5.3. Методи побудови рекурсивних струмових та потенційних пзо
Результати досліджень [158, 173] узагальненої математичної моделі точностi роботи k-значних структур (див. підрозділ 2.4) показали, що в сучасних умовах не iснує технологiчних чи практичних обмежень щодо створення та достовiрної роботи k-значних структур зі значностями в межах k = 2 ... 16. Крім того, у сучасних ЕОМ для задач уведення даних застосовуються саме такi вищi основи кодiв. Отже, розглянемо методи та шляхи реалізації мікроелектронних потенційних і струмових ПЗО для значень k, що відповідають степеням двійки 4 = 22, 8 = 23 та 16 = 24. Значення основ k-значних кодiв вибранi з тих мiркувань, що найпростiший структурний і математичний зв’язок мiж двозначним та k-значним кодом тодi, коли основою коду є цiлi числа, що дорівнюють степеням двiйки.
5.3.1. Чотиризначний ПЗО зі струмовою інформаційною ознакою. Розглянемо спочатку мікроелектронне вирішення ПЗО на базі І2Л-схем із використанням 4-значного кодування та струмової інформаційної ознаки [79]. Оскільки пристрiй 4-значний, при байтному обмiні даними, повна структура ПЗО – це чотири ідентичних двовходових канали, що працюють паралельно і кожний із них умiщає перетворювачi двозначного дворозрядного коду в 4-значний, і – навпаки (рис. 5.6).
Вибір такого порядку розгляду схемотехніки та значності кодування пов’язаний із тим, що І2Л-схеми технологічно дозволяють реалізувати значність k 4. Звідси зрозуміло, що мікроелектронне вирішення ПЗО значності k > 4 доцільно продемонструвати з допомогою потенційної схемотехніки, що й досліджено в роботах [81, 176, 177].
Рис. 5.6. Структурна схема 4-значного ПЗО
У кожному каналі ПЗО структурно-логічна схема (рис. 5.7) мiстить входи 1, 2 (x1, x2), вхiдний дешифратор 3 та пiдсумовувач 14 із трьома джерелами струму, лiнiю передачi та приймач 18, що складається з трьох опорних порогових джерел струму і порогових детекторiв, а також вихідний дешифратор 23.
Рис. 5.7. Структурно-логічна схема 4-значного ПЗО зі струмовою інформаційною ознакою
Вхiдний дешифратор 3 мiстить перший і другий I2Л-iнвертори 4.1, 4.2, a також перший, другий і третiй двовходовi кон’юнктори 10.1 – 10.3, виходи кон’юнкторiв 10.1 – 10.3 утворюють три виходи 11–13 дешифратора 3, якi підмикаються до вiдповiдних входiв вхiдного пiдсумовуючого пристрою 14, cформованого на перших I2Л-комiрках на транзисторах 7–9 із вагами iнжектованих струмiв pi = 3.0.
У початковому станi на входах 1, 2 вхiдного дешифратора 3 – нульовi вхiднi сигнали. Згідно з таблицею iстинностi (див. табл. 5.2) на виходах 11–13 дешифратора 3 формуються значення <000> просторового коду, сигнали якого надходять на однойменнi входи пiдсумовувача 14. При цьому, жоден з iнжекторiв струму не подає сигнал на вихiд 18 i на лiнiї Z зв’язку формується сигнал логiчного нуля багаторiвневого коду. При такому сигналi в лiнiї зв’язку в базу багатоколекторного транзистора 19 не надходить вхiдний сигнал. Усi I2Л-комiрки порогових детекторiв перебувають у вiдкритому станi й на виходи 20–22 дешифратора 23 надходить нульовий вхiдний сигнал (див. табл. 5.2). Оскільки на входи 20–22 надходить сигнал <000>, то на виходах 25, 26 дешифратора 23 наявнi сигнали логiчного нуля дворозрядного двозначного коду. При нульовому початковому сигналi, коли транзистор 19 закритий, усi I2Л-комiрки схеми 18 порогових детекторiв із вагами, що дорiвнюють 0,5; 1,5 та 2,5, будуть у насиченому станi i на всiх виходах 20–23 маємо режим, який вiдповiдає включеному становi вихiдних транзисторiв, тобто рiвню логiчного нуля, що дає на виходах 25, 26 пристрою нульовi значення.
Робота ПЗО для інших вхідних сигналів простежується аналогічним чином і детально висвітлена в [79].
5.3.2. Восьмизначний ПЗО з потенційною інформаційною ознакою. Структурна схема ПЗО з восьмизначним кодуванням [176] матиме при байтній паралельній передачі три ідентичних канали (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Структурна схема восьмизначного ПЗО
Восьмизначний ПЗО складається з дешифратора 1 (рис. 5.9) двозначного позиційного коду в унітарний просторовий код, цифро-аналогового перетворювача 2 (ЦАП) аналого-цифрового перетворювача 3 (АЦП) та дешифратора 4 (рис. 5.10) просторового одиничного коду у двозначний позиційний код і містить входи 5–7 дешифратора 1 двозначного позиційного коду в унітарний просторовий код та пристрою в цілому, виходи 8–14 дешифратора 1, з’єднані з відповідними керуючими входами ЦАП 2, вихід 15 якого утворює лінію передавання даних, підключену до АЦП 3, з’єднаного з входами 16–22 дешифратора 4 просторового одиничного коду у двозначний позиційний код, виходи 23–25 якого утворюють виходи пристрою в цілому.
Рис. 5.9. Вхідний дешифратор потенційного типу восьмизначного ПЗО
Дешифратор 1 двозначного позиційного коду в унітарний просторовий код восьмизначного пристрою приймання та передавання даних містить три ідентичних блоки, що включають три елементи І-НЕ 26–28 та один RS-тригер 29, а також сім тривходових елементів 30 І. Робота дешифратора 1 описується логічними функціями (див. табл. 5.3), при k = 8.
Дешифратор 4 просторового одиничного коду у двозначний позиційний код містить один елемент 44 АБО, два елементи 45, 46 І-НЕ та три елементи 47–49.
Рис. 5.10. Вихідний дешифратор восьмизначного ПЗО потенційного типу
У початковому стані на входах 5–7 восьмизначного ПЗО присутні нульові вхідні сигнали, що відповідають значенню <000> двозначного позиційного коду.
Звідси, відповідно до табл. 5.2 істинності, на виходах 8–14 дешифратора 1 двозначного позиційного коду в унітарний просторовий код у вихідному стані формується значення <0000000> одиничного коду, сигнали якого надходять на однойменні керуючі входи ЦАП 2. При цьому ні один із ключів ЦАП не подає сигнал на вихід 15 і на однойменній лінії зв’язку формується сигнал логічного нуля восьмизначного коду. При такому сигналі на лінії 15 передавання 8-значних даних на входи компараторів АЦП 3 не надходить сигнал і на виходах 16–22 компараторів усюди нульові сигнали <0000000>. На виходах 23–25 та входах 16–22 дешифратора 4 k-значного коду у двозначний, робота якого описується логічними функціями (див. табл. 5.3), будуть сигнали логічного нуля трирозрядного позиційного двозначного коду.
Якщо аналогічним чином прослідкувати процеси поетапних перетворень вхідних двозначних паралельних векторів x1, ..., x3, то легко переконатись, що запропонований пристрій здійснює повне перетворення дворівневих сигналів у багаторівневі, передавання їх у поодиноку лінію зв’язку, приймання багаторівневих сигналів та їх перетворення у дворівневий сигнал.
5.3.3. Шістнадцятизначний ПЗО з потенційною інформаційною ознакою. Значність k = 16 є граничною для мікроелектронних k-значних структур і згідно з принципом симбіозу включає в себе всі попередні значення. Тоді побудова ПЗО [177] згідно з рекурсивним підходом повинна здійснюватись на базі однотипних операцій найнижчого рівня та їх нарощування з відповідними зв’язками, що описано в підрозділі 5.2 (див. рис. 5.4 і 5.2.3). Використання однотипних субблокiв дешифраторiв 78 першого роду дозволило без змiни схемотехнiки та внутрiшнiх зв’язкiв цих субблокiв, тiльки за рахунок вiдповiдних об’єднань їх виходiв, розробити структуру, унiверсальну для даного класу ПЗО з k-значним кодуванням у дiапазонi k вiд 4 до 16.
Розбиття дешифраторiв на субблоки першого та другого родів забезпечує для різних значностей однорiдність структури під час побудови дешифратора просторового одиничного коду у двозначний позицiйний код, уникнути проблем із розробленням нових шаблонiв пiд час реалiзацiї iнтегрованих схем, а також забезпечується гнучкiсть використання всього доступного набору значностей k, що властивi пристрою без змiни схемотехнiки, тільки за рахунок вибору розрядності вхідного та вихідного сигналів.
Уведення в ПЗО на приймальному та передавальному боцi додаткових дешифраторів двозначного позицiйного коду в унiтарний просторовий код і просторового одиничного коду у двозначний позицiйний код, принципи побудови яких не були вiдомi, а також додаткових компонентів у ЦАП та АЦП забезпечує новi властивостi, що приводять до збiльшення значностi структурного алфавiту. При збільшенні значності структурного алфавіту з 4 до 8 в 1,5 рази підвищується перепускна здатність, а при збільшенні з 4 до 16 пiдвищується iнформативність пристрою та розширюються його експлуатацiйні можливості, пов’язані з чотирикратним зменшенням числа функцiональних зв’язкiв. Оскiльки кратнiсть зменшення числа паралельних лiнiй передачi для них визначається величиною = 4, тобто один 16-значний символ коду мiстить у максимумi 4 бiти цифрового двозначного коду, то для паралельної передачi байта даних, при використаннi запропонованого пристрою, будуть необхiднi 2, а не 8 лiнiй, як у двозначному випадку на входi та виходi пристрою.
Створення ПЗО просторового (паралельного) типу з використанням проміжних дешифраторiв дозволяє супутньо розв’язати задачу побудови k-значного унiверсального функцiонального перетворювача (УФП). У такому разі розриваєься k-значна лiнiя зв’язку мiж блоками 2 та 3, виходи Xі блока 4 пiдмикаються до входiв Xі блока 1, вхiд блока 3 стає входом логiчного елемента, а вихiд блока 2 – його виходом. Таке з’єднання, при незначних змiнах у структурi, утворює одновходовий УФП. Єдиним недоліком такого підходу є застосування зрізаного паралельно-послідовного підсумовувача як вихідного дешифратора, що порушує вимогу створення структури граничної однорідності та паралелізму (граничної швидкодії). У рамках побудови ПЗО відхід від граничного паралелізму виправданий специфікою алгоритму перетворення, у той час як для УФП необхідно продовжити пошук як паралельних алгоритмів роботи, так і методів структурного та формального синтезу зі застосуванням інших видів математики, зокрема АСП [5 - 8].
Зазначимо, що роботи зі створення i реалiзацiї k-значного кодування та структур із стадiї пошукiв i експериментiв доведено до стадiї завершеної формалізованої теорiї побудови. Отже, з’являється можливiсть широкого застосування переваг від використання здобутків теорiї k-значних структур, зокрема таких, як формалізація та автоматизація синтезу, пiдвищення перепускної здатностi та зниження числа зв’язкiв при застосуваннi k-значних ПЗО в цифрових системах передачi даних та при побудові інтелектуального інтерфейсу для систем штучного інтелекту.