Структурный синтез гетерогенных подсистем обработки информации в многофункциональных программируемых аналого-цифровых системах
Скачать 370.16 Kb.
|
| Во второй главе рассматриваются теоретические вопросы, касающиеся основных определений и базовой организации гетерогенных систем и их подсистем на основе различных гомогенных и гетерогенных ФБ, а также некоторые важные свойства самих гетерогенных блоков. С использованием принципов ОФТ в диссертации разработаны теоретически-обоснованные подходы к построению функционально-полных и функционально-замкнутых гетерогенных подсистем АЦУ и МПАЦ СНК. Введены формальные определения гомогенного и гетерогенного ФБ, гетерогенной системы. На рис. 1 представлен набор ФБ, для которого показано, что он является функционально-полным набором не только для гомогенных булевых функций, но и для входных и выходных сигналов, имеющих гетерогенный характер, причём как для цифровой, так и для аналоговой формы представления информации. В последнем случае это сделано для функционально-полного набора аналоговых ФБ по Шеннону. Р  исунок 1 - Универсальный набор функциональных блоков для гетерогенных систем обработки и преобразования информации.Блоки типа F1,..., Fn - это двухвходовые ФБ с одним выходом, блок Fc — одновходовой ФБ. Блок, обозначенный символом "<" - так называемый "разветвитель". Он предназначен, как следует из обозначений его входа и выходов на рис. 1, для разветвления входного сигнала (или параметра) x без потери его качества. Примерами простейших ФБ типа «разветвителя» может служить набор соединительных проводов, подключающих выход ФБ по напряжению к входам по напряжению других ФБ, или идеальное токовое зеркало с одним входом и двумя выходами. Блок "const" представляет собой блок генерирования постоянной величины. В диссертационном исследовании автором введены новые определения: 1. Гомогенный электронный функциональный блок (ФБ) – это блок, содержащий входы для сигналов (или параметров) и выходы для сигналов (соответственно – параметров) одного и того же типа (например, только напряжения, только тока, только сопротивления). 2. Гетерогенный электронный функциональный блок – это блок, имеющий входы для сигналов (или параметров) и выходы для сигналов (параметров) разных типов (например, входы - напряжения, выход - тока, или входы - частоты, выход - величина сопротивления). 3. Система называется гетерогенной, если она содержит гетерогенные ФБ. 4. Конвертором называется устройство, преобразующее один тип сигналов в другой тип (например, в соответствии с табл. 1.1, если на пересечении соответствующей строки и столбца стоит Гт ). 5. Если конвертор имеет ровно один вход и один выход, и преобразование от входного сигнала x к выходному сигналу y выполняется по линейному закону y=kx, где k – некоторая отличная от нуля положительная алгебраическая константа, то он называется линейным. Для обеспечения взаимно-однозначного отображения элементов двух равномощных гомогенных множеств Г1 и Г2 — необходимо ввести подходящие линейные конверторы, то есть такие, чтобы для любых xГ1 и yГ2 имело бы место: y= k1 x и х = k2 y, что возможно при k2 = 1/ k1. Линейные конверторы с такими свойствами названы симметричными. 6. Гетерогенная система называется функционально-замкнутой, если она позволяет получить взаимно-однозначное отображение любых множеств используемых в ней типов сигналов на все другие множества используемых в системе типов сигналов. 7. Гетерогенные сигналы называются принадлежащими к одному классу, если для их представления используются равномощные множества и одна и та же система счисления. 8. Гетерогенные системы, работающие с гетерогенными сигналами одного и того же класса, называются однородными, в противном случае — неоднородными гетерогенными системами. Автором также предложены и доказаны утверждения: 1. С помощью блоков типа F1,..., Fn Fc, "<" и "const" (рис.1) можно реализовать любой функционально-полный набор булевых функций для любых типов гомогенных сигналов или параметров, перечисленных в табл.1. 2. С помощью блоков типа F1, "const" и "<" можно реализовать любой гомогенный функционально-полный набор булевых функций. 3. С помощью ФБ типа F1, F2, Fс, "<" и "const" реализуем любой алгоритм обработки гомогенных сигналов для универсальной дискретно-аналоговой машины М3 = <[-A, A], Fk,, -Fсл , P2>. (М3 является машиной, универсальной по Тьюрингу.) 4. Для того, чтобы однородная гетерогенная система была функционально-замкнутой для всех типов сигналов, достаточно, чтобы она содержала m(m-1) типов линейных симметричных конверторов, где m - число типов гетерогенных сигналов в системе. 5. Любая однородная гетерогенная система, содержащая m типов двоичных гетерогенных сигналов, а также наборы ФБ для каждой из гомогенных подсистем, представленные на рис. 1, и (m-1)m типов линейных симметричных конверторов, может реализовать любую конечную схему обработки двоичных гетерогенных сигналов. 6. Набор ФБ для технологии Т1 = < {[-A, A]}, { F1(x, y, t); F2(x, y); F3(x, k); "<"; "A"} >, где F1(x, y, t) =  (t — время интегрирования, равное времени решения задачи), F2(x, y) = (x + y), F3( x, k) = -kx; x, y [-A, A], причём [-A, A] — интервал действительных чисел, 0kR, R1] — множество рациональных чисел, и имеет место взаимно-однозначное отображение R на (; является функционально-полным набором для реализации вычисления всех алгебраических и трансцендентных функций по К. Шеннону.7. Любая конечная однородная цифровая гетерогенная система, содержащая m типов гетерогенных сигналов и соответственно — m гомогенных подсистем их обработки, а также - для каждой из подсистем - ФБ типа F1, "const", разветвитель "<" из утв. 2, и (m-1)m типов линейных симметричных конверторов, может реализовать любую конечную схему обработки цифровых гетерогенных сигналов в пределах доступных аппаратных ресурсов. 8. Любая конечная однородная аналоговая гетерогенная система, содержащая m типов гетерогенных аналоговых сигналов и соответствующее число гомогенных аналоговых подсистем, а также ФБ типа F1(x, y, t); F2(x, y); F3(x, k); "<"; "A" из утв. 6 для каждой из аналоговых подсистем, и (m-1)m типов линейных симметричных конверторов, может реализовать любую конечную схему обработки аналоговых гетерогенных сигналов по Шеннону в пределах доступных аппаратных ресурсов. 9. Для функционального замыкания с заданной точностью любой разнородной гетерогенной системы, содержащей однородные (гомогенные) функционально-замкнутые фрагменты для r классов сигналов, достаточно r(r-1) симметричных линейных конверторов или преобразователей (в том числе типа АЦП и ЦАП), гарантирующих требуемую точность преобразования. Согласно приведённым во второй главе результатам теоретического анализа, для достижения истинной (максимально-возможной с теоретической точки зрения) многофункциональности гетерогенных МПАЦ СНК необходимо, чтобы они отвечали следующим требованиям: 1. Гетерогенная система должна иметь соответствующий набор конверторов нужных типов (утв. 4), чтобы она могла реализовывать любую конечную схему обработки гетерогенных сигналов в пределах аппаратных ресурсов МПАЦ СНК. 2. Такие конверторы необходимо ставить в тех местах, где по каким-либо причинам использование подходящего гетерогенного ФБ невозможно (например, по причине отсутствия на данный момент его проверенного и/или простого схемного решения). 3. Линейные симметричные конверторы гарантируют функциональную замкнутость однородных гетерогенных систем. 4. Гетерогенные системы для МПАЦ СНК должны быть функционально- полными. То есть любая гетерогенная система или её гомогенная подсистема должна состоять из такого набора конечного множества типов блоков, которые в совокупности обеспечивает реализацию функционально-полных наборов соответствующих функций (например, булевых и/или алгебраических по Шеннону) в соответствующих классах сигналов. 5. Число типов ФБ, гарантирующих функциональную полноту отдельных гомогенных фрагментов гетерогенных систем, невелико и может быть ограничено примерно тремя-шестью разновидностями таких блоков для одного гомогенного фрагмента одного класса. 6. Гетерогенная система МПАЦ СНК, для обеспечения возможности построения любых полноценных систем обработки и преобразования сигналов для любого из используемых в ней типов сигналов, должна быть функционально-замкнутой. 7. Если все сигналы ФБ некоторой подсистемы (фрагмента) гетерогенной системы принадлежат к одному классу - это делает подсистему однородной и упрощает и облегчает задачу её полноценного проектирования с точки зрения функциональной замкнутости. 8. Условиями функционального замыкания разнородной гетерогенной системы с r классами гетерогенных сигналов является наличие соответствующего числа типов линейных симметричных преобразователей и (или) конверторов (утв. 9). На основе полученных теоретических результатов для гетерогенных систем в главе 3 была разработана структурная схема многофункциональной программируемой аналого-цифровой системы на три типа сигналов, аналогичных трём типам сигналов, используемых в некоторых версиях PSoC1. PSoC1 (рис. 2) – модель нового семейства аналого-цифровых программируемых систем на кристалле под торговой маркой PSoC фирмы Cypress Semiconductor, содержащих как основные компоненты цифровых микроконтроллеров, так и достаточно эффективные наборы реконфигурируемых цифровых и аналоговых блоков.  Рисунок 2 – Архитектура PSoC1. Типы сигналов, используемые в PSoC1: аналоговые сигналы тока - для сканирования сенсорной клавиатуры, использующей заряд микроконденсаторов сенсорной панели для последующего определения нажатой кнопки (клавиши) по уменьшению скорости разряда соответствующего микроконденсатора; аналоговые сигналы напряжения - для обработки и преобразования соответствующих аналоговых сигналов, поступающих на вход системы; цифровые двоичные сигналы напряжения - для обработки и преобразования соответствующих двоичных сигналов по нестандартным схемным решениям. Структурная схема МПАЦ СНК, разработанная с использованием принципов функциональной полноты и функциональной замкнутости, представлена на рис. 3. Структура сформирована в соответствии с утв. 4, 5, 7, 8, 9. Таким образом, данная структурная схема в полной мере учитывает принципы функциональной полноты и функциональной замкнутости, представленные во второй главе. Сравнение полученной структурной схемы МПАЦ СНК со структурной схемой PSoC1 приводит к следующим результатам: 1. Предложенная структура МПАЦ СНК позволяет выполнять обработку аналоговых сигналов тока в функционально-полной подсистеме, что позволяет применять данную подсистему не только для специализированной задачи считывания сигналов с клавиатуры, но и для других задач – например, передачи аналоговой информации по помехоустойчивому токовому интерфейсу.  Рисунок 3 — Структура МПАЦ СНК, разработанная с использованием принципов функциональной полноты и функциональной замкнутости. 2. Аналоговые сигналы напряжения и цифровые сигналы напряжения реализованы в виде отдельных функционально-полных подсистем, позволяющих проводить полную обработку сигналов в любом базисе. 3. Сформированные подсистемы имеют, согласно утв. 7, 8, требуемый набор линейных симметричных конверторов, позволяющих выполнять обработку данных в любом предпочтительном базисе. 4. Предложенная структура не отрицает использование стандартных системных ресурсов аналогичных ресурсам PSoC: цифровые часы, регистры многоразрядного умножителя, дециматор и т.д. Наоборот, формирование более полного набора сигналов в рамках предложенных типов сигналов позволит увеличить число устройств, применение которых потенциально возможно в рамках МПАЦ СНК. Разработанные в главе 2 положения могут использоваться не только при разработке структур новых МПАЦ СНК. Они позволяют также модифицировать существующие подсистемы обработки информации в МПАЦ СНК и тоже давать более эффективные решения. Для иллюстрации соответствующих возможностей в диссертационной работе рассмотрена общая многокритериальная задача синтеза гетерогенных систем обработки информации с использованием трех критериев: площади системы, функциональной полноты системы, функциональной замкнутости системы. Процедура синтеза архитектуры и других схемотехнических решений МПАЦ СНК основана на использовании теоретических методов, разработанных в главе 2. База данных для синтеза строится на четырех таблицах: 1. Таблица TП гетерогенных пар «вход-выход», аналогичная таблице 1. 2. Таблица TГМ гомогенных функциональных блоков. 3. Таблица TГТ гетерогенных функциональных блоков. 4. Таблица TК параметров микроэлектронных компонентов функциональных блоков МПАЦ СНК. Варианты предложенных таблиц представлены в диссертационной работе. Алгоритм синтеза МПАЦ СНК приведен на рис. 4. На начальном этапе формируется база данных синтеза и выбирается структура ΨБ базового варианта проектируемой МПАЦ СНК. Затем формулируется и решается задача многокритериальной оптимизации при синтезе структуры системы. Если найти решение этой задачи не удается, то сперва в алгоритме выполняется коррекция таблицы TК путем изменения параметров компонентов или введением новых компонентов для ФБ. Если и это не дает результат, производится введение в таблицы TП , TГМ , TГТ данных о новых функциональных блоках. Итерации повторяются, пока не будет получено решение, на основе которого формируются спецификации для САПР проектирования кристалла МПАЦ СНК. Использование методов теории гетерогенных схем заключается в осуществлении направленного перебора архитектурных и схемотехнических решений в структурах ΨJ, j=1,2,…,J МПАЦ СНК, альтернативных по отношению к базовой структуре ΨБ:  (2)где Ф – оператор выбора ФБ и компонентов  на основе функциональной полноты и функциональной замкнутости; TГМ – множество гомогенных ФБ, возможных для использования в МПАЦ СНК; TГТ – множество гетерогенных ФБ, возможных для использования в МПАЦ СНК; TK – множество компонент, входящих в ФБ; P – множество технологических параметров.Множество альтернативных вариантов структур сокращается путем применения условий функциональной полноты и функциональной замкнутости в проектируемой системе. Выполним декомпозицию площади кристалла на архитектурно-пространственные зоны в соответствии с заданными функциональностями в МПАЦ СНК. Рассмотрим полную структуру МПАЦ СНК на кристалле Ψкр:  , (3)где L – число архитектурно-пространственных зон на кристалле. По функциональным и технологическим требованиям некоторые зоны содержат фиксированные структуры, не меняющиеся при синтезе. Тогда  , где Ψc - множество постоянных структур,  - множество переменных структур, участвующих в процедуре синтеза.Задача синтеза гетерогенной системы обработки информации в МПАЦ СНК первоначально формулируется как многокритериальная задача. Интегральный критерий зависит от трех критериев и имеет вид:  opt , (4)где Sкр - площадь, занимаемая на кристалле МПАЦ СНК; KFP – критерий функциональной полноты функциональных блоков, используемых в гетерогенной системе; KFZ - критерий функциональной замкнутости в соответствии с определением 6. В работе приводится методология для поиска альтернативных гетерогенных вариантов реализации различных подсистем АЦУ и МПАЦ СНК с последующей их оценкой по выбранному критерию с целью отбора наилучшего (по критерию) варианта. Для решения задачи синтеза фрагментов на основе классических систем преобразуем задачу (4) в однокритериальную задачу, выбирая в качестве главного критерия площадь Sкр и переводя в ограничения KFP и KFZ. Критерий Sкр площади представим в виде:  , (5)где  - площадь j - й зоны с переменной структурой;  - число таких зон;  - площадь n-й зоны с фиксированной структурой.Тогда задача синтеза структур гетерогенных подсистем МПАЦ СНК сводится к задаче минимизации площади, занимаемой ими на кристалле, с соответствующими ограничениями. Зададим бинарные переменные для целевой функции:  и  (6)где xji=  и yim =  где Ij - индексное множество ФБ, входящих в  ; Mi - индексное множество компонентов из TK, принадлежащих i- му ФБ из структуры .Тогда необходимо найти векторы X* и Y*, минимизирующие целевую функцию Sкр :  (7)где  - площадь, занимаемая на кристалле компонентом  ;  - технологические параметры,  - параметр, задающий величину площади для tm .Предложенный алгоритм (рис. 4) позволяет решать как задачу разработки структуры МПАЦ СНК, так и модификации различных фрагментов на основе классических замкнутых схем. В диссертационной работе предложен ряд ограничений для целевой функции.  Рисунок 4 – Алгоритм синтеза гетерогенных систем с решением задачи минимизации пощади кристалла. В третьей главе показано, что благодаря более широкому выбору, предоставляемому множеством гетерогенных функциональных блоков, становится возможным с теоретической точки зрения подбор таких компонентов для реализации нужных функций, которые, во-первых, отвечают критериям функциональной полноты и функциональной замкнутости, во-вторых - могут иметь более простые и более компактные решения в микроэлектронном исполнении в сравнении с решениями на основе классических схем. Комбинируя соответствующие гетерогенные ФБ в нужном порядке и в соответствии с теоретическими положениями, сформулированными в данной главе, можно обеспечить полноценную реализацию требуемых функций в соответствии с какими-либо важными критериями, например - с меньшими аппаратными затратами (в том числе по занимаемой площади кристалла) и с большей эффективностью, чем это позволяет сделать классический метод, ориентированный в основном на гомогенные схемы. Для оценки работоспособности и эффективности предложенных в диссертации теоретических основ анализа и синтеза гетерогенных схем для МПАЦ СНК выбрана одна из наиболее актуальных задач - задача синтеза схем коррекции смещения нуля непрерывных ДОУ, по своей эффективности (фактически - по сложности реализации) сопоставимая со сложностью других гетерогенных схем, используемых в МПАЦ СНК, например, с ДОУ на переключаемых конденсаторах (ПК). Использование классических методов коррекции смещения нуля непрерывных ДОУ на основе ЦАП типа код-напряжение приводит к значительному увеличению сложности всей схемы, а именно - к увеличению площади кристалла, отводимой для подсистем коррекции, что в итоге приводит к уменьшению функциональной насыщенности самих МПАЦ СНК - то есть к уменьшению потенциальных областей их применения. В четвертой главе в соответствии с предложенным выше методом рассмотрены два возможных варианта реализации схемы коррекции напряжения смещения нуля для непрерывных ДОУ, работающих в двух режимах: инвертирующем и неинвертирующем. Альтернативные варианты, полученные в соответствии с предложенной методологией по алгоритму рис. 5, дают примерно в 7-9 раз меньшую площадь (и соответственно – меньшую сложность и более высокую надёжность) схем коррекции при использовании токовых ЦАП (на основе токовых зеркал) и более простых компараторов с автонулением, включая схемы из 2-х, 3-х недифференциальных усилительных каскадов. Расчет моделей схем в диссертационной работе проводился в свободно-распространяемой программе Orcad PSPISE Student 9. Приведенные результаты экспериментов показали, что: 1. Корректирующее сопротивление конвертора rк для гетерогенных схем коррекции нуля непрерывных ДОУ может быть одинаковым для различных напряжений питания в диапазоне 3В…6В, который является типовым диапазоном напряжений питания современных МПАЦ СНК. 2. Собственное смещение нуля компаратора на ПК, используемого для выбора знака выходного тока корректирующего ЦАП и определения кода коррекции, вследствие наличия режима автонуления не влияет на работу схемы. 3. Коэффициенты усиления схем с учетом выбранных сопротивлений соответствуют теоретическим формулам расчета данных коэффициентов. Выходные напряжения полностью прогнозируемы с учетом настроенного коэффициента усиления и скорректированного Есм0 непрерывного ДОУ. Заключение В работе получены основные результаты:
По теме диссертации опубликованы следующие работы: |
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... |
