Принципы построения универсальных логических модулей для обработки многозначных и континуальных данных (19.07.2010)

Автор: Андреев Дмитрий Васильевич

???????????3/4

Принцип действия аналоговых систолических модулей, универсальных в классе всех n-арных симметричных БЛ(,(-функций, предусматривает запоминание промежуточных результатов обработки континуальных данных с помощью аналоговой памяти – устройств выборки/хранения. Известные недостатки последних снижают точность воспроизведения искомых функций. Более высокую точность обеспечивает аналого-цифровой не систолический УЛМ (селектор напряжений), имеющий, однако, импульсную настройку и содержащий вместо УВХ цифровые элементы памяти (триггеры). Структурная организация этого УЛМ разработана впервые и основана на идеях известного алгоритма сортировки с запоминанием, обладающего наименьшей сложностью. Указанный УЛМ выполняет преобразование несортированного параллельного набора n континуальных переменных в их сортированный последовательный набор.

может быть выражена в следующей форме:

. Недостатком указанного модуля является значительное количество (n) настроечных входов.

Математические модели (13), (14) получены исходя из допущения идеальности элементов неоднородных высокоточных УЛМ. Характеристики реальных элементов учитываются выведенными на основе (13) выражениями, которые обеспечивают расчет допустимой с точки зрения сохранения функциональных возможностей упомянутых модулей размерности последних. В частности, допустимая размерность модуля, описываемого в идеальном случае выражением (13), определяется соотношением

операционного усилителя A;

; (15а)

. (15б)

В (15)

) есть сопротивление аналоговых ключей в замкнутом (разомкнутом) состоянии.

В четвертой главе рассмотрены особенности представления произвольной БЛ-функции, заданной формулой из h букв, в общем случае обозначающих повторяющиеся, неповторяющиеся, инвертированные и неинвертированные аргументы упомянутой функции, в предикатной форме и получения топологического образа (графа) этой формы, который удобно применять для ее схемного воплощения в элементном базисе реляторов.

Разработан метод минимизации указанной предикатной формы, основанный на объединении одинаковых частей ее графа. Таковыми являются части, образованные из бинарных фрагментов, начинающихся с нижнего яруса графа, и имеющие одинаковую структуру, одноименные входные узлы и одинаковое расположение передач ветвей.

). Функции выделенного класса названы изоморфными в силу идентичности структуры их формул, определяемой организацией суперпозиционных подстановок бинарных операций бесконечнозначной логики.

Показано, что представителем класса изоморфных БЛ-функций может быть выбрана предикатная форма любой из них и что двойственное преобразование ее бинарных ПАВ-операций порождает остальные функции рассматриваемого класса.

Разработаны принципы построения новых БЛ-модулей с кодовой настройкой, универсальных в заданном классе изоморфных БЛ-функций. Показано, что если такие модули строятся из кодоуправляемых элементов, воспроизводящих бинарные операции предикатной алгебры выбора (бесконечнозначной логики), то их будет отличать малая (большая) схемная глубина и большие (малые) аппаратурные затраты.

Разработаны принципы организации новых БЛ-модулей с кодовой настройкой, универсальных в заданном классе изоморфных БЛ-функций и занимающих среднее положение по аппаратурным затратам и схемной глубине. В качестве базисного элемента этих УЛМ предложен модуль, воспроизводящий путем кодовой настройки любую из трехбуквенных БЛ(,(-формул и реализованный на трех кодоуправляемых реляторах по графу соответствующей предикатной формы.

В пятой главе дана характеристика некоторых современных микросхем аналоговых компараторов и ключей, которые выпускаются ведущими мировыми производителями (фирмами Advanced Linear Devices, Analog Devices, Maxim, Texas Instruments и др.) и могут быть использованы в полученных схемотехнических решениях универсальных логических модулей.

Рассмотрены прецизионные, микромощные, быстродействующие, одинарные, сдвоенные, счетверенные компараторы, компараторы, реализующие режим защелкивания, и др. Приведены схемы включения компараторов, имеющих специальные входы управления гистерезисом. Показано, что такие компараторы обеспечивают более высокую по отношению к компараторам с типовой положительной обратной связью точность сравнения входных напряжений.

Рассмотрены микросхемы, содержащие несколько отдельных, не связанных между собой аналоговых ключей (однополюсных переключателей на одно направление) с индивидуальным либо общим управлением, и микросхемы, которые содержат индивидуально (коллективно) управляемые однополюсные переключатели на два направления. Отмечены ИМС аналоговых ключей с дополнительными функциональными элементами (компараторами, регистром и др.). Получено выражение

Описан ряд апробированных принципиальных схем, которые разработаны на основе рассмотренных ИМС и предложенных принципов структурной организации универсальных БЛ-модулей.

В заключении изложены основные выводы, результаты и рекомендации, полученные в ходе диссертационных исследований.

В приложении 1 приведена классификация универсальных логических модулей, теория и схемотехника которых разработаны в диссертации.

В приложении 2 представлен акт, подтверждающий использование результатов диссертационной работы.

заключение

Выполненные в диссертации исследования и разработки основаны на сочетании формализма используемого логико-математического аппарата (двузначной, многозначной и бесконечнозначной логик, предикатной алгебры выбора), прикладные возможности которого обусловлены наличием адекватного элементного базиса, и эвристических методов создания новой техники. Указанное сочетание обеспечило изобретательский уровень и научное обоснование полученных технических решений.

В диссертации решена проблема создания нового класса средств вычислительной и кибернетической техники – универсальных БЛ(МЛ)-модулей, обеспечивающих структурнонезависимую настройку на воспроизведение любой из группы функций бесконечнозначной (многозначной) логики, описывающих соответствующие алгоритмы обработки континуальных (многозначных) данных.

Основные итоги проведенных автором теоретических и экспериментальных диссертационных исследований заключаются в следующем:

1. Предложена и теоретически обоснована новая процедура разложения многозначных логических функций, на базе которой разработан новый принцип более простой структурной организации мультиплексорных МЛ-модулей.

2. Предложена и теоретически обоснована новая форма представления функций многозначной логики, обеспечившая разработку математической модели и принципов построения однородного мультиплексорного МЛ-модуля, структура базисных элементов которого не зависит от значности воспроизводимых функций. Такие элементы наиболее подходят для аппаратурного воплощения в однокристальном исполнении. Показано, что в некоторых частных случаях упомянутый здесь МЛ-модуль имеет самые наименьшие среди возможных аппаратурные затраты.

3. Впервые предложены и теоретически обоснованы процедуры разложения БЛ(,(-функций, позволившие разработать новые принципы более простой структурной организации мультиплексорных БЛ-модулей. Описан режим настройки, при котором мультиплексорные БЛ-модули могут быть использованы для реализации функций бесконечнозначной логики, сохраняющих значение одного из своих аргументов или его отрицания.

4. Исследованы типовые и кодоуправляемые базисные элементы бесконечнозначной логики и расширяющей ее предикатной алгебры выбора с целью оценки уровня концентрации в этих элементах воспроизводимых операций и функций. Предложены новые технические решения, повышающие указанный уровень.

5. Впервые разработаны научно обоснованные принципы построения из потенциальных и импульсных кодоуправляемых элементов, воспроизводящих базовые бинарные операции бесконечнозначной логики, БЛ-модулей, универсальных в классе всех n-арных симметричных БЛ(,(-функций. Для частных случаев получены схемные решения, имеющие меньшие сложность и глубину.

6. Предложены и исследованы использующие кодоуправляемые элементы элементного базиса ПАВ схемотехнические решения новых БЛ-модулей, универсальных в заданном классе изоморфных БЛ-функций, то есть функций с идентичной организацией суперпозиционных подстановок базовых бинарных операций бесконечнозначной логики. Разработан метод улучшения некоторых технических характеристик указанных модулей, в частности, обеспечивающий уменьшение аппаратурного состава либо повышение быстродействия.

меньшее количество компараторов.

8. Впервые разработаны научно обоснованные технические решения универсальных в классе всех n-арных симметричных БЛ(,(-функций аналоговых логических модулей с одномерной систолической структурой, которые удобно использовать для сортировки представленных напряжениями континуальных данных. Показано, что полученные решения обеспечивают без каких-либо серьезных ограничений возможность синтеза цифровых систолических сортировщиков многозначных данных, представленных двоичным кодом. Впервые разработаны принципы организации цифрового систолического сортировщика многозначных данных, который реализует распознавание дубликатов сортируемых переменных, и аналого-цифрового не систолического сортировщика континуальных данных (селектора напряжений), воспроизводящего симметричные БЛ(,(-функции с более высокой точностью.

9. В результате исследования возможности построения универсальных БЛ-модулей, оперирующих широтно-импульсными информационными сигналами, предложены и научно обоснованы технические решения новых средств обработки ШИС – однородных и более сложных неоднородных высокоточных логических модулей, универсальных в классе всех n-арных симметричных БЛ(,(-функций. Сформирована методика расчета допустимой размерности указанных неоднородных модулей, учитывающая характеристики их реальной компонентной базы.

10. На основе теории итеративных сред впервые получены схемотехнические решения однородных и регулярных цифровых элементов, воспроизводящих бинарные операции max, min над многозначными переменными, представленными двоичным кодом. Попутно разработаны отличающиеся итеративным принципом организации новые схемы многоразрядных цифровых компараторов. Однородность и регулярность, присущие итеративным структурам, упрощают и ускоряют процесс их однокристальной аппаратурной реализации.

11. Исследованы основные электронные компоненты целевых УЛМ – современные микросхемы аналоговых компараторов и ключей, выпускаемые ведущими мировыми производителями и применимые в полученных схемотехнических решениях универсальных логических модулей. Разработаны и апробированы соответствующие принципиальные электрические схемы.

12. Универсальные БЛ-модули, схемотехника которых изложена в диссертации, могут быть использованы для воспроизведения многозначных функций. Это обстоятельство дает основание расценивать их универсальность как более емкое по сравнению, например, с универсальностью двузначных логических модулей понятие.

13. Разработанные базовые принципы организации структур обеспечивают построение универсальных логических модулей любой заданной размерности. Предложенные для некоторых УЛМ варианты схемной реализации позволяют в каждом конкретном случае выбрать наиболее подходящий вариант.


загрузка...