•использование базы данных позволит улучшить информационное качество учебного процесса как на этапе изучения курса материаловедения, так и при выполнении курсовых и дипломных проектов;

•в дальнейшем необходимо провести усовершенствование данного программного комплекса с целью расширения его возможностей и по вводимой информации, и по поиску материалов, уделяя основное внимание выбору по назначению.

Рис. 3. Окно меню "Технологические свойства"

Рис. 4. Окно меню "Химический состав"

Рис. 5. Окно меню "Поиск"

Литература

1.Оузьер Д., Гробман С. Самоучитель по Delphi 3. М.,1998.

2.Раскатов В.М. Краткий справочник по машиностроительным материалам. М.: Машиностроение, 1980.

66

3.Сорокин В. Г. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1989.

4.Арзамасов Б.Н. Справочник по конструкционным материалам. М.: Машиностроение, 1990.

67

ТЕХНОЛОГИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ В ВИЗУАЛИЗАЦИИ СОБРАНИЙ ДАННЫХ

М.Г. Рождественская, И.В. Рождественский

Введение

Цель "добычи данных" (data mining) и "поиска знаний" (knowledge discovery)

состоит в "получении полезных знаний из больших собраний данных" (Mannila, 1997). Пользовательский интерфейс собрания данных должен удовлетворять совокупности противоречивых требований: унификация различных форматов представления данных, поддержка эвристического поиска, поддержка внутренней иерархии, алгоритмизуемость, высокая плотность информации, поддержка существующих Интернет-стандартов и др. Традиционные системы на базе текста и простой двумерной графики решают эти проблемы только частично. Виртуальная реальность (ВР) имеет значительный потенциал в области визуализации научной информации. Основными преимуществами ВР (Waterworth, 1996) являются: естественное пространственное поведение при поиске информации; подсознательная ориентация; автоматизм; компромисс между общим видом и детализацией; визуализация связей; мнемонизация поиска; индивидуальная настройка ВР-представления; переносимость; масштабируемость; богатство уже существующих метафор. Целью настоящей работы является описание концепции визуализации генетической базы данных в виде коллекции объектов на виртуальном ландшафте.

SequenceWorld: ВР-представление генетической базы данных

Целью проекта SequenceWorld (Rojdestvenski et al., 2000, Рождественская и др., 2000) является применение способности пользователя к навигации в пространстве и сенсомоторного восприятия к работе с генетической базой данных. В рамках данного проекта создан новый подход к анализу данных в генетической базе данных с использованием элементов технологии и философии ВР – виртуальный ландшафт данных. Записи базы данных представляют собой 1106 EST последовательностей из БД Populus. Последовательности аннотированы по ближайшим гомологам из БД SwissProt (SwissProt, 1995). В качестве ландшафта была использована плоскость в трехмерном пространстве, для кластеризации данных был применен метод Монте-Карло с постепенным охлаждением (Simulated Annealing). Для каждой пары записей введено искусственное "взаимодействие", параметром которого является мера гомологической близости двух генетических последовательностей. После этого система взаимодействующих "частиц" со статистикой Максвелла-Больцмана "охлаждалась" до достижения конденсации подобных частиц в кластеры.

Cистема кодирования цветом и формой базируется на аннотациях генетических последовательностей. Форма объекта, представляющего определенную генетическую последовательность осины, описывает функцию гена из БД SwissProt, гомологически наиболее близкого к данной последовательности осины. Цвет зарезервирован для кодирования организма происхождения этого гена. С демонстрационной версией генетической базы данных в ВР – SequenceWorld можно познакомится на http://130.239.110.23. SequenceWorld представляет собой ограниченно функциональную БД, снабженную простыми средствами поиска и просмотра текстовой информации. Однако главной характерной чертой системы является представление базы в виде системы объектов на виртуальном ландшафте, по которому пользователь может перемещаться. Путешествие по виртуальному миру осуществляется с помощью просмотрщика VRML-файлов, наиболее удобным из которых является CosmoPlayer (компании CosmoSoftware). На рис. 1 приведена копия экрана SequenceWorld.

67

Рис. 1. ”SequenceWorld” – внутри базы данных

Рис. 2. Визуализация достоверности аннотирования в версии

”Fading Annotations”

Для демонстрации некоторых возможностей концепции SequenceWorld была также разработана система автоматического аннотирования последовательностей. Основная идея – использование прозрачности как меры уверенности в правильности приписываемых последовательностям аннотаций. Подробное описание системы приводится в работах (Rojdestvenski et al., 2000, Рождественская и др., 2000). Концепция, продемонстрированная системой SequenceWorld, может оказаться эффективным для ряда традиционных задач, для решения которых используются базы данных. Например, исследователю можно предоставить возможность "запустить" неизвестную последовательность в виртуальный мир и наблюдать ее "движение" к "ее" кластеру. В результате такого "движения" по виртуальному миру последовательность может остановиться и вблизи нескольких кластеров сразу. Это будет означать, что

68

данная последовательность гомологична сразу нескольким "семьям" генов. Такого рода информация уже требует длительного поиска стандартными "текстовыми" методами.

VRML визуализатор систем биохимических реакций

При проектировании системы визуализации сетей биохимических реакций MNV (Metabolic Network Visualizer) мы основывались на постулате, что для адекватной визуализации некоторой системы необходимо, чтобы алгебра объектов и правил, которая описывает данную систему, взаимно однозначно соответствовала алгебре визуальных образов и правил визуализации. Для описания сетей биохимических реакций нами разработан формальный SGML-подобный язык MNV, гомологичный подмножеству недавно разработанного языка разметки системной биологии SBML (Bolouri и др., 2000). Каждый тип объекта ассоциируется с HTML-подобным тегом, атрибуты которого описывают свойства объекта. Объект ”compartment” описывает место, где находятся вещества и происходят реакции. Объект ”species” (метаболит) описывает вещества, участвующие в реакциях, которые, в свою очередь, описываются объектом ”reaction”. Объект ”transporter” (транспортер) введен для реакции по вводу метаболитов в область реакции и выводу метаболитов из нее. Для алгоритмизации трансляции описания сети реакций на MNV в трехмерный ВР-мир мы применяем жесткие правила визуализации, с которыми можно познакомиться на http://130.239.110.23, также как и с демонстрационной версией системы.

Пример визуализации упрощенного цикла Кальвина приведен на рис.3.

Рис. 3. Визуализация упрощенного цикла Кальвина

Пользователь может вращать картинку в трех измерениях, передвигаться и даже попадать "внутрь" схемы. Дополнительная функциональность достигается использованием гиперссылок, встроенных в VRML-мир. При сравнении с традиционными двумерными схемами сетей биохимических реакций становятся видны некоторые потенциальные преимущества предложенного нами подхода с использованием VRML. Во-первых, использование третьего измерения приводит к экономии поля зрения, необходимого для представления сети реакций, в сравнении с двумерными изображениями. Использование таких визуальных признаков, как форма,

69

цвет, размер и прозрачность, распараллеливает восприятие информации, "уплотняет" его. Во-вторых, подвижность пользователя в виртуальном мире обеспечивает возможность непрерывного сдвига фокуса внимания, а также компромисс между общим видом и детализацией. В-третьих, использование стандартного для Интернет языка VRML 2 делает работу по визуализации сетей биохимических реакций легко распространяемой и публикуемой.

В настоящее время системы SequenceWorld и MNV внедряются на кафедре физиологии растений университета города Умео, Швеция. При помощи MNV в рамках проекта Populus планируется создать наиболее полное виртуальное описание сетей биохимических реакций обмена веществ в клетках осины.

Литература

1.H. Mannila (1997). Methods and problems in data mining (a tutorial) // Proceedings of International Conference on Database Theory (ICDT'97), Delphi, Greece, January 1997, F. Afrati and P. Kolaitis (ed.), p. 41–55.

2.Waterworth J (1996). Personal Spaces: 3D Spatial Worlds for information Exploration, Organization and Communication / 3D on the Internet: Information, Images and Interaction, eds: R.Earnshaw, J.Vince, New York: Academic Press, pp. 97–118

3.Rojdestvenski, I., D. Modjeska, F. Pettersson, M. Rojdestvenskaia and P. Gustafsson, (2000). Sequence World: A Genetics Database in Virtual Reality // Information Visualization 2000, Лондон, Великобритания.

4.М. Рождественская, И. Рождественский, Д. Можеска (2000). SequenceWorld: генетическая база данных в среде виртуальной реальности // Региональная Информатика -2000, С.-Петербург, декабрь 2000.

5.SwissProt Database WWW Gateway (1995), http://www.expasy.ch

6.Bolouri, Hamid, Andrew Finney, Michael Hucka, Herbert Sauro, John Doyle, Hiroaki Kitano (2000). The ERATO Systems Biology Workbench: an integrated environment for multiscale & multi-theoretic simulations of molecular biology // The First International Conference on Systems Biology (ICSB), Japan, Nov.14-16, 2000.

70

2	ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
	И ПРОГРАММИРОВАНИЕ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АППАРАТНЫХ ИНТЕРПРЕТАТОРОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

Р.Р. Ковязин, А.Г. Чистяков

В статье рассматривается способ проектирования встроенных систем на базе микропроцессорного ядра, включающего заказную схему и стандартный микропроцессор. Отдельное внимание уделено функциональности заказной структуры на базе ПЛИС, где в качестве управляющего ядра использован аппаратный интерпретатор. Приводятся характеристики реального устройства, разработанного на основе рассмотренных принципов.

Введение

Особенностью специализированных микропроцессорных систем, применяемых в промышленной автоматике (встроенные управляющие системы), является наличие неоднородных компонент [1]. В таких системах управление сводится к взаимодействию с гетерогенным набором объектов, куда входят: цифроаналоговые модули (ЦАП/АЦП), сетевые интерфейсы, каналы передачи данных и т.д. Информационное взаимодействие вычислительного ядра микропроцессорной системы с этими объектами в большинстве случаев осуществляется посредствам специализированных интегральных контроллеров. Набор интерфейсов этих модулей довольно разнообразен, поэтому доступ к ним со стороны вычислительного ядра усложнен, что сказывается на общей производительности системы.

Существует два традиционных подхода к проектированию встроенных систем в вопросе реализации вычислительного ядра [2] – использование микроконтроллеров. или микропроцессора совместно с заказной интегральной схемой.

Создание вычислительного ядра встроенной системы представляет собой сложную, слабо формализованную на сегодняшний день задачу. Усилия специалистов направлены на создание методик системного проектирования таких ядер [3]. Разработка подобных методик требует накопления опыта использования новой программируемой элементной базы. В статье приводится анализ результатов экспериментального проекта приборного контроллера. Проект выполнялся в рамках второго подхода к проектированию вычислительного ядра.

Организация встроенной системы на базе заказных схем

Рассмотрим процесс проектирования встроенных систем на базе заказных интегральных схем ASIC (Application Specific Integrated Circuits) совместно с микропроцессором. Вычислительное ядро системы представляет собой микропроцессор и специализированный периферийный расширитель на базе ASIC (см. рис. 1). Микропроцессор предназначен для реализации основного системного алгоритма управления, а периферийный расширитель занимается интерфейсным согласованием неоднородных компонент системы и предоставляет высокоуровневые функции обмена для микропроцессора.

Для реализации ASIC удобно использовать ПЛИС с архитектурой FPGA (Field Programmable Gate Array), которые с развитием проекта могут заменяться на более дешевые заказные структуры [4].

Для проектирования заказных интегральных схем сегодня существует довольно много инструментальных средств, например фирм Cadence и Mentor Graphics, которые

71

позволяют описывать сложные проекты с использованием поведенческих конструкций, сообразно программным алгоритмам. Средства автоматизированного синтеза и моделирования позволяют относительно просто получить работающую структуру заказного устройства в рамках заданного элементного базиса ПЛИС или подготовить технологические материалы для изготовления заказного кристалла.

	Периферийный расширитель
	Аппаратный	Микр
	интерпретатор
		опроц
		ессор
К объекту	Операционные устройства
управления
или
контроллерам
Рис. 1. Архитектура встроенной системы на базе микропроцессора
	с периферийным расширителем.

Рассмотрим архитектурные аспекты специализированного периферийного расширителя на базе заказной схемы, который является неотъемлемой частью вычислителя на базе микропроцессора:

•интерфейс периферийного расширителя с микропроцессором;

•структура операционных устройств (ОУ) периферийного расширителя;

•модули управления ОУ и организация информационных потоков целевого алгоритма.

Интерфейс связи микропроцессора с периферийным расширителем должен быть организован таким образом, чтобы он был "прозрачен" для выполняемого алгоритма. Это обеспечивает эффективное программное взаимодействие с периферией за счет снижения затрат на реализацию сложных режимов доступа. Требования к интерфейсу следующие:

•параллельный интерфейс (системная шина микропроцессора);

•доступ к периферийному расширителю сообразно доступу к памяти с произвольным доступом;

•развитые (гибкие) механизмы синхронизации работы интерфейса (минимизация взаимодействий в режиме запрос/ответ по системной шине для обмена данными, гибкая система прерываний, наличие механизмов прямого доступа (DMA) и

другие).

ОУ представляют собой проблемно-ориентированные модули, которые взаимодействуют с объектом управления непосредственно или через программируемые интегральные контроллеры. В зависимости от размерности задачи управления число таких модулей в составе специализированного вычислителя может быть довольно большим. Они работают параллельно друг относительно друга и, как правило,

занимаются	низкоуровневым		интерфейсным	взаимодействием
(синхронное / асинхронное		параллельно-последовательное		преобразование,

фильтрация, шифрация/дешифрация сигналов или данных и другие). Перечислим основные свойства описанных ОУ:

•относительно простая структурная организация (реализация в виде автомата на "жесткой" логике);

72

•низкий уровень программируемости;

•единообразный интерфейс;

•функционирование в режиме запрос/ответ.

Для управления ОУ в составе периферийного расширителя должны присутствовать программируемые управляющие модули. Количество таких устройств невелико (один или два). Главной функцией этих модулей является обеспечение работоспособности ОУ – подготовка и/или предварительная обработка данных объекта и их буферизация. Основные параметры таких модулей:

•довольно емкая архитектурная организация на базе автоматов с "программируемой" (хранимой в памяти) логикой;

•система команд фиксированная, отсутствие сложных режимов адресации, одинаковое время выполнения команд, отсутствие сложных команд, требующих реализации сложных функциональных блоков (умножение, деление и другие);

•программируемость на уровне алгоритма (возможность перепрограммирования микропрограммы в работающей системе);

•согласованность интерфейса с ОУ.

Вкачестве управляющего модуля был использован проблемно-ориентированный аппаратный интерпретатор (АИ) [5,6], архитектура которого ориентирована на работу с ОУ, удовлетворяющими требованиям скорости обработки, объему адресуемых данных и имеющими однородный интерфейс. Можно гибко варьировать режим работы ОУ, изменяя микропрограммы АИ микропроцессором.

Для синтеза микропрограмм АИ должны быть разработаны специализированные инструментальные средства, куда входят:

•языки описания управляющих алгоритмов;

•оптимизирующие компиляторы и ассемблеры;

•средства отладки и анализа микрокода.

Интерфейс АИ с ОУ менее развит, чем интерфейс периферийного расширителя с микропроцессором. Основной характеристикой этого интерфейса является жесткая модель синхронизации, которая определяет некоторые структурные особенности АИ.

Реализация приборного контроллера

На базе описанной архитектуры была разработана система, состоящая из приборного контроллера и персонального компьютера: периферийный расширитель был реализован в ПЛИС, функции микропроцессора выполнял персональный компьютер. В качестве заказной структуры была использована ПЛИС фирмы Altera семейства ACEX EP1K100. Периферийный расширитель был размещен в приборном контроллере, подсоединяемом к компьютеру по интерфейсу USB. Для связи периферийного расширителя и микропроцессора использовался коммуникационный процессор на базе распространенной архитектуры x86 от фирмы AMD am186CC, работающий на тактовой частоте 40МГц. Структурная схема разработанной системы показана на рис. 2.

АИ имеет следующие архитектурные особенности:

•гарвардская архитектура;

•обработка 16-ти разрядных данных с использованием аккумулятора;

•имеется 4-х битный регистр флагов и группа команд условного перехода;

•все команды имеют одинаковую длину и унифицированный формат.

Работа с ОУ идет в режиме опроса, так как отсутствует система прерываний. АИ поддерживает не более 256 ОУ. Кроме этого, у него есть 256 ячеек под данные микропрограммы (локальные и временные переменные).

73

	Контроллер
	RAM
PC	am186CC	ACEX
Рис. 2. Структура системы с приборным контроллером

Коммуникационный микропроцессор является главным звеном в рамках приборного контроллера. Он выполняет следующие функции:

•обмен данными с компьютером в соответствии с его запросами;

•обмен данными с АИ;

•управление работой АИ;

•слежение за ходом работы АИ.

Вразработанной системе компьютер является главным узлом. Он инициирует обмен данными, запуск микропрограммы на исполнение, а также может ее завершить. Все свои функции компьютер выполняет через коммуникационный микроконтроллер:

•управление периферийным расширителем;

•обмен данными с периферийным расширителем;

•анализ данных, полученных от периферийного расширителя.

Интерфейс между периферийным расширителем и компьютером можно разделить на две части: интерфейс обмена данными и интерфейс управления, который включает как управление АИ и коммуникационным микропроцессором, так и получение и анализ результатов их работы. Каждый из участников интерфейса работает асинхронно.

Всистеме есть три потока данных: два входных (PC → АИ) и один выходной (АИ

→PC). Понятно, что скорость работы АИ выше скорости интерфейса, но из-за того, что микропрограмма производит обмен данными не постоянно, то можно избежать ситуаций ожидания данных, буферизируя их. Для каждого потока реализовано три буфера: буфер в АИ, буфер в статической памяти микропроцессора и буфер в памяти компьютера. Направление потоков и связь буферов показана на рис. 3.

RAM

RAM

ACEX

(PC)

(Контроллер)

IN.A

IN.A

IN.A

IN.B

IN.B

IN.B

OUT

OUT

OUT

Алгоритм управления

Микропрограмма

Рис. 3. Буферы и потоки данных

Буферы, расположенные в ACEX и организованы по принципу FIFO. У каждого из буферов есть контроль количества данных (count) и граница (threshold), при пересечении которой исполнение микропрограммы приостанавливается.

Микропроцессор содержит свои буферы в статической памяти контроллера. Он, когда не занят обменом данными с компьютером, производит обмен между своими

74