新的分布结构和组织形式。由于作者近十多年来一直从事军用C3系统的研究,对这些研究的中心论点是说,定量的方法论对于改善复杂系统的工作性能将会产生重大的影响,因此这里的讨论无疑反映了作者个人的倾向。这里我们面临的挑战是,如何开发出所要求的系统的理论手段和算法工具,供未来的系统分析和设计使用。     

多用途水下仿真环境

多用途、单一、独立的作战分析工具的概念具有很大的吸引力。在评估候选系统潜在作战性能时,采办机构把这种工具视为调整所承担的任务和所使用的技术的费效比合算的方法。研究单位看到了由他们自己和承包者使用通用工具来评估不同系统和战术的优越性。国防工业部门则可受益于不必为每个新项目重新开发模拟工具了。 在将这种概念转变成可使用软件的过程中,开发者必须考虑一些潜在的不一致的要求。每个用户必须具有按要求详细程度改制工具的能力,以便反映所关心的系统要求。然而这一定不要破坏不同用户产生结果的公用性,而且改制过程不应烦琐。 本文将介绍的由SD Scicon有限公司为英国国防部开发的仿真工具,为达到这些目标已作了演示。这种工具采用包括扩展的用户接口、通用仿真结构和嵌入仿真语言在内的三层环境,迅速增长的国际用户基数说明这是成功的。     

基于异构并行计算的软件雷达通用硬件架构设计

软件雷达系统功能由软件定义是雷达未来发展的一个趋势,这对系统硬件计算性能和数据传输带宽提出了很高的要求,因此将异构并行高性能计算技术引入软件雷达领域。根据系统功能逻辑,构建了软件雷达硬件平台系统,利用先进的异构并行计算技术,设计了一个具体的通用硬件平台架构。该平台通过独立的高速采集卡完成回波信号的采集与A/D变换,利用FPGA刀片异构服务器完成雷达信号实时处理,通过GPU异构超级计算机完成数据处理和显控,利用InfiniBand网络和磁盘阵列完成数据的高速传输与存储。通过性能分析,该硬件平台能够满足现代雷达对计算速度和传输带宽的性能需求。     

一种新的并行多通道数据采集系统时序偏差校正技术

介绍了多通道并行采样技术在高速数据采集系统的应用和其局限性 ,然后给出了一种测量多通道系统各通道间时序偏差的方法 ;接着提出了一种在数字域校正通道间时序偏差的新方法 ,可以大大提高多通道并行采样技术的性能 ;最后对该方法进行了仿真以验证其可行性和性能。     

面向大规模集群并行I/O的用户层配置优化策略研究

近年来,大规模并行场景下的I/O性能越来越受到应用科学家的关注。影响应用I/O性能的关键因素主要有三个层次：包括应用的I/O接口实现、体系结构和文件系统组件的性能以及应用的I/O参数配置。本文从应用I/O配置优化的视角,分析了大规模集群并行I/O的配置调优空间,在此基础上,给出了一套大规模集群并行I/O性能特征测试分析方法,基于该方法,在某国产超级计算集群上开展了一系列I/O测试分析来刻画系统的I/O性能特征,进而指导并行应用程序的I/O配置优化。基于优化后的配置参数,在两类典型的并行I/O场景中,针对某类生产应用程序,8192进程下的重启动数据写操作时间下降了15%,4096核的程序作业加载时间从10分钟缩短到了5s。本文提出的I/O配置调优空间及优化方法,可以推广应用到其它同类系统平台,对于大规模集群上的用户层并行I/O配置调优具有借鉴意义。     

用于系统开发采购的建模和仿真

本文定义、开发并检验一组可用于高精确度系统工程设计级模型和仿真的通用分析工具。该工具检验传感器、武器、作战管理、指挥、控制、通信计算机和情报(BMC4I)系统及设备的性能和效果。 性能测量(MOP)、效能测量(MOE)、和战斗力效能测量(MOFE)都是从海军研究生院研制的“模块化指挥控制结构范例”中提取的。该范例在确保系统性能和效能的可跟踪性到“作战要求文件”(ORD)中所规定的系统操作要求这一框架内为评估标准(MOP、MOE、MOFE)的研究创造了条件。 该分析工具还对定义的系统功能性线程(代表ORD中规定的系统操作要求)所进行的大量测量提供深刻准确的评价。该工具可直接转换并应用到测试和评估演练中,用以支持系统和设备的开发和采购。 系统性能水平一经确定,该范例就产生一个定量的数据库,该数据库成为权衡和选择系统的有效工具。一旦确定了所选择的系统配置,就可对该套配置的系统功能性线程及与之相对应的性能价格之比进行分析。     

军用软件竞争性采办策略及过程研究

军用软件作为一种特殊的装备,已被我军正式列入武器装备序列进行管理。在其采办和管理过程中,有着区别于一般武器装备的特点,本文在遵循OJB5000—2003中对于军用软件开发过程要求的基础上,结合我军目前军用软件开发承研单位的能力和未来发展的需要,提出一种军用软件竞争性采办策略及采办过程,该方法在军用软件项目招标及原型开发阶段改变现行一个单位独立承担的形式,允许几家单位同时进行军用软件项目初期的并行开发和竞争,通过这种竞争来促进军用软件开发过程的改善并提高软件装备开发质量,满足现实军事斗争准备的需要。     

并行计算的数据重分配

为提高算法的并行计算性能 ,许多并行程序必须进行数据重分配。数据重分配是在并行计算过程中实现的 ,其开销影响算法的并行性能 ,高效的数据重分配对提高并行计算的性能有重要意义。本文阐述了数据重分配的环形算法 ;提出了数据重分配的蝶网算法 ,并证明了其正确性 ;设计了结构性数据交换方法 ;通过理论和数值实验分析了两种算法的性能     

基于CPU-GPU混合计算平台的RNA二级结构预测算法并行化研究

RNA二级结构预测是生物信息学领域重要的研究方向,基于最小自由能模型的Zuker算法是目前该领域最典型使用最广泛的算法之一。本文基于CPU GPU的混合计算平台实现了对Zuker算法的并行和加速。根据CPU和GPU计算性能的差异,通过合理的任务分配策略,实现二者之间的并行协作计算和处理单元间的负载平衡;针对CPU和GPU的不同硬件特性,对Zuker算法在CPU和GPU上的实现分别采取了不同的并行优化方法,提高了混合加速系统的计算性能。实验结果表明,CPU处理单元在混合系统中承担了14%以上的计算任务,与传统的多核CPU并行方案相比,采用混合并行加速方法可获得15.93的全局加速比;与最优的单纯GPU加速方案相比,可获得16%的性能提升,并且该混合计算方案可用于对其它生物信息学序列分析应用的并行和加速。     

一个大型作战模拟系统中作战系统仿真的研究

实践证明,对许多任务而言,作战模拟是一个有用的工具。这些任务包括:战略概念的研究和评估;研究可选择的兵力/任务/计划应用的兵力层次分析;决策制定过程和作战准则教学的专业军事教育;战术训练和作战条令的研究。在这些任务领域内,研究一大型作战模拟系统的关键问题是如何模拟一个完成用户预定任务的新的武器系统。本文将提供一种改进建模和仿真性能的方法,它能正确反映对空作战（AAW）过程中海军最新作战系统（AEGIS）的作用。预期结果是得到一个综合的AAW模型,它既能较好地反映目前作战系统的性能,又能反映介绍给海军的新系统的性能。本文的意图不是提供一个模型设计或研究一个作战模拟性能规范。相反地,本文的重点是讨论用于论述这一问题的AAW结构研究和操纵这类大型仿真问题的过程。本文描述了解决五个关键方面的方法。这五个方面是:①主要武器系统的技术理解;②综合作战概念的作战评价;③作战模拟系统的最大限度利用;④作战模拟参与者和需求;⑤仿真技术。     

建立在高性能红外焦平面阵列上的组件式系统的设计原理

高性能焦平面阵列需要与驱动电路和信号波形处理电路结合起来应用。我们评论了不同阵列型式的各种要求,研究了一种适应性强的组件式系统,该系统可以用于前文介绍的所有阵列。而且这种组件式系统可用作研究阵列的应用和阵列性能的工具。它能以它现有的结构形式用于某些应用中,而且也设计了小型化形式以适合受空间限制和大规模阵列的需要。系统设计考虑了最大限度的适应各种工作条件与实现的现实性。为此,大部分参数由台式计算机编成程序,从而简化了信息的存贮和检索。然而,在实际应用中,工作参数可容易地存贮在软件硬件相结合的固件中。除基本的驱动和信号波形处理功能外,电子设备组件还能控制附加的功能,如微扫描,“快速”工作模式以及线性或分块扫描的反射镜扫描转换等功能。     

我国高层建筑中火灾监控系统的应用现状分析

本文根据我国的有关消防技术规范要求,结合近年来消防电子产品的研究开发和应用状况,提出了我国高层建筑中火灾监控系统的基本性能要求,从工程应用角度对比分析了高层建筑火灾监控系统的三类基本应用形式和应用特点,以及当前火灾监控系统的技术发展趋势。     

基于立方体理论的MFTA软件设计与实现

本文报道的MFTA(Multi-stateFaultTreeAnalysis)软件为可靠性工程师分析多状态系统提供一种计算机辅助分析工具。我们设计了友好的Windows95用户交互界面 ,采用树视图组件实现逻辑树结构框架的输入 ,采用字符串表格组件实现判定表的直接输入 (立方体形式的 0 -1序列 ) ,还实现了多态单调关联典型结构函数到立方体形式判定表的转化。以标准模板库 (StandardTemplateLibrary)为基础 ,采用面向对象程序设计方法构建了立方体类库 ;然后 ,实现了以立方体理论为核心的MFTA定性定量分析算法 ,完成了软件的研制。     

一个实用的汉字通信微型计算机系统

我们对北极星汉字事务处理系统进行了扩充和修改,使之既可作为独立微机系统使用,又能作为PDP11/24小型计算机的联机终端。实现了通信接收任务和用户任务并行,在用户程序运行过程中自动接收电文信息的功能。本文介绍了对原系统硬件和软件进行扩充修改的基本情况。     

基于多层循环并行化的负载平衡优化

负载平衡是并行处理中的一个重要概念。参与一个程序执行的各处理机所承担的工作量是否均衡直接影响该程序的并行性能。本文对面向MPP系统程序循环级并行化中负载平衡的优化进行了探讨,提出了优化策略及其实施算法。     

一种高效率单片机调试工具——追踪/转贮软件包

本文介绍一种高效率单片机调试工具——追踪/转贮软件包,文中描述了该软件的组成情况、工作原理和性能特点等。所开发的软件包是把一些小型机调试工具的设计思想应用在 MCS—51单片机调试软件中的一种尝试。     

飞机综合显示系统中图形填充与字符显示

首先分析了现代飞机对EFIS性能提出的新要求,提出了一种新的提高EFIS系统实时性可靠的硬件解决方案,并在该方案的基础上开发了EFIS硬件电路.基于此硬件方案,分析了字符生成和图形填充在提高EFIS系统实时性方面所起的关键作用.通过对几种不同的图形填充与字符生成方法分析比较,得出结论:采用改进的边标志位填充算法,图形、字符分层生成后叠加重构的方法作为EFIS系统的软件算法实现方式.     

PC／104嵌入式计算机在核爆信息处理中的应用

介绍了ＰＣ／１０４嵌入式计算机主板ＭＳＭ４８６Ｖ的主要性能,及其与系统中其它模块的接口关系。阐述了主板中ＢＩＯＳ软件与用户软件的接口要求及解决方法。     

两种C4ISR仿真试验床集成设计方法及比较

C4ISR体系结构的软件产品开发离不开仿真试验床,试验床本身设计的好坏关系到指挥自动化系统的性能及评估,本文提出两种仿真试验床的设计方法,对两种设计方法在软件集成性能方面的优劣进行比较,通过基于支持软件集成和面向对象技术设计的AAITT案例分析,联系我军指挥自动化系统建设实际,对我军未来开发的仿真试验床的设计提出建议。