Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Евреинов Э.В. Цифровые автоматы с настраиваемой структурой (однородные среды)

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

8.98 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 / 2414 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

В линейной среде можно реализовать заданную систему подста

новок. А именно, если в последовательности состоянии			автоматов
цепочки в некоторый момент времени i появляются			вхождения
левых	частей подстановок из	заданной системы, то в момент вре
мени	(/+1) последовательность	состоянии, определенная	функциями

переходов авимптов, образующих цепочку, содержит вхождения соответствующих правых частей подстановок заданной системы.

Возможность реализовать системы подстановок в линейной среде свидетельствует о принципиальной возможности построения в ней алгоритмически полного языка.

Таким образом, в этом случае решение задач может быть све

дено к непосредственному отображению	соответствующего	алгоритма
в среду, минуя построение автомата и	реализацию его в	среде.

На практике могут возникнуть случаи, когда метод решения уточняется в процессе решения задачи, т. е. появляется необходи мость в изменении метода в процессе решения задачи.

Одним нз возможных подходов в этом случае является мнкроструктурное моделирование. Как и в аналоговой технике, здесь для каждой задачи составляется структурная схема ее решения. Струк турная схема отображается в однородную среду с помощью полу автоматической системы проектирования. В этой системе структурная модель в среде набирается из стандартных частей, которые соеди няются между собой в соответствии со структурной схемой реше ния. Процесс построения структурной модели реализуется операто

ром, управляющим системой проектирования с помощью	стандарт
ных процедур, описывающих элементы структурной модели	и прави
ла их соединения друг с другом.

Г Л А В А П Я Т А Я

В О П Р О СЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЯ ОДНОРОДНЫ Х СРЕД

5-1. О С О Б Е Н Н О С Т И П О С Т Р О Е Н И Я О С
В	автоматах с	фиксированной	структурой,	особенно
при	использовании	дискретных	компонентов,	жестких

ограничений на длину канало в связи межд у элементами не накладывается, т. е. допускается отождествление полюсов элементов, расположенных друг от друга дос

таточно далеко .			Н е налагаютс я т а к ж е		жесткие ограни
чения	на	число	входных	полюсов,	отождествляемых
с выходным		полюсом данного элемента . Это обстоятель
ство	отражае т особенности			существующих вычислитель

ных машин и автоматов, у которых число элементов сравнительно невелико, а длина каналов связи может меняться в широких пределах и практически мало влия-

130

ёт на сложность и стоимость устройства в целом, опре

деляемых

основном

функциональными

элементами .

Обычно

различают

три

типа

функциональных

элемен

тов: логические, формирующие

и запоминающие,

кото

рые отличаются 'как по конструкции,

так

по

сложно

сти и стоимости. С использованием

новых

физических

явлений

технологии микроминиатюризации

оказалось,

что грань между различными типами

функциональных

элементов

(логическими,

ф о р м и р у ю щ и м и

запоминаю

щими)

стирается.

Эти

элементы

становятся

близкими

по

сложности и

их выгодно делать на одной

и той ж е

основе. В

качест

ве примеров можно

указать

на

использование д л я

пост

роения

автоматов

крнотронов

или

М Д П - т р а н з и с т о р о в ,

где все

функциональные

элементы

строятся

на

основе

одного

и того

ж е

элемента

(криотрона

или

М Д П - т р а н -

зистора) .

П р и

уменьшении

размеров

элементов

резко

возрастает р о л ь соединений между элементами . Рас смотрение сложившихся направлений в области микро миниатюризации показывает, что на изготовление сое динений между элементами требуется не меньше техно логических операций, чем на изготовление функциональ

ных	элементов. Если ж е	учесть	соединительные к а н а л ы
между далеко р а с п о л о ж е н н ы м и			элементами,	то затраты
на	к а ж д ы й такой канал	будут	превышать	затраты на

элементы, которые он соединяет. Если принять во вни

мание,

что

связи з а н и м а ю т

больший

объем,

чем

элемен

ты, то

фактически структура

микроминиатюрных

схем

определяется связями . Особенно заметна

в о з р а с т а ю щ а я

роль соединений при построении сложных

автоматов.

Обычный способ р е а л и з а ц и и

при

котором

автомат

пред

ставляется

виде совокупности

стандартных

модулей,

расположенных на п л а т а х с нанесенным

многослойным

печатным

монтажом,

содержит

большие

трудности и

приводит

значительным

з а т р а т а м . К а к

показывает

практика,

стоимость

стандартного

модуля

мало

меняет

ся при изменении в довольно широких пределах

числа

элементов в нем и в основном определяется

стоимостью

корпуса модуля. Стоимость

платы

т а к ж е

оказывается

значительной. Часто стоимость платы превышает стои мость модулей, размещенных на этой плате. Все это при

водит к тому, что возникает	необходимость разместить
как можно большую схему	в пределах одного модуля
с возможно меньшим числом выводов.
9*	131


П ри размещении большой схемы							в одном		модуле
возникает		трудная		з а д а ч а , связанная с			расчетами		пара
метров этой схемы,				с учетом		особенностей		физических
явлений, а		т а к ж е		топологии		схемы.	По	мере	.роста
сложности схемы эти трудности резко							возрастают. Не
менее	сложной		является		з а д а ч а построения			многослой
ного	печатного		монтажа .		Указанные		выше	трудности
построения		автоматов с фиксированной					структурой с уче

том технологии микроминиатюризации в известной мере

обусловливают	появление однородных сред.			Основная
цель, которая	преследуется	при	р а з р а б о т к е	О С , — это
построение универсальных		гибких	структур,	легко при

спосабливаемых к особенностям решаемых задач в соче

тании	с минимальными	требованиями к	технологии	их
массового производства.
В	связи с этим структура элементов		ОС, а т а к ж е и
ОС в	целом отличается	высокой однородностью.		Все

элементы одинаковы и однотипно соединены друг с дру

гом. Элементы ОС	отличаются		от других		известных
элементов своей	простотой.	В	отличие	от	известных
ранее элементов в	элементах	ОС реализуются			соедини
тельные функции,	т. е. всевозможные			отождествления

полюсов друг с другом. Таким образом, в элементах ОС впервые функциям соединения придано такое ж е значе ние, что и автоматным функциям . Следующей в а ж н о й осо бенностью построения элемента является его многофунк циональность: в элементе реализуется набор функций, удовлетворяющий требованию автоматной и соединитель ной полноты. Переход от реализации одной функции в элементе к реализации другой функции осуществляется путем коммутации связей м е ж д у логическими вентиля ми с помощью программной настройки. В простейшем случае коммутация м е ж д у д в у м я полюсами осуществля ется с помощью трикона — триггерного контакта. Трикон выполняет ф у н к ц и ю управляемого контакта, соединяю

щего полюсы	двухполюсника.	Контакт		сохраняет свое
состояние до	прихода сигнала	о его изменении. Наличие
в элементах	ОС у п р а в л я е м ы х	связей	между логически
ми вентилями	является второй в а ж н о		й	особенностью их

построения. Требование простоты структуры элемента связано с реализацией принципа близкодействия, соглас но которому непосредственно соединяются и воздейст вуют друг на друга только соседние элементы . Сочета ние в одном элементе автоматных, соединительных и

132

настроечных функций

позволяет

реализовать

любую

схему

структуре,

полученной

многократным

повторе

нием

одного

и того

ж е

элемента с

однотипными

связя

ми со

своими

соседями. В

элементах ОС

однородность

достигает

своего

предела:

не

только

функциональные

элементы

строятся из одного и того

ж е

типа компонент,

но и

соединительные

настроечные. Это

позволяет су

щественно упростить

з а д а ч у

размещения

большой1

схемы

в одном

модуле.

Она

фактически

заменяется

задачей

представления этой схемы в виде совокупности опреде

ленным	образом	настроенных	элементов.	При	этом
в силу	простоты	элемента ОС	р а з м е щ е н и е	схемы	и ее

расчет существенно упрощаются . Существенно упроща

ется т а к ж е		з а д а ч а	построения	многослойного	печатного
м о н т а ж а .	В	некоторых типах		ОС б л а г о д а р я	простому
способу	соединения		только соседних элементов может

быть использован однослойный печатный монтаж с до вольно простым рисунком соединений.

Б л а г о д а р я возможности настройки элементов на вы полнение различных функций соединения между элемен тами при р е а л и з а ц и и в ОС различных автоматов и вы

числительных машин остаются			неизменными. Это		позво
л я е т не делать элементы	ОС	в	виде	отдельных модулей
с выводами . Фактически	ОС		можно	представить	себе
как один «распределенный»		элемент,		в котором	соеди

нения м е ж д у компонентами наносятся в едином техноло


гическом	процессе. Д л я автомата в				целом можно пред
усмотреть	выводы, необходимые д л я				приема и передачи
о бр а б атыв а ем ой информации .
Таким	образом, з а д а ч а		построения			ОС сводится к по
строению	одного элемента		(довольно		простого по. струк
туре) и к	последующему его			многократному повторению
в едином	технологическом		процессе. В			зависимости	от
назначения ОС		существуют		различные		подходы к выбо
ру структуры		элемента.	В	случае	универсальных		ОС

элементы выбираются наиболее простыми, с минималь ным полным набором функций, так как сложность реа лизации любого автомата асимптотически не зависит от

сложности элемента . В случае		специализированных О С
выбор	элемента определяется	из а н а л и з а круга р е ш а
емых	задач .

Практически элемент может быть выбран с достаточ но сложной структурой. Следует заметить, что при фи зической реализации элементов появляется ряд упроща-

133

ю щ их	обстоятельств:	к а ж д ы й	выход элемента подсоеди
нен к	постоянному	числу входов других элементов.
Входные и выходные		полюсы	элементов расположены

симметрично, элементы содержат относительно неболь

шое число компонент, к а ж д ы й элемент	потребляет	оди
наковую мощность.
Б л а г о д а р я этим особенностям ОС	представляет	со

бой физически однородную структуру с равномерным распределением выделяемого тепла, р а в н о м е р н ы м рас пределением помех по всей структуре ОС .

Проектирование, расчет и конструирование ОС прак тически сводятся к проектированию и расчету элемента.

Проектирование, расчет и конструирование элемента состоят из нескольких этапов. На первом этапе создает ся принципиальная схема элемента. Поскольку элемент

представляет собой довольно простой		конечный	автомат,
то его логическая схема может быть		построена	извест
ными методами синтеза	автоматов .	Д а л е е , используя
особенности физической	реализации,	можно предложить

несколько вариантов принципиальных схем на основе обычных приемов, хорошо р а з р а б о т а н н ы х в дискретной технике.


Н а	втором		этапе	производится			расчет		принципиаль
ной схемы, исходя из условий ее работы,									а т а к ж е с уче
том разброса			параметров			компонент, получаемых .в					ре
зультате		технологического				процесса.
Этот		этап	т а к ж е	достаточно хорошо				разработан			как
д л я обычных			элементов,		так и д л я		элементов			ОС .
Н а	третьем э т а п е			д л я		рассчитанной		принципиальной
схемы	составляется			топологическая			схема		д л я	последу
ющего	изготовления			ее	в	выбранном		технологическом
процессе.
Поскольку			элемент ОС			по своей	сложности			не	пре

вышает известные элементы дискретной техники, выпус


каемые промышленностью,					то	можно	сказать,			что	д л я
проектирования,				расчета,	конструирования				элементов
ОС могут 'быть использованы методы,							принятые на прак
тике д л я		конструирования			обычных		элементов.			Вместе
с	тем, у ч и т ы в а я - в о з м о ж н о с т ь					реализации		большого чис
л а	вариантов,		из-за р а з н о о б р а з и я используемых							физиче
ских явлений,			а	т а к ж е в зависимости			от	областей			при
менения целесообразно ставить з а д а ч у								о	разработке
системы		автоматического			сквозного		проектирования,
конструирования,				изготовления		элементов		ОС .

134

5-2. П Р О Е К Т И Р О В А Н И Е И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е Э Л Е М Е Н Т О В О С

П р и проектировании элементов ОС, как и любых других элементов дискретной техники, необходимо удов

летворить многие требования. Д л я		удобства		эти требо
вания удобно р а з д е л и т ь на	три	группы:	1)	функцио
нальные требования к схеме	элемента; 2)		физико-техно

логические требования; 3) экономико-технологические требования .


	Среди этих				групп требований наиболее специфичны
ми д л я ОС являются (функциональные требования											к схе
ме элемента . В					зависимости от назначения				ОС	(универ
сальные		или		специализированные)			возникают			различ
ные	требования				к функциональной		схеме			элемента .
И с х о д я		из	круга р е ш а е м ы х на ОС задач						формируются
требования			к	э л е м е н т а м :		определяется		тип структуры
элемента, набор					автоматных и соединительных					функций,
тип	настройки				элемента.	Функциональные			требования
д о л ж н ы		быть		в	достаточной мере полны,			чтобы			на их

основе можно было синтезировать логическую схему эле мента ОС . Группа физико-технологических требований включает в себя требования к быстродействию элемен та, определяемого либо тактовой частотой, либо време


нем з а д е р ж к и сигнала при			прохождении		через		элемент,
к надежности	элемента,		к потребляемой			мощности.
Сюда ж е относятся		требования к уровням					сигналов,
источникам питания и т. д.
Физико-технологические требования являются обыч
ными требованиями, принятыми в практике						проектиро
вания дискретных элементов. В случае ОС						благодаря
реализации принципа		параллельности		требования к бы
стродействию .могут быть резко .снижены,					что		одновре
менно позволяет	снизить требования			к	потребляемой

мощности как в сторону увеличения, так и в сторону ее уменьшения. Одновременно благодаря возможности использования медленно действующих активных элемен


тов и	реализации		принципа		переменности		'структуры
могут быть снижены требования и к надежности								элемен
тов. Т а к и м		образом,		в случае ОС		физико-технологиче
ские требования			становятся		менее	критичными.		Б л а г о
д а р я расширению			диапазона		допустимых значений бы
стродействия, надежности,					потребляемой		мощности
можно	использовать			самые	разнообразные		физические
явления, применение				которых д л я		обычных	дискретных
элементов		может	оказаться		нецелесообразным.

135

Д л я элементов ОС экономико-технологические тре бования являются определяющими . В с в я з и с большой избыточностью при реализации логических схем авто матов и вычислительных машин в ОС основными требо

ваниями	к элементам		я в л я ю т с я	их	технологичность и
м а л а я стоимость.		С	переходом	к	микроминиатюрным
схемам	меняются	привычные представления об оценке

сложности схем. Если в обычных 'Схемах их сложность


оценивается числом активных		компонентов (или	в	край
нем случае с у м м а р н ы м числом компонентов) без				учета
соединений м е ж д у ними, то в		микроминиатюрных		схе
мах приходится вводить новые оценки сложности.				К а к
известно,	у ж е д л я выпускаемых интегральных		схем их
стоимость	слабо зависит от числа активных компонент,

аопределяется в основном р а з м е р а м и используемых

кристаллов, числом выводов, стоимостью корпуса и т. д. При непрерывном технологическом процессе изготовле

ния	ОС отпадает необходимость в			отдельных	выводах
и в	отдельном	корпусе	д л я к а ж д о г о	элемента.	Поэтому
на	стоимость	элемента	будут влиять	размеры	площади,

занимаемой элементом, конфигурация схемы элемента,

число слоев,		необходимых д л я			реализации		элемента .
Д л я	оценки	сложности элемента			ОС можно ввести сле
дующий критерий			сложности	q0.	Пусть	площадь,		зани
м а е м а я элементом			ОС, будет	5;	число	слоев, необходи
мых	д л я реализации элементов, п; /,• — сложность							рисун
ка, нанесенного в г-м слое'; г,- — сложность							межслойных
соединений для i-ro			слоя.
Т о г д а критерий			сложности	элемента		qB	будет	опре
деляться ф о р м у л о й :
			п
			1=1
где	а — некоторый		коэффициент,		учитывающий			слож

ность реализации соединения м е ж д у слоями по отноше

нию	к сложности реализации	рисунка в	слое.
В	свою очередь сложность	рисунка	в слое может

определяться общей длиной линий рисунка либо числом

других	каких-либо геометрических ф и г у р ,	выделяемых
в рисунке в качестве стандартных .
Сложность соединения м е ж д у слоями		может	оцени
ваться	о б щ и м числом соединений м е ж д у	слоями.	Оче
видно,	что при удовлетворении заданных	функциональ

ных требований и при использовании одного и того ж е

136

техблогического процесса и одинаковой площади зле^ мента 5, те элементы ОС, будут предпочтительнее, д л я которых значение критерия сложности qa будет наимень шим.

Переход .к ОС приводит к тому, что существенно рас ширяется область применения различных физических

явлений

и. технологических

способов

производства эле

ментов,

поскольку

существенно снижаются

физико-тех

нологические требования и един

ственным

критерием

становится

стоимость

элементов.

Поиски элементов с мини

мальной

стоимостью

представля

ют

собой

с л о ж н у ю задачу,

так

•как

разнообразию

физических

явлений и технологических спо

собов

добавляется

существова

ние

огромного

числа

вариантов

логической

схемы,

удовлетво

ряющих

з а д а н н ы м функциональ

ным требованиям . Сейчас, к сожа

лению, не найдена п р я м а я

зависи

•

мость м е ж д у сложностью реали

зации

выбранным

в а р и а н т а м

логической

схемы

элемента .

Д л я

Рис.

5-1.

Структурная

к а ж д о г о

варианта

логической схе

мы

существует

огромное

число

схема

элемента ОС.

возможных

вариантов рисунков

схемы,

д а ж е д л я

заданного

технологического способа и

выбранного физического явления . Поэтому в дальней шем в данном п а р а г р а ф е будут рассмотрены основные

подходы к	построению		логической	схемы	элемента		без
перехода к его практической реализации . В тех						ж е	при
мерах, где	приводятся		реальные	схемы,	будет	предпо
лагаться,	что	д л я их	получения	используются		М Д П -
транзисторы		или криотроны и соответствующая				техноло

гия производства микроминиатюрных схем. Структур ную схему элемента ОС можно представить в следую щем виде (рис. 5-1).

Схема управления настройкой (1) используется д л я приема и выдачи настроечной информации в настроеч

ную память (2), а т а к ж е			д л я	передачи транзитом наст
роечной	информации	к другим		элементам .	В о з м о ж н ы е
варианты	построения	схем	настройки были		рассмотрены

137


ранее.	В	настроечной		памяти		хранится		информация
о состоянии			функционально-соединительного						элемента
(4)	(типе		реализуемой данным				элементом		функ
ции),	а	т а к ж е о- направлении				передачи		информации
д л я соседних			элементов	случае		реализации		переменной
структуры		настройки. В		схеме	управления функциональ
но-соединительным элементом					(3)		(в соответствии с ин

ф о р м а ц и е й в памяти настройки) осуществляется выбор

типа реализуемой	функции	из заданного полного авто-
_ U		Тр	,
"	= l h	та
"	= l h	T

i—

=1H

Рис. 5-2. Схема трикона.

матно-соединительного набора. В функционально-соеди нительном элементе реализуется в соответствии со схе

мой	управления требуемая функция (соединительная
или	а в т о м а т н а я ) .

О б щ и м подходом при проектировании и конструиро вании элемента ОС является стремление к многофунк циональности, т. е. попытка совместить как можно боль

ше функций	в одном и том ж е	физическом	приборе.
В частности, стремятся совместить функции			управления
настройкой,	настроечной памяти,	управления	функцио

нально-соединительным элементом и реализации про

стейших функций		соединений	в одном			физическом			при
б о р е — т р и к о н е		(Тр).
Логическая	схема трикона		может		быть		представлена
в следующем виде (рис. 5-2).
В триконе	Тр	с помощью	триггера			Тг	осуществляет
ся управление	двусторонней		проводимостью м е ж д у							по
л ю с а м и х н у .	Выбор состояния			проводимости				или		не
проводимости	м е ж д у полюсами х			и	у	осуществляется
соответствующим		переключением		состояния				триггера
с помощью подачи сигналов			настройки			по	шинам		vy,	v-i
и щ.

138

Рис. 5-3. Обобщенная функциональная схема элемента ОС.

О б о б щ е н н а я логическая схема

элемента

ОС,

состоя

щ а я

из

триконов и

функциональных элементов, пред

ставлена на рис. 5-3.

этой

схеме

реализуется

универсальная,

обладаю

щая

функциональной

полнотой,

логическая

функция

F = xl\/x„

(стрелка

Пирса)

полный

набор

симметри

ческих ( о б л а д а ю щ и х

двусторонней

проводимостью)

сое

динительных функций Р, D и 0. Пусть состоянию про

водимости трикона соответствует обозначение Wi, а

непроводимости — Wj.

Тогда

при

н_аборе

состояний

WtWzWsWb

W1W2W3W1,

WiW2W3Wi,

WtWzWaWi

реали

зуются

функции

Р,

D, О, F

соответственно

(рис. 5-3).

Н а с т р о й к а

состояний

триконов

осуществляется

по

мощью

координатных

шин v\, v2,

v3, vif

u5 ,

t>6.

Таким

образом,

при условии

наличия

р а з р а б о т а н н ы х

физиче

ских

приборов

(триконов)

схема

элемента

ОС

может

быть

составлена

всего

лишь из пяти

компонент. Достоин

ством

приведенной схемы

является то, что впей функцио

нальный элемент не совмещен с соединительными.

Это

позволяет

применять

дл я

реализации

соединительных

функций пассивные элементы (например, релейные кон такты) и тем самым передавать сигналы м е ж д у полюса ми схемы 'Практически без з а д е р ж е к .

139

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 / 2414 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ