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 67 / 247 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

соединении. Отображение			графов в	виде	структурной
схемы в ОС дает новые возможности для					решения	раз
личных	задач	цифрового	моделирования,		распознавания
образов	и др.	Б л а г о д а р я	возможности	построения		кана

лов связи, соответствующих дугам графа между верши нами, и передачи сигналов по этим к а н а л а м в ряде слу чаев можно реализовать эффективные алгоритмы реше ния сложных задач . Одним из проявлений гибкости является программное изменение структуры ОС до ре шения пли во время решения задачи .

Программное изменение структуры помимо возможно сти расширения области применения ОС, например д л я создания самоорганизующихся систем, позволяет т а к ж е влиять па технологию производства ОС . В частности, при создании ОС может допускаться существенный процент


появления	негодных элементов,				которые затем		исключа
ются из структуры		путем	обхода неисправных				элементов
с помощью	программной		настройки.
3-2. П Р О И З В О Д И Т Е Л Ь Н О С Т Ь О Д Н О Р О Д Н Ы Х С Р Е Д
Д л я обычных		устройств		существуют ограничения по
быстродействию в		связи	с	конечной		скоростью распро
странения	сигналов в к а н а л а х				связи	между элементами,
которая не	может	превышать			скорость света. Д л я одно

родных сред благодаря возможности параллельного вы полнения операций ограничения по быстродействию свя заны лишь с квантовым барьером.

Современные вычислительные машины в значитель ной мере приблизились к теоретическому пределу бы стродействия д л я машин с последовательным выполнени ем операций. Одним из в а ж н ы х достоинств ОС является возможность существенного повышения производитель ности по сравнению с обычными автоматами, поскольку теоретический предел повышения быстродействия нахо дится д а л е к о и не препятствует резкому увеличению про изводительности за счет параллельного выполнения опе раций.

В обычных устройствах основным средством повыше

ния производительности является увеличение	тактовой
частоты элементов. П р а в д а , существует т а к ж е	возмож

ность увеличения производительности за счет использова ния более эффективных алгоритмов, основанных на ис пользовании больших объемов памяти. Будем предпола-

гать, что при рассмотрении производительности имеется возможность использования сколь угодно больших объе

мов памяти. На производительность влияют				т а к ж е	ско
рость ввода и вывода данных,		надежность		устройства,
удобство	эксплуатации и т. д.
При рассмотрении производительности ОС и сравне
нии ее с	производительностью	обычных	устройств		огра
ничимся	двумя ф а к т о р а м и , влияющими		на	производи

тельность: тактовой частотой элементов и объемом па мяти. Что ж е касается остальных параметров, их доля в оценке производительности значительно меньше по сравнению с 'выделенными параметрами . В этих усло виях производительность обычного универсального про граммного автомата Vy.n.a определяется тактовой часто той элементов v-y.

			Vy.„.a = aiva,
где а\ — коэффициент			пропорциональности.
	Производительность		автомата		V0.c,	реализованного
в	ОС, пропорциональна тактовой				частоте		элементов У Э
и	числу параллельных		ветвей Я		или числу		элементов N
в	автомате,	обеспечивающем		распараллеливание вычис
лений:
		Ко.с = а2 £>э # = Cl'lVvN,
где а2 и а'о — коэффициенты				пропорциональности.
	Использование в обоих			типах	автоматов элементов
с. однаковой		тактовой	частотой		о т р а ж а е т современное

состояние 'физико-технологической базы, когда отсутст вуют быстродействующие элементы, применение которых приблизило-бы к световому барьеру.

Из сравнения произволительностей видно, что при использовании существующих элементов и достигнутом уровне микроминиатюризации можно создавать ОС с производительностью, значительно превышающей про изводительность обычных устройств.

В том ж е случае, когда будут р а з р а б о т а н ы элементы с тактовой частотой и такими их размерами, что можно создавать обычные универсальные машины с производи тельностью, близкой к предельной дл я последовательных машин, в ОС можно получить эту производительность или

д а ж е существенно		превысить	ее, применяя	элементы
с меньшей	тактовой	частотой,	но используя	большее их
число. Ка к	известно,	снижение	тактовой частоты позво

ляет увеличить габарит ОС при одновременном соблюде-

нии ограничении	по скорости распространения	сигналов
в к а н а л а х связи	м е ж д у элементами .
В приведенных формулах производительности			не от
р а ж а е т с я одна в а ж н а я особенность ОС. Если		в	универ

сальных программных автоматах набор операций зада

ется постоянным,	то в ОС этот набор может меняться
в зависимости от	решаемой задачи . Это означает, что

универсальный программный автомат для эффективного


решения		любой	задачи требует		увеличения		быстродейст
вия	реализации		операций, характерных			для	данной за
дачи,	с	помощью универсального набора . В ОС таких
потерь		быстродействия не происходит, поскольку д л я
к а ж д о й		задачи задается свой набор операций и пет не
обходимости в ы р а ж а т ь				к а ж д у ю операцию			с	помощью
раз и навсегда			заданного универсального набора .
В а ж н о й особенностью				ОС,	которая	т а к ж е		не отра
ж е н а	в	приведенной формуле			оценки	производительно

сти, является возможность представления решаемой за дачи структурной схемой, а не в виде программы, запи

санной на универсальном	алгоритмическом	языке, как
это делается в обычных	универсальных	программных

автоматах . П р и реализации структурной схемы в ОС информация от операции к операции передается непос редственно, без помощи оперативной памяти. Это позво

ляет	не тратить время	на команду	обращения	к памя
ти, а	т а к ж е время на	выполнение	ее. Таким	образом,
в ОС	имеется возможность достичь принципиально сколь
угодно большой производительности			и в отличие от уни
версальных программных автоматов			за счет структурно

го моделирования избежать потерь на непроизводитель ное выполнение операций универсального набора и

обращения к памяти	при реализации операций,	харак
терных д л я решения	данной задачи .
3-3. Н А Д Е Ж Н О С Т Ь И Ж И В У Ч Е С Т Ь О Д Н О Р О Д Н Ы Х С Р Е Д
Одним из в а ж н ы х	требований, предъявляемых	к уст

ройствам, является требование надежности. Особенно воз растают требования к надежности устройств при перехо


де к	микроэлектронным			схемам. Это		объясняется	тем,
что	с появлением такой			перспективной		физико-техноло
гической базы, как микроэлектроника, появилась							воз
можность		создавать	сложные системы с большим числом
элементов,		а т а к ж е	устройства хотя		и с небольшим		чис
лом	элементов, но без возможности				доступа к ним в		слу-

чае выхода элементов из строя, например устройства управления космическими аппаратами . Создание слож ных микроэлектронных систем с высокой плотностью упаковки элементов фактически исключает возможность ремонта, что в свою очередь предъявляет высокие тре бования к надежности элементов.

Следует отметить, что в самой микроэлектронике за ложены предпосылки для резкого повышения надежно

сти. М а л ы е размеры схем облегчают условия	для защи
ты от случайных воздействий. Меньшее число	соединений

разнородных материалов позволяет надеяться на умень шение количества выходов схем из строя за счет соеди нений. Более тесные связи между компонентами в схе мах при термическом, механическом, химическом и элект рическом взаимодействиях приводят к идентичным изме нениям характеристик различных компонент. Меньшее число операций в технологическом процессе изготовле ния микросхем, небольшое разнообразие материалов обу словливают более однородную продукцию. Все это приво дит к меньшей стоимости микросхем, а следовательно, к возможности использования резервирования для повы шения надежности.

Несмотря на принципиальные возможности повыше ния надежности микросхем, обеспечение надежности микроэлектронных схем является сложной комплексной

проблемой, которая	включает	в себя целый ряд	проблем
[Л. 3-5]. Одной из	в а ж н е й ш и х	проблем является	обеспе

чение внутрисхемных и внешнесхемных соединений. При


построении устройств необходимо соединять			компоненты
в микросхему, а затем соединять		микросхемы		в узлы,
блоки и	устройства. М а л ы е размеры контактов,			необхо
димость	применения многослойного	монтажа	исключают

возможность использования обычных способов соедине


ний. Сложность решения проблемы соединений		.связана
с противоречивостью требований уменьшения		размеров
соединений и увеличения их надежности.	Проведенные
оценки отказов для 'контактов внутри схемы	показывают,

что интенсивность отказа для одного внутреннего кон такта составляет А , = 5 - 1 0 - 1 0 отказ/ч. Е щ е большее влия ние на надежность микросхемы оказывают внешние кон такты при соединении микросхем в аппаратуре . В а ж н о е значение для обеспечения надежности микросхем имеет

разработка физической теории надежности,	включающей
в себя исследование физических причин,	вызывающих

отказы, создание физических моделей отказов, разработ ку методов ускоренных испытаний и прогнозирования

отказов.	В а ж н о с т ь		ускоренных	испытаний	микросхем
обусловлена тем,		что	обычные методы требуют больших
з а т р а т	времени	и	средств на	проведение	-испытаний.

Проведенные испытания полупроводниковых интеграль

ных схем показывают, что интенсивность отказов			схемы
из 15—30 и более компонентов соответствует		надежности
лучших	образцов обычных кремниевых транзисторов и
составляет А, = 0,7 • 10~7 отказ/ч.
Д л я	обеспечения надежности в а ж н у ю	роль	играет

тщательный контроль качества микросхем. Поскольку микросхемы, а тем более большие интегральные схемы являются довольно с л о ж н ы м и устройствами, необходимо применение автоматизированных методов измерения па раметров микроэлектронных схем с целью проверки год ности микросхем, диагностики неисправностей и прогно

зирования эксплуатационной надежности	схем.	Р а с
смотрим теперь вопросы обеспечения надежности		в свя
зи с особенностями построения ОС.
В обычных устройствах при использовании		микро
схем, особенно при переходе к большим'	интегральным
схемам, приходится сталкиваться с двумя	трудностями:

необходимостью увеличения внешних выводов и увели

чения числа слоев		печатного		монтажа как внутри схемы,
так и при	соединении		схем	в	устройство. К а к у ж е ука
зывалось	ранее,	это	приводит		к снижению надежности

и, следовательно, требуется применять специальные ме ры по обеспечению заданной надежности.

В однородных средах число внешних выводов может быть сделано небольшим и независимым от сложности устройства. При реализации непрерывного технологиче ского процесса изготовления ОС нет необходимости в из готовлении отдельных интегральных схем со своими вы


водами.		К а к	-известно,		в ОС	элементы соединяются			со
своими		соседями по		простой		схеме, не требующей		внеш
них	выводов		д л я соединений.			Н е менее в а ж н ы м		свойст
вом	О С	являются		простота		и регулярность структуры
элементов, а			т а к ж е	схемы их		соединений друг с другом.
Это позволяет применять д л я соединений							элементов		ОС
однослойный			монтаж,		а внутри элемента		ограничиться

двухслойным м о н т а ж о м . Высокая		однородность струк
туры элементов ОС и связей	между ними позволяет так
ж е обеспечить существенно	более	высокую надежность

б л а г о д а р я возможности существенного упрощения техно логического процесса.

Не менее важным обстоятельством, влияющим на увеличение надежности, является режим работы ОС. При работе ОС предполагается, что все элементы работают с тактовой частотой, не превышающей оптимально до пустимой по выделению мощности рассеяния. Благода ря возможности параллельной организации вычислитель ного процесса в ОС нет необходимости прибегать к при менению сверхбыстродействующих элементов. З а д а н н а я производительность достигается путем параллельной ра

боты многих элементов. При этом для ОС			характерно
равномерное рассеяние	мощности	по всей	структуре.
Б л а г о д а р я равномерности	нагрузки	каждого	из элемен

тов ОС создаются благоприятные условия для обеспече ния минимального и равномерно распределенного уров ня помех по всей структуре. Таким образом, с конструк

тивной стороны	ОС	предъявляет	минимум		требований
к обеспечению	высокой надежности			элементов		и	ОС
в целом по •сравнению с обычными			методами		реализации
устройств. В обычных устройствах			из-за фиксированной
структуры связей с выходом из строя				хотя	бы	одного
элемента становится		неисправным	все	устройство		в	це

лом. В этом случае приходится прибегать либо к ремон ту, что из-за малых размеров элементов и высокой плотности их упаковки затруднено, либо выбрасывать сменный блок или все устройство. В ОС выход из строя отдельных элементов не приводит к выходу из строя


устройства в целом, т а к как путем обхода		неисправного
элемента с помощью посылаемых извне	сигналов		удает
ся восстановить работу устройства, не	прибегая		к его
физическому ремонту. Таким образом,	в	ОС благодаря

программной настройке можно реализовать режим «жи вучести», когда выход из строя элементов приводит не к выходу из строя ОС в целом, а лишь к постепенному снижению ее возможностей. Кроме того, программная настройка позволяет существенно повысить надежность схем в ОС за счет реализации схем резервирования.

Переход к созданию ОС позволяет существенно упростить проблему контроля и диагностики неисправ ных элементов. В обычных устройствах по мере роста сложности растет и сложность тестов для контроля и обнаружения неисправных элементов. В ОС имеется принципиальная возможность уйти от необходимости по-

5—235

иска неисправных элементов в сложных схемах путем перехода к групповой проверке элементов ОС по едино му тесту. Период функционирования ОС можно разде

лить	на два	э т а п а : 1) этап			контроля		и настройки;2) ра
бочий	этап,	в	котором	в	ОС	реализуется		требуемая
структурная		схема.
На первом этапе в ОС настраивается структура конт
рольной схемы,			которая	может		быть	довольно		простой
благодаря		однотипности			элементов		и связей		между
ними. Алгоритм			контроля	т а к ж е		может быть		достаточно

простым из-за относительной простоты элемента ОС .

Однородность		структуры	ОС	позволяет	применять	одни
и тот же алгоритм сразу			к	большому	числу элементов,
что	приводит	к заметному	сокращению		времени контро
л я	и поиска	неисправных	элементов. Координаты			неис

правных элементов могут быть зафиксированы во внеш ней памяти настройки и использованы для уточнения структурной схемы автомата, реализуемой в ОС. Па

втором этапе		после	настройки ОС	с учетом изменений
в	структурной	схеме	(в связи с обходом и исключением
из	схемы неисправных элементов) осуществляется				функ
ционирование		схемы.	В разработке	проблемы	поиска

неисправностей в ОС можно выделить две в а ж н ы е за дачи: поиск неисправного элемента и поиск в сочетании с анализом причин неисправностей.

Процедура поиска и анализа причин неисправностей в схеме элемента может быть разбита на два этапа. На


первом	этапе определяется		возможный	электрический
тип отказа (короткое замыкание, обрыв,				нестабильность
характеристик, уход за пределы допуска)				и	по	возмож
ности указывается компонент или группа				компонентов,
дефект в которых мог послужить причиной					отказа.		Н а
этом этапе элемент рассматривается как				функциональ
ная схема. Д л я		диагностики	неисправностей		можно		при
менять	методы	построения	контролирующих			тестов.

В случае необходимости д л я различения логически не
различимых неисправностей можно ввести дополнитель
ные признаки, в качестве которых используются	значе
ния сопротивления, токов и напряжений в цепях, доступ
ных контролю. Задачей 'второго этапа диагностики
элемента ОС является определение точного места	и фи

зической	причины	дефекта, приведшего	к отказу.	Н а
этом этапе элемент рассматривается как			конструктивная
единица.	Наиболее	предпочтительными	методами	д л я

точной локализации места и причин неисправностей являются неконтактные методы: метод визуального контроля, метод индикации инфракрасного излучения, метод с использованием электронного сканирующего микроскопа. При отыскании оптимальных процедур ди агностических испытании представляет интерес разра


ботка		математической				модели	диагностируемого			объек
та. С помощью такой						модели		становится возможным
исследование влияния						ката				1
строфических отказов на ста							6Z	*1	6Z
тическую и динамическую ха									\
рактеристики модели, а так
ж е	влияние на них				разброса			a		-о-г
параметров схемы при одно								0

временном наличии					большо			0
го числа			неисправностей.
	Решению задачи				отыска
ния	неисправного				элемента
ОС		посвящен		ряд		работ
[Л.	3-6—3-8]. Представляет							17	17
интерес			разработка		методов
построения контрольных те							Рис. 3-1. Схема АНС.
стов ОС, которые одновре

менно		являются		и	диагно
стическими [Л. 3-6]. Контрольные								и диагностические те
сты	ОС		из-за	однородности			структуры		имеют	своей

основой контрольный тест одного элемента. Элемент ОС можно рассматривать как совокупность четырех элемен

тарных каналов, взаимодействующих	между	собой внут
ри элемента. З а д а ч у контроля в ОС	удобно	представить

как проверку каждого из каналов элемента на совокуп

ности тест-наборов с одновременной подачей							некоторых
тест-наборов на все элементы,			расположенные по /-на
правлению относительно	проверяемого				элемента			(т. е.
в той ж е /-й строке или	в	том	ж е	Z-м	столбце);			такие
проверки д о л ж н ы быть осуществлены					по	всем	выходам
элемента. З а д а ч а диагностики			неисправностей в ОС за
ключается в определении	двух		координат			неисправного
элемента и сводится к задаче			контроля		данного элемен
та на двух пересекающихся		направлениях.
Д л я тест-наборов, подаваемых				на два		соседних		эле

мента а и b по /-му направлению, вводятся понятия со вместимого, сопряженного и самосопряженного тестнаборов. Пусть, например, на элемент ОС а (рис. 3-1)

«7

подается тест-набор

/ = ( о ч , 02,

а 3 ) а

= 001.

Пусть

па

ropii'

зонталы-юм

выходе

исправного элемента

появляется

сигнал

ва

=0. Тогда

на элемент

может

быть

подан

вых

только такой тест-набор, который является

совмести

мым, т. е. имеющий значение сигнала

о й з = 0

на

горизонт

тальном

входе.

Если

совместимые

тест-наборы

совпадают,

как,

на

пример,

(3j,

а,, а 3 ) а =

(з,,

а2 , а 3 ) с = 0 0 1

на

элементах

а и

с, то такие наборы называются самосовместимыми.

Сов

местимый тест-набор, подаваемый

на

элемент

Ь,

назы

в а е т с я

сопряженным

по

i-му

направлению с

тест-набо

ром, подаваемым на элемент а, если изменение значения

сигнала

а"

(на

а"

) на

i-м

выходе

элемента а

из-за

неисправности

последнего приводит

изменению

сигнала

а''

(на

)

на

i-м выходе элемента

Ь. В частном

слу-

чае сопряженные тест-наборы

могут

совпадать;

такие

тест-наборы будут называться

самосопряженными.

Время

проверки

элементов

ОС

на

минимальном

те

сте

зависит

от

числа

тест-наборов,

используемых

для

контроля

элемента.

Элемент ОС можно настроить так, что один и тот же

выходной

сигнал

(г В Ы х; будет появляться

не

па

одном,

а на

нескольких

выходах,

соответствующих

различным

к а н а л а м ,

т. е. можно

обеспечить Ствых ? = авых

j -

Пусть

на

элемент

а,

который

настроен

так,

что

аГых4=

3оых^' п

° Д а н

тест-набор U. Если

соседнему

с ним

(по

направлению

элементу

применен

тест-набор

такой,

что изменение

значения

сигнала

с"

=<з"

.—ос

j-ro канала элемента

с)

выХг

выхз

(на

входе

приводит

изменению

значения

выходного

сигнала

о"

элемента

с,

то

тест -

набор

tj является

сопря/кенным

U на

пересекающихся

направлениях

/ ) .

Чтобы

контрольный

тест-набор

был

бы

одновре

менно и диагностическим, необходимо отыскать тест-на бор t, сопряженный с данными на каком-либо направле нии, пересекающемся с i-м направлением . П р и этом одновременно с подачей данного тест-набора ti на эле менты, связанные i-м к а н а л о м , выбранный сопряженный тест-набор t подается на соседние элементы. Наиболее эффективными контрольно-диагностическими тест-набо-

рами являются тест-иаборы, самосопряженные на двух пересекающихся к а н а л а х (направлениях); на одном та ком тест-наборе могут быть одновременно (за один такт) проверены соответствующие каналы всех элементов ОС, что позволяет обнаружить не только факт неисправности,

по и координаты неисправного элемента.	Общее	число
контрольно-диагностических тестов Ми.я,	а т а к ж е	время
проверки и диагностики неисправностей	(число	тактов

связаны

с числом элементов

(элементарных

каналов)

следующим

соотношением:

( M K

. s ^ i V ) < / . { ^ - | + (/' +

/ " +

/ " ' - / - ) ( m I +

+ /пг + . . . + / п р ) ,

где

/ — число

тест-наборов в минимальном

тесте

для

элементарного

канала,

самосопряженных

на

на двух

пересекающихся

направлениях;

{р/2} — число пар пересекающихся

канало в

(направ

лений),

округленное

до

ближайшего

большего

целого

числа;

/ ' — ч и с л о

тест-наборов,

самосопряженных

(/' =

только по i-му

к а н а л у ;

/" — число

тест-наборов,

взаимносопряженных

(г = 2)

по г'-му каналу;

/"' — число

тест-наборов

из

минимального

теста,

сопряженных

по и'-му

каналу

в периоды

из

г^2 тест-наборов;

>П\, 1П2,

• • •, nii, • • •, Шр — число

групп

связанных

элемен

тарных каналов 1-го,

2 - г о , . . . ,

г' - го, ... ,

р-го

направлений, определяемое числом функци

ональных элементов в структуре ОС.

Зависимость

времени

проверки

структуры ОС

от чис

л а

элементов можно исключить, если

одновременно

про

верять

на

сопряженных

(по t'-му

каналу)

тест-наборах

не

одну

группу

(строку,

столбец)

элементов,

связанных

к а н а л а м и по i'-му

направлению, а

все

такие

группы,

лишь после фиксации неисправности на каком - либо на

ружном выходе г'-го к а н а л а подавать на элементы	конт
рольно-диагностический тест д л я обнаружения	второй

координаты неисправного элемента. Число контрольных

тестов М'ц	и время	проверки	(число	тактов	N')	в этом
случае определяются		выражением
(М'к	=N')<1	j - f - J + (/'	+ / " +	/ ' " . г +	г')	р,

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 247 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ