Введение к работе
Актуальность работа. Эффективность электронной аппаратуры, средств вычислительной техники, электронных устройств автоматики и систем управления (далее электронных устройств и систем - ЭУО) во многом определяется используемой элементной базой. Развитие элементной базы ЭУС различного назначения и применения осуществляется по двум направлениям. Первое - это совершенствование традиционной существующей элементной базы общего и частного (специального) применения. Второе направление - разработка схемных элементов, обладающих новыми свойствами и более широкими функциональными возможностями за счет увеличения функций и операций, воспроизводимых в одном элементе. Именно на этом направлении скрыты большие потенциальные резервы повышения производительности, качества функционирования и эффективности ЭУС и их применений. В свою очередь элементная база определяет существующую схемотехнику и направления ее развития.
Эффективность использования элементной базы повышается при наличии адекватного ей логико-алгебраического аппарата. При этом заданная (воспроизводимая) функция устройства (системы), выракен-ная через базовые операции используемого логико-алгебраического аппарата, однозначно определяет схему (структуру) ЭУС, построенную в адекватном указанному аппарату элементном базисе. Для синтеза цифровых ЭУС таким логико-алгебраическим аппаратом является двоичная булева алгебра, при этом используется адекватный ей элементный базис - булевы дизъюнкторы, конъюнкторы, инверторы. Но физический макромир, технологии производства, контролируемые и измеряемые параметры в подавлящем большинстве сопровождаются аналоговыми (непрерывными) процессами. Расширением булевой алгебы на аналоговую область является непрерывная (бесконечнозначная, нечеткая) логика, базовые операции которой воспроизводят максимизирующие, минимизирующие и минимаксные амплитудные селекторы. Основы теории непрерывной логики (НЛ) заложены и получили существенное развитие в работах: Мак-Нотона Р., Уилкинсона Г., Мариноса П., Мукайдоно М., Гинзбурга С.А., Левина В.И., Шимбирева П.Н., Розенблата М.А. и др. Однако схемотехнические возможности НЛ ограничены крутом задач, описываемых только линейно-изломанными функциями.
Более мощной логической содержательностью и широкими функциональными возможностями для синтеза аналоговых ЭУС обладает новый
_ 4 -
и перспективный логико-алгебраический аппарат - предикатная алгебра выбора (ПАВ), частными реализациями которой являются непрерывная логика и булева алгебра. В ПАВ возможно воспроизведение как линейно-изломанных так и линейно-разрывных, кусочно-сшитых, гистерезисных и др. функций. Базовыми элементами ПАВ являются ре-ляторы. Основы теории предикатной алгебры выбора заложены и развиты в конце 80-х годов в работах Волгина Л.И. Научные публикации, появившиеся с тех пор в области реляторной схемотехники усилиями Волгина Л.И. и созданной им научной школы, показывают, что ПАВ и реляторы могут успешно применяться для синтеза широкой номенклатуры аналоговых коммутационно-логических преобразователей (вычислительных, функциональных, логических, управляющих, коммутационных, измерительных, распознающих и др.), аналоговых процессоров, аналоговых нейронных сетей и нейротехнических систем с глобальным параллелизмом обработки сигналов в режиме реального времени без промежуточного преобразования в цифровой код.
Функция, воспроизводимая каждым из указанных реляторных устройств, фиксировано зависит от соответствующей ей реляторной структуры, причем последнюю приходится изменять для настройки на воспроизведение заданной функции. Кроме того, в ряде случаев ре-ляторные преобразователи и процессоры оказываются аппаратурно избыточными. Таким образом, весьма актуальным является исследование ПАВ с точки зрения ее применения для синтеза безызбыточных реляторных устройств, а также универсальных (многофункциональных) реляторных устройств, воспроизводящих различные функции без изменения исходной структуры. Указанное решается в настоящей диссертационной работе в направлении самого представительного класса реляторных устройств - реляторных коммутационно-логических преобразователей и процессоров ранговой обработки аналоговых сигналов (реляторных R-устройств).
Актуальность диссертационной работы подтверждается тем, что ее тематика соответствует направлению "Информационные технологии и электроника" правительственной программы на 1996-2000 годы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения" (постановление правительства РФ J61414 от 23.11.96г.) в части раздела 3 программы "Развитие микроэлектроники и элементной базы радиоэлектроники, повышение уровня радиоэлектронной аппаратуры различного применения".
Цель работш. Целью настоящей работы является развитие логико-алгебраического аппарата ПАВ для обеспечения возможности синтеза
многофункциональных и Оезызбыточных структур реляторных R-устройств, а также разработка схемотехнических решений их аппаратной реализации.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Теоретический анализ ранговых ПАВ-функций и определение требований к ним с позиций синтеза безызбыточных Н-устройств.
-
Исследование возможности применения ранговых НЛ-функций и топологических моделей ранговых іІАВ-функций для построения многофункциональных R-устройств, воспроизводящих различные функции без изменения их базовой исходной структуры.
-
Разработка, в базисе операций ПАВ, математических моделей шогофункциональных и безызбыточных R-устройств.
-
Развитие реляторного элементного базиса для обеспечения возможности его использования при синтезе указанных R-устройств.
-
Разработка схемотехнических решений аппаратной реализации многофункциональных и безызбыточных R-устройств, оценка их технических характеристик и функциональных возможностей.
Методы исследований. При решении поставленных задач применены математический аппарат предикатной алгебры выбора, непрерывной логики и булевой алгеоры, методы математического и аппаратурного моделирования, методы исследования конечных автоматов.
Проверка эффективности предложений, исследованных в диссертации, проводилась на разработанных математических моделях и на созданных в соответствии с этими моделями макетных и промышленных образцах реляторных R-устройств.
Научная новизна. В диссертации решена задача, заключающаяся в развитии логико-алгебраического аппарата ПАВ для обеспечения возможности синтеза многофункциональных и безызбыточных структур реляторных R-устройств, а также в разработке их схемотехнических реализаций и имеющая существенное значение для аналоговой вычислительной техники, автоматики и других смежных областей.
В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:
-
Разработана математическая модель безызбыточных реляторных R-устройств, представляющая собой ранговую ПАВ-функцию, ядром которой является безызбыточный ранговый оператор (БРО). В результате исследования алгебраической структуры БРО в частных реализациях выявлен новый подкласс функций предикатной алгебры выбора -позиционные ПАВ-функции.
-
Разработана математическая модель многофункциональных ре-
- б -
ляторных R-устройств, представляющая собой универсальный ранговый подграф с управляемыми передачами ветвей.
-
В качестве базового элемента для схемной реализации разработанных математических моделей предложен кодоуправляемый реля-тор, обладающий по сравнению с традиционными реляторами более широкими функциональными возможностями.
-
В элементном гіяяипе кодоуправ-ляемнх реляторон по предложенным математическим моделям разработана широкая номенклатура многофункциональных и безызбыточных реляторных R-устройств.
IlpaiZ!tti'-LSCHasi ullKGCul'o, ПОЛуЧЄННиХ Б ДИССбрТЗЦИЕ рЭЗуЛЬхаТОБ
обусловлена их конструктивным характером, позволяющим осуществить непосредственную аппаратурную реализацию многофункциональных и безызбыточных реляторных R-устройств, а также возможностью их применения для решения практических задач ранговой обработки аналоговых сигналов в различных прикладных областях.
Разработанные структуры и технические решения кодоуправляемо-го релятора и реляторных R-устройств являются оригинальными и защищены патентами РФ.
Внедрение полцченных результатов, диссертационная работа выполнялась в рамках гос. бюджетной НИР "Непрерывнологические и ре-ляторные сети и модели для обработки аналоговых сигналов" (исполнитель - кафедра КПРА УлТТУ, per. » 102-1109).
Внедрение, созданных с использованием полученных в диссертации результатов, селекторного релятора и реляторного позиционного идентификатора проводилось в рамках договоров J6 117/93 от 7.12.92г., J6 118/93 от 7.12.92г. (исполнитель - научно-производственное предприятие НОРМА г.Ульяновск, заказчик - АО УРАЛмАШ г.Екатеринбург), Я 18 от 10.12.96г. (исполнитель - научно-производственное предприятие НОРМА г.Ульяновск, заказчик - АО ВерхнеСалдинское Металлургическое Производственное Объединение г. Верхняя Салда) по созданию и подготовке к пуску в производство периферийных устройств для систем автоматического управления прокатным оборудованием, под руководством автора как научного руководителя и главного конструктора и при его непосредственном участии в разработке указанных устройств.
Кроме того, результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе при проведений дипломного проектирования.
Апробация работ. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались:
- на Международной научно-технической конференции "Непрерыв-
но-логические и нейронные сети и модели" (г.Ульяновск 1995г.);
на Международной научно-технической конференции "Интерактивные системы. Проблемы человеко-компыотэрного взаимодействия" (г.Ульяновск 1997г.);
на региональной научно-практической конференции с международным участием "Новые метода, средства и технологии в науке, промышленности и экономике" (г.Ульяновск 1997г.);
на региональной научно-практической конференции "Наукоемкие технологии товаров народного потребления" (г.Ульяновск 1997г.);
на региональной научно-практической конференции "Наука -производству. Конверсия сегодня" (г.Ульяновск 1997г.);
- на 30, 31 и 32-й научно-технических конференциях УлГТУ
(г.Ульяновск 1996-1998г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математические модели многофункциональных и безызбыточных реляторных R-устройств.
-
Базовый элемент для схемной реализации указанных моделей.
-
Схемотехнические решения многофункциональных и безызбыточных реляторных R-устройств.
публикации. Основное содержанке диссертации отражено в 41 публикации, в числе которых 5 патентов РФ, 4 статьи, а также тезисы докладов на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований, двух приложений, содеркит 108 страниц машинописного текста, 88 рисунков и 5 таблиц.
