CC BY
12
УДК 004.9
https://doi.org/10.24412/2226-2296-2021-3-4-61-65
Вклад курских исследователей в развитие систем обработки символьной информации
Л.В. Стародубцева
Юго-Западный государственный университет, 305040, г. Курск, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6803-298X, E-mail: lilja-74@inbox.ru
Резюме: В статье рассматриваются вопросы истории развития методов и средств цифровой обработки символьной информации курскими учеными.
Ключевые слова: история, символьная информация, обработка систем, исследования, вычислительные машины.
Для цитирования: Стародубцева Л.В., Вклад курских исследователей в развитие систем обработки символьной информации //
История и педагогика естествознания. 2021. № 3-4. С. 61-65.
D0I:10.24412/2226-229B-2021-3-4-B1-B5
CONTRIBUTION OF KURSK RESEARCHERS TO THE DEVELOPMENT OF SYSTEMS FOR PROCESSING SYMBOLIC INFORMATION
Liliya V. Starodubtseva
South-Western state University, 305040, Kursk, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6803-298X, E-mail: lilja-74@inbox.ru
Abstract: The article deals with the history of the development of methods and means of digital processing of symbolic information by Kursk scientists.
Keywords: history, symbolic information, systems processing, research, computing.
For citation: Starodubtseva L.V. CONTRIBUTION OF KURSK RESEARCHERS TO THE DEVELOPMENT OF SYSTEMS FOR PROCESSING SYMBOLIC INFORMATION HISTORY AND PEDAGOGY OF NATURAL SCIENCE. 2021, no. 3-4, pp. 61-65. DOI:10.24412/2226-2296-2021-3-4-61-65
В 70-80-х годах прошлого века вычислительная техника широко внедрялась в различные сферы человеческой деятельности. Как ранее указывалось в статьях [1-2], в техническом исполнении в зависимости от объемов перерабатываемой информации выпускались микро-ЭВМ, мини-ЭВМ и большие вычислительные машины, которые иногда объединялись в вычислительные сети. Практически все средства вычислительной техники были ориентированы на обработку цифровой информации с использованием наборов арифметических и логических операций над двоичными цифровыми кодами. В то же время все больше возрастала потребность в обработке так называемой символьной информации, представляющей собой буквы, слова, предложения и целые осмысленные тексты.
Поскольку законы обработки цифровой информации сильно отличались от законов обработки символьной информации, вычислительные машины, оптимизированные для обработки цифровых данных, довольно плохо справлялись с обработкой символьной информации. Приходилось создавать сложное программное обеспечение, ориентированное на осмысленную обработку текстов. Создавались даже специальные языки программирования типа Пролог, Снобол, Смолток и др., которые все же не обеспечивали возрастающих требований по производительности в силу того, что аппаратная часть была оптимизирована под алгоритмы выполнения арифметических и логических операций. В это же время в зарубежных изданиях появились сообщения о разработке символьных проблемно ориентированных процессоров. Это создало предпосылки для поиска новых путей повышения производительности символьных процессоров в СССР.
Осенью 1986 года состоялось совместное совещание представителя ОКБ «Импульс» МОМ СССР (Ленинград) с коллективом кафедры вычислительной техники (ВТ) Кур-
3-4 • 2021 История и педагогика естествознания
ского политехнического института (КПИ), ныне Юго-Западный государственный университет (ЮЗГУ), на котором была выдвинута идея, используя в качестве теоретической базы теорию алгорифмов А.А. Маркова, [3] разработать высокоскоростной процессор аппаратной поддержки базовой формулы А.А. Маркова со специализированной памятью слов, обеспечивающей скоростной доступ к различным конфигурациям символьной информации. Предварительные расчеты показали, что такой подход может ускорить процессы обработки символьной информации в сотни раз.
По результатам этого совещания между ОКБ «Импульс» и КПИ был 01.12.1986 года заключен хозяйственный договор (х/д) № 210/158 на тему «Исследование технической эффективности и разработка функциональных узлов высокопроизводительных систем обработки символьной информации». Научным руководителем со стороны ОКБ «Импульс» был назначен кандидат технических наук В.Н. Звегинцев, со стороны КПИ - кандидат технических наук, доцент В.М. Довгаль.
При удачном начале работ в середине 1987 года на базе КПИ планировалось открыть специализированную отраслевую лабораторию.
В течение 1987 года было разработано пять вариантов процессорных элементов, ориентированных на реализацию нормальных алгорифмов, новизна которых заключалась в их ориентации на аппаратную поддержку схем алгорифмов Маркова.
Одновременно производились расчеты эффективности работы проектируемых элементов и алгоритмов их работы (реагирующие алгорифмы А.А. Маркова) на тестовых задачах заказчика, а также на решении типовых арифметических и логических задач, реализуемых классическими цифровыми вычислительными машинами (ЦВМ) с использованием общепринятых инженерных методик расчетов [4].
[61
В ходе проведенных расчетов было показано, что предлагаемые процессорные элементы значительно повышают производительность при обработке слов нормальными алгорифмами Маркова, однако при этом значительно снижается производительность осуществления арифметических и логических операций. Возрастает сложность обработки данных, отличающихся от структуры слова, непроизводительно решаются задачи управления, имеющие древовидную структуру. Существенным ограничением на применимость теории алгорифмов Маркова является сложность записи самих алгорифмов для решения большинства задач, встречающихся в практических приложениях.
На задачах заказчика результаты по производительности оказались хуже, чем при использовании промышленных ЦВМ среднего класса.
Такие предварительные результаты привели к пересмотру технического задания с расширением направлений исследований по двум направлениям.
Одно направление продолжило исследование эффективности алгорифмов Маркова при решении различных типов задач с поиском направлений эффективного использования исследуемых алгорифмов. Однако на протяжении около пяти лет получаемые результаты постоянно уступали бурно развивающимся ЦВМ и их математическому обеспечению, что привело к постепенному свертыванию работ.
Второе направление, было посвящено разработке специализированного процессора обработки символьной информации, управляемого потоками данных с расширенной (по сравнению с правилами алгорифмов Маркова) системой команд. Это направление возглавил доцент Н.А. Кореневский. Оно было одобрено заказчиком (ОКБ «Импульс»), и в 1988 году договор с КПИ был пролонгирован.
В ходе проводимых исследований было установлено, что для задач заказчика аппаратная поддержка команд, ориентированных на логическую обработку потоков символьной информации, позволила повысить производительность специализированного процессора на два-три порядка по сравнению с архитектурой неймановского типа и на порядок по сравнению с известными специализированными процессорами, ориентированными на символьную обработку данных.
Дальнейшие исследования показали, что предложенная архитектура является пионерской в задачах обработки потоков символьной информации в различных отраслях народного хозяйства [5-7].
К концу 1989-го, началу 1990 года были разработаны окончательная архитектура, алгоритм работы, язык ассемблерного типа и язык высокого уровня ГАЛС для обработки символьной информации с управлением по входному потоку данных. Базовый алгоритм обработки символьной информации аппаратно поддерживал следующую последовательность действий:
- в строке символов, называемой сообщением или словом - S с помощью заданного правила а отыскивается заданное место М;
- над заданным местом М производятся действия р и далее управление обработкой слова определяется в зависимости от соотношения между содержимым слова S в найденном месте М и информацией, закодированной в правиле а.
С учетом необходимости битовой и тетрадной обработки, реализации различных операций отношения, выделения фрагментов слов и т.д. предполагалось, что для правил а действия р могут производиться при реализации дополнительных условий у.
Приведенный алгоритм реализуется одним оператором, аппаратно-поддерживаемым проблемно ориентированным
процессором. Этот оператор был назван наиболее общим оператором символьной обработки тдсо. Наиболее общий символьный оператор тдсо имеет структуру а^р, у. Реализация тдсо предполагает использование одного из пяти правил поиска места в слове S. По правилу а1, в слове S отыскивается заданное в а сочетание букв, называемое ключом или вхождением. По правилу а2 в слове S определяется место, начало которого отсчитывается от начала или конца слова S (или относительно начала или конца заданного фрагмента слова в зависимости от состояния разрядов у), а длина места - количеством байт L. По правилу а3 в слове S вначале задается место по правилу а2, но место фиксируется для дальнейшего рассмотрения только в том случае, если по всей его длине определен ключ V, заданный аналогично правилу а1. По правилу а4 в слове S N раз ищет ключ V. Найденным местом считается ключ с номером N. По правилу а5 место определяется на границе слова S (либо в зависимости от содержания вектора у - относительно границ фрагментов слова). Правила а6-а8 определяют коды вспомогательных операций и команд отличных от тдсо.
В тдсо операторе предусмотрено выполнение следующих типов действий над найденными местами. По действию Р1 найденное место по одному из правил 1,5) заменяется на заданное сочетание символов Р, указанных в команде р. По действию р2 найденное место не изменяется, а дальнейшие действия определены вектором у.
По действию р3 символы найденного места аннулируются, а исходное слово S «сжимается» на величину места, определенного правилом. По выполнении действия р4 последовательность символов на выделенном месте определяет номер последующего оператора, который будет выполняться после заданного.
В общем случае обработка слова S производится последовательностью операторов тдсо типа в сочетании с рядом вспомогательных не тдсо операторов, поддерживающих операции управления, адресации, пересылок, обмена с сопроцессорами и др. Анализ специфики решаемых задач позволил сделать вывод, что основная доля операций, производимых со словом S (особенно тдсо операторами), характеризуется необходимостью выбора дальнейших путей обработки в зависимости от возникающих в процессе анализа слова S ситуаций. Это обстоятельство определило целесообразность рассмотрения тдсо и других операторов как условных со специальными механизмами передачи управления.
Структура команды проблемно ориентированного процессора определена в виде:
где п - левая метка ьй команды, фi - оператор ьй команды, т^ - правая метка ьй команды.
Если при выполнении ьй команды реализуется условие, определенное оператором управление передается команде, левая метка которой совпадает с правой меткой 1-й команды. В противном случае выполняется следующая по номеру команда. При манипуляции соответствующей расстановкой левых и правых меток легко реализуются линейные, разветвляющие и циклические структуры программ.
Структурная схема процессора приведена на рис. 1. При проектировании процессора был реализован ряд принципов, направленных на увеличение его производительности при обработке символьной информации в заданной предметной области.
1. Аппаратно поддержано выполнение тдсо операции при различных режимах ее выполнения. При этом в отличие от цифровых процессоров для реализации тдсо оператора передается одна команда, а не совокупность команд, выбираемых в циклах.
История и педагогика естествознания 3-4 ■ 2021
2. Произведено разделение памяти данных (слов) (ПС) и памяти команд (ПК) как территориально, так и по управлению, что позволило реализовать их раздельную загрузку и выгрузку, а также одновременную подачу на операционный элемент (ОЭ) команд и данных. Предполагается, что в памяти слов производится обработка слова по алгоритмам, находящимся в памяти команд.
3. Память команд выполнена как активная структурная единица, производящая ряд вычислительных и логических функций параллельно с работой операционного элемента и памяти слов. В ПК предусмотрены средства ускорения доступа к структурированным данным.
Раздельное выполнение памяти вхождений (Пи) и подстановок (ПР) позволяет обеспечить параллельную реализацию подстановки предыдущей команды с обнаружением вхождений текущей команды. Обе эти памяти адресуются через специальную организованную память таблиц адресов (ПТА), которая производит параллельную выборку информации из ПР и Пи, а также обеспечивает переход по условию, фиксируемому в операционном элементе без дополнительных затрат времени. Память команд поддерживает систему вычисления длин выбираемых формул, вычисление адресов, обработку счетных циклов и прерываний независимо от процессора.
4. Память слов (ПС) функционально разделена на две части: первую ПС1 и вторую ПС2. Такое разделение позволяет трансформировать слова S без дополнительных процедур «растяжения» и «сжатия» отдельных их фрагментов из-за различия в длинах V и Р, заменив эти непроизводительные процедуры перезаписью слов (или их фрагментов) из одной памяти в другую. Кроме этого, разделение памятей и выделение входных (Швх) и выходных (Швых) шин процессора отдельно от его системной шины (СШ) позволяло совместить процедуры обработки, загрузки и выгрузки информации со стороны памяти слов ПС. Дополнительно ПС, так же как и ПК, реализует ряд самостоятельных счетно-логических операций по вычислению адресов и слежению за требуемыми длинами фрагментов обрабатываемых слов независимо от работы ОЭ и ПК.
5. Использование битового и тетрадного форматов ключей и подстановок определило необходимость аппаратной поддержки битовых операций в операционном элементе за счет использования соответственно регистров масок подстановок и вхождения RMP и RMV и соответствующих схем маскирования СМР и CMV.
Раздельное функционирование ПС, ОЭ и ПК обеспечивается реализацией соответствующих самостоятельных блоков управлений УУЦС, УУОЭ и УУПК, синхронизация работы которых осуществляется через шину управления (ШУ). Кроме изображенных на схеме элементов, процессор содержит ряд специализированных регистров и регистров общего назначения, функционально разделенных по памятям слов ПС1, ПС2 и памяти команд.
Для организации пересылок между программно доступными регистрами и памятями слов, команд и переменных в системе команд процессора предусмотрены команды пересылок с прямой и косвенной адресацией источников и приемников информации, а также адресация по базе через регистры базы.
Рис. 1. Структурная схема процессора обработки символьной информации
Управление режимами работы памятями слов осуществляется через программно доступные регистры состояний памятей слов.
Управление режимами работы памятью команд осуществляется через программно доступный регистр состояния памяти формул.
Для реализации различных типов счетных циклов, счетных вложенных циклов, циклов с переадресацией, подпрограмм различных уровней вложенности и прерываний в памяти формул вводится память переменных с областью стековой памяти nCV, построенная по классической схеме.
Механизм сетевого взаимодействия процессора организован аналогично тому, как это выполняется в микропроцессоре 1810ВМ36, включая механизмы взаимодействия с сопроцессорами различных назначений (арифметическими, таймерами, сетевыми контроллерами и др.)
Специально для разработанного процессора был разработан язык высокого уровня ГАЛС, ориентированный на решение задач моделирования, проектирования, описания и программирования специальных систем реального времени с высоким процентом команд логического и символьного типов, а также широко использующих собственные базы данных, а в перспективе - развитие базы знаний. ГАЛС предполагал использование цветных символьно-графических видеотерминалов с высокой разрешающей способностью. Графическая символика языка позволяла создавать наглядные и выразительные средства описания программ для ряда предметных областей, что позволяло привлекать для программирования проблемных специалистов без глубоких знаний алгоритмических языков, повысить скорость создания готовых программных продуктов и их надежность. Высокая эффективность языка ГАЛС обеспечивалась также развитым аппаратом параллельного программирования.
Одним из основных понятий языка ГАЛС является процесс, представляющий собой специальную языковую конструкцию, позволяющую описывать реальные физические процессы по обработке информации в реальном времени с приемом, обработкой (возможно, хранением) и выдачей управляющих, тестовых, технологических, смысловых и других видов сообщений. Аналогичное определение процесса используется в графическом языке SDL.
Для описания процессов в языке ГАЛС используются:
- традиционные языковые средства описания программ в виде текстов, содержащих сведения о типах данных, значениях констант и переменных, о способах управления тай-
3-4■2021
История и педагогика естествознания
[6з]
мированием, прерыванием, распараллеливанием и сборкой процессов, о раскраске отдельных элементов процессов;
- специальные графические средства, изображающие способ реализации процесса в виде раскрашенных параллельно-последовательных конструкций.
Одной из основных конструкций языка является оператор, задающий некоторые действия над обрабатываемыми сообщениями (словами), которые могут исполняться (истолковываться), и это исполнение и истолкование влечет за собой последствия, заключающиеся в том, что почти всегда изменяется состояние вычислительного процесса. Графическим эквивалентом оператора является стрелка с символьным описанием команды, которая выполняется при «протекании» входного сообщения от начала до конца стрелки. Диаграмма процесса составляется из совокупности стрелок, объединенных специальными графическими примитивами, позволяющими организовывать параллельно-последовательное выполнение операций над словами, поступающими на входы начальных стрелок процесса, включая механизмы организации синхронизации и очередности. Пример такой диаграммы представлен на рис. 2.
Здесь одна вертикальная линия означает альтернативное выполнение стрелок, стоящих после него, то есть процесс пойдет по одной из входных стрелок, а именно по той, для которой выполняется условие, записанное в соответствующей команде. Примитив в виде двойной вертикальной линии означает сборку входных сообщений в одно выходное, причем механизм и порядок сборки может быть указан соответствующими цифрами или определен в текстовой части. Имеется возможность организации сборки по функциям И, ИЛИ с механизмами семафоров или рандеву. Имеется также механизм безусловного распараллеливания процессов и ряд других.
Одна из основных операций, реализуемых при «проходе» по стрелке, обеспечивается наиболее общим символьным оператором - тдсо, имеющим вместе со стрелкой структуру:
к*а В :
_I 1
11
где аi - одно из шести правил поиска места М в сообщении S, поступающем на вход стрелки; Pj - одно из четырех основных действий над выделенным местом М, к* - вспомогательные действия, выполняемые одновременно с у{ - правила взаимодействия с памятями, маскирования и форматирования.
В ГАЛС используются следующие правила поиска места а^ найти место с заданным сочетанием символов в s; выделить место, заданное его длиной и начальным номером байта; установить наличие ключа V на заданном месте; использовать информацию, выделенную в заданном месте для организации множественных ветвлений; составное правило поиска места, использующее последовательную реализацию перечисленных правил, прочие правила обработки S.
В качестве Pj допустимы: замена найденного места на заданное сочетание символов р, организация передачи управления по ключу V, сжатие выделенного места, конкатенация ^ слева или справа.
Рис. 2. Пример диаграммы
С помощью вспомогательных действий к* организуется подсчет заданных единиц информации на выделенном месте или слове, управляемые ввод и таймирование, реализация операций отношения, специальные управляющие команды и др. Арифметико-логические операции, ряд операций отношения и управления реализуется как прочие команды по отношению к mgco.
С помощью yt обеспечивается адресация к памяти, маскирование и форматирование заданных фрагментов S. В графической части описания процесса над стрелкой могут располагаться так называемые метасимволы a, ß, 5, у, указывающие лишь правила обработки при его «прохождении» по стрелке, имена переменных, участвующих в обработке, значения переменных и константы. Необходимые уточнения конкретных значений операндов стрелки могут быть определены в описательной части. В языке ГАЛС предусматривается использование таких конструкций, как процедура и модуль, аналогично тому, как они определены в языке Мо-дула-2. Предусмотрена также возможность развития новых языковых конструкций.
В первой половине 1990 года началась подготовка к изготовлению опытных образцов потокового процессора символьной обработки информации на базе ОКБ «Импульс». С этой целью в качестве руководителя группы разработчиков в Ленинград был отправлен из КПИ (Курский политехнический институт) доцент Н.А. Кореневский, однако в процессе подготовки к изготовлению отечественного высокопроизводительного символьного процессора неожиданно было прекращено финансирование проекта по причине перестроечных тенденций в СССР, поскольку основное назначение процессора было связано с оборонными задачами.
Учитывая перспективность разработки, группа энтузиастов во главе с кандидатом наук В.Н. Звягинцевым и Н.А. Кореневским продолжила поиски путей финансирования и нашла неожиданную поддержку в Главном управлении здравоохранения Ленинграда, открывшем финансирование работ по автоматизации медико-биологических исследований. В рамках этой тематики предполагалось, что символьный процессор может найти свое применение при обработке больших потоков медико-биологической информации.
К сожалению, в начале 90-х годов начала интенсивно разрушаться радиоэлектронная промышленность СССР, что сделало невозможным продолжение работ по производству новейших средств электронной техники, включая символьные процессоры.
В настоящее время наблюдается восстановление радиоэлектронной промышленности России, что создает предпосылки к возврату исследований в области высокоскоростной обработки символьной информации.
[б4
История и педагогика естествознания
3-4■2021
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Стародубцева Л.В., Кореневская Е.Н. История разработки российских аналоговых искусственных нейронных сетей для автоматизированной медицинской диагностики // История и педагогика естествознания. 2020. № 3-4. С. 29—32.
Стародубцева Л.В., Родионова С.Н. Вклад курских исследователей в развитие технического обеспечения психологических исследований //
История и педагогика естествознания. 2020. № 3—4. С. 61—65.
Марков А.А., Нагорный Н.М. Теория алгорифмов. М.: Наука, 1984. 432 с.
Хоротевский В.Г. Инженерный анализ функционирования вычислительных машин и систем. М.: Радиосвязь, 1987. 255 с. Кореневский Н.А., Звягинцев В.Н. Специализированный процессор обработки символьной информации // Сб. докл. Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние развития отечественных микропроцессорных средств вычислительной техники». Секция 3 «Микроэлектроника». М.: Изд-во ЦНИИ «Электроника», 1980. Вып. 3. С. 45—48.
Звягинцев В.Н., Кореневский Н.А. Проблемно ориентированный графический язык обработки логических структур данных (ГАЛС) // Сб. докл. Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние развития отечественных микропроцессорных средств вычислительной техники» Секция 3 «Микроэлектроника». М.: Изд-во ЦНИИ «Электроника», 1980. Выпуск 3. С. 48—51.
Кореневский Н.А. Принципы и методы построения интерактивных систем диагностики и управления состоянием здоровья человека на основе полифункциональных моделей: автореф. дисс. докт. техн. наук: 05.13.09 / Н.А.Кореневский. СПб., 1993. 32 с.
REFERENCES
1. Starodubtseva L.V., Korenevskaya YE.N. The history of the development of Russian analog artificial neural networks for automated medical diagnostics. Istoriya ipedagogika yestestvoznaniya, 2020, no. 3—4, pp. 29 — 32 (In Russian).
Starodubtseva L.V., Rodionova S.N. Contribution of Kursk researchers to the development of technical support for psychological research. Istoriya i pedagogika yestestvoznaniya, 2020, no. 3—4, pp. 61- 65 (In Russian).
Markov A.A., Nagornyy N.M. Teoriya algorifmov [Theory of algorithms]. Moscow, Nauka Publ., 1984. 432 p.
Khorotevskiy V.G. Inzhenernyy analiz funktsionirovaniya vychislitel'nykh mashin i system [Engineering analysis of the functioning of computers and systems]. Moscow, Radiosvyaz' Publ., 1987. 255 p.
Korenevskiy N.A., Zvyagintsev V.N. Spetsializirovannyy protsessor obrabotki simvol'noy informatsii [Specialized processor for symbolic information]. Trudy Vsesoyuznoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Sostoyaniye razvitiya otechestvennykh mikroprotsessornykh sredstv vychislitel'noy tekhniki» Sektsiya 3 «Mikroelektronika» [Proc. of All-Union Scientific and Technical Conference "The state of development of domestic microprocessor computer technology" Section 3 "Microelectronics"]. Moscow, 1980, pp. 45—48.
Zvyagintsev V.N., Korenevskiy N.A. Problemno-oriyentirovannyy graficheskiy yazyk obrabotki logicheskikh struktur dannykh (GALS) [Problem-oriented graphical language for processing logical data structures (GALS)]. Trudy Vsesoyuznoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Sostoyaniye razvitiya otechestvennykh mikroprotsessornykh sredstv vychislitel'noy tekhniki» Sektsiya 3 «Mikroelektronika» [Proc. of All-Union Scientific and Technical Conference "The state of development of domestic microprocessor computer technology" Section 3 "Microelectronics"]. Moscow, 1980, pp. 48—51.
Korenevskiy N.A. Printsipy i metody postroyeniya interaktivnykh sistem diagnostiki i upravleniya sostoyaniyem zdorov'ya cheloveka na osnove polifunktsional'nykh modeley. Diss. dokt. tekhn. nauk [Principles and methods of constructing interactive systems for diagnostics and management of human health based on multifunctional models. Dr. tech. sci. diss.]. St. Petersburg, 1993. 32 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Стародубцева Лилия Викторовна, к.т.н., доцент, Юго-Западный Liliya V. Starodubtseva, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof., Southwestern
государственный университет. State University.
