5.4. Синтез просторових комутаторівk-значних сигналів

Дослідження в підрозділах 5.1 – 5.3 теоретичних засад побудови ПЗО з точки зору вибору інформаційних ознак сигналів, універсальності структурної побудови та оптимальності формальних методів синтезу вузлів ПЗО максимальної швидкодії й однорідності в основному отримали своє вирішення. Проте технологічна і структурна неоднорідність схемотехнічних рішень окремих складових k-значних структур та паралельно-послідовне проміжне перетворення, яке є об’єктивним результатом вибору методу формального синтезу та алгоритму дії двозначних цифрових схем, не дають можливості вважати завдання побудови універсальних просторових k-значних структур повністю вирішеною.

Подальшим завданням досліджень методів побудови просторових (паралельних) k-значних структур будуть дослідження зі створення просторових цифрових комутаторів багаторівневих сигналів на основі КМОН-схемотехніки. Така схемотехніка в змозі забезпечити технологічну однорідність на мікроелектронному рівні всіх складових k-значних структур універсального типу: формувачів k-значних сигналів, компараторів, проміжних дешифраторів та цифро-аналогових перетворювачів (ключів) тощо. З іншого боку, методи синтезу k-значних структур на МОН прохідних транзисторах [33, 80, 179] забезпечують найпростішу реалізацію паралельних інтегральних МОН-структур із k-значним кодуванням і за своїми математичними властивостями наближаються до АСП [5 - 7, 8].

На функцiональному рiвнi до складу k-значної просторової комiрки в системах штучного інтелекту входить n-вимiрний комутатор сигналiв (див. рис. 2.1). Комутатор сигналiв [80, 140] є керуючим і комутуючим пристроєм для входу просторової комiрки ШI та визначає, з яким вхiдним сигналом працює комiрка: зовнiшнiм чи вiд стратегiчного рiвня.

На рис. 5.11 показано структурну схему площинного (двовимірного) комутатора k-значних сигналiв, що мiстить два iдентичних канали комутації та передачі даних [80]. Режими комутацiї для випадку двовимiрної двоканальної комутацiї показано на рис. 1.5. Площинний комутатор є базовим компонентом

Рис. 5.11. Структурна схема просторового комутатора k-значних сигналів

реалізації просторової комутації. При цьому реалiзацiя n-канального просторового комутатора вимагає лише вiдповiдного збiльшення множини режимів налагоджень у вузлі керування 6 і нарощування числа входів та виходів.

Процес роботи розглянемо на прикладi структури комутатора з 8-значним кодуванням (k = 8). У початковому станi на входах 7 комутатора присутнi два однорозряднi 8-значнi сигнали X₁, X₂, що дорiвнюють логiчному нулю. Цi значення початкових сигналiв SP перетворювачами 1 (див. рис. 5.11) переформовуються в семирозрядний просторовий код виду <0000000> на виходах 8–14, а потiм дешифратором 2 одиничного коду у двозначний перетворюються в трирозрядний позицiйний код на виходах 15–17 виду <000>, останні пiд дiєю тактуючих сигналiв тапередаються на входи 15–17 дешифратора 3. На виходах 18–24 перетворювача 3 формується сигнал семирозрядного унiтарного просторового коду виду <0000000>, що дальше надходить на перетворювач PS4. На виходах 25 перетворювачiв 4 формуються однорозряднi 8-значнi сигнали, що вiдповiдають логiчному нулю. Структура, що утворена субблоками 1–4, є УФП.

Значення вихiдних сигналiв надходять на ключовий комутатор 5 (перетворювач PS), де комутуються вiдповiдно до програми комутацiї, що надходить із вузла 6 керування, принципи дiї якого визначаються вiдповiдно до режимів комутацiї. На чотири входи 26_i (i = 1 ... 4) вузла керування 6 надходять двозначнi сигнали виду <0000>, пiд дiєю яких на виходах 27_j (j = 1 ... 8) вузла 6 керування формуються вихiднi функцiї комутацiї (див. табл. 5.4), вiдображенi унiтарним двозначним кодом. Значення коду надходять на входи 27_j восьми схем керування ключового комутатора 5, cформованого на прохiдних транзисторах МОН-типу (рис. 5.12) [80]. Згiдно з табл. 5.4 ключовий комутатор 5 налагоджується на виконання однiєї з дев’яти функцiй комутацiї, мультиплексування та передачi даних (див. рис. 1.5).

Рис. 5.12. Структурно-логічна схема шинних комутаторів на прохідних МОН-транзисторах

У початковому станi (табл. 5.4), при вхiдному сигналi <0000>, на входах 26_i вузла 6 керування на виходi останньої також будуть нульовi сигнали виду <0000000>, що забезпечує виключений стан усiх прохiдних транзисторiв комутатора 5. I, як наслiдок, нульовi вихiднi сигнали на виходах 31, 32 пристрою взагалi.

Таблиця 5.4

Вхідні та вихідні сигнали керування і програма роботи комутатора

Вхідний сигнал вузла 6 керування				Вихідні сигнали вузла 6 керування								Програма комутації
i1	i2	i3	i4	j1	j2	j3	j4	j5	j6	j7	j8	Режим комут.	Вихідні сигнали
261	262	263	264	271	272	273	274	275	276	277	278		Y1	Y2
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	0
1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	2	X1	0
0	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	3	0	X1
1	1	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	4	X1	X1
0	0	1	0	0	0	0	1	0	0	0	0	5	X2	0
1	1	1	0	0	0	0	0	1	0	0	0	6	X2	X1
0	0	0	1	0	0	0	0	0	1	0	0	7	0	X2
1	0	0	1	0	0	0	0	0	0	1	0	8	X1	X2
0	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	1	9	X2	X2

Пiд дiєю вектора керуючих сигналiв y = {y₁₁, y₁₂, y₂₁, y₂₂} утворюються рiзнi типи вихiдних функцiй (див. рис. 1.5):

і .

Керуючi сигнали визначають передачу iнформацiї вiд входiв ,до виходiв,усерединi ключового комутатора 5.

Основним завданням комутатора є приймання k-значної iнформацiї ,вiд сусiднiх комiрок системи ШI та передавання без змiни в сусiднi комiрки через виходи,, як без змiни просторового напрямку, так i з його змiною, а також без розгалуження, із розгалуженням та перетином iнформацiйних каналiв.

У разі появи на входi 26 керування керуючого вектора Y = <0000> комутатор налагоджується на роз’єднання iнформацiйних входiв i виходiв, у результатi чого iнформацiя iне проходить через структуру (див. рис. 1.5). Функцiю роз’єднання комутатор виконує також у тих випадках, коли на входи керування надходять сигнали Y = <1010>, <1110>, <0101>, <1101>, <1011>, <0111>, <1111>.

Відповідно до табл. 5.4 для реалізації дев’яти функцій комутації в ключовому комутаторі 5 використовуються вісім ключів шинного комутатора на прохідних транзисторах, причому в кожному ключі шинного комутатора, залежно від конкретної функції передачі даних, наявний один чи два відповідно з’єднаних прохідних транзистори. Усі вісім ключів шинного комутатора підключені паралельно між вхідними 25₁ та 25₂ і вихідними 31, 32 шинами пристрою (див. рис. 5.11).

Базуючись на логічному синтезі мереж із прохідних транзисторів [80] стосовно k-значної логіки, де кожна логічна функція МОН-транзисторів визначена, можна отримати рівняння логічних функцій, що відображають зв’язок між вхідними сигналами X₁, X₂ та вихідними Y₁, Y₂. Виходячи з того, що зв’язок між вхідними X_i та вихідними Y_i сигналами, із урахуванням зовнішнього параметра (сигналу керування) Z_j записується як

(5.1)

схему шинного комутатора, відповідно до її режимів роботи, можна розбити на чотири схеми паралельних з’єднань зі спільними входами, кожна з яких у загальному вигляді описується такою залежністю:

(5.2)

Для режиму прямого з’єднання входу X₁ із виходом Y₁ залежність (5.2) буде такою:

1. Y₁X₁:

, (5.3)

де Z₁, Z₃, Z₇ – сигнали керування першого, третього та сьомого ключів, відповідно.

Аналогічно для з’єднань:

2. Y₂X₁:

, (5.4)

3. Y₁X₂:

, (5.5)

4. Y₂X₂:

. (5.6)

У рівняннях (5.2) – (5.6) оператор відповідає таким властивостям:

1) комутативність:

;

2) поглинання:

.

Згідно з (5.3) – (5.6) і табл. 5.4 інформація через ключовий комутатор 5 передається одночасно двома незалежними каналами, що перетинаються в просторі. При цьому ключовий комутатор 5 відповідно до сигналів керування, які надходять із вузла 6 керування, може передавати k-значні сигнали X₁, X₂ двома незалежними каналами 25₁, 25₂ у прямому напрямку, розгалужувати інформацію у двох просторових напрямках, змінювати напрямок передачі інформації, передавати інформацію двома незалежними каналами, що перетинаються чи розгалужуються (див. рис. 1.5).

Наприклад, у разі надходження на входи 26 вузла керування 6 керуючого сигналу і=<0000> (див. табл. 5.4, режим 1), ключовий комутатор 5 налаштовується на розмикання інформаційних входів і виходів, у результаті інформація з входів X₁ та X₂ не надходить ні на один із виходів.

Під час подачі на вузол 6 керування сигналу і = <1000> пристрій налагоджується на виконання функції передачі сигналу з першого входу на другий вихід. Багаторівневий сигнал X₁ надходить через перетворювач 1, дешифратори 2 і 3 на входи 18–24 і перетворювач 4 PS – на входи 25₁ ключового комутатора 5 та через нього на вихід Y₁ (див. табл. 5.4, режим 2).

Аналогічно можна описати роботу пристрою в усіх решта випадках змін сигналів керування [80].

Отже, комутатор дозволяє керувати паралельними просторовими напрямками руху iнформацiї i здiйснює формування дискретних комутаційних k-значних каналiв зв’язку мiж заданими точками простору з калiброваною затримкою iнформацiї в кожному елементi. Виходи комутатора вiльнi вiд завад, якi можуть призвести до хибної передачi iнформацiї в разі появи сигналiв на входах розiмкнутих iнформацiйних каналiв, що зумовлено дискретним принципом просування iнформацiї.

Використання на входi i виходi просторового комутатора перетворювачiв k-значних сигналiв у двозначнi, а двозначних сигналiв у k-значнi дозволяє мультиплексувати i передавати без змiн k-значні сигнали в iншi комірки. Крiм цього, уведенi ПЗО забезпечують зменшення числа зовнiшнiх зв’язкiв. Вiдносний виграш при розпаралеленнi передачi даних, порiвняно з двозначним комутатором, становитиме за числом виходiв та входiв величину  = 32/12 = 2,66 рази. Вiдповiдно, при використаннi значностi k = 16 цей виграш буде  = 32/8 = 4 рази.

Таким чином, k-значний комутатор, здатний передавати еквiвалентний двозначному байту обсяг iнформацiї, дозволяє, при вiдносному виграшi вiд одного до чотирьох разiв за числом вводiв, забезпечити пiдвищення у вiсiм разiв перепускної здатностi системи ШI. Робота комутатора визначається сигналами керування процесом комутацiї та синхросигналами керування процесами передачi даних, що дозволяє керувати паралельними об’ємно-просторовими напрямками руху iнформацiї. Виходи пристрою вiльнi вiд завад, оскiльки характер проходження даних мають дискретний характер. Використання перетворювачiв кодiв у комутаторi дозволяє мультиплексувати та передавати k-значнi данi в iншi пристрої, що працюють у тому ж структурному алфавiтi. Крiм цього, уведення та використання k-значних сигналiв забезпечує вiдносне зниження числа зовнiшнiх зв’язкiв за рахунок бiльшої перепускної здатностi k-значних каналiв передачi даних. Використання ключових комутаторiв у складi пристрою дозволяє мультиплексувати данi в n напрямках, що в складних багатопроцесорних системах дозволяє просторовим способом розв’язувати задачi прiоритетiв і черг, розширяючи тим самим функцiональнi можливостi k-значних структур. Крiм цього, структура комутатора наочно демонструє принцип симбiозу дво-, k-значних та аналогових засобiв, забезпечуючи можливiсть мiкроелектронної реалiзацiї k-значних структур і високошвидкісних обчислювальних систем на їх основі.