Введение к работе
Актуальность исследования. При решении обширного круга задач обработки (преобразования) информации используются логические устройства, представляющие собой в общем случае («,/72)-полюсник, который каждому заданному набору значений п входных сигналов сопоставляет соответствующий набор значений т выходных сигналов. В условиях научно-технического прогресса структурная организация указанных устройств эволюционирует с постоянным повышением уровня элементной интеграции от индивидуальных (специализированных) структур к универсальным структурам широкого применения. Эффективность такой эволюции неразрывно связана с решением проблемы обеспечения универсальности (функциональной гибкости) логических устройств.
Усилиями многих исследователей создана теория конечных автоматов, служащая основой синтеза произвольного логического устройства (модуля), входные и выходные сигналы которого являются двоичными. Алгоритм функционирования и внутренняя структура такого модуля описываются функциями двузначной логики (ДЛ). Видное место в среде конечных автоматов занимают так называемые перестраиваемые конечные автоматы или универсальные логические модули. Указанные модули за счет дополнительных к информационным настроечных входов имеют возможность настройки на реализацию любой из нескольких ДЛ-функций. При этом различают модули, универсальные в классе всех, и модули, универсальные в классе некоторых ДЛ-функций. Последние часто называют многофункциональными логическими модулями.
Логические модули с двоичными входами и выходами широко применяются в системах автоматики, вычислительной техники и управления. Однако, если состояние объекта управления (контроля) характеризуется и регулируется соответственно пит многозначными либо континуальными переменными, то для управления таким объектом необходим логический (и,/77)-полюсник, выполняющий обработку многозначных или континуальных данных. Очевидно, что алгоритм функционирования последнего должен определяться функциями многозначной либо бесконечнозначной (непрерывной) логики.
Теории и схемотехнике многозначных логических (МЛ) модулей посвящены работы Иваськива Ю.Л., Поспелова Д.А., Ракова М.А., Кухарева Г.А., Шмерко В.П., Зайцевой Е.Н. Джейна А., Болтона Р., Дрехслера Р., Фиттинга М. и др.
Однако, в этих работах отсутствуют научно обоснованные технические решения универсальных в классе всех ^-значных и-арных логических функций МЛ-модулей, имеющих наиболее простую структурную организацию. Важность указанных решений обусловлена значительной сложностью многозначных схем.
Исследования математического аппарата и схемотехники бесконечно-значных логических (БЛ) модулей изложены в работах Мак-Нотона Р., Уилкинсона Г., Гинзбурга С.А., Кендела А., Еремеева И.С, Левина В.И., Золотовой Т.М., Волгина Л.И., Шимбирева П.Н. и др.
Волгин Л.И., занимаясь кроме того и проблемами синтеза универсальных БЛ-модулей, предложил принципы построения аналоговых мультиплексоров, универсальных в классе всех и-арных функций бесконечнозначной логики, принимающих значение одного из своих аргументов. Сложность этих устройств вызывает необходимость разработки новых принципов их более простой структурной организации и разработки технических решений новых БЛ-модулей, универсальных в более узких, но весьма важных для практики классах БЛ-функций.
Таким образом, возникает актуальная проблема совершенствования существующих и создания новых средств с высокой концентрацией воспроизводимых операций логической обработки многозначных и континуальных данных.
Актуальность диссертационного исследования подтверждается тем, что его тематика соответствует разделу «Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации» утвержденного Президентом РФ 21.05.2006 г. перечня критических технологий Российской Федерации.
Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является создание теоретической и схемотехнической базы синтеза многозначных и бесконечнозначных перестраиваемых автоматов нового класса, содержащего мультиплексорные модули с более простой структурной организацией и многофункциональные модули, вариантные по схемной реализации, функциональным возможностям, способам настройки.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Анализ известной схемотехники мультиплексорных МЛ- и БЛ-модулей и разработка новых принципов их более простой структурной организации.
-
Исследование и увеличение функциональных возможностей элементного базиса бесконечнозначной логики и расширяющей ее предикатной алгебры выбора (ПАВ).
-
Разработка принципов реализации из настраиваемых элементов, воспроизводящих базовые бинарные операции бесконечнозначной логики и ПАВ, универсальных БЛ-модулей с распределенным кодовым управлением.
-
Исследование возможности использования преобразований вида «входная аналоговая величина —> цифровой код —> выходная аналоговая величина» в схемотехнических решениях универсальных БЛ-модулей.
-
Разработка принципов организации универсальных логических модулей (УЛМ) с систолической структурой.
-
Исследование возможности построения универсальных БЛ-модулей,
оперирующих широтно-импульсными информационными сигналами.
-
Разработка схемотехнических решений однородного и регулярного цифрового элементного базиса многозначной логики для обеспечения эффективной однокристальной реализации структур универсальных МЛ-модулей, являющихся селекторами двоичных кодов.
-
Анализ основных компонентов целевых УЛМ - современных микросхем аналоговых компараторов и ключей, их использование в разработанных схемах универсальных средств логической обработки многозначных и континуальных данных.
Методы исследований. При решении поставленных задач применены математический аппарат двузначной, многозначной и бесконечнозначной логик, предикатной алгебры выбора, методы математического и аппаратурного моделирования, методы исследования дискретных и непрерывных автоматов.
Проверка эффективности предложений, исследованных в диссертации, проводилась на разработанных математических моделях и на созданных в соответствии с этими моделями образцах универсальных логических модулей.
Научная новизна. В диссертации решена научная проблема разработки принципов построения оперирующих многозначными и континуальными данными универсальных логических модулей нового класса в составе усовершенствованных мультиплексорных модулей, отличающихся более простой структурной организацией, и новых многофункциональных модулей, вариантных по схемному исполнению, функциональным возможностям, способам настройки. Решение указанной проблемы имеет важное значение для вычислительной техники, систем управления и других смежных областей.
В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:
1. Предложена и теоретически обоснована процедура разложения
произвольной функции многозначной логики, отличающаяся от известных
более простой схемной реализацией. На основе предложенной процедуры
разработаны принципы организации мультиплексорного модуля, универ
сального в классе всех ^-значных и-арных логических функций.
-
Предложена и теоретически обоснована математическая модель однородного мультиплексорного модуля, структура базисных элементов которого не зависит от значности воспроизводимых функций многозначной логики. Разработан способ минимизации указанной модели при соответствующем ограничении класса воспроизводимых МЛ-функций.
-
Разработаны два метода построения мультиплексорных модулей,
универсальных в классе всех и-арных БЛху л-функций (v, л - символы операций max, min), основанные на предложенных процедурах разложения произвольной БЛху л-функции и при п > 3 дающие более простые по срав-
нению с известными схемные решения. Показано, что при четном п муль-типлексорные БЛ-модули могут быть использованы для реализации любой из всех БЛ-функций от 0,5« аргументов.
-
Высказана и реализована идея создания из кодоуправляемых элементов (потенциальных и импульсных), воспроизводящих бинарные операции бесконечнозначной логики, однородных логических модулей, универсальных в классе всех и-арных симметричных БЛху л-функций. При этом разработаны и теоретически обоснованы принципы структурной организации таких модулей, а для фиксированного п получены частные схемные решения, имеющие меньшие сложность и глубину.
-
Разработан метод минимизации предикатной формы произвольной БЛ-функции, основанный на объединении одинаковых частей топологического образа этой формы и обеспечивающий более простое схемное решение в базисе кодоуправляемых элементов, воспроизводящих бинарные операции предикатной алгебры выбора, логического модуля, универсального в классе изоморфных БЛ-функций, представителем которых является указанная предикатная форма.
-
Предложена алгоритмическая и структурная организация универсального в классе всех и-арных симметричных БЛхуд-функций аналого-цифрового преобразователя «напряжение—»время—напряжение», реализующего более экономичный по отношению к известным метод сравнения континуальных переменных.
-
Предложено и теоретически обосновано представление симметричных БЛху л-функций в различных рекуррентных формах. На основе последних разработаны и исследованы схемные решения одномерных аналоговых и цифровых систолических вычислителей различного типа, предназначенных для сортировки данных, которые представлены соответственно напряжением и многоразрядным двоичным кодом.
-
Для континуальных данных получена схемная реализация известного алгоритма сортировки с запоминанием, имеющего наименьшую сложность.
-
Предложены и обоснованы принципы построения высокоточных логических модулей, универсальных в классе всех и-арных симметричных
БЛху л-функций, аргументы которых представлены длительностями синхронизированных прямоугольных импульсных сигналов.
10. Разработаны принципы построения однородных и регулярных
многоразрядных цифровых компараторов и компараторных устройств, об
разующих эффективную основу однокристального элементного базиса мо
дулей, универсальных в классах функций многозначной логики, аргументы
и значения которых представлены многоразрядными двоичными перемен
ными.
Практическая ценность полученных в диссертации результатов обу-
словлена их конструктивным характером, позволяющим осуществить непосредственную аппаратурную реализацию многозначных и бесконечно-значных перестраиваемых автоматов, а также возможностью их применения для решения практических задач логической обработки многозначных и континуальных данных в различных прикладных областях.
Практическая ценность результатов исследований заключается, в частности, в том, что
разработанные базовые принципы организации универсальных логических модулей позволяют получать аппаратурные реализации этих устройств для любого заданного количества информационных переменных, а в случае МЛ-модулей и для любой заданной значности указанных переменных;
результаты исследований, связанных с вариантностью структурной организации универсальных логических модулей, дают возможность выбора наиболее подходящего для решения конкретной практической задачи варианта структуры;
однородность и регулярность разработанных структур цифрового элементного базиса многозначной логики упрощают и ускоряют процесс описания этих структур в САПР ПЛИС при их однокристальной аппаратурной реализации;
аппаратурное воплощение предложенных схемотехнических решений может быть осуществлено с использованием современных электронных компонентов.
Реализация результатов. Диссертационная работа выполнялась в рамках гос. бюджетных НИР «Непрерывно-логические и реляторные сети и модели для обработки аналоговых сигналов» (per. № 01990010094), «Топологические модели и развитие схемотехники реляторных вычислительных сетей на основе предикатной алгебры выбора и сопутствующих континуальных логико-алгебраических исчислений» (per. № 01200103639), «Логико-математическое моделирование в задачах обработки информации, автоматизации проектирования и производства» (per. № 01200108971).
Внедрение полученных в диссертации результатов проводилось согласно договоров № Д121-УП от 06.09.2007 г., № Д135 от 26.09.2007 г. (исполнитель: ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», заказчик: ЗАО «ИВЛА-ОПТ» г. Ульяновск) по созданию новых технических решений вторичных преобразователей для систем контроля концентрации метана и угарного газа в атмосфере категорийных помещений, под руководством автора как научного руководителя и при его непосредственном участии в разработках.
Кроме того, результаты диссертации использовались в учебном процессе УлГТУ при проведении курсового и дипломного проектирования.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации были представлены и получили положительную оценку на международных
конференциях:
«Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации» (г. Ульяновск, 1999 г.), «Interactive systems: the problems of human-computer interaction» (г. Ульяновск, 1999, 2001 г.г.), «Континуальные логико-алгебраические и нейросетевые методы в науке, технике и экономике» (г. Ульяновск, 2000 г.), «Надежность и качество» (г. Пенза, 2001, 2002, 2003 г.г.), «Computer science and information technologies» (г. Уфа, 2001 г.), «Континуальные логико-алгебраические исчисления и нейроматематика в науке, технике и экономике» (г. Ульяновск, 2001 г.), «SCM-2001» (международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, г. Санкт-Петербург, 2001 г.), «Проблемы нейрокибернетики» (г. Ростов-на-Дону, 2002 г.), «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники» (г. Владимир, 2003 г.), «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (г. Москва, 2003 г.), «Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды» (г. Ульяновск, 2004 г.), «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Саратов, 2004 г.);
на всероссийских конференциях:
«Нейроинформатика» (г. Москва, 2000, 2001 г.г.), «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (г. Чебоксары, 2001 г.), «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (г. Ульяновск, 2001 г.), «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 2002 г.), «Актуальные проблемы радиоэлектроники» (г. Самара, 2003 г.), «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (г. Улан-Удэ, 2003 г.).
Универсальный логический модуль с импульсной настройкой (патент РФ 2284573) экспонировался на международной выставке изобретений «IENA-2007» (г. Нюрнберг, 2007 г.). Работа удостоена бронзовой медали.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 104 публикациях, в числе которых монография, 8 статей в ведущих научных журналах РФ из перечня, определяемого ВАК, 11 статей в научных сборниках и прочих научных журналах, 55 запатентованных изобретений, а также труды, опубликованные в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 220 наименований, двух приложений, содержит 307 страниц машинописного текста, 115 рисунков и 37 таблиц.
