Дисертації (СПСКС)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Методи і засоби проєктування спеціалізованих конвеєрних обчислювачів на базі ПЛІС для обробки сигналів(КПІ ім.Ігоря Сікорського, 2023) Молчанова, Анастасія Анатоліївна; Романкевич, Віталій ОлексійовичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 123 — Комп’ютерна інженерія. — Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Тема дисертації пов’язана з автоматизацією проєктування обчислювальних засобів на базі інтегральних схем надвисокої інтеграції (НВІС) та програмовних логічних інтегральних схем. В даний час складність проєктів обчислювальних систем для НВІС та програмовних логічних інтегральних схем досягла десятків мільйонів вентилів. Причому досі вирішальну роль грає технологія, яка основана на описі проєктів на рівні регістрових передач, продуктивність якої є обмеженою. Розвивається галузь високорівневого синтезу, який ґрунтується на трансляції опису алгоритму в опис на рівні регістрових передач і на порядок прискорює проєктування. Але в наявних засобах такого синтезу необхідно вручну задавати паралелізм алгоритму та особливості відображення в опис обчислювальної системи на рівні регістрових передач, яка часто одержує надмірні апаратні витрати чи продуктивність, що не відповідає заданій. Невідповідність ефективності наявних засобів високорівневого синтезу складності та продуктивності обчислювальних систем, що проєктуються, представляє актуальну технічну проблему. Обчислювальні системи для цифрової обробки сигналів є такими системами, які вимагають для своєї реалізації проєктування НВІС та програмовних логічних інтегральних схем найбільшої складності і для них ця проблема стає актуальнішою. Об’єктом дослідження є процес розроблення високопродуктивних паралельних обчислювальних засобів. Предметом дослідження є методи та засоби проєктування спеціалізованих обчислювальних систем конвеєрного типу для цифрової обробки сигналів на базі програмовних логічних інтегральних схем (ПЛІС). Метою дисертації є підвищення ефективності проєктування конвеєрних обчислювальних систем на основі програмовних логічних інтегральних схем на базі запропонованого методу проєктування спеціалізованих конвеєрних структур на основі генетичного програмування, який дає змогу прискорити проєктування конвеєрних обчислювальних систем і підвищити відношення продуктивність — апаратні витрати завдяки формалізації проєктування і новим алгоритмам пошуку апаратних рішень із мінімізованими апаратними витратами при заданому періоді обчислень. Для досягнення мети в дисертації виконуються завдання: проаналізувати алгоритми і пристрої цифрової обробки сигналів і сформулювати вимоги до елементної бази й засобів проєктування обчислювальних систем для цифрової обробки сигналів, проаналізувати алгоритмічні моделі та мови опису алгоритмів цифрової обробки сигналів, методи і засоби їхнього відображення в паралельні обчислювальні системи, вибрати найбільш придатні модель та метод відображення, теоретично обґрунтувати та розробити новий метод відображення алгоритму цифрової обробки сигналів у апаратні засоби, які конфігуруються в програмовну логічну інтегральну схему, на основі запропонованого методу розробити засоби автоматизації відображення алгоритмів цифрової обробки сигналів в обчислювальні системи на основі програмовних логічних інтегральних схем, перевірити ефективність розробленого методу під час проєктування низки спеціалізованих обчислювальних систем для вирішення завдань цифрової обробки сигналів. Під час аналізу алгоритмічних моделей вибрана модель просторового графа синхронних потоків даних (ГСПД) та його відображення у структуру обчислювальної системи і розклад виконання алгоритму як найбільш придатні модель та метод відображення. Просторовий граф синхронних потоків даних представляє собою граф, операторні вершини якого розміщується у просторі з координатами місця, такту виконання і типу оператора таким чином, щоби шуканий розклад виконання алгоритму був коректним. Відображення просторового графа синхронних потоків даних є афінним відображенням у підпростір структур обчислювальних систем та підпростір розкладів. Наукова новизна роботи. Вперше запропоновано метод проєктування спеціалізованих конвеєрних структур на основі генетичного програмування, який відрізняється тим, що алгоритм цифрової обробки сигналів, який відображається в структуру, задається просторовим ГСПД, задача мінімізації апаратних витрат вирішується із заданими часовими обмеженнями за допомогою еволюційного підходу, який ґрунтується на поданні хромосоми як закодованого ГСПД та відповідних функціях її зміни, а також двохетапному алгоритмі оптимізації. Запропонований метод дає змогу формалізовано вирішувати задачу синтезу обчислювальних систем для цифрової обробки сигналів і завдяки регулюванню ступеня розпаралелювання алгоритму та мінімізації апаратних витрат одержані структури мають високе співвідношення продуктивність — вартість. Вперше запропоновано спосіб проєктування рекурсивних фільтрів на ПЛІС, який відрізняється тим, що завдяки застосуванню методу відображення просторового ГСПД, використання схем без блоків множення, а також пошуку коефіцієнтів фільтра методом модельованого відпалювання та застосування мови VHDL (VHSICVHSIC (vveryery highhigh speedspeed integratedintegrated circuitscircuits) hhardwareardware ddescriptionescription llanguageanguage), забезпечується одержання фільтрів з мінімізованими апаратними витратами та високою тактовою частотою. Практична цінність результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що використання нового методу проєктування обчислювальних систем забезпечує зниження трудомісткості і скорочення термінів одержання множини альтернативних оптимізованих структурних рішень, мінімізація використання обчислювальних ресурсів, зокрема пам’яті обчислювальних систем, розроблення високоефективних конвеєрних обчислювальних систем обробки сигналів із мінімізованими апаратними витратами за заданих пропускної спроможності й порядку подання даних у вхідному та вихідному потоках даних. Розроблено програмний застосунок SDFCAD (synchronoussynchronous datadata flowflow computercomputer-aidedaided designdesign), у якому впроваджений запропонований метод. Цей застосунок дає змогу проєктувальнику описувати за допомогою графа синхронних потоків даних алгоритм цифрової обробки сигналів, моделювати алгоритм з різними степенями паралелізму, забезпечує автоматизований синтез обчислювальної системи із заданими властивостями, яка придатна для подальшої компіляції та конфігурування в програмовну логічну інтегральну схему довільної серії, а також впровадження в замовлену НВІС. Розроблені з використанням нового методу проєкти обчислювальних систем, такі як процесор дискретного косинусного перетворення, процесор для швидкого перетворення Фур’є, рекурсивні фільтри, модулі обчислення синусоїдальних функцій у програмовних логічних інтегральних схемах, є налаштовуваними обчислювальними модулями, які описані на VHDL, мають високе відношення продуктивність — апаратні витрати та можуть бути впроваджені в нових розробках із мінімальними додатковими часовими і фінансовими витратами. Запропонований спосіб проєктування рекурсивних цифрових фільтрів впроваджено у вебзастосунку, який може бути вільно використаний у практиці проєктування пристроїв цифрової обробки сигналів. Результати роботи впроваджені у двох НДР, що проводяться в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» на кафедрі обчислювальної техніки, які присвячені проєктуванню високопродуктивних апаратних і програмних засобів. Матеріали дисертації є корисними для викладачів і спеціалістів у галузях проєктування апаратних засобів обчислювальної техніки, систем телекомунікацій, зв’язку, вимірювання, радіолокації, штучного інтелекту, засобів мікроелектроніки.Документ Відкритий доступ Метод і засоби проєктування парсерів пакетів для ПЛІС(КПІ ім.Ігоря Сікорського, 2023) Молчанов, Олексій Андрійович; Романкевич, Олексій МихайловичМолчанов О. А. Метод і засоби проєктування парсерів пакетів для ПЛІС. — Кваліфікаційна праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 12 Інформаційні технології за спеціальністю 123 Комп’ютерна інженерія. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Поширення інформаційних технологій нерозривно пов’язане з розвитком комп’ютерних систем, елементної бази, на якій вони базуються, та удосконаленням підходів до вирішення задач в галузі інформаційних технологій (хмарні обчислення, Інтернет речей, системи супутникового зв’язку тощо). Від ефективності функціонування програмного та апаратного забезпечення комп’ютерних систем залежить і ефективність рішень таких задач. Однією з задач, що вирішують інформаційні системи, є обробка мережевих пакетів, під якою мається на увазі лексичний та синтаксичний аналізи мережевих пакетів, тобто, їх граматичний розбір, та отримання даних із них. В залежності від формату пакету та від сталості цього формату, розбір мережевих пакетів відбувається програмними, апаратними або комбінованими системами розбору. Наприклад, повідомлення у форматі XML, який є сталим і регламентується стандартизованими версіями, широко використовуються у вебсервісах. Проте, окрім коректності самого формату, XML-документи також мають відповідати деякій граматиці, визначеній певною мовою опису граматик XML. Набори граматик XML у вебсервісах, які можуть вміщувати тисячі екземплярів, часто змінюються, що призводить до обмеженості, або неможливості використання ефективних суто апаратних систем обробки XMLдокументів. Тому найчастіше розбір XML-документів відбувається програмно. У середовищі хмарних обчислень розбір XML-документів вимагає значних обчислювальних ресурсів. Деякий час тому він споживав майже 30% часу обробки запитів до серверів. Окрім того, кількість транзисторів у процесорах більше не змінюватиметься так швидко, як це було раніше згідно з законом Мура та законом Деннарда. Відповідно і продуктивність суто програмних систем не може в подальшому бути збільшена завдяки оновленню процесорів на серверах з тією ж швидкістю, яка була раніше, що може призвести до поступового збільшення часу затримки при обробці запитів до серверів. Об’єктом дослідження є процес граматичного розбору речень формальних мов. Предметом дослідження є методи, способи і засоби апаратного та програмно-апаратного граматичного розбору мережевих пакетів, а також методи і засоби проєктування таких засобів. Метою дисертаційної роботи є розширення можливостей з переналаштування апаратних засобів граматичного розбору мережевих пакетів на роботу за іншим алгоритмом розбору або підтримку іншого набору граматик з досягненням співмірних показників швидкодії та апаратних витрат у порівнянні з існуючими апаратними парсерами на прикладі розбору XMLдокументів. Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішуються такі задачі. 1. Проаналізувати відомі підходи та елементну базу для реалізації граматичного розбору мережевих пакетів. 2. Класифікувати методи вирішення задачі розбору XML-документів, залежно від апаратури та підходів, які використовуються в цих методах. 3. Удосконалити метод проєктування апаратних парсерів мережевих пакетів на основі скінченних автоматів та оцінити його ефективність. 4. Проаналізувати наявні архітектури процесорів. За результатами аналізу запропонувати архітектуру, яка дасть змогу найефективніше реалізувати розбір обраним алгоритмом. Розробити апаратний прискорювач за запропонованою архітектурою. 5. Розробити засоби автоматизованої розробки парсерів пакетів за розробленим методом проєктування апаратних прискорювачів розбору мережевих пакетів. 6. Перевірити ефективність апаратного прискорювача, розробленого за запропонованим методом, для різних граматик XML та провести його порівняльний аналіз із наявними рішеннями. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному: 1. Запропоновано вдосконалення методу проєктування апаратних засобів для розбору мережевих пакетів на основі стекових скінченних автоматів. Вдосконалений метод відрізняється від наявних використанням програмно-апаратного представлення скінченного автомату граматичного розбору, що дає змогу динамічно змінювати алгоритм або множину граматик, за якими відбувається розбір, протягом короткого терміну. 2. Вперше запропоновано спосіб проєктування стекових архітектур для програмно-апаратної реалізації граматичного розбору, який відрізняється тим, що до базової стекової архітектури процесора з двома стеками включаються додаткові стеки і спеціальні команди, завдяки чому досягається пришвидшення граматичного розбору у порівнянні з програмною реалізацією. 3. З використанням запропонованого методу проєктування вперше створено обчислювальну структуру парсера, яка на відміну від відомих структур крім компілятора граматик містить спеціалізований стековий процесор, що реалізує адаптований для програмно-апаратного виконання алгоритм граматичного розбору XML-документів для заданого набору граматик, за рахунок чого забезпечується можливість динамічної зміни алгоритму розбору або набору підтримуваних граматик. 4. Вперше отримано аналітичне представлення розрахунку швидкодії програмно-апаратного парсера, спроєктованого за запропонованим методом, яке дає змогу виконати оцінку кількості тактів виконання розбору, в залежності від набору підтримуваних граматик. Практична цінність результатів дисертації полягає в тому, що використання розробленого методу для проєктування спеціалізованих обчислювачів для програмно-апаратного граматичного розбору XMLдокументів на базі ПЛІС як на серверах, так на вузлових пристроях Інтернету речей, дасть змогу скоротити як час проєктування парсерів мережевих пакетів, так і обробку XML-документів, а також зменшити апаратні та енергетичні витрати, необхідні для обробки цих документів. Розроблена за новим способом стекова архітектура SM16 і однойменний стековий процесор разом з новими засобами автоматизованої розробки парсерів пакетів дають можливість ефективної реалізації процедур розбору і аналізу XML-пакетів та можуть бути застосовані у інших застосунках. Результати дисертації впроваджені в освітній процес кафедри системного програмування і спеціалізованих комп’ютерних систем Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» при підготовці та викладанні курсу лекцій «Архітектура комп’ютерів. Мікроархітектура», а також в лабораторній роботі цього ж курсу. За матеріалами дисертації опубліковано 8 наукових праць, зокрема, 4 наукових статті, з яких 2 статті опубліковано у закордонних фахових виданнях, які реферуються базою Scopus, та 2 статті опубліковано у наукових виданнях, що входить до наукових фахових видань України, і 4 публікації у матеріалах науково-технічних конференцій.Документ Відкритий доступ Методи та засоби проектування обчислювачів для розпізнавання образів у зображеннях(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Сергієнко, Павло Анатолійович; Романкевич, Віталій ОлексійовичТема дисертації пов’язана з розробкою алгоритмів оброблення зображень та з проєктуванням спеціалізованих обчислювальних засобів для їх реалізації на базі інтегральних схем надвисокої інтеграції (НВІС) та програмовних логічних інтегральних схем (ПЛІС). Об’єктом дослідження є розпізнавання образів у зображеннях та проєктування апаратних засобів для їх виконання. Предметом дослідження є алгоритми пошуку характерних точок у зображеннях та проєктування спеціалізованих обчислювальних систем для виконання цих алгоритмів. Метою дисертації є підвищення ефективності розробки обчислювальних систем для розпізнавання образів у зображеннях на основі ПЛІС та НВІС шляхом створення нових методів проєктування спеціалізованих конвеєрних структур, які дають змогу прискорити проєктування обчислювальних систем і підвищити відношення продуктивність — апаратні витрати завдяки формалізації проєктування та новим алгоритмам обробки зображень і пошуку характерних точок в них. Для досягнення мети в дисертації виконуються завдання: проаналізувати задачі, алгоритми і пристрої розпізнавання образів у зображеннях, зокрема, системи розпізнавання образів на основі штучних нейронних мереж і сформулювати вимоги до елементної бази й засобів проєктування обчислювальних систем для розпізнавання образів; теоретично обґрунтувати та розробити алгоритм пошуку характерних точок, тобто, локальних елементів зображення з найбільш інформативними ознаками, які необхідні для класифікації зображень, який на відміну від існуючих алгоритмів має меншу складність та забезпечує пошук у складних умовах освітлення; створити метод побудови буферних схем для обробки одно- та двохвимірних сигналів, який забезпечує заданий порядок слідування вхідних та вихідних даних і мінімізовані апаратні витрати при його реалізації у ПЛІС; розробити способи побудови допоміжних блоків для систем розпізнавання образів, таких як обчислювач елементарних функцій, декомпресор даних; перевірити ефективність розробленого методу при проєктуванні модулів спеціалізованої системи на базі ПЛІС для вирішення кола завдань розпізнавання образів. Наукова новизна роботи. Запропоновано новий метод пошуку характерних точок у зображенні, який на відміну від існуючих методів пошуку характерних точок, таких як scale-invariant feature transform (SIFT) та похідних від нього, завдяки використанню нового алгоритму адаптивної фільтрації, виконує пошук характерних точок у несприятливих умовах освітленості та має обсяг обчислень зменшений до чотирьох разів. Запропоновано новий алгоритм адаптивної фільтрації на основі блоку аналізу зображення, який детектує локальні градієнтні характеристики і формує з них зображення ознак за допомогою паралельної двовимірної фільтрації та селекції результатів фільтрації у логарифмічному масштабі, який на відміну від відомого алгоритму білатеральної фільтрації, має учетверо менше операцій множення, не потребує обчислень з підвищеною точністю і плаваючою комою та дає змогу обробляти зображення з динамічним діапазоном до 120 дб і більше. Створено метод синтезу буферних схем для обробки двовимірних потоків даних, який на відміну від існуючих методів дає змогу виконувати розробку буферних схем формалізовано з мінімізацією апаратних витрат, який, шляхом застосування методу просторового графа синхронних потоків даних, направляє синтез на одержання буферів типу FIFO або пам’яті довільного доступу, забезпечуючи наперед заданий порядок та період вводу-виводу даних. Запропоновано новий спосіб проектування буферних схем з конвеєрних регістрів у ПЛІС, який відрізняється від існуючих способів формальною побудовою функціональної схеми, в якій використовуються елементи SRL16, за рахунок чого p регістрів замінюються на k логічних таблиць і таким чином, основні апаратні витрати на регістри у ПЛІС зменшуються у p/k є [2..16] разів. Удосконалено алгоритм та структура апаратного модуля обчислення квадратного кореня, який на відміну від відомого алгоритму зі зсувом та відніманням і його апаратної реалізації має меншу латентну затримку обчислення за рахунок застосування блоків постійної пам’яті для збереження результатів перших ітерацій алгоритму. Практична цінність результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що використання запропонованого методу пошуку характерних точок у зображенні у системах технічного зору дає змогу пришвидшити розпізнавання образів, зменшуючи латентну затримку між вводом зображення та виводом його ознак, покращити розпізнавання в несприятливих умовах освітлення, зменшити навантаження на лінії телекомунікацій за рахунок прорідження інформації. Новий метод синтезу буферних схем для обробки двовимірних потоків даних та новий спосіб проектування буферів з конвеєрних регістрів у ПЛІС дають змогу пришвидшити проєктування складних систем технічного зору. Інтелектуальна відеокамера, яка розроблена з їх застосуванням та в якій застосовано новий метод пошуку характерних точок, при своєму впровадженні здатна замінити камери відео-нагляду завдяки ефективному стисненню зображення з широким динамічним діапазоном та можливістю розпізнавання образів. Розроблений вперше апаратно-програмний модуль для LZW-декомпресії має невеликі апаратні витрати, може бути впроваджений у ПЛІС різних серій і завдяки цьому, у порівнянні з програмною реалізацією має вдвічі більшу пропускну здатність, може зменшити об'єм пам'яті та енергоспоживання і має можливість переналаштовуватись при відсутніх або невеликих додаткових апаратних витратах. Удосконалений алгоритм та структура модуля обчислення квадратного кореня впроваджені у Web-застосунку, що генерує модулі обчислення цієї функції з заданими параметрами швидкодії, точності, апаратних витрат, які вільно поширюються і можуть бути вбудовані в довільні проєкти ПЛІС. Результати роботи впроваджені у двох НДР, що проводяться Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» на кафедрах обчислювальної техніки та ситемного програмування і спеціалізованих комп’ютерних систем, які присвячені проєктуванню високопродуктивних апаратних і програмних засобів. Матеріали дисертації є корисними для викладачів і спеціалістів у галузях проєктування апаратних засобів обчислювальної техніки, систем телекомунікацій, зв’язку, вимірювання, штучного інтелекту, засобів мікроелектроніки, а також можуть бути застосовані у навчальному процесі у вищих навчальних закладах.Документ Відкритий доступ Методи і засоби підвищення ефективності відновлення даних, втрачених при їх віддаленому зберіганні та передачі в мережах(2021) Коляда, Костянтин Вячеславович; Романкевич, Олексій МихайловичДокумент Відкритий доступ Методи і засоби побудови моделей поведінки небазових відмовостійких багатопроцесорних систем(2021) Морозов, Костянтин В’ячеславович; Романкевич, Віталій ОлексійовичДокумент Відкритий доступ Методи і засоби оцінки технічних характеристик гарантоздатності відмовостійких багатопроцесорних систем управління складними об`єктами(2017) Романкевич, Віталій Олексійович; Тарасенко, Володимир Петрович