Процессоры с многозначной (нечеткой) логикой

Идея построения процессоров с нечеткой логикой (fuzzy logic) основывается на нечеткой математике. Математическая теория нечетких множеств, предложенная проф. Л.А. Заде, являясь предметом интенсивных исследований, открывает все более широкие возможности перед системными аналитиками. Основанные на этой теории различные компьютерные системы, в свою очередь, существенно расширяют область применения нечеткой логики.

Подходы нечеткой математики позволяют оперировать входными данными, непрерывно меняющимися во времени, и значениями, которые невозможно задать однозначно, такими, например, как результаты статистических опросов. В отличие от традиционной формальной логики, известной со времен Аристотеля и оперирующей точными и четкими понятиями типа истина и ложь, да и нет, ноль и единица, нечеткая логика имеет дело со значениями, лежащими в некотором (непрерывном или дискретном) диапазоне.

Функция принадлежности элементов к заданному множеству также представляет собой не жесткий порог "принадлежит – не принадлежит", а плавную сигмоиду, проходящую все значения от нуля до единицы. Теория нечеткой логики позволяет выполнять над такими величинами весь спектр логических операций – объединение, пересечение, отрицание и др.

Рис. 8.4. Операции включения (А), объединения (В), пересечения (С) и дополнения (D) НМ

Согласно знаменитой теореме FAT (Fuzzy Approximation Theorem), доказанной Коско, любая математическая система может быть аппроксимирована системой, основанной на нечеткой логике. Свое второе рождение теория нечеткой логики пережила в начале восьмидесятых годов, когда сразу несколько групп исследователей (в основном в США и Японии) занялись созданием электронных систем различного применения, использующих нечеткие управляющие алгоритмы. Используя преимущества нечеткой логики, заключающиеся в простоте содержательного представления, можно упростить проблему, представить ее в более доступном виде и повысить производительность системы.

Задачи с помощью нечеткой логики решаются по следующему принципу:

1. численные данные (показания измерительных приборов, результаты анкетирования) фаззируются (переводятся в нечеткий формат);

2. обрабатываются по определенным правилам;

3. дефаззируются и в виде привычной информации подаются на выход.

Оказалось возможным создание нечеткого процессора, позволяющего выполнять различные нечеткие операции и приближенные рассуждения (нечеткий вывод) в соответствии с правилами логического вывода. В 1986 году в AT and T Bell Labs создавались процессоры с "прошитой" нечеткой логикой обработки информации. В начале 90-х компания Adaptive Logic из США выпустила кристалл, сделанный по аналогово-цифровой технологии. Он позволит сократить сроки конструирования многих встроенных систем управления реального времени, заменив собой традиционные схемы нечетких микроконтроллеров. Аппаратный процессор нечеткой логики второго поколения принимает аналоговые сигналы, переводит их в нечеткий формат, затем, применяя соответствующие правила, преобразует результаты в формат обычной логики и далее – в аналоговый сигнал. Все это осуществляется без внешних запоминающих устройств, преобразователей и какого бы то ни было программного обеспечения нечеткой логики. Этот микропроцессор относительно прост по сравнению с громоздкими программными обеспечениями. Но так как его основу составляет комбинированный цифровой/аналоговый кристалл, он функционирует на очень высоких скоростях (частота отсчетов входного сигнала – 10 кГц, а скорость расчета – 500 тыс. правил/с), что во многих случаях приводит к лучшим результатам в системах управления по сравнению с более сложными, но медлительными программами.

Рис. 8.5. Архитектура нечеткого компьютера (МНВ-механизм нечеткого ввода)

В Европе и США ведутся интенсивные работы по интеграции fuzzy-команд в ассемблеры промышленных контроллеров встроенных устройств (чипы Motorola 68HC11.12.21). Такие аппаратные средства позволяют в несколько раз увеличить скорость выполнения приложений и компактность кода по сравнению с реализацией на обычном ядре. Кроме того, разрабатываются различные варианты fuzzy-сопроцессоров, которые контактируют с центральным процессором через общую шину данных, концентрируют свои усилия на размывании/уплотнении информации и оптимизации использования правил (продукты Siemens Nixdorf).

Идеи нечеткой логики не являются панацеей и не смогут совершить переворот в компьютерном мире. Нечеткая логика не решит тех задач, которые не решаются на основе логики двоичной, но во многих случаях она удобнее, производительнее и дешевле. Разработанные на ее основе специализированные аппаратные решения (fuzzy-вычислители) позволят получить реальные преимущества в быстродействии. Если каскадировать fuzzy-вычислители, мы получим один из вариантов нейропроцессора или нейронной сети. Во многих случаях эти понятия просто объединяют, называя общим термином "neuro-fuzzy logic".

В настоящее время перспективой использовать процессоры, основанные на нечеткой логике, всерьез заинтересовались военные. Известно, что NASA рассматривает возможность применения (если еще не применяет) нечетких систем для управления процессами стыковки космических аппаратов.

Лекция 9

Коммуникационные среды вычислительных систем (ВС) состоят из адаптеров вычислительных модулей (ВМ) и коммутаторов, обеспечивающих соединения между ними. Используются как простые коммутаторы, так и составные, компонуемые из набора простых. Простые коммутаторы могут соединять лишь малое число ВМ в силу физических ограничений, однако обеспечивают при этом минимальную задержку при установлении соединения. Составные коммутаторы, обычно строящиеся из простых в виде многокаскадных схем с помощью линий "точка-точка", преодолевают ограничение на малое количество соединений, однако увеличивают и задержки. Простые коммутаторы Типы простых коммутаторов: с временным разделением ; с пространственным разделением. Достоинства: простота управления и высокое быстродействие. Недостатки: малое количество входов и выходов. Примеры использования: простые коммутаторы с временным разделением используются в системах SMP Power Challenge от SGI, простые коммутаторы с пространственным разделением (Gigaplane) используются в семействе Sun Ultra Enterprise. Простые коммутаторы с временным разделением Простые коммутаторы с временным разделением называются также шинами или шинными структурами. Все устройства подключаются к общей информационной магистрали, используемой для передачи информации между ними (рис. 9.1). Обычно шина является пассивным элементом, управление передачами осуществляется передающими и принимающими устройствами. Процесс передачи выглядит следующим образом. Рис. 9.1. Общая схема шинной структуры Передающее устройство сначала получает доступ к шине, далее пытается установить контакт с устройством-адресатом и определить его способность к приему данных. Принимающее устройство распознает свой адрес на шине и отвечает на запрос передающего. Далее передающее устройство сообщает, какие действия должно произвести принимающее устройство в ходе взаимодействия. После этого происходит передача данных. Так как шина является общим ресурсом, за доступ к которому соревнуются подключенные к ней устройства, необходимы методы управления предоставлением доступа устройств к шине. Возможно использование центрального устройства для управления доступом к шине, однако это уменьшает масштабируемость и гибкость системы. Для разрешения конфликтов, возникающих при одновременном запросе устройств на доступ к шине, используются различные приемы, в частности: назначение каждому устройству уникального приоритета (статического или динамического); использование очереди запросов FIFO ; выделение фиксированных временных интервалов каждому устройству.

Алгоритмы арбитража Статические приоритеты Каждое устройство в системе получает уникальный приоритет, – при одновременном запросе нескольких устройств на передачу доступ к шине предоставляется устройству с наивысшим приоритетом. На практике часто используется соединение устройств в цепь, при котором приоритет устройства определяется местом его подключения к шине. Для контроля доступа к шине используется отдельный блок управления. Динамические приоритеты Так же, как и в предыдущем алгоритме, устройства получают уникальные приоритеты, однако в отличие от него эти приоритеты непостоянны во времени. Приоритеты динамически изменяются, предоставляя устройствам более или менее равные шансы получения доступа к шине. Чаще всего применяются следующие способы изменения приоритетов: предоставление наивысшего приоритета устройству, наиболее долго не использовавшему шину, и циклическая смена приоритетов. Контроль доступа к шине осуществляет устройство, получившее доступ к шине в предыдущем циклеарбитража. Фиксированные временные интервалы Все устройства по порядку получают одинаковые временные интервалы для осуществления передачи. Если устройство не имеет данных для передачи, то интервал тем не менее следующему устройству не предоставляется. Очередь FIFO Создается очередь запросов "первый пришел – первый ушел", однако сохраняется проблема арбитража между почти одновременными запросами, а также возникает необходимость поддержания очереди запросов достаточной длины. Преимуществом данного алгоритма является возможность достижения максимальной пропускной способности шины. Особенности реализации шин Внутри микросхем шины используются для объединения функциональных блоков микропроцессоров, микросхем памяти, микроконтроллеров. Шины используются для объединения устройств на печатных платах и печатных плат в блоках. В последнее время широко применяются шины следующих стандартов: ISA – Industry Standard Architecture EISA – Extended ISA VESA – Video Electronics Standards Association PCI – Peripheral Computer Interconnect I2C – Inter Integrated Circuit AGP – Accelerated Graphic Port Шины используются также в мезонинной технологии, где на большой плате устанавливается один или несколько шинных разъемов для установки меньших плат, так называемых мезонинов. Шины, объединяющие устройства, из которых состоит вычислительная система, являются критическим ресурсом, отказ которого может привести к отказу всей системы. Шины обладают также рядом принципиальных ограничений. Возможность масштабируемости шинных структур ограничивается временем, затрачиваемым на арбитраж, и количеством устройств, подключенных к шине. При этом чем больше подключенных устройств, тем больше времени затрачивается на арбитраж. Время арбитража ограничивает и пропускную способность шины. Кроме того, в каждый момент времени шина используется для передачи только одним устройством, что становится узким местом при увеличении количества подключенных устройств. пропускная способность шины ограничивается ее шириной – количеством проводников, используемых для передачи данных, – и тактовой частотой ее работы. Данные величины имеют физические ограничения. Простые коммутаторы с пространственным разделением Простые коммутаторы с пространственным разделением позволяют одновременно соединять любой вход с любым одним выходом (ординарные) или несколькими выходами (неординарные). Такие коммутаторы представляют собой совокупность мультиплексоров, количество которых соответствует количеству выходов коммутатора, при этом каждый вход коммутатора должен быть заведен на все мультиплексоры. Структура этих коммутаторов показана на рис. 9.2. Рис. 9.2. Простой коммуникатор с пространственным разделением Достоинства: возможность одновременного контакта со всеми устройствами; минимальная задержка; Недостатки: высокая сложность порядка n x m, где n – количество входов, m – количество выходов; сложность обеспечения надежности.