Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор аналоговых и аналого-цифровых систем различного назначения 11
1.1 Введение в анализ, описание использованных методов . 11
1.2 Существующие варианты построения аналого-цифровых систем 22
1.2.1 Программируемые аналого-цифровые вычислительные системы (АЦВС) 22
1.2.2 Системы сбора и вывода данных (ССВД) , 26
1.2.3 Процессоры цифровой обработки сигналов (ПЦОС) 29
1.2.4 Полностью заказные системы на кристалле 31
1.2.5 Аналого-цифровые контроллеры , 33
1.2.6 Аналоговые процессоры , 39
1.2.7 Программируемые аналоговые схемы 43
1.2.8 Дискретно-аналоговый процессор... 58
1.3 Аналоговые и аналого-цифровые измерительные системы 62
1.4 Обзор методов синтеза многофункциональных аналоговых и аналого-цифровых систем 62
1.5 Основные результаты и выводы , , 6S
2 Формальный анализ и синтез многофункциональных программируемых аналого-цифровых систем на «кристалле». 70
2.1 Постановка задачи разработки методов анализа и синтеза МПАЦ СНК. Модель системы 70
2.2 Анализ классов задач, решаемых типовыми аналого-цифровыми системами 73
2.3 Анализ состава операций МПАЦ СНК ,. .85
2.3.1 Введение в методы анализа состава операций 85
2.3.2 Анализ состава операций аналоговых блоков ,.86
2.3.3 Анализ состава операций цифровых блоков и цифровых интерфейсов 95
2.4 Анализ связей между блоками 105
2.5 Методы базового распределения операций по блокам 115
2.6 Синтез внутренней структуры функционального блока 127
2.7 Синтез подсистемы коммутации 137
2.8 Вопросы синтеза подсистемы управления 144
2.9 Основные выводы и результаты, 148
2.9.1 Выводы 148
2.9.2 Основные научные результаты , 154
3 Применение разработанных методов синтеза при проектировании систем на «кристалле» с регулярной структурой 155
3.1 Введение в процедуру синтеза блоков 155
3.2 Синтез блока непрерывной обработки сигналов 156
3.3 Блок на переключаемых конденсаторах 171
3.4 Цифровые блоки 185
3.5 Блок управления 194
3.6 Практическая реализация МПАЦ СНК с регулярной структурой 198
3.7 Анализ классов задач, решаемых при помощи спроектированной МПАЦ СНК 202
3.8 Основные результаты и выводы 211
Заключение. 213
Список сокращений 215
- Введение в анализ, описание использованных методов
- Постановка задачи разработки методов анализа и синтеза МПАЦ СНК. Модель системы
- Методы базового распределения операций по блокам
- Синтез блока непрерывной обработки сигналов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время большой интерес в промышленности связан с разработкой многофункциональных систем на кристалле. Такие системы обладают рядом ключевых преимуществ, например:
позволяют выполнить замену части программных операций их аппаратными реализациями, это в свою очередь 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 (ФБ) 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 (например, в авиастроении и космической отрасли);
в случае совмещения аналоговой и цифровой частей можно получать однокристальные системы, работающие в самых разнообразных режимах, что позволяет в перспективе отказаться от специализированных схем (например, интерфейсных), заменив их многофункциональными системами на кристалле;
Кроме того, в настоящее время в мире наблюдается интенсивный рост числа и сложности электронных систем. Однако с увеличением числа и разнообразия таких систем возрастает и сложность их диагностики и ремонта. Дня обслуживания большинства современных электронных систем необходимы различные измерительные и диагностические приборы и инструменты, номенклатура которых достаточно велика.
В лабораторных условиях возможно сокращение числа таких приборов за счет использования многофункциональных информационно-измерительных систем (МИИС), которые являются сравнительно дорогостоящими устройствами и обладают достаточно большими габаритами и весом.
Для решения аналогичных задач в нестационарных условиях разработаны различные малогабаритные устройства: мультиметры, портативные осциллографы, генераторы испытательных сигналов. Они характеризуются малыми размерами, батарейным питанием, относительно невысокой точностью и отсутствием возможности программирования их функций со стороны пользователя. Таким образом, возникает потребность в создании приборов, обладающих качествами МИИС, но в портативном исполнении. Препятствием на пути к созданию таких устройств является отсутствие эффективных структурных и архитектурных решений для реализации как аналоговой части прибора, так и всей системы в целом.
Архитектура классических МИИС представляет собой набор отдельных блоков с системой коммутации и цифровым управляющим и обрабатывающим устройством. Данный подход неприменим при разработке портативных или «носимых» приборов из-за ограничений по габаритам, массе и потребляемой мощности. Кроме того, из-за узкой специализации входящих в МИИС блоков, для обеспечения её многофункциональности приходится увеличивать их номенклатуру.
Одним из основных ограничивающих факторов при разработке таких приборов является сложность их реализации. Для того, чтобы понизить сложность прибора, ряд авторов [28] рекомендует принцип многократного (рекурсивного) использования дорогостоящей аппаратуры.
Таким образом, основной задачей в области синтеза многофункциональных аналого-цифровых систем (АЦС) является разработка путей преодоления ограничений, обусловленных имеющимися аппаратными ресурсами, возможностями существующей элементной базы и допустимой величиной аппаратных затрат.
Анализ существующих наработок в области построения аналого-цифровых микросхем показывает, что кристаллов, пригодных для создания систем с многократным использованием аналоговой части для решения различных классов задач, чрезвычайно мало, причем все существующие разработки построены либо на основе модификации классических структур систем сбора и вывода данных, либо эмпирических представлений их авторов о структурах таких систем.
Целью работы является разработка методов анализа и синтеза многофункциональных аналого-цифровых программируемых "систем на кристалле" (МПАЦ СНК), типовых архитектур их построения, а также разработка методов их последующей оптимизации по критериям функциональности и стоимости. Путь к достижению этой цели связан с решением следующих проблем:
разработки методов оптимизации состава электронных компонентов в конфигурируемых многофункциональных блоках, а также методов выбора эффективных подсистем коммутации конфигурируемых блоков в МПАЦ СНК;
определения максимально-широкого класса задач, решаемых МПАЦ СНК, для получения списка всех возможных операций, необходимого для его последующей оптимизации, с целью определения близкого к оптимальному состава (по указанным выше критериям) аппаратно реализуемых многофункциональными блоками базовых операций;
разработки критериев пригодных для оценки эффективности систем работающих с гетерогенными наборами сигналов;
разработки методов и соответствующих алгоритмов синтеза внутри-блочной структуры, а также синтез на их основе схемотехнических решений для МПАЦ СНК которые по числу реализуемых функций, количеству используемых аналоговых ключей, гибкости и уровню программируемое превосходят существующие аналоги.
Методы исследований, использованные в диссертации, включают в себя методы комбинаторики, теории вероятности, математической логики, теории
вычислений, общей теории систем, объектно-ориентированного программирования, теории графов, формальной технологии, элементов теории свойств и функциональностей объектов, реляционную алгебру.
Научная новизна работы определяется дальнейшим развитием методов и средств анализа и синтеза многофункциональных программируемых систем на кристалле.
Научную новизну раскрывают следующие результаты.
Предложены методы и соответствующие алгоритмы оптимизации состава компонентов в конфигурируемых блоках многофункциональных программируемых аналого-цифровых систем на кристалле (по критериям многофункциональности и аппаратным затратам) и оптимизации их коммутационной подсистемы, которые, в отличие от ранее существующих методик, относятся к числу полуавтоматических, т е. не требуют участия человека на каждом шаге синтеза
Получена многокритериальная классификация существующих электронных систем, использующая следующие критерии' принцип организации вычислительного процесса (аналоговой и цифровой частей), варианты аналоговой схемотехники, способы коммутации блоков, способы программирования (аналоговой и цифровой частей), источники команд на изменение конфигурации (аналоговой и цифровой частей), классы решаемых задач. На основе анализа, с использованием предложенной классификации, получены данные по коэффициентам использования различных операций и связей между их функциональными блоками, на основе чего выделен набор операций для конфигурируемых аналоговых и цифровых блоков (включая интерфейсные), обеспечивающий максимальную многофункциональность проектируемой системы на кристалле.
Впервые предложен интегральный критерий оценки степени эффективности (по критериям многофункциональности и аппаратным затратам) многофункциональных программируемых аналого-цифровых систем на кристалле, что позволяет проводить количественную оценку и сравнение эффективности различных аналого-цифровых систем и возможных вариантов их реализации.
Синтезированы схемотехнические решения для конфигурируемых аналоговых и цифровых блоков, а также вариант архитектуры многофункциональной программируемой аналого-цифровой системы на кристалле, которые по числу реализуемых функций, количеству используемых аналоговых ключей, гибкости и уровню программируемое превосходит существующие аналоги
Практическая значимость результатов: постановка задачи соответствует актуальным потребностям электронной промышленности в области разработки МПАЦ СНК. Практическая значимость результатов обусловлена тем, что.
Разработаны практические методы анализа и синтеза структур конфигурируемых аналоговых и цифровых блоков, пригодные в своей совокупности для использования в составе САПР для проектирования МПАЦ СНК.
Разработаны критерии, пригодные для предварительной (субъективной) и более точной (объективной) оценки эффективности анализиру-
емых и синтезируемых систем.
Разработаны практические алгоритмы минимизации номенклатуры различных типов ФБ и их элементов, а также сокращения процедуры поиска квазиоптимального распределения операций по блокам.
Предложены алгоритмы синтеза внутри-блочной структуры на основе матриц частичной коммутации и анализа эффективности рассматриваемых вариантов реализации операций в блоке. Алгоритмы базируются на дереве минимального покрытия, получаемом при помощи модифицированного алгоритма Краскаля.
Предложен алгоритм синтеза шинной архитектуры МПАЦ СНК, использующий информацию о числе и характере связей объектов с друг другом. В ходе реализации алгоритма выполняется сортировка списка соединяемых объектов по возрастанию числа их связей и на итоговую схему в первую очередь наносятся ключи, имеющие наибольшее число связей.
Практическая ценность работы определяется использованием предложенных методов в качестве основы для проектирования МПАЦ СНК, что позволяет создавать программируемые приборы самого различного назначения. Использование этих методов и схемотехнических решений, полученных в ходе выполнения работы, а также разработанной структуры МПАЦ СНК и базовых схем блоков позволяет выполнить реализацию ядра таких систем в виде большой интегральной схемы (БИС), выполненной при помощи технологий комплементарных структур металл-окисел-полупроводник (КМОП) и биполярных КМОП (БиКМОП). Возможна разработка САПР, основанной на предложенных в работе алгоритмах и методах анализа и синтеза МПАЦ СНК. Предложенные алгоритмы относятся к классу «полуавтоматических» алгоритмов и поэтому позволяют сократить время и повысить качество анализа и синтеза многофункциональных аналого-цифровых систем на кристалле.
Реализация результатов. Разработанные теоретические, системо- и схемотехнические решения внедрены на ООО «Телефонные и радио системы» и использовались при разработке лаборатории с дистанционным доступом для
выполнения реальных лабораторных работ, принятой в опытную эксплуатацию на кафедре вычислительной техники СамГТУ.
Апробация работы проводилась на заседаниях кафедры вычислительной техники СамГТУ и следующих конференциях: на 3-й международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» г. Самара, 2002 г. [34], межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке и образовании» г. Самара, 2002 г. [35], 5-й международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» г. Самара, 2004 г. [70], всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании», г, Самара, 2004 г. [36], международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-2005)», г. Самара, 2005 г. [33].
Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в 3 статьях в периодических научных журналах [32, 37, 69], 5-ти публикациях в виде тезисов докладов [34, 35, 70, 36, 33].
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка сокращений, указателя сокращений и списка литературы. Список литературы включает в себя 169 наименований, из них 94 на иностранных языках. Основная часть работы изложена на 214 страницах.
В главе 1 дан обзор ряда существующих аналоговых и аналого-цифровых приборов и систем. При этом произведен анализ их особенностей и подсчет коэффициентов использования различных операций, а также оценка характера связей между блоками.
В главе 2 рассмотрены вопросы синтеза отдельных блоков для многофункциональных АЦС, а также определены классы решаемых ими задач. Приведено шесть основных типов архитектурных решений для их построения, разработанных в диссертации. Сформулирован ряд требований к структуре связей внутри системы. Дан обзор различных программных и аппаратных интерфей-
сов и протоколов и сформирован набор операций для их аппаратной реализации. Приведены описания алгоритмов оптимизации состава компонентов в блоках, а также числа связей между ними. Приведены этапы синтеза базовых схем блоков разного типа на основе разработанных алгоритмов и методик.
В главе 3 приведены практические реализации синтезированных блоков, а также базовая схема, построенная на основе одного из приведенных в главе 2 архитектурных решений,
В заключении кратко перечисляются основные результаты выполненных исследований и формулируются соответствующие выводы.
На защиту выносятся следующие положения:
методы определения квазиоптимального распределения операций по конфигурируемым многофункциональным аналоговым и цифровым блокам (по критериям многофункциональности и аппаратным затратам) в МПАЦ СНК, а также методы оптимизации их коммутационной подсистемы;
схемы многокритериальной классификации электронных систем, аналоговых операций и цифровых интерфейсов;
критерии оценки степени эффективности (по критериям многофункциональности и аппаратным затратам) МПАЦ СНК;
базовые структуры синтезированных в диссертации программно-конфигурируемых блоков: цифрового, непрерывной обработки сигналов, на переключаемых конденсаторах, а также вариант архитектуры построения МПАЦ СНК.
Введение в анализ, описание использованных методов
В первой главе проведен обзор существующих разработок и их классификация. Это позволило обнаружить характерные особенности рассматриваемых систем и использовать эти особенности в качестве критериев классификации. При этом для обеспечения возможности предварительного анализа приведено краткое описание использованного в нем метода.
В рамках формальной технологии (ФТ) предложен ряд подходов к определению полноты состава операций для функциональных систем, не принадлежащих к классу булевских [28, 30]. С другой стороны, в ряде работ, в том числе в теории фреймов, в системологии Дж.Клира, в "алгебре физических взаимодействий" Е.М.Карпова, в работе [28] приводятся формальные определения понятия "свойство объекта", которые хорошо подходят для введения критериев классификации различных технических систем и их компонентов. В работе [27] даётся определение понятия свойства (объекта или конструкции), фактически объединяющее все перечисленные выше точки зрения. Приведем соответствующее определение в кратком изложении: «Определение 1.1.1. Свойство объекта (или конструкции) - это некоторая числовая, геометрическая, физическая или любая другая, в том числе воображаемая, его характеристика,... по которой (по которым) они (объекты, конструкции) могут отличаться друг от друга или от своего предшествующего во времени и/или пространстве, состояния», [28].
Опираясь на данное определение, можно рассматривать анализируемые системы, как совокупность "значений" (числовых или нечисловых) заранее определенного набора свойств. При этом соответствующие значения для упрощения анализа будем выбирать из фиксированного, заранее определённого списка. Очевидно, что предугадать все свойства, необходимые для эффективного анализа, невозможно, поэтому в вышеупомянутый список вошли те из них, которые, по мнению автора, представляют наибольший интерес в плане много функциональности. В итоге, свойства компонентов и систем, использованные для анализа, выбирались таким образом, чтобы обеспечить получение в качестве их значений наиболее характерных особенностей анализируемой системы или ее компонента. При этом оказывается возможным использовать интерпретацию свойств, как классификационных признаков, для построения различных схем классификации анализируемых систем.
На рис. 1 показаны различные классификационные признаки (векторы классификации), применяемые при последующем анализе систем. На рисунке использовались следующие обозначения: При классификации по принципу организации вычислительного процесса выбраны два основных варианта: потоковый и рекурсивный. Потоковый принцип обработки информации заключается в том, что блоки, реализующие заданные операции над аналоговыми или цифровыми сигналами, соединяются таким образом, что структурная схема вычислительной системы повторяет структуру решаемых ею задач (например, структуру систем дифференциальных уравнений). Рекурсивный принцип обработки информации заключается в возможности запоминания и последующей передачи полученных результатов снова на вход системы для выполнения следующей дискретной операции (преобразования информации), соответствующей очередному шагу программы. Возможен также смешанный рекурсивно-потоковый принцип обработки сигналов, где некоторая часть алгоритма выполняется потоковыми структурами, а оставшаяся часть - при помощи рекурсивного устройства. При разделении реальных систем обработки информации по классам решаемых задач возможны следующие значения свойства: - усиление сигналов; - фильтрация; - специальные математические алгоритмы; - решение уравнений; - автоматические регуляторы; - аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования; - другие преобразования аналоговых сигналов. При этом в классе «усиление» возможны следующие операции: умножение уровня входного сигнала на уровень сигнала X, умножение уровня сигнала на коэффициент К, деление уровня входного сигнала на уровень сигнала X, деление уровня сигнала на коэффициент К. В классе «фильтрация» возможны два подкласса: «аналоговая фильтрация» и «цифровая фильтрация». В обоих подклассах возможны следующие наборы фильтров: фильтр низкой частоты (ФНЧ), фильтр высокой частоты (ФВЧ), режекторный фильтр, полосовой фильтр. К классу «специальных математических алгоритмов» отнесены все аналоговые и цифровые схемы, вычисляющие некоторые математические выражения над аналоговыми или цифровыми сигналами (например, блоки вычисления квадратного корня, вычисления значения синуса и т.д.). К классу «решение уравнений» отнесены системы, с помощью которых возможно решение уравнений (дифференциальных, квадратных и др.) в аналоговой или цифровой форме. К «автоматическим регуляторам» отнесены классические системы с объектом регулирования в контуре управления. К классу «преобразований аналог-цифра и цифра-аналог» отнесены преобразования любых аналоговых параметров в код и обратно. В класс «преобразования аналоговых сигналов» вошли системы способные выполнять преобразования между двумя параметрами аналоговых сигналов из следующего списка: длительность сигнала, число импульсов, ток, напряжение, частота, фаза, сопротивление, емкость, индуктивность. В системе классификации отсутствует параметр "цифровые алгоритмы", поскольку предполагается, что современная МПАЦ СНК, должна строиться на основе цифрового процессора, отсутствие которого однозначно снижает многофункциональность системы. При классификации по базовым вариантам аналоговой схемотехники возможны следующие значения: аналоговая схемотехника на переключаемых конденсаторах (ПК), на преобразователях, использующих широтно-импульс-ную модуляцию (ШИМ), непрерывного преобразования (классическая схемотехника использующая вольт-амперные характеристики - ВАХ - компонентов для выполнения преобразования сигналов), сверхрегенераторный (то же, что и непрерывный, с тем лишь отличием, что компоненты находятся в состоянии, близком к насыщению [8]). В классификации по критерию «способ коммутации блоков», возможны следующие значения: «Ручная предварительная коммутация» - коммутация, использовавшаяся в аналоговых вычислительных машинах (АВМ) старого типа, и продолжает использоваться при применении микросхем малой степени интеграции в процессе макетирования устройств. Этот вид коммутации, как правило, осуществляется при помощи специальных разъемов, соединяемых коммутационными кабелями или перемычками. «Полная матрица коммутации» содержит набор электронных ключей и обеспечивает выполнение соединений «каждый с каждым» (в том числе одновременных). «Замена части связей ключами» - данный вариант представляет собой расширение ручной предварительной коммутации для обеспечения возможности программного изменения лишь некоторых соединений схемы. «Неполная матрица коммутации» - как правило, реализуется в виде мультиплексора на входе блока, входы которого подключены к разным блокам системы. Благодаря этому обеспечивается возможность модификации структуры путем реконфигурирования связей между блоками.
Постановка задачи разработки методов анализа и синтеза МПАЦ СНК. Модель системы
Материалы предыдущей главы показывают, что рассмотренные в ней системы обладают низким коэффициентом эффективности. Из данного факта можно сделать вывод о том, что основная проблема, связанная с синтезом МПАЦ СНК, заключается в отсутствии для них теоретически обоснованных автоматических или полуавтоматических методов анализа и синтеза. Следовательно, главная задача, которая должная быть решена на теоретическом уровне - это разработка соответствующих формальных алгоритмов анализа и синтеза, совокупность которых позволяет исключить или значительно сократить участие человека в процессе синтеза МПАЦ СНК.
Как отмечалось в первой главе, для борьбы с ограничением на сложность реализуемых в аналоговой форме алгоритмов (параллельно с автокоррекцией погрешностей), можно произвести объединение ФБ, выполняющих часто используемые операции, в более крупные (потоковые) блоки. Тем самым увеличивается число разных типов операций и сложность реализующих их блоков, но в то же время обеспечивается возможность построения более сложных алгоритмов обработки сигналов. Поскольку синтезируемая МПАЦ СНК работает с гетерогенными наборами сигналов, а также так как в ней используются различные принципы реализации аналоговой схемотехники (непрерывная обработка сигналов, переключаемые конденсаторы), исследование точностных характеристик синтезированных схем не производилось. Анализ точности в рамках данной работы нецелесообразен также потому, что существует большое число известных способов повышения точности в каждом из принципов обработки аналоговых сигналов, и во многом использование того или иного метода повышения точности зависит от выбранной технологии производства микросхемы. Аналого-цифровые системы, совместно использующие рекурсивные принципы организации вычислительного процесса и расширенный набор операций, позволяют повысить максимальную длину алгоритма без катастрофической потери точности. А поскольку методы, предназначенные для синтеза таких смешанных рекурсивно-потоковых блоков, отсутствуют - имеет смысл уделить особое внимание их разработке.
При разработке таких методов не требуется производить выделение функционально-полных (базовых) наборов операций, которые обеспечивают максимально-широкую область применения разрабатываемой МПАЦ СНК при минимальном составе самих базовых операций. Вместо этого предлагается противоположный подход - квазиоптимальная суперпозиция схем реализации различных операций из максимально-широкого списка операций в блоках, число типов которых невелико. Применение небольшого числа типов блоков выгоднее, поскольку позволяет использовать регулярные структуры при построении МПАЦ СНК, которые, как показано в последующих параграфах настоящей главы, обладают рядом преимуществ.
Как следует из параграфов 1.2.5 - 1.2.8, разработка МПАЦ СНК представляет собой многоэтапный процесс, основными из которых являются следующие: - определение круга решаемых системой задач; - определение состава операций, реализуемых в ФБ; - распределение операций между различными ФБ; - определение связей между ФБ; - разработка ФБ аналоговой части системы; - разработка ФБ цифровой части; - определение номенклатуры связей между аналоговой и цифровой частями; - анализ проекта МПАЦ СНК на предмет осуществимости реализации запланированных операций и круга решаемых задач. Многие из поставленных задач (этапов) представляются достаточно сложными, поскольку для решения (выполнения) некоторых из них требуется наличие статистических данных и формального аппарата синтеза. Исходя из вышеизложенного, одной из важных задач при проектировании МПАЦ СНК является анализ возможных областей ее применения. Этот этап необходим для получения конкретного перечня классов задач, решаемых МПАЦ СНК. На основе результатов, полученных на данном этапе, осуществляется определение состава операций, выбор архитектуры МПАЦ СНК и анализ результатов синтеза. Очень важный этап - выбор состава операций, реализуемых блоками, и их эффективное распределение по ФБ. Причем от эффективности такого распределения будет зависеть суммарная эффективность и степень многофункциональности проектируемой МПАЦ СНК. Другой проблемой на пути решения задачи проектирования МПАЦ СНК является обоснованный выбор системы коммутации и обобщенной скелетной архитектуры. В следующих параграфах детально проанализированы перечисленные выше этапы проектирования, приведены "полуавтоматические" алгоритмы их выполнения, а также предложены критерии анализа, позволяющие выполнить автоматизированное принятие оптимальных и квазиоптимальных решений. По мере выполнения различных этапов анализа сформулирован ряд требований к архитектуре МПАЦ СНК. Во всех алгоритмах предложенных в диссертации использована модель системы представляющая собой набор из трех графов: - граф функциональных взаимозависимостей между операциями; - граф структуры связей между функциональными блоками; - граф структуры связей внутри функциональных блоков. В некоторых случаях вместо графа используется частичный подграф поскольку построение полного графа невозможно. Таким образом задача оптимизации системы сводится к нахождению таких частичных подграфов которые обеспечивают построение системы с максимальным числом поддерживаемых функций при минимальном числе ребер графов.
Методы базового распределения операций по блокам
В случаях, когда необходимо обеспечить возможность масштабирования, вероятнее всего возможно только одно решение - увеличение числа операций, реализуемых блоками, которое наряду с регулярной структурой связей между ними дает эффективные реализации МПАЦ СНК. Рассмотрим, каким образом можно осуществить совмещение нескольких функций в одном аналоговом блоке. Возможны следующие подходы: a) реализация требуемых операций в виде отдельных блоков, объединение их локально-полными матрицами коммутации (ЛПМК) с образованием сложного блока; b) выделение элементарных операций, задание рекурсивной схемы работы блока и алгоритмическая реализация всех требуемых операций; c) набор «нескоммутированных» элементов и объединение их при помощи матриц коммутации; d) набор «нескоммутированных» элементов, а также простых блоков, и объединение их при помощи частичных матриц коммутации на основе дерева минимального покрытия с добавлением недостающих связей (параграф 2.7). Рассмотрим данные подходы более подробно. Подход а) применяется в информационно-измерительных системах, когда каждый измерительный прибор представляет собой набор компонентов для измерения различных характеристик и систему коммутации для связи между компонентами и выбора режимов работы. Сами измерительные приборы, в свою очередь, являются компонентами для более сложной системы (самой ИИС). При разработке МПАЦ СНК данный подход не получил распространения из-за слишком высокой избыточности как по компонентам, так и по подсистемам коммутации. Подход Ь) разрабатывается и описывается в работах [25, 28]. Его основные достоинства - относительно низкая стоимость, крайне высокая многофункциональность и простота реализации сложных операций. Недостаток - низкая скорость работы при реализации сложных алгоритмов из-за отсутствия в структуре потоковых фрагментов, а также невозможность реализации потоковых преобразований. В работе [31], описывается процедура синтеза рекурсивно-потоковых схем на основе данного подхода. Подход с) применяется в микросхемах с программируемой транзисторной матрицей (Field Programmable Transistor Array (FPTA)) [80, 81]. Такой подход - за счет использования в качестве базовых элементов транзисторов - обладает исключительной гибкостью, однако требует большого объема данных для конфигурирования, что затрудняет процесс смены конфигурации из-за необходимости быстрого изменения состояния связей большого числа транзисторов. Подход d) позволяет объединить достоинства подходов а) и Ь), при этом не происходит значительного роста числа ключей как в подходе с), а, следовательно, и объема конфигурационных данных. Синтез с использованием подхода d) условно можно разделить на следующие этапы - рис. 40: - На основе схем реализации различных специализированных блоков, пригодных для подхода а), выписываются схемы реализации различных операций. - Для каждой схемы реализации операции составляется список соединений. - На основе полученного списка соединений определяется возможность использования «жестких» связей для некоторых соединений. - Составляется граф (дерево покрытия) с применением "коэффициентов использования" различных соединений в качестве весов на дугах. - На основе алгоритма Краскаля выполняется поиск минимального дерева покрытия. - Осуществляется проверка возможности реализации всех операций из списка требуемых. В случае невозможности реализации какой-либо из операций, осуществляется добавление новых связей. При использовании алгоритма Краскаля результат оказывается не определен в случае, если некоторые из связей имеют одинаковые значения "коэффициентов использования". Иными словами, при различной сортировке исходных данных возможны различные результаты. Для устранения данного недостатка необходимо, - при получении в ходе работы алгоритма Краскаля связей с одинаковыми значениями "коэффициентов использования", - выполнять их пересчет с учетом ранее добавленных в покрытие связей и выбранных альтернативных реализаций операций.
На этапе добавления недостающих связей (этап 11 на рис. 40) также достаточно часто встречаются ситуации равенства "коэффициентов использования", поэтому принятие решения о добавлении связей в покрытие осуществляется на основе анализа длины образуемого при добавлении очередных связей цикла, Из двух связей с одинаковыми значениями "коэффициента использования" в покрытие добавляется связь, обеспечивающая образование более длинного цикла. Использование в качестве критерия для выбора - длины образуемого цикла обуславливается необходимостью повысить показатель точности синтезируемых блоков. Как отмечалось в параграфе 2.4(прохождение сигнала через большое число последовательных ключей приводит к погрешностям и дополнительным задержкам. Замена более длиной связи (состоящей из последовательно соединенных ребер) прямым соединением - эффективнее в плане увеличения точности.
Для иллюстрации части этапов данного алгоритма было решено применить реляционную алгебру. Это позволило в краткой форме отразить логику их работы.
Список соединений, полученный на втором этапе работы алгоритма (рис. 40), записывается в виде отношения, представленного следующей схемой: S(KOn, КРЕАЛИЗ, А, Б). Здесь атрибуты означают следующее: КОП - код операции - представляет уникальный идентификатор операции (например числовой); КРЕАЛИЗ - код реализации - уникальный идентификатор одного из вариантов реализации операции (уникальность кода реализации должна обеспечиваться в пределах одной операции); А и Б - уникальные идентификаторы соединяемых объектов (выводов электронных компонентов).
Синтез блока непрерывной обработки сигналов
Усилитель, использующий непрерывную обработку сигналов, может быть получен, например, с применением ДОУ и двух резисторов [20, 22, 50, 60, 71]. Эти же резисторы могут быть использованы для реализации схем делителей, фильтров, компараторов с гистерезисом, интеграторов, дифференциаторов и т.д. Для регулировки КУ усилителя необходимо обеспечить изменение импеданса данных резисторов. Это может быть сделано с применением различных средств, например: резистивной сетки [25], двоично-взвешенных резисторов [71], последовательного соединения одинаковых резисторов [151], «цифровых» переменных резисторов [12S].
При построении интегратора или дифференциатора необходимо наличие реактивного сопротивления в схеме блока. Использование индуктивностей в составе ИС крайне затруднено, поэтому, как правило, используются конденсаторы [20, 22, 50, 60, 71]. Конденсатор может быть использован также для реализации записи/хранения уровня аналогового сигнала, в фильтрах, в гираторах и генераторных схемах. Так как в интеграторах требуется изменение постоянной времени в широких пределах, то желательно реализовать возможность изменения емкости конденсатора. Изменение емкости полезно и для других операций. Для изменения емкости возможно применение различных методов: двоично-взвешенных конденсаторов [21, 151], варисторов [152], параллельного соединения конденсаторов [87], умножителей емкости [71]. В случае невозможности использования перечисленных подходов в выбранной технологии производства БИС допустимы также следующие варианты: - регулировку постоянной времени осуществлять только изменением величины резистора; - обеспечить возможность соединения переменного конденсатора ПК-блока с необходимыми компонентами блока непрерывной обработки сигналов. Как показано во второй главе, одним из важнейших требований к МПАЦ СНК является наличие операций вычисления предикатов. В параграфе 2.3.2 отмечается, что для реализации схем сравнения уровней напряжения требуется предотвратить насыщение выходных каскадов в усилителе блока сравнения. Данный тезис также подтверждается авторами работы [71]: «...несмотря на то, что компараторы очень похожи на операционные усилители, в них никогда не используют отрицательную обратную связь, так как она снижает стабильность этих устройств...» в этой же работе ранее, авторами говорится: «в схеме операционного усилителя обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае операционный усилитель обязательно попадет в режим насыщения.» Существует две возможности для совмещения блоков на ДОУ с компараторами: - в качестве компараторов могут использоваться обычные ДОУ с дополнительными диодами на выходе (уже имеющиеся в схеме). Однако такое построение приводит к недостаточно высокой скорости срабатывания компараторов из-за насыщения транзисторов выходных каскадов ДОУ; - можно спроектировать элемент, совмещающий в себе функции усилителя и компаратора, используя два типа выходных каскадов, при этом питание будет подаваться только на один из них. Такой подход использован в блоках непрерывного преобразования микросхемы PSoC [151]. Закончив выбор элементов, необходимых для синтеза блока, перейдем к выбору подходящей архитектуры связей внутри блока. Рассмотрим возможность применения различных архитектур внутри блока. Для этого подсчитаем эффективность использования каждой архитектуры для реализации блока непрерывной обработки аналоговых сигналов. За основу возьмем схему, изображенную на рис. 48. Данная схема фактически повторяет рис. 47, с тем отличием, что на нее нанесены выбранные выше элементы, а также осуществлена маркировка их выводов путем нумерации. Рассмотрим возможность применения ПМК в качестве базовой подсистемы коммутации внутри такого блока. Используя формулу (26), подсчитаем количество требуемых для реализации ПМК ключей, в результате получим: Е=161/(2! (16-2)!)=120. Выполним расчет количества требуемых для реализации шинной архитектуры числа ключей. Как отмечалось в параграфе 2,7, шинная архитектура наиболее эффективна при числе связанных в одно соединение элементов, вдвое меньшем общего числа соединяемых объектов. Как видно из таблицы 34, в которой приведены описания соединений, необходимых для реализации каждой запланированной операции, среднее количество соединенных в одну подсистему элементов равно 3,7. Поскольку число шин не может быть дробным значением - примем их количество, равным 4. Рассчитаем требуемое для реализации шинной архитектуры число ключей, получим: L=16 4=64.
Для ЧМК на сегодняшний момент отсутствуют математические выражения для расчета требуемого числа ключей. Основное отличие ЧМК от ПМК в том, что с ее помощью организуются только действительно необходимые связи. Сложностью их определения и обуславливается невозможность точного расчета требуемого числа ключей. Осуществить такой подсчет можно только после окончания синтеза блока. Выполняя сравнение ПМК и подсистем коммутации с шинной архитектурой, делаем вывод о том, что шинная архитектура менее «ресурсоемка» на K=E-L=120-80=40 ключей.
