автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Теоретические основы и разработка устройств быстрых продукционных вычислений для систем обработки символьной информации

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ СИМВОЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ И СУЩНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПОДХОДА.

1.1. Общие сведения. Краткая история.

1.2. Анализ классов и особенностей задач ОСИ.

1.3. Сопоставительный анализ лингвистических средств ОСИ, имеющих средства аппаратной поддержки.

1.3.1. Парадигмы программирования в области ОСИ.

1.3.2. Язык Лисп.

1.3.3. Язык Пролог.

1. 3.4. Язык Рефал.

1.3.5. Язык Smalltalk-80.

1.3.6 Язык 0PS-5.

1.4. Аппаратные средства ОСИ.

1.4.1. Основные направления развития технических средств ОСИ.

1.4.2. Особенности существующих технических средств ОСИ.

1.4.2.1. Высокопроизводительные универсальные ЭВМ.

1.4.2.2. Универсальные процессоры с дополнительным набором команд ОСИ.

1.4.2.3. Специализированные процессоры ОСИ в составе универсальных вычислительных систем.

1.4.2.4. Машины ОСИ.

1.5. Сущность предлагаемого подхода к созданию теоретических основ быстрых продукционных вычислений и устройств систем ОСИ.

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПТУАЛЬНОГО БАЗИСА И ПОНЯТИЙНОГО

АППАРАТА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ БЫСТРЫХ ПРОДУКЦИОННЫХ

ВЫЧИСЛЕНИЙ.

2.1. Концептуальный базис, требования к перспективным алгоритмическим системам и и постулаты теоретических основ БПВ.

2.2. Основные определения: символы и конструктивные объекты

2.3. Основные определения: конструктивные процессы, эквивалентность, алгоритмизация.

2.4. Алгоритмическая система А. А. Маркова.

2.5. Разновидности и обобщения нормальных алгорифмов.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ОПЕРАЦИЙ И МЕТОДОВ АКСЕЛЕРАЦИИ

СИМВОЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ПРИ РАБОТЕ ПРОДУКЦИЙ.

3.1. Исследование конструктивных процессов и разработка итерационного метода быстрых символьных вычислений.

3.2. Разработка концептуальной модели абстрактной продукционной машины.

3.3. Разработка метода сокращения вычислительной сложности продукций с образцом, содержащим собственный модификатор.

3.4. Исследование разнонаправленных конструктивных процессов и унификация форм представления продукций.

3.5. Обобщенная методика расстановки знаков итерации, ■ альтернации и маркеров-указателей в структуре продукции.

3.6. Разработка лингвистических средств теоретических основ быстрых продукционных вычислений.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ АКСЕЛЕРАЦИИ РАБОТЫ ПРОДУКЦИОННЫХ АЛГОРИТМИЧЕСКИХ СХЕМ.

4.1. Структурное исследование и разработка средств распознавания неприменимости алгоритмических схем.

4.2. Исследование симплексных взаимодействий на множестве продукций и разработка трассировочного метода быстрых символьных вычислений.

4.3. Разработка метода быстрых продукционных вычислений с использованием коммутативных операций на множестве продукций.

4.4. Структурный анализ процессов блокировки в алгоритмических схемах и методы их устранения.

4.5. Исследование и разработка вставочно-продукционного метода БВП на парах продукций.

4.6. Исследование особенностей процесса применения синтезирующих диаграмм продукций-акселераторов.

4.7. Методические основы алгебры над продукциями.

4.8. Конвейерные и параллельные продукционные алгоритмические схемы.

4.9. Универсальная алгоритмическая продукционная система.

4.10. Выводы.

ГЛАВА 5. МЕТОДЫ СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БАЗОВОЙ АРХИТЕКТУРЫ ОСИ, УНИВЕРСАЛЬНЫХ СИМВОЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ, МОДУЛЕЙ-АКСЕЛЕРАТОРОВ И РАЗРАБОТКА

УСТРОЙСТВ СИСТЕМ ОСИ.

5.1. Методы системно-структурной организации технических средств быстрых символьных вычислений.

5. 2. Анализ и разработка типологии образцов и модификаторов продукций.

5.3. Разработка семейства универсальных символьных процессоров последовательного принципа действия.

5.3.1. Результаты моделирования работы базового универсального символьного процессора последовательного принципа действия.

5.4. Символьные процессоры на основе ассоциативных запоминающих устройств.

5.4.1. Базовая структура символьного процессора на основе ассоциативной памяти, хранящей записи образцов.

5.4.2. Символьный процессор на основе ассоциативного запоминающего устройства, хранящего обрабатываемые слова.

5.5. Семейство универсальных символьных процессоров с параллельным сопоставлением образцов и фрагментов обрабатываемого слова.

5.5.1. Базовая структура символьного процессора с параллельным блоком сопоставления.

5.5.2. Символьный процессор с управляемой длиной поля компарации.

5.6. Системно-структурная организация модулей-акселераторов и разработка специализированных устройств.

5.7. Периферийные процессоры систем ОСИ.

5.8 Выводы.

Актуальность проблемы. Современный этап развития человечества характеризуется переходом от индустриального общества к информационному. Указанный переход определяет потребности в интенсивном внедрении во все сферы человеческой деятельности новейших информационных систем и технологий. Одной из фундаментальных является проблема создания эффективных технологий и систем обработки символьной информации (ОСИ). Под ОСИ традиционно понимаются те вычисления, которые проводятся на уровне слов или более высоком уровне абстракции и имеют принципиальные отличия от обработки числовой информации. Высокий уровень социальной и оборонной значимости решения проблем высокоскоростной ОСИ подтверждается существованием дорогостоящих национальных и межгосударственных научно-технических проектов, таких как проект машин пятого поколения (Япония); стратегический проект SPI (США); исследовательские проекты ОСИ ALVEY (Великобритания), а также ESPRIT, TELETEXT, JESSI и др. (страны Европейского содружества) /1,2/. Разработки в области ОСИ ведут крупнейшие научные центры мира: Ливерморская лаборатория, Массачусетский технологический институт, йельский, Карнеги-Меллона, Станфордский, Токийский университеты и др.

Символьная информация в виде текстов выделяется сегодня в главный атрибут компьютерных информационных систем и технологий, поскольку тексты выражают не только факты и знания в той или иной предметной области, необходимые для постановки и решения задач, но и сами задачи. В свою очередь, алгоритмы решения задач, например, в форме программных продуктов также являются текстами, которые необходимо компилировать, оптимизировать, верифицировать и т. д./З/.

Вместе с тем существует огромный объем текстов (анкеты, публикации, документы и т.д.), которые в связи с развитием компьютерных информационных технологий целесообразно хранить и обрабатывать с использованием программных и технических средств ОСИ. Объемы и разнообразие такого рода текстов имеют тенденцию к быстрому росту. Так, например, ежедневно в мире создается около полутора миллиардов страниц текстовых документов с ежегодным приростом, достигающим 25% /4/.

Следует отметить, что методология ОСИ широко используется также для решения задач искусственного интеллекта, обработки языков, криптографии и криптологии, обработки и синтеза изображений и множества других практически важных задач.

Огромные объемы символьной информации, высокая скорость их роста и разнообразия, специфичность и логическая сложность информационных конструктов требуют создания адекватных лингвистических, алгоритмических, программных и технических средств символьных вычислений. Требуемая производительность универсальных систем ОСИ по имеющимся оценкам должна составлять сотни миллионов логических выводов в секунду (Липе), между тем достигаемая производительность не превышает единиц миллионов Липе.

Основная проблемная ситуация заключается в том, что существующие системы ОСИ базируются на основе таких методов и средств, которые не обеспечивают требуемой скорости решения прикладных задач и эффективной адаптации систем к быстро изменяющемуся внешнему окружению. Объективной причиной возникшего противоречия является отсутствие в составе всех существующих универсальных алгоритмических систем, положенных в основу разработки языков программирования ОСИ, внутрисистемных инструментальных средств акселерации символьных вычислений, что приводит к росту числа языков программирования или версий конкретных языков. При этом технические средства ОСИ, ориентированные на конкретный язык (Лисп, Пролог и т.д.) претерпевают быстрое моральное старение.

Указанное обстоятельство предопределило постановку в данной работе проблемы повышения производительности технических средств ОСИ путем создания универсальных быстродействующих дискретных преобразователей информации нового поколения, функционирующих на основе продукционной парадигмы и содержащих внутрисистемные алгоритмические средства акселерации процессов обработки информации.

Созданию фундаментальных оснований ОСИ посвятили свои работы отечественные и зарубежные исследователи: Р.Грисоулд, А.Н.Колмогоров, Дж. Маккарти, А.А.Марков, Т.Мотооко, Дж. фон Нейман, Э.Пост, А.Тьюринг, Д. Уоррен, А.Черч, А. Шенхаге и многие другие известные ученые.

В существующих академических изданиях и специальных трудах имеются достаточные научные предпосылки для решения поставленной проблемы. Между тем до настоящего времени не создана единая теория быстрых символьных вычислений, а существующие подходы к решению проблемы акселерации символьных вычислений носят, как правило, локальный по областям применения и разрозненный по методам характер.

Поэтому научный аспект решения сформулированной проблемы связан с дальнейшим развитием теории алгоритмов путем создания основ теории быстрых продукционных вычислений (БПБ), основным результатом которых является универсальная алгоритмическая продукционная система. При этом продукционные алгоритмы универсальной системы являются алгоритмической основой универсального высокопроизводительного дискретного преобразователя информации. Практическая часть решаемой проблемы включает в себя структурно-функциональный синтез схем семейства высокопроизводительных универсальных процессоров БПВ, каждый из которых, в свою очередь, является технической реализацией названных дискретных преобразователей.

Вместе с тем практическая часть решаемой проблемы включает в себя разработку технических решений специализированных устройств-акселераторов , которые служат целям расширения круга эффективно решаемых задач универсальными символьными процессорами.

Основная часть диссертационной работы выполнялась, в рамках хоздоговорных НИР в рамках отраслевых научно-технических программ, начиная с 1982 г., госбюджетных НИР по распоряжению Госкомвуза N 10-36-41, ИН/10-20-03 от 16.03.92 г. (пролонгация до 2000 г.) и Международного проекта по распоряжению Госкомвуза N 10 от 19.02.93 г. в Курском государственном техническом университете при непосредственном участии и под научным руководством автора.

Целью диссертационной работы является создание теоретических основ БПВ, позволяющих разработать универсальную алгоритмическую продукционную систему, содержащую внутрисистемные инструментальные средства акселерации работы алгоритмических схем и расширения их функциональных возможностей, а также разработка системно обоснованного ряда универсальных процессоров БПВ и специализированных устройств для высокопроизводительных архитектур систем ОСИ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создание концептуального базиса теоретических основ БПВ.

2. Разработка теоретических основ БПВ, заключающихся в исследовании и разработке следующих компонентов:

- понятийного аппарата;

- концептуальной модели абстрактной продукционной машины;

- совокупности средств акселерации процессов продукционных символьных вычислений как для отдельных продукций, так и для продукционных алгоритмических схем;

- формального языка для записи алгоритмических схем;

- обобщенной целостной универсальной алгоритмической продук

- 9 ~ ционной системы, реализующей БПВ.

- методов системно-структурной организации систем ОСИ, модулей-акселераторов и быстродействущих универсальных символьных процессоров БПВ.

3. Реализация системно-структурного синтеза универсальных процессоров БПВ и экспериментальное исследование их основных характеристик.

4. Изыскание инженерно-технических путей разработки комплекса специализированных устройств и модулей-акселераторов процессов ОСИ.

Объектом исследования диссертационной работы являются алгоритмические и исчислительные системы, продукционные алгоритмические схемы, конструктивные объекты и процессы ОСИ, а также технические средства реализации символьных вычислений.

Методы исследования базируются на аппарате теории алгоритмов и прикладной семиотики, теории конечных автоматов и проектирования ЭЦВМ, конструктивной математической логики, а также на методологии общей теории систем. Исследование эффективности разработанных операций, методов и алгоритмов БПВ проводилось путем машинного моделирования, а экспериментальные исследования осуществлялись на действующих макетах и эмулирующих программах работы универсальных символьных процессоров с использованием разнородной символьной информации.

Научная новизна работы заключается в решении проблемы повышения производительности технических средств ОСИ путем создания универсальных быстродействующих дискретных преобразователей информации нового поколения, имеющей важное значение для дальнейшего развития уровня информатизации народного хозяйства и обороны России. Данная проблема решается впервые с единых методологических позиций, учитывающих взаимодействие и взаимосвязь разработанных лингвистических» алгоритмических и технических средств в рамках концепции ОСИ.

В результате проведенных исследований получены следующие основные новые научные результаты:

1. Предложен концептуальный базис БПВ, который формируется на основе фундаментальных принципов общей теории систем, конструктивной математики, и продукционной парадигмы, а также на принципах построения технических средств ОСИ и обеспечивает выбор подхода к решению поставленной проблемы.

2. Созданы теоретические основы БПВ, в рамках которых разработаны:

2.1. Понятийный аппарат, состоящий из системы конструктивных экспликаций основных понятий, а также из логических условий и процедур, уточняющих используемые понятия, что позволяет формализовать процессы ОСИ и обеспечивающих достаточные условия для алгоритмизации исследуемых процессов. Разработан метод отождествления и различения символов, результаты практического применения которого показывают, что он в определенных условиях превосходит известные и широко распространенные методы аналогичного назначения.

2. 2. Лингвистические средства БПВ в виде языка описания продукционных алгоритмических схем, который состоит из синтаксических диаграмм и семантических соглашений, и является языком программирования универсальных символьных исполнительных устройств, а также - метаязыком, что позволяет сохранить единство лингвистического и алгоритмического пространства на всех уровнях ОСИ.

2.3. Концептуальную модель абстрактной продукционной машины, состоящую из многоленточного продукционного преобразователя конструктивных объектов, который обеспечивает: формирование классов эквивалентности продукционных алгоритмов; моделирование работы и распознавание типов алгоритмов на множестве форм представления, -а также определяет структуру и функции блоков исполнительных устройств. Разработана методика формирования таких специфических фрагментов обрабатываемых слов, на которых осуществляется формирование классов эквивалентности продукционных алгоритмов.

2.4. Инструментальные средства специального назначения, которые состоят из логических условий, методов, алгоритмов и методик, обеспечивающих логическую состоятельность процессов анализа структурных свойств обрабатываемых слов, отношений между ними и процессов ОСИ.

2.5. Универсальная алгоритмическая продукционная система нового поколения, которая состоит из следующих компонентов:

- продукционных алгоритмических схем в специальных формах представления, которые определяют структуру и функции исполнительных устройств;

- совокупности структурно-лингвистических средств акселерации работы элементарных операторов преобразования конструктивных объектов (отдельных продукций), состоящей из логических условий, операций (итерации, альтернации, и маркировки), обоснованных методов и методик, обеспечивающих повышение скорости символьных вычислений на один-два порядка выше, по отношению к скорости работы канонических марковских продукций;

- комплекса структурно-лингвистических средств снижения вычислительной сложности работы продукционных алгоритмических схем, состоящего из логических условий, порождающих диаграмм, методик и методов (трассировочного, коммутативного и продукционно-вставочного), которые обеспечивают повышение скорости символьных вычислений до двух порядков, по отношению к скорости работы схем марковских алгоритмов;

- обобщенной системы операций в виде методических основ ал

-Л2 гебры над продукциями для эквивалентных преобразований продукционных алгоритмических схем к акселеративным формам, в том числе и к конвейерно-параллельным формам, которые обеспечивают высокую скорость протекания процессов ОСИ.

2.6. Методы системно-структурной организации архитектуры систем ОСИ, функциональных модулей и семейств таких универсальных процессоров БПВ, которые в однопроцессорном режиме обработки имеют преимущество в скорости до одного порядка по сравнению с используемыми в настоящее время микропроцессорами фирм Intel, Cyrix и AMD при решении типичных задач ОСИ и конкурируют с ними при решении задач ОСИ, в которых необходимо выполнять несложные численные расчеты.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты теоретических исследований позволили разработать инженерные методики БПВ, структурно-функциональные схемы универсальных символьных процессоров и технические решения специализированных устройств. Разработка указанных технических средств ОСИ представляет собой основу для постановки НИОКР по созданию промышленных образцов символьных транспьютеров, машин ОСИ, мультипроцессоров с гибкой архитектурой и систем ОСИ различных конфигураций и назначения. Разработанные методы, алгоритмы и технические средства целесообразно использовать в смежных с ОСИ предметных областях, в частности в системах обработки и синтеза изображений, системах обработки сигналов, а также в компьютерных системах ситуационного управления и поддержки принятия решений и других практически важных приложениях.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, подтверждается использованием методов конструктивной математической логики и прикладной семиотики для обеспечения логической состоятельности предлагаемых структурно-лингвистических построений, машинным моделированием работы продукций и схем алгоритмов, результатами работы действующих лабораторных макетов и эмулирующих программ, апробацией и обсуждением результатов работы на научных конференциях, рецензированием монографии и учебного пособия, экспертизой предложенных в диссертационной работе технических решений Госкомитетом СССР по делам открытий и изобретений и Роспатентом, а также результатами практического использования полученных результатов.

Реализация результатов работы. Полученные автором результаты использовались при выполнении хоздоговорных НИР Курского государственного технического университета: "Анализ применимости алгоритмической системы Маркова для проектирования технических средств ОСИ" (РосНИИ ИС, г. Москва);"Исследование технической эффективности и разработка устройств высокопроизводительных систем ОСИ" (п/я Г-4190, г. С.-Петербург); "Исследование методов построения и разработка высокопроизводительных систем ОСИ" (п/я Г-4190, г. С.-Петербург), Международного проекта "Технические системы ОСИ и изображений"(распоряжение Госкомвуза РФ N 10 от 19.02.93 г.), а также при выполнении госбюджетной НИР по единому заказ-наряду "Разработка и исследование характеристик процессорных элементов систем обработки символьной информации" (распоряжение Госкомвуза РФ N 10-36-41 от 16.03.92 г.). Научные и практические результаты использованы и внедрены в Главном управлении Банка России, 5 ЦНИ-ИИ МО РФ, в/ч 25714, в/ч 48707, в/ч 11135, в СКБ ПС АО "Счетмаш" (г. Курск), а также в учебном процессе Военной инженерно-космической академии им. А.Ф.Можайского и Курского государственного технического университета. По проблемам ОСИ защищено 8 кандидатских диссертаций, которые выполнялись под руководством автора данной работы. В указанном научном направлении работают пять аспирантов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных кворумах: XIII WORLD CONGRESS. From measurement to Innovation (Torino, Italy, 1994 г.); Ш-ий Славянский конгресс CARDI0STIM-98" (Санкт-Петербург, 1998 г.); Международная конференция "Технологии и системы сбора, обработки и представления информации"(Рязань,1993 г.); III-я Международная конференция "Системный анализ, моделирование и управление процессами с использованием ЭВМ"(Ташкент,1993 г.); 1-я Международная конференция "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" (Курск,1993 г., два доклада); VII-ой Всесоюзный съезд Общества психологов СССР (Москва,1989 г.,); Симпозиум "Информационные процессы и технологии" (в рамках Международного форума "Ин-форматизация-94", Курск, 1994 г.); 11-ая Международная конференция "Распознавание - 95" (Курск, 1995 г., три доклада, включая пленарный); III-я Международная конференция "Распознавание-97" (Курск, 1997 г., три доклада, включая пленарный); Международная техническая конференция "Медико-экологические информационные технологии - 98" (Курск, 1998 г., два доклада); Всесоюзная конференция "Методы и технические средства психологической диагностики" (Орел, 1988 г., два доклада); Всесоюзная научно-практическая конференция "Вопросы экономики и организации информационных технологий" (Гомель, 1991 г.); 1-ая Всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Нижний Новгород, 1999 г.); Юбилейная конференция ученых Курского политехнического института (Курск,1994 г., два доклада), а также на конференциях и семинарах Курского государственного технического университета в период с 1980 по 1999 год.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Концептуальный базис и подход к решению проблемы БПВ.

2. Теоретические основы БПВ, включающие в свой состав:

2.1. Понятийный аппарат БПВ, состоящий из системы конструктивных экспликаций основных понятий, логические условия и конструктивные процедуры экспликации.

2.2. Лингвистические средства описания продукционных алгоритмических схем, реализующих БПВ.

2.3. Концептуальная модель абстрактной продукционной машины.

2.4. Обобщенную универсальную продукционную алгоритмическую систему БПВ, содержащую:

- продукционные алгоритмические схемы в специальных формах представления;

- системно-завершенную совокупность разработанных и обоснованных инструментальных средств БПВ для снижения вычислительной сложности работы цродукций (операции итерации, альтернации и маркировки позиций, а также обобщенный метод акселерации) и работы продукционных алгоритмов (операции трассировки, коммутации, порождения и методы на основе этих операций);

- разработанную систему операций в виде методических основ алгебры над продукциями при использовании как одного, так и множества исполнительных устройств для реализации последовательных и конвейерно-параллельных процессов БПВ.

2.5. Инструментальные средства специального назначения, которые состоят из логических условий, процедур и методов, обеспечивающих анализ и распознавание структурных особенностей конструктивных процессов и корректировки применения методов, а также свойств конструктивных объектов и отношений между ними.

2.6. Совокупность методик эквивалентных преобразований продукционных алгоритмических схем, позволяющих снизить их вычислительную сложность, включая формирование конвейерно-параллельных продукционных алгоритмов.

2.7. Методы системно-структурной организации базовой архитектуры ОСИ и семейства универсальных символьных процессоров, функционирование которых основывается на универсальной алгоритмической продукционной системе, а также функциональных модулей.

3. Структурно-функциональные схемы универсальных символьных процессоров, базирующихся на различных принципах организации символьных вычислений (последовательный и параллельный), и результаты их экспериментального исследования, а также технические решения специализированных устройств в виде процессоров-акселераторов и периферийных процессоров.

Публикации по работе. По материалам диссертации опубликовано 96 печатных работ, среди которых монография и сопровождающие ее содержание 18 препринтов, а также учебное пособие. Разработанные технические решения защищены 23 авторскими свидетельствами и 7 патентами.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 306 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 274 наименований и 4 приложений объемом в 132 страницы.

5.8. Выводы

ЛрИ Технической реализации конструктивных процессов, порождаемых алгоритмическими продукционными схемами, использовались принципы системно-структурного проектирования сложных однородных и разнородных систем в их приложении к созданию систем ОСИ. Обосновано, что в качестве ценрального процессора информационной системе целесообразно использовать разработанные универсальные символьные процессоры, а в качестве инструментальных средств адаптации к конкретным областям приложений - специализированные функциональные модули с перестраиваемой структурой и периферийные процессоры. Весь арсенал технических средств, образует иерархическую структуру системы ОСИ.

2. Рациональное распределение функций между компонентами иерархической системы ОСИ основано на разработанных методах структурного управления функционированием сложных открытых систем. Структурное управление осуществляется на основе следующих операций: специализации (распределение фрагментов программного продукта на множестве исполнительных устройств); стратификации (организация иерархических уровней); баланса взаимодействия по обменным информационным потокам или по времени решения локальных задач. В качестве базовой архитектуры систем ОСИ различного назначения рекомендуется модернизированная модульная асинхронная развивающаяся система (МАРС). В рамках настоящей работы используются принципы организации аппаратных средств (целостности, иерархичности, модульности и частотный принцип построения ИКС-архитектур), продукционная парадигма как система принципов организации символьных вычислительных процессов (последовательный и параллельный).

3. Проведенный анализ семантического разнообразия форм записи и особенностей образцов и модификаторов позволили определить все разнообразие команд и операций исполнительных устройств, ап-паратно поддерживающих порождение конструктивных процессов на основе рассматриваемого класса продукций. Использование различных типов образцов и модификаторов позволяет расширить функциональные возможности универсальных символьных процессоров и границы сферы их эффективного применения.

4. Разработана структура базового в своем классе универсального символьного процессора последовательного принципа действия.

Среди всех разработанных символьных процессоров данный процессор имеет минимальные аппаратные затраты (5352 транзистора). Вместе с тем названный последовательный процессор имеет самые низкие скоростные показатели среди всех других универсальных символьных процессоров. Результаты машинного моделирования его работы показывают, что по сравнению с процессором неймановской архитектуры, он имеет двадцатикратное скоростное преимущество при решении задач конкатенации, поиска и замены, а также распознавания тавтологий и сопоставимые затраты времени при решении задач "ханойская башня" и "расстановка ферзей". Базовый вариант структуры последовательного символьного процессора удовлетворяет свойствам открытых систем и тем самым допускаются различные модернизации, поэтому в данной работе приведены перспективные варианты технических решений процессоров последовательного принципа действия и указаны рекомендуемые области их эффективного применения.

5. Второй класс разработанных универсальных символьных процессоров создан с использованием ассоциативных запоминающих устройств. Базовое техническое решение процессора с ассоциативной памятью для хранения образцов имеет скорость работы, достигающую 10-15 миллионов Липе при решении задач поиска и замены, конкатенации и "обезьяна и банан", а аппаратные затраты не превышают 25 тысячи транзисторов. Еще одно семейство процессоров представлено базовым универсальным символьным процессором с ассоциативной памятью для хранения обрабатываемых слов имеет не менее чем десятикратное скоростное преимущество по сравнению с последовательным символьным процессором, а аппаратные затраты на его реализацию составляют 12374 транзистора. Приведенный класс символьных процессоров также открыт для модернизаций, определяемых спецификой задач ОСИ в разных предметных областях. Семейство процессоров, имеющих блоки параллельного сопоставления, представляют еще одну ветвь универсальных символьных процессоров. Все процессоры данного семейства развивают сравнительно высокую скорость работы (на один-два порядка по сравнению с эталонным классом процессоров, а аппаратные затраты не превышают пятнадцати тысяч транзисторов.

6. Разработанные технические решения универсальных символьных процессоров создают основу для создания символьных транспьютеров, серверов, бриджеров, символьных мультипроцессоров и систем, а также функциональных модулей различного назначения в компьютерных информационных системах.

7. Показано, что в качестве средств адаптации универсальных символьных процессоров к специфике прикладных областей целесообразно использовать разработанные методы и специализированные устройства. К классу разработанных технических средств адаптации относятся специализированные функциональные модули-акселераторы, эффективно решающие такие задачи, которые имеют максимальную частоту встречаемости или которые неэффективно решаются средствами продукционных алгоритмов в заданной прикладной области. Использование модулей позволяет сократить множество специализированных процессоров, включая контроллеры, разгрузить центральный процессор и существенно расширить круг эффективно решаемых задач на универсальных символьных процессорах.

8. В качестве второго класса технических средств адаптации целесообразно использовать периферийные процессоры со специфическими пультами ввода информации, осуществляющих предварительную обработку числовой информации. Разработанные модули-акселераторы и периферийные процессоры снимают ограничения на области применения созданных технических решений универсальных символьных процессоров и расширяют границы класса эффективно решаемых задач.

9. Таким образом, реализован завершающий этап теоретических основ БПВ, представляющий собой методы функционально-структурной

- 592 организации систем ОСИ и разработаны универсальные символьные процессоры, компоненты модулей-акселераторов и периферийные процессоры. Разработаны схемные решения представляют собой арсенал технических средств для архитектур высокопроизводительных систем ОСИ различного назначения.