Проблемы синхронизации процессов в асинхронном параллельном цифровом автомате Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

15 пФ, что существенно ниже типовых значений 50-100 пФ для тестеров.

Не слишком широкое применение стандарта 1149.4 при тестировании АЦИМ в процессе их производства объясняется рядом причин, одной из которых является значительная стоимость площади кремниевых пластин, необходимой для реализации большого количества модулей АВМ. Кроме того, в последнее время весьма популярен подход к тестированию кремниевых пластин с пониженным числом точек доступа как средство снижения стоимо -сти теста микросхем, содержащих структуры внутреннего или граничного сканирования, встроенные средства самотестирования и т.п. Предлагаемый в данной работе метод обеспечения структурной тестопригодности АЦИМ с резко сокращенным набором модулей АВМ может быть очень удобен для быстрой генерации тестов аналоговых кластеров внутри самого функционального ядра, для тестирования низкочастотных внутренних выводов ядра АЦИМ с пониженным числом точек доступа [10], а также для параметрического тестирования внешних выводов АЦИМ. Такой подход может оказаться приемлем в процессе разработки микросхем и на ранних стадиях отладочного тестирования внутренней логики и встроенных модулей памяти, когда еще можно учесть и принять любые изменения их структуры. Количество внутренних выводов ядра АЦИМ, подключенных к мультиплексорам на ранних стадиях тестирования, затем может быть существенно уменьшено в финальной версии структуры АЦИМ.

Стоимость современных АЦИМ возрастает экспоненциально, поэтому жизненно важным экономическим требованием является подход к их разработ-

УДК 681.324.01 '

ПРОБЛЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ В АСИНХРОННОМ ПАРАЛЛЕЛЬНОМ ЦИФРОВОМ АВТОМАТЕ

НЕМЧЕНКО А.В.___________________________

Анализируется математическая модель асинхронного параллельного цифрового автомата, реализующего параллельный алгоритм. Рассматриваются вопросы взаимодействия асинхронных процессов и проблемы, возникающие при этом.

Введение

Производители микропрограммных устройств — микроконтроллеров, микропроцессоров, DSP и т. д. — применяют различные методы и технологии для повышения производительности своей продукции. В основном это стандартные средства — конвейеризация, улучшение системы прерываний, перенос части логических функций и программ на аппаратный уровень (например, автоматизация передачи данных по протоколу RS-232). Одной из таких последних технологий от фирмы Intel явля-

РИ, 2005, № 3

ке с применением повторно используемых структурных блоков, заранее снабженных средствами тестирования этих блоков. Описанная в данной работе тестовая структура применима также при проектировании систем на кристалле SOC [11], совместимых со стандартом IEEE 1500, как составная часть повторно используемой иерархической тестовой структуры граничного сканирования.

Литература: 1. Gorodetsky A. Strategy of Boundary-Scan On-Board Activity”, Technologies // Israel’ Magazine of High Technology, vol. 223, August 2001, Р. 154—158 (Hebrew). 2. FilliterK. Virtual Analog Probes Using IEEE

1149.1 (A Concept IC) // 3rd IEEE International Board Test Workshop, 2004. 3. Городецкий AРустинов В. Разделяй и властвуй — принцип граничного сканирования // ChipNews, Москва, 2001. №6. С. 14-19. 4. IEEE Standard for a Mixed-Signal Test Bus // IEEE Std 1149.4-1999. 5. The Boundary-Scan Handbook. 3rd Edition, by K.P. Parker, Kluwer Academic Pub, 2003. 6. Analog and Mixed-Signal Boundary-Scan. Ed. by A.Osseiran, Kluwer Academic Pub., 1999. 7. Sunter S.K. andNadeau-Dostie B. Complete, Contactless I/O Testing — Reaching the Boundary in Minimizing Digital IC Testing Cost // Proc. of ITC.P.446-455. 2002. 8. SCANSTA400 IEEE 1149.4 Analog Test Access Device // National Semiconductor Advanced Information, August 2000. 9. DuzevikI. Preliminary Results of Passive Component Measurement Methods Using an IEEE 1149.4 Compliant Device // 1st IEEE International Board Test Workshop, 2002. 10. Ben Bennetts. Guidelines for Chip Design For Test Based on Boundary-Scan”, Asset InterTech Inc. web site, 2003. 11. Sehgal A. etal. IEEE P1500-Compliant Test Wrapper Design for Hierarchical Cores // Proc. of ITC. 2004. P.1203-1212.

Поступила в редколлегию 22.08.2005

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Хаханов В.И.

Ами Городецкий, Testability (Израиль). Тел. +972544621834, [email protected]

ется реализация в архитектуре процессора реального параллелизма — выпуск процессоров с двумя ядрами. Такие чипы, помимо двух ядер, получат поддержку технологии многопоточности HyperThreading (HT). Технология НТ позволяет операционной системе рассматривать один физический процессор в качестве двух логических. Таким образом, двуядерные Pentium Extreme Edition позволят обрабатывать одновременно четыре потока инструкций [http://hard.compulenta.ru/ 170439].

Все это говорит о том, что в плане повышения производительности средств вычислительной техники вопросы параллелизма являются весьма актуальными и перспективными. Отметим также, что в работе [1] проведен глубокий анализ проблемы параллелизма и показана ее актуальность.

В работе [2] автор описал математическую модель параллельного цифрового автомата (ПЦА). Была затронута тема асинхронного параллелизма—работа параллельных устройств с разной синхронизацией и сбросом. Был показан способ их синтеза, который позволяет с небольшими аппаратными затратами создавать устройства, работающие по сложным алгоритмам.

95

В процессе моделирования работы таких устройств выявились серьезные проблемы при взаимодействии асинхронных алгоритмов — неустойчивость работы при смене состояний двух процессов. В данной статье ставится задача определить природу этой проблемы, формализовать ее и показать пути уменьшения рисков сбоя в работе параллельных автоматов. Таким образом, целью данного исследования является анализ и решение проблемы синхронизации процессов в асинхронном параллельном цифровом автомате.

Асинхронный параллельный цифровой автомат

Асинхронный параллельный цифровой автомат (АПЦА) может быть представлен следующей иерархической моделью (рис. 1).

| Интерфейс АПЦА |

X

_______________І___________________

| Взаимодействие процессов |

X X

т т

I Процесс I I Процесс I

JT дЗч

| Поток | | Поток | | Поток | | Поток |

Рис. 1. Иерархическая модель АПЦА

На нижнем уровне находится поток, — аналог последовательного ЦА. Он может быть описан следующей математической моделью:

Thj =

A1 = {a0,a1,...,ak>, Xі = {xj,x2,...,xj}, Y1 = {Уі,У2’...’Ут}’

a0 є A1,

a1 (TfJ) = 5(Aj(Ti[ _1),X1(Ti; _j))5 Y1 (Tj[) = X(Ajj (Tj[),X1(Tji)).

Эта модель была подробно рассмотрена в [2].

(1)

В системе (1) используется модель автоматного времени (АВ). В [3] показано, что для рассмотрения работы ЦА (в данном контексте — потока) достаточно знать смену времен и игнорировать промежутки времени смены состояния. АВ представляет из себя дискретное множество Ti = {0, 1, ...}.

Модель автоматного времени представлена на рис. 2.

s е

Л

£ « Я н !Г О

о

о «Ч н с,

X

ЛК Л».

ti

К, т.

X А X

Реальное время:

Автоматное

время: '

Рис. 2. Модель автоматного времени

Из рис. 2 видно, что автомат пребывает в одном состоянии в течение ti с. За это время происходит два события — смена состояния длительностью At x и устойчивая работа в новом состоянии aj длительностью Ata .

Множество потоков объединяется в один процесс: Aj = {A1,A2,...,An},

X = {X1 uX2 u...u Xn,CLK,Reset},

Y = {Y1 u Y2 u...u Yn},

Prj =

A0 є Aj;

Thj = {Th1,ThJ2,...,ThJn},

Tj = Ftj(t,T|*,CLK, Reset).

(2)

Для всех потоков данного процесса определяется одна и та же функция автоматного времени (ФАВ) T1. Как видно из (2), ФАВ зависит от реального времени t, текущего АВ Tkj, сигнала синхронизации CLK и сигнала сброса Reset (эти два сигнала являются частью множества всех входных сигналов X данного процесса).

ФАВ определяется исходя из особенностей функционирования моделируемого объекта. Например, для реальных цифровых схем, период работы которых строго периодичен, ФАВ может быть описана следующим образом:

Ftj =

Tk

Tk

CLK

ATj ^Tk+1’

Reset

->Tj

^ V

t(Tk) = A t

a

0 < t(Tk ^ TjJ+1) <Atx

Atx, Ata > 0.

(3)

Первая строка говорит о том, что при поступлении сигнала CLK автоматное время инкрементируется. Вторая строка говорит, что сигнал Reset сбрасывает автомат в начальный момент АВ. Третья строка определяет время пребывания процесса в устойчивом состоянии. Четвертая показывает, что время смены состояния конечно и меньше либо равно некоторой константе. Пятая строка определяет тот факт, что эти два времени положительны.

Для случая модели, где не нужно учитывать время смены состояния, четвертая строка выглядит как

•<Tk ^ Tk+1)=0 • (4>

При нестрогой синхронизации третья строка (3) выглядит как

t(Tk) > 0. (5)

Графически процесс может быть представлен так, как это изображено на рис. 3.

96

РИ, 2005, № 3

Рис. 3. Функционирование процесса

Из рис. 3 видно, что на вход процесса подается множество входных воздействий Xj, с выхода снимается Yj. Смена автоматного времени осуществляется сигналами CLK и Reset. Смена состояния происходит в течение времени д tx. Время пребывания автомата в заданном состоянии также ненулевое (д ta>0).

Один процесс работает «синхронно» — в одном автоматном времени. Множество процессов работают «асинхронно» — у них разное автоматное время. Следовательно, процесс реализует синхронный параллелизм, множество процессов — асинхронный параллелизм. Пример последнего приведен на рис. 4.

является переход в процессе Pr2 3 из состояния а4в состояние а5 в момент автоматного времени T 22.

На рис. 5 показан процесс смены состояний двух процессов в абсолютном времени, приводящий к возникновению проблемы взаимонеустойчивости.

Рис. 5. Проблема взаимонеустойчивости

Из рис. 5 видно, что есть моменты, когда оба процесса одновременно пребывают в неустойчивых состояниях. Рис. 6 поясняет возникновение неустойчивого состояния.

а, X

>

Из рис. 4 видно, что один поток влияет на работу другого. В частности, следствием состояния а2 в процессе Pr* 1 в момент автоматного времени Т21

*-

t

Рис. 6. Неустойчивое состояние

Весь период неустойчивого состояния можно разбить на три части:

1) At^mem : от внешних входов системы переменная передается к элементам памяти, проходя через каскады комбинационной схемы;

2) Atmem: элементы памяти меняют свое состояние;

3) Atmem^ : новое состояние от элементов памяти достигает внешних выходов системы, проходя через каскады комбинационной схемы.

Очевидно, что если первый процесс находится в Atmem^ , а второй — в Atmem, то будет передана некорректная информация.

Упомянутая проблема взаимонеустойчивости накладывает серьезные ограничения на применение асинхронного параллелизма. Впрочем, как будет показано далее, для случая строго периодически синхронизируемых процессов есть возможность

РИ, 2005, № 3

97

предсказать взаимонеустойчивые моменты времени. Уровень взаимодействия процессов призван решать эту проблему.

Наконец, на уровне интерфейса АЦПА рассматривается множество процессов. Этот уровень может быть описан следующей системой:

S

Pr = {Pr1,Pr2,...,Prn},

X = {x1,x2,...,xm},

1 „2

v <■ 1 2 k.

Y = {y ,y ,...,y }.

Графическая иллюстрация системы уравнений приведена на рис. 7.

(6)

(6)

Рис. 7. Уровень интерфейса АПЦА

Проблема взаимонеустойчивости

Как было показано ранее, при взаимодействии взаимонесинхронизированных процессов приходится оперировать реальным временем, а не АВ. При этом из-за конечности скорости распространения сигналов в схеме могут возникать взаимонеустойчивые состояния.

Для системы (3) промежутки времени неустойчивой работы можно описать следующим неравенством (будем считать, что смена состояния происходит в первый момент времени):

(AtX + AtX )n + AtX > t > (AtX + AtX )n, n = 0,1,2,....

(7)

Здесь (д tx1+ A ta1) — длительность одного процесса, или период тактирования. Если его заменить на t1, то (7) можно записать более компактно:

tjn + AtX > t > tjn,n = 0,1,2,.... (8)

Если взять два процесса, найти их периоды неустойчивой работы в форме (8) и пересечь, то мы получим период взаимонеустойчивой работы двух процессов:

Jtjn + AtX ^ t > tjn, n = 0,1,2,...;

jtjm + Apx > t > tjm, m = 0,1,2,.... (9)

Таким образом, для двух строго синхронизируемых процессов можно найти промежутки времени, когда оба процесса взаимонеустойчивы.

Система (9) дает решение в виде множеств, но она не позволяет увидеть решение в графическом виде. Для этого надо представить протекание процесса в волновом виде:

sin(ra *t + ф) > A. (10)

Формула (10) дает решение, эквивалентное (7), если считать, что A задает соотношение времени неустойчивого и устойчивого протекания процесса, v определяет период синхронизации, а Ф определяет, когда (внутри одного такта синхронизации) происходит смена состояния. На рис. 8 представлена графическая интерпретация процесса в волновом виде.

Если просуммировать выражение (10) для двух процессов, то получим соотношение, описывающее периоды взаимонеустойчивой работы процессов:

sin^t + Ф1)+sin(ra2t + Ф2) ^ A1 + A2. (11)

Если частоты двух колебаний приблизительно равны, то в итоге возникают биения:

sin(® модt + Фмод) cos(®огt + Фог ) — A сум. (12)

Отметим, что в формуле (12) произведены замены переменных.

В графическом виде уравнение (12) представлено на рис. 9.

Рис. 9. Сложение двух колебаний

98

РИ, 2005, № 3

Анализ показывает, что длительное время процессы взаимоустойчивы. Однако наступает промежуток времени, когда взаимонеустойчивость проявляется строго периодично — с частотой юмод.

Промежутки времени неустойчивой работы вначале короткие, потом становятся длиннее. Максимальная ширина не превышает полупериод моду. 1

лирующей синусоиды: - . Затем про-

юмод

межутки времени уменьшаются. Динамика этого процесса изображена на рис. 10. Чем ближе друг к другу частоты обоих процессов, тем четче вцдны биения.

Рис. 10. Характер биений

Очевидно, что результаты решения системы (9) можно использовать на практике. Здесь речь идет о некотором блоке предсказания взаимонеустойчивых состояний. В том случае, если такие состояния наступают, имеет смысл пропускать такты работы устройства:

Tk CLK > Tk. (13)

Представляется целесообразным и возможным реализовать на практике некоторое устройство, кото -рое будет приостанавливать функционирование взаимонеустойчивых процессов АП ЦА в моменты их неустойчивой работы. Другими словами — риски сбоя в работе автомата можно уменьшить.

Напомним, что предсказать взаимонеустойчивые моменты времени можно только для строго синхронизируемых процессов. В противном случае прогнозирование невозможно или требует больших затрат для его осуществления.

УДК 519.713 '

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА IP-ТЕЛЕФОНИИ

ГЕМА В.С., ЧИКИНА В.А.___________________

Описывается классификация методов определения качества голосового трафика поверх IP-сети, а также сравнительный анализ субъективных и автоматических методов оценки качества предоставляемых услуг.

1. Введение

IP-телефония является наиболее перспективным средством связи. Десятки компаний по всему миру предлагают коммерческие решения для IP-телефонии. Однако на сегодняшний день качество обслуживания клиента, как комплексный параметр, является одним из наиболее актуальных моментов при предоставлении любых услуг связи, так как при этом сталкиваются интересы поставщиков и

Выводы

Проведенный анализ взаимодействия параллельных процессов в асинхронных цифровых автоматах показывает, что при достаточно близких тактовых частотах в двух параллельных асинхронных процессах возникают моменты взаимонеустойчивого функционирования. Данный процесс имеет периодичный характер и может быть предсказан на основании предложенной модели.

По мнению автора, предложенный подход к анализу взаимодействия параллельных процессов является в определенной степени универсальным. Его научная новизна заключается в использовании математического аппарата, применяемого для описания волновых процессов.

Предложенный метод анализа взаимодействия асинхронных параллельных процессов может быть применен в различных областях, где имеет место распараллеливание процессов—задачи моделирования социальных процессов, транспортные задачи, проблемы оптимального распараллеливания задач в сложных системах, для согласования сложных распределенных транзакций и т.п.

Литература: 1. Воеводин В. В., Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 608 с. 2. Nemchenko O, Krivoulya G. Use of parallelism in finite state machines. Mathematical level. EWDTW’04. Yalta, Crimea, Ukraine, September 23-26, 2004. P. 210213. 3. Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов. М.: Физматгиз, 1962. 476 с.

Поступила в редколлегию 20.06.2005

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Кривуля Г.Ф.

Немченко Александр Владимирович, аспирант ХНУРЭ. Научные интересы: оптимизация организации вычислительных процессов в компьютерных системах, параллелизм в системах, компьютерное моделирование. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: 70-21-326, e-mail: [email protected].

потребителей услуг. Это вызвано, прежде всего, объективными причинами - интересы поставщиков и потребителей всегда в известной степени противоречат друг другу. И задача оператора сети связи найти оптимальное решение для удовлетворения как собственных интересов, так и интересов потребителей услуг. Таким образом, методы оценки качества передачи голоса заслуживают отдельного внимания в связи со стремительным развитием IP-телефонии и достижением ею уровня развития телефонов общего пользования (ТфОП).

В литературе основные аспекты, структура и принципы работы IP-телефонии описаны довольно детально. Исследованы основы технологии передачи речи по сетям пакетной коммутации, работающим по протоколу IP (Internet Protocol) [1]. Рассмотрены архитектуры системы IP-телефонии на базе Рекомендаций ITU-T (International Telecommunication Union) H.323 и концепции TIPHON, разработанной ETSI (European

РИ, 2005, № 3

99