Программные продукты и системы

Статьи из выпуска № 3 за 2018 год.

Упорядочить результаты по: Дате публикации | Заголовку статьи | Авторам

1. Методы разработки драйверов графической подсистемы [№3 за 2018 год]
Авторы: Ефремов И.А., Мамросенко К.А., Решетников В.Н.
Просмотров: 11529
В статье описаны проблемы разработки ПО для задач взаимодействия систем на кристалле и ОС Linux. Архитектурой ОС предусмотрено создание драйвера – компонента, обеспечивающего прием и передачу данных устройства с использованием программного интерфейса. Разработка драйверов для ОС с открытым исходным кодом затрудняется из-за непрерывных изменений функций и структуры ядра. Описаны структура и составные части графической подсистемы, представляющей собой набор компонентов, находящихся в разных адресных пространствах доступа виртуальной памяти ОС и взаимодействующих между собой, в том числе посредством интерфейса системных вызовов. Программирование графического ядра выполняется при помощи заполнения буфера команд: для каждого приложения создается контекст графического ядра, содержащий свой командный буфер и все необходимые данные, используемые графическим ядром для отрисовки/расчетов, – координаты, векторы нормали, цвета, текстуры. Существуют несколько подходов к установке графического режима, однако наиболее оправданным решением является применение модуля KMS (Kernel Mode Setting), который используется ключевыми производителями микропроцессоров и графических карт. Для полной реализации возможностей графического ядра необходимо обеспечить взаимодействие модулей ядра ОС и пространства пользователя посредством создания собственных системных вызовов, регламентирующих низкоуровневую работу с устройством. Применение платформ прототипирования на основе FPGA-матриц позволяет проверить работоспособность ПО, получить некоторые характеристики производительности и выявить ошибки в системе на кристалле на ранних стадиях проектирования. Отладка модулей ядра занимает значительное время в силу ограничений, накладываемых со стороны как платформы для прототипирования, так и ОС. Кроме того, ошибки, возникающие в коде ядра, трудновоспроизводимы, что также затрудняет отладку модулей ядра. В статье рассмотрены подходы к реализации KMS-модуля и компонентов графической подсистемы ОС Linux, которые позволяют обеспечить корректное взаимодействие ОС и контроллера вывода на экран системы на кристалле.

2. Исследование сжатия растровых изображений с использованием искусственных нейронных сетей [№3 за 2018 год]
Авторы: Генов А.А., Русаков К.Д., Моисеев А.А., Осипов В.В.
Просмотров: 12889
Современные темпы роста объемов информации, хранящихся на жестких дисках, передаваемых по сети Интернет и локальным сетям предприятий, обусловили актуальность задачи сжатия, передачи и хранения данных. Большая часть передаваемых по сети данных представлена в виде мультимедийного контента. Сегодня все более популярными становятся алгоритмы сжатия визуальной информации, основанные на нейросетевом аппарате. В отличие от классических алгоритмов, основанных на устранении избыточности, данные алгоритмы базируются на искусственных нейронных сетях. Направление актуально в связи с развитием математических алгоритмов обучения сети, что в дальнейшем позволит улучшить существующие методы сжатия. Проведенный анализ публикаций показал, что в настоящее время конкретная информация о влиянии архитектуры искусственной нейронной сети на процесс обучения и качество их работы на реальном мультимедийном контенте отсутствует. Актуальна задача выбора топологии сети, наиболее подходящей для сжатия визуальной информации. Целью авторов статьи является описание возможностей одного из типов искусственных нейронных сетей – многослойного персептрона – в области сжатия и восстановления изображений произвольного вида. Рассматриваются топологии искусственных нейронных сетей и алгоритмы их обучения, анализируется эффективность работы этих сетей. Описывается архитектура бутылочного горлышка, наиболее часто используемая при решении задачи сжатия и восстановления изображений. Приводится один из способов кодирования и декодирования данных, полученных при работе сетей. В статье описывается проведенный вычислительный эксперимент, приведены полученные результаты. Результаты показали, что использование многослойного персептрона с входным вектором свыше восьми значений менее эффективно. В итоге предложена наиболее подходящая архитектура сети, которую можно использовать на практике.

3. Принципы построения программного комплекса для теплового проектирования электронных систем [№3 за 2018 год]
Авторы: Мадера А.Г., Кандалов П.И.
Просмотров: 8277
В работе рассматриваются концептуальные вопросы разработки программного комплекса для теплового проектирования сложных электронных систем и проведения многовариантного компьютерного моделирования нестационарных, нелинейных, детерминированных и стохастических тепловых процессов и температурных полей в электронных системах любой сложности и при воздействии дестабилизирующих факторов. Многофункциональный программный комплекс должен обеспечивать графическое представление исходных данных и результатов вычислений температурных распределений и тепловых характеристик в виде таблиц, графиков, диаграмм и т.п. Вычислительные алгоритмы, реализующие математические модели программного комплекса, должны быть реализованы и оптимизированы как для пользовательских компьютеров, так и для суперкомпьютерных систем путем их распараллеливания с помощью программных интерфейсов Open Multi-Processing (OpenMP) и Message Passing Interface (MPI). Основным языком программирования разрабатываемого комплекса является язык C#, обеспечивающий крос-сплатформенность, скорость и удобство разработки, поддержку выборочной оптимизации на языках C++ и C. Средой разработки служит Microsoft Visual Studio под управляемой ОС Windows, при этом адаптация под другие платформы обеспечивается кроссплатформенной средой исполнения Mono. Рассмотрена архитектура проектируемого программного комплекса, которая представляет собой трехуровневую модель, включающую уровни представления данных, доменную модель и уровень данных, позволяющих оптимизировать программный комплекс, расширять его функциональные возможности и адаптировать под требуемые платформы.

4. Высокоуровневая архитектура тренажерно-обучающих систем сложных технических комплексов [№3 за 2018 год]
Авторы: Родителев А.В., Гиацинтов А.М.
Просмотров: 10075
В статье рассмотрена архитектура тренажерно-обучающей системы на примере прототипа авиационного тренажера. Подсистема визуализации тренажерно-обучающей системы обеспечивает отображение результатов моделирования внешней среды и объекта управления с помощью устройств отображения информации. Она должна обеспечивать воспроизведение созданной виртуальной сцены с достаточно подробным содержанием, позволяющим операторам успешно выполнять поставленные задачи. Приведены требования к тренажерно-обучающей системе сложных технических комплексов, в том числе предъявляемые к ее подсистеме визуализации. Разработанная архитектура обеспечивает унификацию способов сопряжения с оборудованием, использование тренажерно-обучающей системы с различными устройствами ввода информации, а также позволяет избежать высокой связанности компонентов. Каждое устройство, как правило, имеет свои особенности: специализированное ПО, закрытые протоколы обмена информацией, разъемы различных стандартов. Разработанная система расширений (плагинов) позволяет учитывать особенности устройств без модификации основного модуля и других подсистем. Для работы с плагинами был создан управляющий интерфейс. Плагины не зависят друг от друга и могут быть добавлены или удалены без нарушения целостности работы системы. В зависимости от вычислительной нагрузки обработку данных тренажерно-обучающей системы можно реализовать на одном аппаратном комплексе или для каждой подсистемы использовать отдельный. Любая подсистема может быть создана независимыми разработчиками и представлена отдельными программными комплексами. Предусмотрена возможность работы проектируемых подсистем на аппаратных комплексах с различными архитектурами процессоров, способами хранения байтов в памяти (big-endian или little-endian) и на различных операционных системах. Описан алгоритм преобразования координат, полученных от математической модели, в систему координат подсистемы визуализации.

5. Адекватные междисциплинарные модели в прогнозировании временных рядов статистических данных [№3 за 2018 год]
Автор: Пранов Б.М.
Просмотров: 11081
В статистических исследованиях для моделирования и прогнозирования временных рядов обычно используют многофакторные линейные модели. Область их применения весьма обширна. Они достаточно эффективны в ситуации, когда множество точек, изображающих исследуемые объекты в многомерном пространстве параметров, располагается вблизи некоторого линейного подпространства (или его сдвига относительно начала координат). Этот эффект легко обнаруживается с помощью факторного анализа. Если же такое подпространство (линейное множество) отсутствует, для построения более точных моделей применяют нелинейные зависимости. В экономике для описания зависимости прибыли предприятия от числа работников и стоимости основных средств используют функцию Кобба–Дугласа. Оказывается, если рассматривать пожары и другие явления социума как своеобразную его «продукцию», то функция Кобба–Дугласа с высокой степенью точности позволяет аппроксимировать соответствующие временные ряды. В результате получается целый ряд интересных моделей в новых предметных областях. По итогам расчетов выяснилось, что временной ряд общего числа пожаров на территории РФ очень хорошо аппроксимируется функцией Кобба–Дугласа, а прогностические значения, рассчитанные по таким моделям, весьма близки к реальным. Аналогичная адекватная аппроксимация временных рядов общего числа пожаров пригодна для значительного количества европейских стран, а также США. Такое моделирование применимо, в частности, и в туристической отрасли – в статье рассматриваются модели полного дохода гостиниц в зависимости от числа работников и величины основных фондов.

6. Моделирование восприятия мозгом анаграммно искаженного текста [№3 за 2018 год]
Автор: Усманов З.Д.
Просмотров: 8514
Объектом исследования являются тексты естественных языков, слова которых обессмыслены случайными перестановками букв. Рассматривается способность человеческого мозга безошибочно распознавать смысл непривычной продукции. В статье предлагается математическая модель объяснения того, каким образом мозг справляется с решением этой задачи в случаях, когда a) первая, б) последняя, в) первая и последняя буквы слова остаются на своих местах, а все прочие переставляются произвольным образом, и, наконец, в самом общем случае г), когда ни одна буква слова не фиксируется и все они в пределах слова могут располагаться в любом порядке. Объяснение основывается на понятии в широком смысле анаграммы слова как совокупности его букв, расставленных в какой-либо последовательности, а также на понятии прообраза анаграммы, в роли которой выступает само слово. В упрощенной математической модели предполагается, что мозг воспринимает каждую анаграмму изолированно; распознает ее правильно, если ей соответствует единственный прообраз, а если таких прообразов несколько, то автоматически останавливает свой выбор на том из них, который имеет наибольшую частоту встречаемости в текстах. Приемлемость такой модели проверялась на английском, литовском, русском и таджикском языках, а также на искусственном языке эсперанто. Для всех языков эффективность безошибочного распознавания искаженного текста оказывалась приблизительно одинаковой, на уровне 97–98 %. При необходимости достижения более высоких показателей можно обратиться к расширенной модели, в которой мозг учитывает пары, а возможно, и тройки соседствующих буквенных совокупностей.

7. Модели сопровождения информационных систем предприятия по этапам жизненного цикла [№3 за 2018 год]
Автор: Лисецкий Ю.М.
Просмотров: 12580
В статье рассмотрено предприятие как сложная организационная система, для эффективного функционирования которой необходима современная информационная система управления, позволяющая осуществлять сбор, хранение и обработку информации для повышения степени обоснованности и своевременности принимаемых решений. Решение этой задачи возможно на основе комплексной автоматизации управления всеми производственными и технологическими процессами предприятия, а также необходимыми ресурсами. Показано, что формирование описания информационной системы предприятия осуществляется с помощью модели жизненного цикла, которая определяет порядок выполнения этапов разработки, а также критерии перехода от этапа к этапу. Под моделью жизненного цикла информационной системы понимается структура, определяющая последовательность выполнения и взаимосвязь процессов, действий и задач в течение жизненного цикла. Структура жизненного цикла информационной системы базируется на трех группах процессов: основных (приобретение, поставка, разработка, эксплуатация, сопровождение), вспомогательных (документирование, управление конфигурацией, обеспечение качества, верификация, аттестация, оценка, аудит, решение проблем) и организационных (создание инфраструктуры проекта, управление проектом, определение, оценка и улучшение самого жизненного цикла, обучение). Приведены наиболее распространенные модели жизненного цикла: каскадная (водопадная), модель итеративной и инкрементальной разработки (поэтапная модель с промежуточным контролем) и спиральная. Показано, что в процессе исследований и проектирования информационная система предприятия выступает пассивной категорией, процесс функционирования которой может быть описан моделями сопровождения по этапам жизненного цикла: моделью строения, моделью функционирования и моделью развития. Разработка этой тройки моделей является также дополнительным информационным фактором, позволяющим осуществлять структуризацию процесса создания и функционирования информационной системы предприятия.

8. Применение метода английского аукциона при планировании заданий с абсолютными приоритетами в распределенной вычислительной системе [№3 за 2018 год]
Авторы: Баранов А.В., Молоканов В.В., Телегин П.Н., Тихомиров А.И.
Просмотров: 7645
В статье рассматривается задача планирования заданий с абсолютными приоритетами в территориально распределенной вычислительной среде, для решения которой могут быть эффективно применены аукционные методы. В большинстве современных работ по этой тематике используется рыночная модель, в которой предметом аукционных торгов (товаром) выступают вычислительные ресурсы, а продавцами – их владельцы. Покупателями являются пользователи, участвующие в аукционе с целью приобретения вычислительных ресурсов для выполнения своих заданий. Продавцы стремятся получить максимальную прибыль, покупатели выполнить свои задания с наименьшими затратами. Подобная модель предполагает наличие у пользователей-покупателей определенных бюджетов в условных или реальных деньгах, при этом приоритет задания фактически определяется той ценой, которую пользователь готов заплатить за выполнение задания к определенному сроку на выставленных на торги вычислительных ресурсах. Исследуемая авторами модель территориально распределенной вычислительной среды отличается от известных тем, что приоритеты заданий являются абсолютными и назначаются по единым правилам. Главная цель – скорейшее выполнение высокоприоритетных заданий. В этом случае теряет смысл понятие бюджета пользователя, и классические аукционные модели перестают работать. Авторы предлагают новый подход, при котором предметом аукционных торгов становятся задания, а владельцы ресурсов выступают в роли покупателей, расплачивающихся за задания имеющимися в наличии свободными вычислительными ресурсами. При таком подходе авторы рассматривают английский аукцион как наиболее предпочтительный метод планирования в территориально распределенной вычислительной среде заданий с абсолютными приоритетами. Главной характеристикой алгоритма планирования, основанного на методе английского аукциона, становится длительность проведения торгов (продолжительность аукциона). В статье приведены результаты экспериментов по определению оптимальной продолжительности английского аукциона по отношению к среднему времени обработки задания.

9. Выбор пакетного менеджера для многоверсионных приложений [№3 за 2018 год]
Авторы: Галатенко В.А., Дзабраев М.Д., Костюхин К.А.
Просмотров: 5422
Все разработчики ПО рано или поздно сталкиваются с проблемой создания и распространения дистрибутивов их программных продуктов. При этом необходимо учитывать возможности по поддержке уже существующих изделий, то есть замене старых дистрибутивов новыми. Используя качественное средство для создания дистрибутивов, разработчики получают возможность распространять свои изделия на более широкий спектр инструментальных платформ, а также осуществлять необходимую и своевременную поддержку этих изделий. Авторы статьи ограничиваются рассмотрением UNIX-подобных систем, в большинстве которых в настоящий момент распространены такие средства создания дистрибутивов (пакетные менеджеры), как dpkg, yum. Эти пакетные менеджеры функционируют в соответствии со стандартной концепцией установки программ в UNIX. Стандартная концепция подразумевает, что программы будут устанавливаться в стандартные каталоги, такие как /usr/bin, /usr/local/bin и так далее. При обновлении программы (пакета) обычной практикой является замещение старых файлов новыми. Стратегия замещения такого рода может носить деструктивный характер. Имеется в виду ситуация, при которой после обновления ПО некоторые программы или библиотеки перестают работать. Не исключено, например, что после обновления может перестать работать и сам пакетный менеджер. Часто пользователь оказывается в ситуации, когда для поддержки совместимости ему необходимы старые версии ПО. В этом случае приходится прибегать к практике сборки программ и библиотек из исходных текстов и ручной установки, такой как make install. Установка такого рода является необратимой и очень опасной, поскольку в этом случае велика вероятность удаления или замещения файлов, находящихся под контролем пакетного менеджера. В качестве решения описанных проблем предлагается пакетный менеджер NIX [1]. Основным достоинством этого менеджера является то, что полностью исключается деструктивное воздействие с его стороны. Это достигается путем установки каждого пакета в изолированную локацию, при этом всю ответственность за область видимости того, что было установлено, берет на себя пакетный менеджер.

10. Температурная модель распределения потенциала в неравномерно легированных нанотранзисторах со структурой кремний на изоляторе [№3 за 2018 год]
Автор: Масальский Н.В.
Просмотров: 8258
Обсуждается разработка 2D-аналитической температурной модели распределения потенциала в рабочей области двухзатворного тонкопленочного полевого нанотранзистора со структурой кремний на изоляторе с вертикальной неравномерно легированной рабочей областью в виде функции Гаусса. Двухзатворные полевые транзисторы со структурой кремний на изоляторе являются ведущими представителями элементной базы нового научного направления – высокотемпературная микроэлектроника, потому что это идеальные высокотемпературные устройства. Для случая стационарной температуры в параболическом приближении с использованием специальной функции получено аналитическое решение 2D-уравнения Пуассона. Численно исследованы температурные зависимости распределения поверхностного потенциала от параметров профиля легирования в диапазоне температур от 200 до 500 К. Для выбранных топологических норм варьирование параметров профиля легирования предоставляет дополнительную возможность управления ключевыми характеристиками нанотранзистора наряду с толщиной рабочей области и подзатворного окисла фронтального затвора, что важно при анализе применимости нанотранзисторных структур. Показано, что структуры с крутыми профилями легирования являются более термостойкими по сравнению с однородно легированными. Для повышения верхней границы температурного диапазона на 100 К необходимо увеличивать уровень легирования рабочей области на порядок. Применение перспективной транзисторной архитектуры для двухзатворных полевых нанотранзисторов со структурой кремний на изоляторе позволяет повысить термическую стойкость их ключевых электрофизических характеристик по сравнению с двухзатворными полевыми транзисторами с однородно легированной рабочей областью и с их объемными аналогами. Результаты моделирования находятся в хорошем соответствии с данными моделирования, полученными при помощи коммерчески доступного для 2D-моделирования транзисторных структур программного пакета ATLASTM .

| 1 | 2 | 3 | 4 | Следующая → ►