Структурный синтез гетерогенных подсистем обработки информации в многофункциональных программируемых аналого-цифровых системах
Скачать 370.16 Kb.
|
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».
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 РАБОТЫДиссертационная 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:
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:
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.
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. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных В реферате рассматривается вопрос применения аналого-цифровых преобразователей в системах сбора данных | | Методы и средства организации обработки потоковой информации на распределенных... Специальность 05. 13. 11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей |
| Радиофизический факультет Целью изучения дисциплины является ознакомление с видами и моделями информационных сигналов, с основными методами аналоговой и цифровой... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Она применяется как для цифровых, так и для аналоговых и смешанных (аналого-цифровых) схем. Оба моделятора вызываются из графического... |
| «Цифровые устройства обработки информации: цифровая видеокамера» К сегодняшнему уроку вы подготовили сообщения о цифровых видеокамерах – устройствах, которое намного расширяет возможности современных... | | Методы повышения точности навигационных определений с использованием... ... |
| Московский энергетический институт (технический университет) институт... Целью дисциплины является углубленное теоретическое и практическое освоение методов и средств цифровой обработки речевых сигналов,... | | Особенности хранения и шифрования данных в web-системах обработки информации На данный момент существует достаточно большое количество программных продуктов для создания тестовых и контролирующих заданий. Обзор... |
| Российской Федерации Российский государственный профессионально-педагогический... Цифровые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, например двоичной,... | | Программа учебной дисциплинЫ «программируемые логические контроллеры» Целью дисциплины является формирование знаний студентов по вопросам теории, принципам построения и функционирования основных технических... |
| В. И. Есьман, Д. Л. Раков Рассматривается структурный синтез камер реакторов для инерционного термоядерного синтеза на этапе предэскизных проработок. Основное... | | Учебное пособие Технологии обработки информации. Технологии хранения,... Технологии обработки информации. Технологии хранения, поиска и сортировки информации в бд. Учеб. Пособие. М. МиигаиК, 2014. 31с |
| Учебник «Информатика и икт. Базовый курс» Цели урока Познакомить с процессами передачи информации в технических системах, способах передачи и обработки команд в технических устройствах,... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Синтез комбинационных цифровых устройств на базе логических элементов и-не, или-не (продолжение) |
| Методические рекомендации по изучению дисциплины «Основы математической... Цель курса: формирование системы знаний, умений и навыков, связанных с особенностями математических способов представления и обработки... | | Рабочая программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем»... «Автоматизированные системы обработки информации и управления» (по отраслям) и 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники... |
