Введение к работе
Актуальность работы. Высокое быстродействие - наиболее важное требование к вновь создаваемым вычислительным устройствам на элементах с высокой степенью интеграции. Один из резервов повышения быстродействия - оптимизация внутренних переходных процессов в БИС. В настоящее время оценка динамических параметров микросхем и устройств, выполненных на их основе осуществляется, в основном, по задержке распространения сигнала из состояния "ноль" в состояние "единица" и наоборот. При этом не учитывается влияние крутизны фронтов импульсов, а также их формы на динамику функционирования цифрового устройства. Применение моделирования, основанного на законах изменения булевых сигналов, не дает достаточно полного представления о переходных процессах на входах и выходах элементов цифровых микросхем, нет возможности при атом,оценить также, влияние помех различной амплитуды на работоспособность устройства и возможности появления в них гонок. В связи с ростом количества элементов, составляющих БИС, большое значение приобретает в настоящее время и оптимальное размещение этих элементов, а также учет их взаимного влияния, обусловленного паразитными емкостями и индук-тивностями межсоединений, которые невозможно учесть при двоичном моделировании цифровых схем.
Одним из методов, позволяющих детально оценить работу в цифровых системах, является метод описания цифровых элементов с помощью обыкновенных дифференциальных .уравнений. Однако при анализе реальных БИС это требует чрезмерных вычислительных затрат. В связи с этим в настоящее время учет переходных процессов в БИС выполняется искусственным путем - путем представления фронтов сигналов в многозначных алфавитах. Моделирование, основанное на этом методе, дает возможность более детально, чем при двоичном представлении сигналов, исследовать переходные процессы в цифровых схемах. Однако искусственность в представлении цифровых элементов затрудняет анализ цифровых схем и не позволяет исследовать многие ДИН8МИЧЄСКИЄ эффекты, которые обнаруживаются при описании схем обыкновенными дифференциальными уравнениями. В связи с этим в последние годы предприняты попытки создать новый математический аппарат, который, с одной стороны, позволял бы как и в обыкновенных дифференциальных уравнениях учитывать важные динамические явления в цифровых
схемах, а с другой - не требовал бы огромных вычислительных затрат. Первая попытка в этом направлении - разработка булевого дифференциального исчисления, позволяющего в двоичном алфавите учитывать динамику переходных процессов в цифровых схемах, показала перспективность этого направления. Однако двоичное представление сигналов позволяет учесть лишь незначительную часть динамических процессов.
В этом смысле перспективным является описание цифровых систем с помощью К-значного представления сигналов и К-значного дифференциального и интегрального представления дифференциальных и интегральных связей, имещихся в радиоэлектронных устройствах. Работы по этому направлению финансируются из Государственного фонда фундаментальных исследований Украины по научному направлению 1 - математика, информатика и механика. Диссертационная работа непосредственно связана с выполнением заданий по проекту 1/141 "СТЕК" Государственного фонда фундаментальных исследований Украины, а также хоздоговорных работ кафедры "Вычислительная техника и программирование" ХПИ.
Целью диссертационной работы является разработка метода анализа динамических режимов цифровых и гибридных элементов и устройств вычислительной техники на основе К-значного дифференциального исчисления. Для достижения этой цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:
адаптировать математический аппарат К-значного дифференциального исчисления для анализа цифровых устройств;
адаптировать численные методы решения систем К-значных нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих цифровые устройства;
построить базовые модели логических элементов, используемых при моделировании, основанные на методе К-значного дифференциального исчисления;
разработать численные методы для исследования гибридных элетронных устройств;
разработать методы и алгоритмы К-значного дифференциального исчисления для анализа радиоэлектронных устройств с учетом паразитных параметров межсоединений.
Методы исследований базируются на использовании теории клас-
сического дифференциального исчисления, численных методов решения обыкновенных и К-значных дифференциальных уравнений, теории цифровых автоматов, теории электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств и математического моделирования.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
для описания цифровых элементов и устройств введены основные операторы К-значного дифференциального и интегрального исчисления и исследованы их свойства;
построены базовые модели логических элементов, используемых в системах моделирования, основанных на методе К-значного дифференциального исчисления;
разработаны методы анализа цифровых устройств с учетом динамики переключения их входных и выходных сигналов, разработана методика исследования К-значного дифференциального исчислешія цифровых устройств, в которых могут возникать состязания сигналов;
приведен способ оценки работоспособности цифровых схем с учетом возникновения в них помех различной амплитуды;
. - показано применение разработанных численных методов решения систем К-значных дифференциальных уравнений, описывающих функционирование реальных цифровых устройств;
- разработаны численные методы для исследования гибридных
электронных устройств.
Практическая ценность полученных результатов заключается:
в разработке алгоритмов и программ для анализа проектируемых радиоэлектронных устройств с учетом длительности и формы фронтов и спадов сигналов, возможности появления в них гонок и учета помех различной амплитуды, обусловленной паразитными емкостными и индуктивными связям! элементов;
в создашш базы данных цифровых и гибридных устройств, позволяющей проводить анализ проектируемых радиоэлектронных устройств;
в использовании полученных результатов на этапе проектирования БИС, позволяющих достаточно полно исследовать их поведение, что дает возможность сократить брак еще на этапе подготовки производства этих микросхем в связи с возможностью учета динамических параметров переключения их информационных и управляющих сигналов;
в создании программного комплекса моделирования цифровых
и гибридных устройств, выполняющего моделирование тестов для субблоков процессора специализированной ЭВМ;
- в применении К-значного дифференциального исчисления при создании и внедрении в Кишиневском филиале НИИ "Аргон" системы анализа специализированной цифровой системы управления.
Реализация и внедрение результатов работы.
Реализация практических результатов достигнута при проведении научно-исследовательских работ, на кафедре "Вычислительная техника и программирование" Харьковского политехнического института. Внедрение результатов работы осуществлено в Кишиневском НИИ "Аргон" при создании автоматизированных систем анализа РЭА. Разработанная методика анализа цифровых и гибридных устройств позволила увеличить быстродействие системы определения работоспособности вычислительных устройств и повысить качество анализа за счет учета влияния помех различной амплитуды и наводок,, обусловленных наличием паразитішх емкостей и индуктивностей в устройстве. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 30 тыс. руб. (В ценах 1990 г.).
Отдельные'результаты диссертационной работы внедрены в учебном процессе на кафедре "Вычислительная техника и программирование" в лекционном курсе "Автоматизация проектирования ЭВМ", а танке при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертаци-'ошгой работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях: "Методы и системы технической диагностики" ( г. Саратов,
-
г.); "Математическое и машинное моделирование" ( г. Воронеж,
-
г.); "Надежность машин, математическое и машинное моделирование задач динамики. Моделирование - 91" ( г. Кишинев, 1991 г.); "Передача, обработка и отображение информации" (г.Теберда-Харь-ков, 1990, 1991 и 1992 гг.); а также Республиканских конференциях: "Функцинально -.ориентированные вычислительные системы" ( г. Харьков, 1990 г.); "Микропроцессорные системы связи . и управления на железнодорожном транспорте" (г. Алушта, 1991 и 1992 гг.);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ и получено авторское свидетельство.
Структура и объем работы. Диссертация состоит- из введения, шести глав, заключения, изложенных на 149 страницах машинописного
текста, перечня используемой литературы из 117 наименований и приложений на 67 страницах. Работа иллюстрирована 33 рисунками и 21 таблицей.
