Развитие методов и теории автоматизированного проектирования с целью увеличения эффективности труда проектировщиков, с одновременным повышением качества и надежности проектов, требует разработки технологий, при помощи которых возможно достижение поставленной цели. Следовательно, возникает задача разработки таких технологий автоматизированного проектирования, применение которых позволит удовлетворить всем предъявляемым требованиям. Основным подходом к решению этой задачи является повышение автоматизации процессов проектирования. В этом случае целесообразно воспользоваться инженерией знаний. А для этого необходима разработка новых или модификация существующих методов представления знаний. Предложен метод инфологического моделирования, обеспечивающий представление знаний в единообразной форме. Математическим аппаратом служит теория категорий. Предлагаемые инфологические модели задают общую структуру строения вербальных знаковых конструкций на трех уровнях абстракции. Метод инфологического моделирования можно использовать при интеграции и координации знаний в рамках общего цикла автоматизированного проектирования.

Разработка и использование онтологий является необходимым элементом анализа текстов на естественном языке. При потоковой обработке текстов время поиска в онтологии является критичным параметром для обработки большого объема данных. Предложен метод поиска словоформ по точному совпадению, согласно которому сначала словоформы слов из онтологии разбиваются на части определенной длины (х-граммы), по разработанному алгоритму вычисляется индекс х-граммы и узлы словоформ организуются в префиксное дерево, каждый уровень которого представлен в виде массива. Индекс х-граммы используется в качестве ключа. Для обеспечения компактности хранения выполняется операция сжатия набора разреженных массивов. Алгоритм словарного поиска, в свою очередь, разбивает искомый токен (слово) на соответствующие ему х-граммы, вычисляет индекс каждой части и по полученным индексам в массивах, соответствующих каждому из уровней префиксного дерева, находит словоформу в онтологии последовательной выборкой. Разработанное программное обеспечение показывает для тестового набора русских словоформ скорость поиска выше на 36—50 %, по сравнению с Google dense hashmap, a объем занимаемой памяти на 12 % меньше, чем в Google sparse hashmap. Разработанный метод применим для словарного поиска по редко изменяемым наборам искомых словоформ, таким как онтология, построенная на базе Викисловаря.

Предложен метод реализации „песочницы“ — ограниченной среды в компьютерной системе, предназначенной для исполнения потенциально опасных программ, в том числе для запуска непротестированного кода, непроверенного кода из неизвестных источников, а также для запуска и обнаружения вирусов. Основу метода составляет реализация перенаправления запросов доступа, основанного на использовании запатентованного авторами технического решения. Излагаемый метод создания песочницы, характеризуемой минимальным влиянием на загрузку вычислительного ресурса и простотой администрирования, в работе проиллюстрирован примером практической реализации. Рассматриваемое техническое решение апробировано в коммерческой системе защиты информации.

Для двухуровневых вычислительных систем кластерной архитектуры с последовательным выполнением запросов (сначала в узлах кластера нижнего, а затем — верхнего уровня) исследованы возможности резервированного обслуживания копий запросов, критичных к задержкам выполнения. Предложена аналитическая модель для оценки вероятности своевременного выполнения запроса при соблюдении двух условий: суммарное время ожидания в узлах верхнего и нижнего уровней не превышает заданного предельно допустимого значения; за время пребывания запросов в узлах обоих уровней не происходит ошибок и сбоев. Определена эффективность резервированного обслуживания запросов, критичных к суммарной задержке ожидания в очередях узлов нижнего и верхнего уровней. Определены область эффективного применения подхода к резервированному обслуживанию копий запросов и оптимальная кратность копирования запросов, позволяющая максимизировать вероятность их своевременного выполнения.

Предложен метод оценки емкости внутренней буферной памяти маршрутизатора компьютерной сети с приоритетным управлением трафиком и произвольным распределением длин пакетов разных классов. Приоритетное управление трафиком базируется на дисциплине со смешанными приоритетами. Получено выражение для определения емкости буферной памяти, необходимой для хранения пакетов каждого класса и обеспечивающей заданную вероятность переполнения памяти. Показана необходимость учета зависимости емкости буферной памяти от типа распределения длин пакетов для обеспечения гарантированного качества обслуживания при кратковременных „пульсациях“ трафика и предотвращения потери пакетов.

Рассмотрены некоторые вопросы моделирования компьютерных сетей и их параметризации. Установлено, что одним из важнейших параметров при моделировании сетей является интенсивность передачи трафика. Для построения модели, наиболее близкой к реальной системе, целесообразно использовать закон распределения случайных величин. Рассмотрен способ определения закона распределения случайных интервалов времени между передачей пакетов в разных компьютерных сетях. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что разделение диапазона интервала времени между пакетами на несколько более коротких отрезков позволяет уменьшить отклонение модели от оригинала, а значит, моделирование дает адекватные результаты.

Исследована проблема ложного разделения строк кэш-памяти процессоров, обусловленная спецификой организации памяти в современных многоядерных многопроцессорных системах. Ложное разделение строк приводит к тому, что задачи, которые должны выполняться параллельно на нескольких ядрах, выполняются последовательно. Проблему трудно обнаружить, а ее наличие может стать причиной резкой деградации производительности системы в целом. В ходе проведенного исследования выявлены шаблоны программирования, использование которых для решения типовых задач в многопоточных приложениях приводит к ложному разделению. Экспериментальным путем измерено время выполнения шаблонов при наличии ложного разделения и после применения предложенных в работе методов для решения этой проблемы. Проанализированы зависимости ускорения выполнения шаблонов программирования и эффективности использования вычислительных ресурсов системы от числа параллельно работающих потоков. По результатам исследования установлено, что ложное разделение существенно влияет на временные характеристики работы многопоточных приложений, предложены методы его устранения.

Рассмотрен вопрос отладки аппаратных вычислительных систем, ориентированных на потоковую обработку данных на ПЛИС. Для эффективной отладки моделей системы и ее прототипов требуется возможность переносить тестовые данные между разными представлениями системы. Предлагаемый подход основан на наборе правил разработки систем на ПЛИС и тестового окружения, что позволяет обеспечить совместимость форматов данных, получение необходимых входных и выходных данных, а также выполнение отладки в разных представлениях системы. Предлагается набор компонентов повторного использования для создания отладочной инфраструктуры. Подход ориентирован на реализацию в рамках существующих маршрутов проектирования, САПР и сред разработки аппаратных систем на ПЛИС.

Проанализированы проблемы применения корректирующих кодов в традиционных цифровых преобразователях угла, построенных на основе метода абсолютного отсчета. Показано, что эти проблемы обусловлены как значительной избыточностью по числу кодовых дорожек, пропорциональному блоковой длине используемого кода, так и повышенной технологической сложностью изготовления кодовой маски шкалы. Такой подход, как правило, приводит к увеличению габаритов устройства и к трудностям устранения неоднозначности считывания. Показана возможность использования методов помехоустойчивого кодирования в цифровых преобразователях угла с однодорожечными рекурсивными кодовыми шкалами. Предложены обобщенная методика и алгоритм размещения на шкале считывающих элементов для произвольных параметров блоковой длины, минимального кодового расстояния dmin и поля коэффициентов генераторного полинома корректирующего кода. Приведены примеры использования разработанной методики для dmin=3 и 5. Показано, что практическое использование методов помехоустойчивого кодирования на основе циклических кодов всегда обеспечивает корректное размещение считывающих элементов вне зависимости от структуры рекурсивной кодовой шкалы. Для укороченных циклических кодов приводится достаточное условие корректности.

Представлен метод проектирования микроархитектуры аппаратных вычислительных блоков (вычислителей) на платформах ПЛИС, ASIC или „система на кристалле“ и соответствующее инструментальное окружение (фреймворк). Метод основан на использовании иерархии „языковых IP-ядер“ (Language Intellectual Property, LIP) — узкоспециализированных языков описания аппаратуры со встроенными трансляторами, выполняющих генерацию проблемно-ориентированных вычислителей под управлением пользовательских спецификаций на этих языках. LIP-ядра представляет собой промежуточное решение между традиционными „аппаратными“ IP-ядрами, с зафиксированной аппаратной структурой, параметризируемой средствами языка описания аппаратуры, и полноценными самостоятельными трансляторами с собственными гибкими языками и автономной компиляторной инфраструктурой. По сравнению с указанными подходами использование LIP-ядер позволяет зафиксировать в процессе разработки вычислительных блоков удачные микроархитектурные решения с возможностью дальнейшей реализации на их основе произвольной пользовательской функциональности. Метод и фреймворк в виде прототипа САПР демонстрируются на примере LIP-ядра, реализующего механизм конвейеризации, и построенного на его базе учебного процессорного ядра с архитектурой DLX.

Описан метод оценки пространственной ориентации летательного аппарата в режиме реального времени при помощи обработки данных, поступающих с регистрирующей камеры. Такой метод позволяет получить альтернативную, не зависящую от бортовых датчиков, оценку углов курса, крена и тангажа ракеты. Он обесечивает определение пространственной ориентации ракеты в случае сбоев в получении данных от бортовых датчиков. Для обработки видеопотока используются модифицированные алгоритмы покадрового отслеживания ключевых особенностей, например, контрастных деталей, основанные на алгоритме авторов Shi, Tomasi, Kanade. В частности, используется модификация алгоритма, допускающая аффинные искажения особенностей, а также локальные изменения их яркости. Найденный набор особенностей используется для оценки пространственной ориентации. Предложен алгоритм оценки пространственной ориентации через эквивалентное смещение регистрирующей камеры. Полученные значения можно использовать для анализа как в режиме реального времени, так и в режиме постобработки.

Проанализированы вопросы проектирования вычислительных платформ в составе киберфизических систем. Представлены основные прогрессивные методики системного/архитектурного проектирования специализированных средств вычислительной техники и автоматики, которые могут составить основу комплексной методологии проектирования киберфизических систем нового поколения. Даны определения понятий „вычислительная платформа“, „высокоуровневое проектирование“ встраиваемых систем и систем на кристалле. Рассмотрены методологии и технологии „Платформо-ориентированное проектирование“, „Акторное проектирование“, ESL-проектирование, высокоуровневый синтез систем на кристалле, „Контрактно-ориентированное проектирование“ в контексте создания встраиваемых и киберфизических систем. Приведены положения HLD-методологии, созданной и развиваемой на кафедре вычислительной техники Университета ИТМО.