Структурный синтез гетерогенных подсистем обработки информации в многофункциональных программируемых аналого-цифровых системах
На правах рукописи
Сараев Михаил Владимирович
СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ГЕТЕРОГЕННЫХ ПОДСИСТЕМ
ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОГРАММИРУЕМЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ
Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и
обработка информации (промышленность)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара - 2012
Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».
| Научный руководитель: | Доктор технических наук, доцент Крылов Сергей Михайлович |
| Официальные оппоненты: | Кузнецов Павел Константинович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой электропривода и промышленной автоматики |
| Кораблин Михаил Александрович доктор технических наук, профессор, ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информа тики», заведующий кафедрой информа ционных систем и технологий | |
| Ведущая организация: | Учреждение Российской академии наук «Институт проблем управления сложными системами РАН», г. Самара |
Защита диссертации состоится «23» апреля 2012 г. в __ часов __ мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, ауд. 33.
Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.03; факс: (846) 278-44-00.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18)
Автореферат разослан __ марта 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Губанов Н.Г.
Д 212.217.03.
- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертационная работа посвящена разработке новых методов и подходов, основанных на общей формальной технологии (ОФТ), к задачам системного анализа с последующим синтезом различных аналого-цифровых устройств (АЦУ), способных обрабатывать гетерогенные (разнородные) информационные сигналы. Исследуются также вопросы корректного синтеза замкнутых гетерогенных подсистем для таких АЦУ.
Актуальность работы. Обработка информации - основной процесс в промышленных системах управления, автоматизированных информационных и измерительных системах. Характерной чертой таких систем является многообразие обрабатываемых сигналов различной физической природы и формы. В связи с этим в электронной промышленности развивается перспективное направление - разработка многофункциональных программируемых аналого-цифровых систем на кристалле (МПАЦ СНК). МПАЦ СНК обладают рядом преимуществ:
- позволяют выполнить замену части программных операций их аппаратными реализациями, это позволяет увеличить скорость обработки информации и разгрузить центральный процессор;
- обеспечивают большую надежность, так как для некоторых операций возможно несколько реализаций, следовательно, возможна замена неисправных функциональных блоков совокупностью блоков, реализующих те же операции другими методами;
- обладают большей многофункциональностью, поскольку могут иметь перестраиваемую в рабочем режиме архитектуру, что дает возможность настраивать систему на решение новых задач, благодаря чему такие системы оказываются очень полезными в условиях высоких требований к массе и объему аппаратуры;
- благодаря совмещению аналоговой и цифровой частей можно получать однокристальные системы, работающие в самых разнообразных режимах, что позволяет в перспективе отказаться от специализированных схем, заменив их МПАЦ СНК.
Это направление по проектным нормам (менее 90 нм) близко к нанотехнологиям и позволяет строить микроминиатюрные системы с совершенно новыми качествами для совместной обработки гетерогенных сигналов.
Анализ состояния в области создания гетерогенных систем свидетельствует о том, что существующие методы их синтеза, основанные на классическом подходе и использующие в основном два набора гомогенных функциональных блоков – для обработки двоичных цифровых и аналоговых сигналов напряжения, не решают всех связанных с этим проблем в полном объеме, поскольку не учитывают функциональные и схемотехнические возможности, представляемые другими типами сигналов – например, токовыми. Кроме того, теоретические вопросы, связанные с эффективной стыковкой таких сигналов в соответствующих функциональных блоках также рассмотрены недостаточно подробно, поскольку ориентированы в основном на использование аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Отмеченные недостатки привели к тому, что ряд фирм при попытке выхода на рынок МПАЦ СНК потерпел неудачу.
Таким образом, разработка новых, теоретически обоснованных методов системного анализа и синтеза архитектур и схемотехнических решений для МПАЦ СНК, содержащих различные гомогенные и гетерогенные функциональные блоки обработки информации и имеющих максимально широкую функциональность, весьма актуальна и востребована.
Целью диссертационной работы является разработка теоретически обоснованных методов анализа и синтеза гетерогенных систем, подсистем и функциональных блоков обработки информации для АЦУ и многофункциональных программируемых аналого-цифровых систем на кристалле.
Путь к достижению этой цели связан с решением следующих задач:
- анализом существующих фрагментов гомогенных и гетерогенных подсистем АЦУ и МПАЦ СНК, определением их основных общесистемных характеристик и критериев оценки с целью дальнейшей модификации и оптимизации на основе гетерогенных реализаций;
- разработкой новых методов, основанных на ОФТ, для системного анализа и корректного синтеза гетерогенных подсистем и блоков;
- разработкой основ методологии замены существующих подсистем новыми гетерогенными функциональными аналогами с оценкой их параметров по подходящему критерию с целью дальнейшего отбора оптимального варианта;
- проверкой эффективности разработанной методологии на примерах синтеза гетерогенных подсистем коррекции погрешностей смещения нуля непрерывных дифференциальных операционных усилителей (ДОУ) с улучшенными характеристиками.
Методы исследований включают в себя общую теорию систем, теорию общей формальной технологии, элементы теории графов, математической логики, теории вычислений, методы комбинаторики, основы технологии проектирования интегральных микросхем и методы формирования их топологии.
Научная новизна определяется дальнейшим развитием теоретических основ и методов анализа гетерогенных электронных схем на основе формально-технологического подхода и разработкой новой методологии, связанной с синтезом гетерогенных функциональных систем и блоков обработки информации для различных АЦУ и многофункциональных программируемых систем на кристалле.
Научную новизну раскрывают следующие результаты:
- Разработаны базовые элементы теории гетерогенных функциональных блоков и систем на их основе, отличающиеся их формальным представлением как объектов, обладающих гетерогенными типами входных и выходных сигналов или (и) физических параметров и связанными с этими сигналами (и/или параметрами) функциональностями.
- Предложен метод синтеза гетерогенных замкнутых подсистем, позволяющий выбирать по критериям функциональной полноты и функциональной замкнутости наиболее эффективные архитектурные решения.
- Разработана методология поиска альтернативных по отношению к существующим гетерогенных системотехнических решений, отличающаяся решением задачи минимизации площади, занимаемой подсистемой на кристалле, что позволяет получать новые более эффективные решения.
Практическая значимость: постановка задачи соответствует актуальным потребностям электронной промышленности в области разработки МПАЦ СНК и АЦУ. Практическая ценность результатов обусловлена тем, что:
- разработана и апробирована методология замены существующих подсистем обработки информации на новые гетерогенные подсистемы, позволяющие не только проводить требуемую обработку информации, но и расширить функциональные возможности такой обработки;
- предложены и промоделированы промышленные варианты гетерогенных схем коррекции смещения нуля повторителя, неинвертирующего и инвертирующего усилителей.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы были использованы в ООО «АйТи Юниверс», в учебном процессе кафедры «Вычислительная техника» ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет по дисциплинам «Микропроцессорные системы» и «Аналоговые интерфейсы ЭВМ».
Апробация работы проводилась на следующих конференциях: V, VI, VII и VIII Всероссийских межвузовских конференциях «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» 2006 - 2009 г.г., XIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов» (Минск, 2009 г.), X Всероссийской межвузовской конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» 2011 г. и научно-технических семинарах кафедры ВТ в 2006-2010 годах.
Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в 16-ти научных трудах, в том числе в 4-х периодических научных журналах из перечня, рекомендованного ВАК, в 11 сборниках трудов конференций (10 статей и тезисы).
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 149 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 104 наименования, из них 38 - на иностранных языках, и 6 приложений.
На защиту выносятся следующие положения:
- Базовые элементы теории гетерогенных функциональных блоков и систем на их основе, заключающиеся в формальном представлении функциональных блоков как объектов, обладающих гетерогенными типами входных и выходных сигналов (и/или параметров) и связанными с этими сигналами (параметрами) функциональностями.
- Метод синтеза гетерогенных замкнутых подсистем, позволяющий выбирать по критериям функциональной полноты и функциональной замкнутости наиболее эффективные архитектурные решения.
- Методология поиска альтернативных по отношению к существующим гетерогенных системотехнических решений, отличающаяся решением задачи минимизации площади, занимаемой подсистемой на кристалле, что позволяет получать новые более эффективные решения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается выбор темы и ее актуальность, формулируется цель и основные задачи работы, характеризуется практическая значимость полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертационной работы приводится постановка задачи и рассматриваются различные варианты её решения.
В современном мире существует огромное количество разнородных (гетерогенных) систем. Их можно найти в различных областях деятельности человека. Успехи в разработке теоретически-обоснованных методов анализа и синтеза систем гетерогенного характера в области вычислительной техники естественным образом могут быть связаны с развитием общей теории систем (ОТС). Здесь можно выделить работы Людвига фон Берталанфи, А.А. Богданова, Н. Винера, Р. Эшби, Г. Крона, В.П. Терских, В.К. Допдошанского, В.А. Троицкого, Р. Розена, Г. Камписа Ф.М. Диментберга, Дж. Клира и др. Среди зарубежных авторов, в большей или меньшей степени использующих математические методы при построении своих концепций ОТС, следует отметить работы Г. Хакена, И. Пригожина, Г. Николиса и И. Стенгерс, Г. Вунша, М.А. Арбиба, Р. Калмана, П. Фалба, О. Ланге. Среди отечественных авторов можно выделить работы В.М. Глушкова, Н.Н, Моисеева, В.Н. Садовского, Н.П. Бусленко, А.И. Мороза, А.А. Шарова, Ю.А. Шрейдера, Д.С. Конторова, В.В. Дружинина.
Интересный подход к формальному описанию различных систем предлагается С.М. Крыловым в рамках нового междисциплинарного научного направления с рабочим названием «Общая формальная технология» (ОФТ). Этот подход фактически развивает концепции Р. Эшби, Дж. Клира, А.А. Богданова, Е.М. Карпова и других авторов, предлагая следующее формальное представление для любого компонента (объекта) системы:
ai=<gpi, Mfi>=<{ gi0, gi1,... gin }, { gij=jj ( gis,..., gjk);...; gir=jr ( git,..., gml)}>, (1)
где gpi - список параметров {gi0, gi1,... gin}, отображающих свойства данного элемента ai на числовую ось или на другую - заранее оговариваемую - нечисловую шкалу, Mfi={gij=jj(gis,..., gjk);...; gir = jr(git,..., gml)} - список функциональностей (методов), относящихся к этим свойствам. В зависимости от типа и вида объектов списки параметров, представляющих свойства в (1), могут иметь разную длину и различный состав.
Выражение (1) фактически унифицирует представление как гомогенных, так и гетерогенных компонентов соответственно гомогенных и гетерогенных систем, что позволяет опираться на него при дальнейшем анализе и синтезе микроэлектронных систем с использованием гетерогенных компонентов. В работе проводится анализ потенциальных возможностей простейших функциональных блоков (ФБ) с использованием различных гомогенных и гетерогенных наборов входных и выходных сигналов и параметров (табл. 1).
Таблица 1 - Сводная таблица возможных сочетаний вход-выход для электрических сигналов и параметров.
| Вх\ Вых | Uц | Iц | Uа | Iа | Uф | Iф | Uд | Iд | Uh | Ih | Uч | Iч | R | C | L |
| Uц | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Iц | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Uа | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Iа | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Uф | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Iф | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Uд | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Iд | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Uh | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Ih | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Uч | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| Iч | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| R | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| C | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | |
| L | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт | Гт |
Обозначения входных и выходных сигналов и параметров в таблице: U - сигналы напряжения, I - тока, R - величина сопротивления, C - величина ёмкости, L - величина индуктивности. Строчными буквами обозначены: ц - цифровые сигналы, а - аналоговые, ф - фаза сигнала, д - длительность импульсного сигнала, h - амплитуда импульса, ч - частота сигнала. Обозначения в клетках таблицы: пробел - гомогенное сочетание входных и выходных сигналов и (или) параметров, Гт - гетерогенное сочетание вход-выход.
Как видно из табл.1, гомогенные ФБ занимают в ней незначительную область, представленную диагональю, тогда как гетерогенные ФБ занимают всю остальную часть таблицы.
В то же время анализ ФБ, используемых в различных АЦУ, показал, что в них используются в основном гомогенные ФБ, тогда как гетерогенные ФБ в основном ограничены классами ЦАП и АЦП и небольшим классом преобразователей, которые можно рассматривать лишь в аналоговых схемах, не требующих сохранения высокой точности обрабатываемого сигнала. То есть на практике на самом деле используется лишь небольшое число возможных сочетаний гетерогенных сигналов и блоков в сравнении с теоретически возможными (табл. 1), что, как уже отмечалось, указывает на перспективность поиска других гетерогенных ФБ и их комбинаций, использующих преимущества определенных типов сигналов и самих ФБ.
С другой стороны, вследствие функционального разнообразия уже разработанных гомогенных ФБ они могут применяться как основа и для разработки гетерогенных ФБ. При этом - в случае МПАЦ СНК - необходимо стремится к разработке таких универсальных (многофункциональных) гетерогенных ФБ, которые позволяют обрабатывать большое количество разнородных сигналов. Причём «универсальность» гетерогенных ФБ должна проявляться не только в числе различных типов сигналов, обрабатываемых устройством, но и в наборе соответствующих портов для их ввода и вывода, а также учитывать их размеры и современные топологические нормы производства ИМС.
Во второй главе рассматриваются теоретические вопросы, касающиеся основных определений и базовой организации гетерогенных систем и их подсистем на основе различных гомогенных и гетерогенных ФБ, а также некоторые важные свойства самих гетерогенных блоков.
С использованием принципов ОФТ в диссертации разработаны теоретически-обоснованные подходы к построению функционально-полных и функционально-замкнутых гетерогенных подсистем АЦУ и МПАЦ СНК. Введены формальные определения гомогенного и гетерогенного ФБ, гетерогенной системы. На рис. 1 представлен набор ФБ, для которого показано, что он является функционально-полным набором не только для гомогенных булевых функций, но и для входных и выходных сигналов, имеющих гетерогенный характер, причём как для цифровой, так и для аналоговой формы представления информации. В последнем случае это сделано для функционально-полного набора аналоговых ФБ по Шеннону.
Рисунок 1 - Универсальный набор функциональных блоков для гетерогенных систем обработки и преобразования информации.
Блоки типа F1,..., Fn - это двухвходовые ФБ с одним выходом, блок Fc — одновходовой ФБ. Блок, обозначенный символом "<" - так называемый "разветвитель". Он предназначен, как следует из обозначений его входа и выходов на рис. 1, для разветвления входного сигнала (или параметра) x без потери его качества. Примерами простейших ФБ типа «разветвителя» может служить набор соединительных проводов, подключающих выход ФБ по напряжению к входам по напряжению других ФБ, или идеальное токовое зеркало с одним входом и двумя выходами. Блок "const" представляет собой блок генерирования постоянной величины.
В диссертационном исследовании автором введены новые определения:
1. Гомогенный электронный функциональный блок (ФБ) – это блок, содержащий входы для сигналов (или параметров) и выходы для сигналов (соответственно – параметров) одного и того же типа (например, только напряжения, только тока, только сопротивления).
2. Гетерогенный электронный функциональный блок – это блок, имеющий входы для сигналов (или параметров) и выходы для сигналов (параметров) разных типов (например, входы - напряжения, выход - тока, или входы - частоты, выход - величина сопротивления).
3. Система называется гетерогенной, если она содержит гетерогенные ФБ.
4. Конвертором называется устройство, преобразующее один тип сигналов в другой тип (например, в соответствии с табл. 1.1, если на пересечении соответствующей строки и столбца стоит Гт ).
5. Если конвертор имеет ровно один вход и один выход, и преобразование от входного сигнала x к выходному сигналу y выполняется по линейному закону y=kx, где k – некоторая отличная от нуля положительная алгебраическая константа, то он называется линейным. Для обеспечения взаимно-однозначного отображения элементов двух равномощных гомогенных множеств Г1 и Г2 — необходимо ввести подходящие линейные конверторы, то есть такие, чтобы для любых x Г1 и y Г2 имело бы место: y= k1 x и х = k2 y, что возможно при k2 = 1/ k1. Линейные конверторы с такими свойствами названы симметричными.
6. Гетерогенная система называется функционально-замкнутой, если она позволяет получить взаимно-однозначное отображение любых множеств используемых в ней типов сигналов на все другие множества используемых в системе типов сигналов.
7. Гетерогенные сигналы называются принадлежащими к одному классу, если для их представления используются равномощные множества и одна и та же система счисления.
8. Гетерогенные системы, работающие с гетерогенными сигналами одного и того же класса, называются однородными, в противном случае — неоднородными гетерогенными системами.
Автором также предложены и доказаны утверждения:
1. С помощью блоков типа F1,..., Fn Fc, "<" и "const" (рис.1) можно реализовать любой функционально-полный набор булевых функций для любых типов гомогенных сигналов или параметров, перечисленных в табл.1.
2. С помощью блоков типа F1, "const" и "<" можно реализовать любой гомогенный функционально-полный набор булевых функций.
3. С помощью ФБ типа F1, F2, Fс, "<" и "const" реализуем любой алгоритм обработки гомогенных сигналов для универсальной дискретно-аналоговой машины М3 = <[-A, A], Fk,, -Fсл, P2>. (М3 является машиной, универсальной по Тьюрингу.)
4. Для того, чтобы однородная гетерогенная система была функционально-замкнутой для всех типов сигналов, достаточно, чтобы она содержала
m(m-1) типов линейных симметричных конверторов, где m - число типов гетерогенных сигналов в системе.
5. Любая однородная гетерогенная система, содержащая m типов двоичных гетерогенных сигналов, а также наборы ФБ для каждой из гомогенных подсистем, представленные на рис. 1, и (m-1)m типов линейных симметричных конверторов, может реализовать любую конечную схему обработки двоичных гетерогенных сигналов.
6. Набор ФБ для технологии Т1 = < {[-A, A]}, { F1(x, y, t); F2(x, y); F3(x, k); "<"; "A"} >, где F1(x, y, t) =
(t — время интегрирования, равное времени решения задачи), F2(x, y) = (x + y), F3( x, k) = -kx; x, y [-A, A], причём [-A, A] — интервал действительных чисел, 0kR, R(0,1] — множество рациональных чисел, и имеет место взаимно-однозначное отображение R на (0, +]; является функционально-полным набором для реализации вычисления всех алгебраических и трансцендентных функций по К. Шеннону.
7. Любая конечная однородная цифровая гетерогенная система, содержащая m типов гетерогенных сигналов и соответственно — m гомогенных подсистем их обработки, а также - для каждой из подсистем - ФБ типа F1, "const", разветвитель "<" из утв. 2, и (m-1)m типов линейных симметричных конверторов, может реализовать любую конечную схему обработки цифровых гетерогенных сигналов в пределах доступных аппаратных ресурсов.
8. Любая конечная однородная аналоговая гетерогенная система, содержащая m типов гетерогенных аналоговых сигналов и соответствующее число гомогенных аналоговых подсистем, а также ФБ типа F1(x, y, t); F2(x, y); F3(x, k); "<"; "A" из утв. 6 для каждой из аналоговых подсистем, и (m-1)m типов линейных симметричных конверторов, может реализовать любую конечную схему обработки аналоговых гетерогенных сигналов по Шеннону в пределах доступных аппаратных ресурсов.
9. Для функционального замыкания с заданной точностью любой разнородной гетерогенной системы, содержащей однородные (гомогенные) функционально-замкнутые фрагменты для r классов сигналов, достаточно r(r-1) симметричных линейных конверторов или преобразователей (в том числе типа АЦП и ЦАП), гарантирующих требуемую точность преобразования.
Согласно приведённым во второй главе результатам теоретического анализа, для достижения истинной (максимально-возможной с теоретической точки зрения) многофункциональности гетерогенных МПАЦ СНК необходимо, чтобы они отвечали следующим требованиям:
1. Гетерогенная система должна иметь соответствующий набор конверторов нужных типов (утв. 4), чтобы она могла реализовывать любую конечную схему обработки гетерогенных сигналов в пределах аппаратных ресурсов МПАЦ СНК.
2. Такие конверторы необходимо ставить в тех местах, где по каким-либо причинам использование подходящего гетерогенного ФБ невозможно (например, по причине отсутствия на данный момент его проверенного и/или простого схемного решения).
3. Линейные симметричные конверторы гарантируют функциональную замкнутость однородных гетерогенных систем.
4. Гетерогенные системы для МПАЦ СНК должны быть функционально- полными. То есть любая гетерогенная система или её гомогенная подсистема должна состоять из такого набора конечного множества типов блоков, которые в совокупности обеспечивает реализацию функционально-полных наборов соответствующих функций (например, булевых и/или алгебраических по Шеннону) в соответствующих классах сигналов.
5. Число типов ФБ, гарантирующих функциональную полноту отдельных гомогенных фрагментов гетерогенных систем, невелико и может быть ограничено примерно тремя-шестью разновидностями таких блоков для одного гомогенного фрагмента одного класса.
6. Гетерогенная система МПАЦ СНК, для обеспечения возможности построения любых полноценных систем обработки и преобразования сигналов для любого из используемых в ней типов сигналов, должна быть функционально-замкнутой.
7. Если все сигналы ФБ некоторой подсистемы (фрагмента) гетерогенной системы принадлежат к одному классу - это делает подсистему однородной и упрощает и облегчает задачу её полноценного проектирования с точки зрения функциональной замкнутости.
8. Условиями функционального замыкания разнородной гетерогенной системы с r классами гетерогенных сигналов является наличие соответствующего числа типов линейных симметричных преобразователей и (или) конверторов (утв. 9).
На основе полученных теоретических результатов для гетерогенных систем в главе 3 была разработана структурная схема многофункциональной программируемой аналого-цифровой системы на три типа сигналов, аналогичных трём типам сигналов, используемых в некоторых версиях PSoC1. PSoC1 (рис. 2) – модель нового семейства аналого-цифровых программируемых систем на кристалле под торговой маркой PSoC фирмы Cypress Semiconductor, содержащих как основные компоненты цифровых микроконтроллеров, так и достаточно эффективные наборы реконфигурируемых цифровых и аналоговых блоков.
Рисунок 2 – Архитектура PSoC1.
Типы сигналов, используемые в PSoC1: аналоговые сигналы тока - для сканирования сенсорной клавиатуры, использующей заряд микроконденсаторов сенсорной панели для последующего определения нажатой кнопки (клавиши) по уменьшению скорости разряда соответствующего микроконденсатора; аналоговые сигналы напряжения - для обработки и преобразования соответствующих аналоговых сигналов, поступающих на вход системы; цифровые двоичные сигналы напряжения - для обработки и преобразования соответствующих двоичных сигналов по нестандартным схемным решениям. Структурная схема МПАЦ СНК, разработанная с использованием принципов функциональной полноты и функциональной замкнутости, представлена на рис. 3. Структура сформирована в соответствии с утв. 4, 5, 7, 8, 9. Таким образом, данная структурная схема в полной мере учитывает принципы функциональной полноты и функциональной замкнутости, представленные во второй главе.
Сравнение полученной структурной схемы МПАЦ СНК со структурной схемой PSoC1 приводит к следующим результатам:
1. Предложенная структура МПАЦ СНК позволяет выполнять обработку аналоговых сигналов тока в функционально-полной подсистеме, что позволяет применять данную подсистему не только для специализированной задачи считывания сигналов с клавиатуры, но и для других задач – например, передачи аналоговой информации по помехоустойчивому токовому интерфейсу.
Рисунок 3 — Структура МПАЦ СНК, разработанная с использованием принципов функциональной полноты и функциональной замкнутости.
2. Аналоговые сигналы напряжения и цифровые сигналы напряжения реализованы в виде отдельных функционально-полных подсистем, позволяющих проводить полную обработку сигналов в любом базисе.
3. Сформированные подсистемы имеют, согласно утв. 7, 8, требуемый набор линейных симметричных конверторов, позволяющих выполнять обработку данных в любом предпочтительном базисе.
4. Предложенная структура не отрицает использование стандартных системных ресурсов аналогичных ресурсам PSoC: цифровые часы, регистры многоразрядного умножителя, дециматор и т.д. Наоборот, формирование более полного набора сигналов в рамках предложенных типов сигналов позволит увеличить число устройств, применение которых потенциально возможно в рамках МПАЦ СНК.
Разработанные в главе 2 положения могут использоваться не только при разработке структур новых МПАЦ СНК. Они позволяют также модифицировать существующие подсистемы обработки информации в МПАЦ СНК и тоже давать более эффективные решения. Для иллюстрации соответствующих возможностей в диссертационной работе рассмотрена общая многокритериальная задача синтеза гетерогенных систем обработки информации с использованием трех критериев: площади системы, функциональной полноты системы, функциональной замкнутости системы.
Процедура синтеза архитектуры и других схемотехнических решений МПАЦ СНК основана на использовании теоретических методов, разработанных в главе 2. База данных для синтеза строится на четырех таблицах:
1. Таблица TП гетерогенных пар «вход-выход», аналогичная таблице 1.
2. Таблица TГМ гомогенных функциональных блоков.
3. Таблица TГТ гетерогенных функциональных блоков.
4. Таблица TК параметров микроэлектронных компонентов функциональных блоков МПАЦ СНК.
Варианты предложенных таблиц представлены в диссертационной работе.
Алгоритм синтеза МПАЦ СНК приведен на рис. 4. На начальном этапе формируется база данных синтеза и выбирается структура Б базового варианта проектируемой МПАЦ СНК. Затем формулируется и решается задача многокритериальной оптимизации при синтезе структуры системы. Если найти решение этой задачи не удается, то сперва в алгоритме выполняется коррекция таблицы TК путем изменения параметров компонентов или введением новых компонентов для ФБ. Если и это не дает результат, производится введение в таблицы TП, TГМ, TГТ данных о новых функциональных блоках. Итерации повторяются, пока не будет получено решение, на основе которого формируются спецификации для САПР проектирования кристалла МПАЦ СНК.
Использование методов теории гетерогенных схем заключается в осуществлении направленного перебора архитектурных и схемотехнических решений в структурах J, j=1,2,…,J МПАЦ СНК, альтернативных по отношению к базовой структуре Б:
(2)
где Ф – оператор выбора ФБ и компонентов 
на основе функциональной полноты и функциональной замкнутости; TГМ – множество гомогенных ФБ, возможных для использования в МПАЦ СНК; TГТ – множество гетерогенных ФБ, возможных для использования в МПАЦ СНК; TK – множество компонент, входящих в ФБ; P – множество технологических параметров.
Множество альтернативных вариантов структур сокращается путем применения условий функциональной полноты и функциональной замкнутости в проектируемой системе. Выполним декомпозицию площади кристалла на архитектурно-пространственные зоны в соответствии с заданными функциональностями в МПАЦ СНК.
Рассмотрим полную структуру МПАЦ СНК на кристалле кр:
, (3)
где L – число архитектурно-пространственных зон на кристалле.
По функциональным и технологическим требованиям некоторые зоны содержат фиксированные структуры, не меняющиеся при синтезе.
Тогда 
, где c - множество постоянных структур, 
- множество переменных структур, участвующих в процедуре синтеза.
Задача синтеза гетерогенной системы обработки информации в МПАЦ СНК первоначально формулируется как многокритериальная задача. Интегральный критерий зависит от трех критериев и имеет вид:
opt, (4)
где Sкр - площадь, занимаемая на кристалле МПАЦ СНК; KFP – критерий функциональной полноты функциональных блоков, используемых в гетерогенной системе; KFZ - критерий функциональной замкнутости в соответствии с определением 6.
В работе приводится методология для поиска альтернативных гетерогенных вариантов реализации различных подсистем АЦУ и МПАЦ СНК с последующей их оценкой по выбранному критерию с целью отбора наилучшего (по критерию) варианта. Для решения задачи синтеза фрагментов на основе классических систем преобразуем задачу (4) в однокритериальную задачу, выбирая в качестве главного критерия площадь Sкр и переводя в ограничения KFP и KFZ. Критерий Sкр площади представим в виде:
, (5)
где 
- площадь j - й зоны с переменной структурой; 
- число таких зон; 
- площадь n-й зоны с фиксированной структурой.
Тогда задача синтеза структур гетерогенных подсистем МПАЦ СНК сводится к задаче минимизации площади, занимаемой ими на кристалле, с соответствующими ограничениями.
Зададим бинарные переменные для целевой функции:
и 
(6)
где xji=
и yim = 
где Ij - индексное множество ФБ, входящих в 
; Mi - индексное множество компонентов из TK, принадлежащих i- му ФБ из структуры 
.
Тогда необходимо найти векторы X* и Y*, минимизирующие целевую функцию Sкр :
(7)
где 
- площадь, занимаемая на кристалле компонентом 
; 
- технологические параметры, 
- параметр, задающий величину площади для tm.
Предложенный алгоритм (рис. 4) позволяет решать как задачу разработки структуры МПАЦ СНК, так и модификации различных фрагментов на основе классических замкнутых схем. В диссертационной работе предложен ряд ограничений для целевой функции.
Рисунок 4 – Алгоритм синтеза гетерогенных систем с решением
задачи минимизации пощади кристалла.
В третьей главе показано, что благодаря более широкому выбору, предоставляемому множеством гетерогенных функциональных блоков, становится возможным с теоретической точки зрения подбор таких компонентов для реализации нужных функций, которые, во-первых, отвечают критериям функциональной полноты и функциональной замкнутости, во-вторых - могут иметь более простые и более компактные решения в микроэлектронном исполнении в сравнении с решениями на основе классических схем. Комбинируя соответствующие гетерогенные ФБ в нужном порядке и в соответствии с теоретическими положениями, сформулированными в данной главе, можно обеспечить полноценную реализацию требуемых функций в соответствии с какими-либо важными критериями, например - с меньшими аппаратными затратами (в том числе по занимаемой площади кристалла) и с большей эффективностью, чем это позволяет сделать классический метод, ориентированный в основном на гомогенные схемы.
Для оценки работоспособности и эффективности предложенных в диссертации теоретических основ анализа и синтеза гетерогенных схем для МПАЦ СНК выбрана одна из наиболее актуальных задач - задача синтеза схем коррекции смещения нуля непрерывных ДОУ, по своей эффективности (фактически - по сложности реализации) сопоставимая со сложностью других гетерогенных схем, используемых в МПАЦ СНК, например, с ДОУ на переключаемых конденсаторах (ПК). Использование классических методов коррекции смещения нуля непрерывных ДОУ на основе ЦАП типа код-напряжение приводит к значительному увеличению сложности всей схемы, а именно - к увеличению площади кристалла, отводимой для подсистем коррекции, что в итоге приводит к уменьшению функциональной насыщенности самих МПАЦ СНК - то есть к уменьшению потенциальных областей их применения.
В четвертой главе в соответствии с предложенным выше методом рассмотрены два возможных варианта реализации схемы коррекции напряжения смещения нуля для непрерывных ДОУ, работающих в двух режимах: инвертирующем и неинвертирующем.
Альтернативные варианты, полученные в соответствии с предложенной методологией по алгоритму рис. 5, дают примерно в 7-9 раз меньшую площадь (и соответственно – меньшую сложность и более высокую надёжность) схем коррекции при использовании токовых ЦАП (на основе токовых зеркал) и более простых компараторов с автонулением, включая схемы из 2-х, 3-х недифференциальных усилительных каскадов.
Расчет моделей схем в диссертационной работе проводился в свободно-распространяемой программе Orcad PSPISE Student 9.
Приведенные результаты экспериментов показали, что:
1. Корректирующее сопротивление конвертора rк для гетерогенных схем коррекции нуля непрерывных ДОУ может быть одинаковым для различных напряжений питания в диапазоне 3В…6В, который является типовым диапазоном напряжений питания современных МПАЦ СНК.
2. Собственное смещение нуля компаратора на ПК, используемого для выбора знака выходного тока корректирующего ЦАП и определения кода коррекции, вследствие наличия режима автонуления не влияет на работу схемы.
3. Коэффициенты усиления схем с учетом выбранных сопротивлений соответствуют теоретическим формулам расчета данных коэффициентов. Выходные напряжения полностью прогнозируемы с учетом настроенного коэффициента усиления и скорректированного Есм0 непрерывного ДОУ.
Заключение
В работе получены основные результаты:
- Доказаны утверждения, формирующие принципы построения гетерогенных систем из ФБ, позволяющие получать наиболее эффективные решения по критериям функциональной полноты и функциональной замкнутости с использованием принципов общей формальной технологии.
- Предложен метод синтеза гетерогенных замкнутых электронных подсистем, отличающийся использованием положений теории гетерогенных систем и позволяющий выбирать по критериям функциональной полноты и функциональной замкнутости наиболее эффективные архитектурные решения. Метод объединяет в себе важные теоретические положения диссертационной работы.
- Разработана методология поиска альтернативных гетерогенных системотехнических решений для замены существующих, отличающаяся решением задачи минимизации площади, занимаемой подсистемой на кристалле, что позволяет получать новые более эффективные гетерогенные решения, апробированные на ряде часто используемых в АЦУ и МПАЦ СНК функциональных блоках.
- Показана эффективность предложенного решения на основе выбранного интегрального критерия оценки, проведена математическая оценка полученных результатов в сравнении с классическими вариантами решения.
- Показано, что потенциал гетерогенных ФБ различных типов имеет хорошие перспективы для создания новых электрических компонентов и схем.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
Публикации в изданиях из перечня ВАК:
1. Сараев М.В. Синтез конфигурируемых блоков для аналого-цифровых систем на кристалле с использованием гетерогенных функциональных компонентов. [Текст]/ С.М. Крылов, М.В. Сараев//Вестник Самарского государственного технического университета, Серия технические науки. №2 (20), 2007.
2. Сараев М.В. Синтез многофункциональных гетерогенных информационно-измерительных систем на основе программируемых аналого-цифровых микроконтроллеров. [Текст]/ А.В.Капитонов, С.М.Крылов, А.С.Крылова, Д.В. Лавров, М.В.Сараев, В.Н. Толчев// Вестник Самарского государственного технического университета, Серия технические науки. №1, 2008, с. 73-78.
3. Сараев М.В. Разработка гетерогенных схем для аналого-цифровых систем на кристалле [Текст]/С.М. Крылов, М.В. Сараев, Е.Н. Гребенщиков//Известия Самарского научного центра Российской академии наук, Том 11(27) № 5(2), 2009. Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, с. 399-403.
4. Сараев М.В. Синтез стробоскопических алгоритмов для многофункциональных гетерогенных информационно-измерительных систем [Текст]/ С.М.Крылов, Д.В.Лавров, М.В.Сараев.//- Вестник Самарского государственного технического университета, Серия технические науки. № 3(25), 2009, с. 82-87.
Публикации в других изданиях:
5. Сараев М.В. Анализ потенциала гетерогенных функциональных блоков с гетерогенными входами для многофункциональных программируемых аналого-цифровых систем на кристалле [Текст]/ Крылов С.М., Гребенщиков Е.Н., Сараев М.В.// Компьютерные технологии в науке, практике и образовании, труды десятой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции 17 ноября 2011 г. Самара: СамГТУ 2011, с. 240-242.
6. Сараев М.В. Введение в общую теорию систем и системный анализ. Учебн. пособ. для студентов старших курсов, учащихся магистратуры и аспирантов специальности 05.13.01. [Текст]/ В.П. Золотов, С.М. Крылов, М.В. Сараев// Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2009.-43 с.7.
7. Сараев М.В. Обработка сигналов гетерогенных функциональных блоков вычислительной системы [Текст]/М.В. Сараев//Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов, труды Международной научно-технической конференции 28-29 октября 2009 г. Минск, 2009г., с. 38-40.
8. Сараев М.В. Преобразование данных внутри вычислительной системы с гетерогенными компонентами [Текст] /М.В. Сараев// Компьютерные технологии в науке, практике и образовании, труды восьмой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции 18 ноября 2009 г. Самара: СамГТУ 2009, с. 46-49.
9. Сараев М.В. Функциональная полнота вычислительной системы [Текст]/ С.М. Крылов, М.В. Сараев //Компьютерные технологии в науке, практике и образовании, труды седьмой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции 20 ноября 2008 г. Самара: СамГТУ, 2008, с. 194-197.
10. Сараев М.В. Применение токовых зеркал при проектировании электронных схем [Текст] / М.В. Сараев//Компьютерные технологии в науке, практике и образовании, труды седьмой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции 20 ноября 2008 г. Самара: СамГТУ, 2008, с. 192-194.
11. Сараев М.В. Разработка программного обеспечения для электронной лаборатории [Текст]/ М.В. Сараев, В.И. Постников, В.Ю. Теленков. // Компьютерные технологии в науке, практике и образовании, труды шестой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции 16 ноября 2007 г. Самара: СамГТУ, 2007, с.211-214.
12. Сараев М.В. Проектирование системы удаленного доступа к реальной электронной лаборатории [Текст]/ С.М.Крылов, М.В. Сараев, В.Н. Толчев// Компьютерные технологии в науке, практике и образовании, труды шестой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции 16 ноября 2007 г. Самара: СамГТУ, 2007, с. 217-220.
13. Сараев М.В. Разработка дистанционного лабораторного стенда [Текст]/М.В. Сараев, В.И. Постников, В.Н. Толчев//XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 26-30 марта 2007 г. Труды в 3-х т. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007 — Т. 2., с. 419-421.
14. Сараев М.В. Реализация лабораторий с дистанционным доступом в UNIX-подобной операционной среде [Текст]/ С.М. Крылов, М.В. Сараев//Компьютерные технологии в науке, практике и образовании, труды пятой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции 16 ноября 2006 г. Самара: СамГТУ, 2006, с. 34-36.
15. Сараев М.В. Система удаленного доступа к испытательному стенду [Текст]/М.В. Сараев, А.И. Шерстобитов//Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, тезисы докладов одиннадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов 1-2 марта 2005 г. В 3-х т. - М.: МЭИ, 2005.Т.1. с.390-391.
16. Сараев М.В. Современные вычислительные системы на базе ПЛИС и задачи подготовки высококвалифицированных кадров [Текст]/М.В. Сараев// Компьютерное моделирование 2005: Труды VI Международной научно-технической конференции. Спб.: Изд-во Политехнического университета, 2005. с.665-667.
___________________________________________________
Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного
совета Д212.217.03 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет
Протокол № 2 от 6 марта 2012 г.
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная.
Отпечатано на ризографе.
Объем 1,2 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 197
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Самарский государственный технический университет»
Отдел типографии и оперативной полиграфии
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус №8
