Устройство статистического мажорирования

Размещено на http://www.allbest.ru

ПАМЯТКА

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ПРОХОЖДЕНИЮ ПРАКТИКИ

1.1.До начала практики руководитель от кафедры, проводит инструктаж обучающихся и выдает индивидуальные задания по практике.

1.2.По прибытии на место практики обучающийся должен представить руководителю от организации Дневник практики и ознакомить его с содержанием индивидуальных заданий, пройти инструктаж по технике безопасности и противопожарной профилактике, ознакомиться с рабочим местом, правилами технической эксплуатации оборудования и уточнить план прохождения практики.

1.3.Обучающийся во время практики обязан строго соблюдать правила внутреннего распорядка организации. О временном отсутствии на своем месте необходимо ставить в известность руководителя практики от организации.

1.4.Зачет по практике приравнивается к зачетам по теоретическому обучению и учитывается при подведении итогов общей успеваемости обучающихся.

Результаты практики оцениваются путем проведения промежуточной аттестации с выставлением оценок: «отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно».

1.5.Обучающиеся, не прошедшие практику какого либо вида по уважительной причине, проходят практику по индивидуальному плану.

Обучающийся, не прошедший практику какого-либо вида по неуважительной причине или не получивший зачета по итогам ее прохождения, признается имеющим академическую задолженность.

ПРАВИЛА ВЕДЕНИЯ ДНЕВНИКА ПО ПРАКТИКЕ

Дневник по практике обучающихся имеет единую форму для всех видов практик и является основным документом для текущего и итогового контроля выполнения заданий.

Обучающемуся необходимо:

2.1. Заполнить титульный лист.

2.2. Получить индивидуальное задание на практику.

2.3. Регулярно вести Табель прохождения практики, записывая все, что проделано за весь день по выполнению индивидуального задания.

2.4. По завершению практики составить отчет в соответствии с индивидуальным заданием. Отчет о практике должен содержать сведения о конкретно выполненной работе, а также краткое описание деятельности, выводы и предложения.

2.5. Получить отзыв руководителя практики от организации.

2.6. В установленный срок, обучающийся должен предоставить на кафедру Дневник практики. При отсутствии правильно заполненного Дневника практика не засчитывается.



ТАБЕЛЬ

прохождения практики

Дата	Содержание работы	Подпись руководителя практики от организации
16.02.2015г.	Ознакомление с основами цифровой схемотехники, изучение принципов работы комбинационных устройств, выделение этапов их синтеза. Просмотр и анализ современных программных решений, осуществляющих некоторые этапы синтеза. Выбор инструментария разработки.
17.02.2015г.	Проектирование внешнего вида разрабатываемой программы с помощью конструктора форм среды MS VisualStudio 2013. Изучение предельных разложений Шеннона, как способов перехода от табличных условий функционирования устройства к аналитической формы.
23.02.2015г.	Реализация предельных разложений Шеннона в разрабатываемом программном продукте. Представление переключательных функций в виде их двоичных кодов.
24.02.2015г.	Изучение алгоритмов минимизации булевых функций. Анализ геометрического метода, метода неопределенных коэффициентов и метода диаграмм Вейча. Выделение плюсов и недостатков каждого.
02.03.2015г.	Изучение и сравнение алгоритмов минимизации Квайна и Квайна - Мак-Класки. Программная реализация первого этапа метода Квайна - Мак-Класки на основе теоремы Блейка.
03.03.2015г.	Тестирование программного обеспечения на предмет ошибок в коде. Изучение и анализ алгоритмов, позволяющих найти минимальное покрытие импликантной матрицы.
09.03.2015г.	Программная реализация второго этапа метода Квайна - Мак-Класки, программирование минимаксного алгоритма, обеспечивающего нахождение оптимального минимального покрытия импликантной матрицы.
10.03.2015г.	Ознакомление и анализ средств работы с графикой для платформы .NET. Интегрирование среды программирования с библиотекой ZedGraph, программная реализация рисования временных диаграмм и гистограмм, отображающих цену схем по Квайну.
16.03.2015г.	Изучение понятий факторизации и декомпозиции переключательных функций. Выявление достоинств и недостатков данных этапа синтеза. Изучение алгоритма факторизации (-алгоритм).
17.03.2015г.	Анализ алгоритмов преобразования предельного разложения Шеннона к базису полинома Жегалкина. Выделение оптимального, программная реализация метода треугольника Паскаля. Программирование законов де-Мограна, как способов преобразования СДНФ (СКНФ) к базису штрих Шеффера (стрелка Пирса).
23.03.2015г.	Ознакомление с принципами составления структурных схем на основе аналитической формы. Проектирование ориентированной невзвешенной графовой структуры электрической схемы.
24.03.2015г.	Программирование графа для удобства рисования схемы. Реализация вывода схемы на различной логической базе. Добавление возможности просмотра характеристик спроектированной схемы.
30.03.2015г.	Развитие функционала программного обеспечения для оптимизации работы с входными данными. Реализована возможность автоматического формирования условий функционирования для проектирования устройств преобразователей кода.
31.03.2015г.	Реализация возможности автоматического формирования условий функционирования для проектирования цифровых компараторов. Добавление пунктов меню, оптимизирующих редактирование таблицы истинности.
06.04.2015г.	Выбор СУБД, интегрирование MS Visual Studio с СУБД MS SQL Server 2012. Написание T-SQL запросов, обеспечивающих взаимодействие пользовательского интерфейса с базой данных.
07.04.2015г.	Изучение общих принципов резервирования, архитектур систем с резервированием, систем с голосованием и резервирование замещением. Добавление в разрабатываемое программное обеспечение инструментария, оптимизирующего работу с записью условий функционирования.
13.04.2015г.	Ознакомление с принципами работы АЦП поразрядного приближения. Проектирование с помощью разработанного ПО статистической медианы параллельного типа для 3-х разрядных кодов, снимаемых с трех регистров.
14.04.2015г.	Разработка алгоритма статистической медианы для поразрядного оценивания битов регистров. Схемотехническое изображение алгоритма с помощью инструментария MS Visio 2010.
20.04.2015г.	Написание приложения в среде MS VisualStudio 2013, позволяющего тестировать разработанный алгоритм статистической медианы для кодов различной разрядности.
21.04.2015г.	Определение условий функционирования модифицированного цифрового компаратора. Проведение синтеза компаратора с использованием разработанного ПО.
27.04.2015г.	Определение условий функционирования устройства сравнения двух поступающих на вход поразрядных кодов. Проведение синтеза компаратора с использованием разработанного ПО.
28.04.2015г.	Синтез мажоритарного элемента 2х3 с использованием разработанного ПО. Анализ трех вариантов схем, реализованных на различной логической базе.
04.05.2015г.	Объединение спроектированных комбинационных цифровых устройств посредством коммутаторов. Схема полученного устройства статистического мажорирования построена с использованием логических вентилей И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ИЛИ. Рисование спроектированной схемы в среде Splan 7.0
05.05.2015г.	Изучение принципов работы с программируемыми логическими матрицами. Рассмотрение ПЛМ фирм Altera и Xilinx, ознакомление со средой Quartus ii

ВВЕДЕНИЕ

Разнообразные средства цифровой техники: ЭВМ, микропроцессорные системы измерений и автоматизации технологических процессов, цифровая связь и телевидение строятся на единой элементарной базе, основной составляющей которой являются логические элементы. Таким образом, в цифровых вычислительных машинах, устройствах автоматики и обработки информации широкое применение нашли устройства, осуществляющие логические операции. Стремительное развитие современной микроэлектроники и, в частности, цифровой схемотехники сопровождается вовлечением в эту область все более широкого круга разработчиков новых функциональных узлов, устройств и систем, а также пользователей компонентной базы и традиционных схемотехнических решений в новых прикладных областях. Специалист в области цифровой схемотехники должен обладать мощным инструментарием, обеспечивающим различные способы математического описания переключательной функции.

В процессе проектирования любого устройства приходится выполнять ряд действий, которые могут быть отнесены к задачам синтеза. Под задачей синтеза комбинационного цифрового устройства понимают построение схемы для заданной системы булевых функций на основе детерминированной системы логических элементов. Выделяют следующие этапы синтеза КЦУ:

запись условий функционирования КЦУ;

представление булевых функций в аналитическом виде;

минимизация булевых функций;

поиск факторного покрытия переключательных функций;

запись полученной структурной формулы в заданном базисе;

составление структурной схемы.

Анализ алгоритмов синтеза комбинационных цифровых устройств.

Представление переключательных функций в аналитическом виде.

Цифровое устройство называется комбинационным, если его выходные сигналы в

некоторый момент времени однозначно определяются входными сигналами, имеющими место в этот момент времени.

Логическую схему, содержащую n входов и m выходов, можно представить в виде:

	(1.1)

Функция при определяет значение на выходе системы для любого двоичного набора ,

при , подаваемого на входы проектируемой системы.

Для выражения аналитического вида функции применяется алгебра Буля:

	(

Для приведения системы переключательных функций, заданных таблично, к аналитической форме использовались разложения Шеннона: предельное разложение Шеннона - СДНФ и двойственное предельное разложение Шеннона - СКНФ:

	(



МИНИМИЗАЦИЯ БУЛЕВЫХ ФУНКЦИЙ

Основные определения в теории минимизации функций

При разработке схем на основе конкретной элементной базы количество оборудования обычно измеряется числом корпусов (модулей) интегральных микросхем, используемых в схеме. В теоретических разработках ориентируются на произвольную элементную базу.

Оценкой затрат оборудования на построение схемы называется ценой схемы по Квайну, представляющей собой суммарное количество входов во все логические вентили. При такой оценке единицей сложности является один вход логического элемента. Цена инверсного входа обычно принимается равной двум. Такой подход к оценке сложности оправдан по следующим причинам:

Сложность схемы легко вычисляется по логическим функциям, на основе которых строится схема: для ДНФ или КНФ сложность схемы равна сумме количества букв (букве со знаком отрицания соответствует цена 2) и количества знаков дизъюнкции (конъюнкции), увеличенного на 1 для каждого дизъюнктивного (конъюнктивного) выражения;

Все классические методы минимизации логических функций обеспечивают минимальность схемы в смысле цены по Квайну.

Минимизация функций проводится в классе ДНФ или КНФ. В основу положены два закона:

Закон склеивания:

	(

Закон поглощения:



	(

Минимизация булевых функций геометрическим методом.

Суть геометрического метода заключается в изображении области определения булевой функции n переменных в виде вершин n-мерного куба. Элементам куба можно поставить во взаимо-однозначное соответствие конъюнкции различного ранга: вершинам куба - конъюнкции третьего ранга, ребрам - второго, граням - первого. Каждый геометрический эквивалент меньшей размерности покрывается всеми геометрическими эквивалентами большей размерности. Конъюнкции большего ранга покрываются конъюнкциями меньшего ранга (рис. 1.1.).

Рис. 1.1. Геометрический метод минимизации переключательной функции трех переменных

Вывод: данный метод неудобен для минимизации функций с количеством входных сигналов, превышающим трех, т.к. возникает необходимость рассматривать n-мерные кубы (n>3) в результате чего метод теряет наглядность и значительно увеличивается время работы, что ограничивает его область применения в задачах синтеза КЦУ.



Минимизация булевых функций методом диаграмм Вейча

Куб Карно (метод диаграмм Вейча) -- графический способ минимизации переключательных функций, обеспечивающий относительную простоту работы с большими выражениями. Представляет собой операции попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Диаграммы Вейча можно рассматривать как определенную плоскую развертку n-мерного булева куба (рис. 1.2.).

Рис. 1.2. Диаграмма Вейча как плоская развертка 3-мерного куба

Вывод: метод диаграмм Вейча удобен для инженерных задач, лишен громоздкости и характеризуется хорошей наглядностью. Выделен и проанализирован ряд существенных недостатков рассматриваемого метода:

Строгое ограничение относительно количества входных сигналов (не больше шести);

Отсутствие алгоритма, обеспечивающего нахождение оптимального контура.

Минимизация булевых функций методом Квайна

Метод Квайна для минимизации функции включает в себя несколько этапов (рис. 1.3.).

Рис. 1.3. Диаграммное изображение этапов алгоритма Квайна

1 этап. Нахождение первичных импликант.

Переход от канонической формы к сокращенной базируется на теореме Блейка, согласно которой для получения сокращенной формы следует выполнить всевозможные обобщенные склеивания смежных минтермов, а затем всевозможные поглощения минтермов. В основу первого этапа входит реализация алгоритма Блейка-Порецкого:

построение списка векторов, представляющих минтермы нормальной формы. Удалить из списка все векторы, поглощаемые другими. Если остается единственный вектор, перейти к шагу 6. Иначе обозначить второй из оставшихся векторов через б;

найти для вектора б очередной смежный вектор в среди векторов, расположенных в списке выше б. В случае отсутствия такого вектора, перейти к шагу 5. Иначе обобщенно склеить вектора б и в и полученный вектор г приписать к списку последним;

Если вектор г поглощается хотя бы одним вектором из списка, то удалить вектор г (в частном случае вектор г может совпадать с одним из векторов списка, в таком случае следует удалить приписанный вектор г, в противном случае произойдет зацикливание алгоритма), вернуться к шагу 2. Если вектор г не поглощается, удалить все векторы, поглощаемые им;

Если вектор б не удален, то перейти к шагу 2;

Если вектор б был не последним в списке, выбрать в качестве нового б следующий по списку вектор и вернуться к шагу 2;

Неудаленные векторы задают сокращенную нормальную форму функции. Прекращение работы алгоритма.

2 этап. Табличный.

Переход от сокращенной формы к минимальной осуществляется с помощью импликантной матрицы, представляющей собой таблицу, столбцы которой соответствуют всем конституентам единицы СДНФ заданной функции, а строки - всем простым импликантам. В таблице по строке каждой импликанты отмечаются те минтермы, которые ею поглощаются. Импликанты, не подлежащие исключению, для которых имеется хотя бы один столбец, перекрываемый только этой импликантой, называются экстремалями. Множество всех экстремалей образуют ядро импликантной матрицы.

Вывод. В методе Квайна есть существенное неудобство - необходимость полного попарного сравнения на этапе нахождения первичных импликант. С ростом числа аргументов функции и определяющих ее членов СДНФ растет число этих сравнений. Данный рост характеризуется факториальной функцией. В этой связи применение метода Квайна становится затруднительным.

Минимизация булевых функций методом Квайна-Мак-Класки

Метод Квайна - Мак-Класки является модернизацией 1-ого этапа метода Квайна. Отличием от метода Квайна является запись исходных импликант данной функции в виде их двоичных кодов (каждому члену ставится в соответствие по известному правилу его собственная вершина). Все множество так записанных импликант разбивается по числу единиц в их кодах на группы. При этом в i-ю группу войдут коды, имеющие в своей записи i единиц. Попарное сравнение импликант достаточно производить только между соседними группами, т.к. только эти группы отличаются одним знаком в кодах входящих в них членов. Сравнивая коды членов соседних групп, образуют члены низшего ранга. На месте исключенного знака пишут в них “тире”. Затем всю совокупность членов низшего ранга снова разбивают на группы по местоположению знака “тире”.

С целью реализации поиска минимального покрытия импликантной матрицы используются приближенные алгоритмы. Установлено, что минимаксный алгоритм наиболее эффективен для решения поставленной задачи. Жадный алгоритм характеризуется большим быстродействием, однако результаты, полученные в течение его работы, оптимальны в 100% случаях при условии задании структуры задачи матроидом. Точный алгоритм обладает экспоненциальным временем работы, что с увеличением количество входных сигналов значительно сказывается на быстродействии разрабатываемого программного продукта. В соответствии с минимаксным алгоритмом включение в минимизированную форму очередной импликанты осуществляется по следующему правилу: выбирается столбец таблицы покрытий с наименьшим количеством меток и среди строк, имеющих в этом столбце метки, выбирается строка с наибольшим числом меток, которая и определяет требуемую импликанту, причем все минтермы, покрываемые этой импликантой, а значит, и соответствующие им столбцы вычеркиваются. Процедура повторяется до тех пор, пока не будут вычеркнуты все столбцы.

Вывод. Метод Квайна-Мак-Класки характеризуется наглядностью, он отличен от метода диаграмм Вейча простотой алгоритмизации, гораздо компактнее и проще метода неопределенных коэффициентов и может быть применим для проектирования устройств, содержащих неограниченное количество входных сигналов. Таким образом, данный метод был выбран для минимизации булевых функций в разрабатываемом программном обеспечении.



Поиск факторного покрытия переключательных функций

В общем случае учет реальных ограничений на нагрузочные способности источников входных и внутренних переменных и на коэффициенты разветвления конъюнкторов предшествует синтезу логической схемы в булевом базисе и называется факторизацией.

В основе алгоритма факторизации (м-алгоритм) лежит м-произведение, которое обозначается aмb, слагается из результатов покоординатных произведений (рис. 1.5).

Рис. 1. 5. Покоординатные произведения м-алгоритма

Таким образом, -произведение двух координат равно нулю, если обе координаты равны нулю, равно единице, если обе координаты равны единице и равно m во всех остальных случаях. Предложенный алгоритм заканчивает свою работу при условии, что не останется неотмаскированных кубов, либо маскирующий куб максимальной стоимости будет иметь нулевую стоимость.

Вывод: применение алгоритмов факторизации позволяет в некоторых случаях уменьшить цену по Квайну, однако существенно увеличивает ранг проектируемой схемы, что окажет негативное влияние на ее быстродействие.

Запись полученной структурной формулы в заданном базисе.

Данный этап представляет собой схемную часть. Реализация КЦУ на ИС предусматривает широкое применение элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, И-М2.

Как следствие, возникает необходимость соответствующих преобразований структурных формул с учётом заданной элементной базы. Для построения схем в универсальных базисах штрих Шеффера и стрелка Пирса выбран подход, заключающийся в использовании правил де-Моргана.

Базис И-М2 или полином Жегалкина - многочлен над кольцом Z2, то есть полином с коэффициентами вида 0 и 1, где в качестве произведения берётся конъюнкция, а в качестве сложения -- исключающее или.

Для реализации схемы в базисе И-М2 выбран метод треугольника Паскаля, характеризующийся экономичностью с точки зрения объема вычислений и простотой алгоритмизации.

Составление структурной схемы

Логические схемы являются структурными моделями цифровых устройств, реализующих логические функции. Они отображают преобразование входных переменных в выходные . Структурная модель схемы изображена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Структурная модель логической схемы

Схема называется комбинационной, если значения выходных переменных детерминируются комбинацией значений переменных на входах только в данный момент времени. Если выход зависит не только от входа в данный тактовый момент v, но и от состояния s(v-1) в предыдущий момент, то данный тип схем носит название последовательных. Помимо содержания комбинационных схем, в них предусматривается наличие элементов памяти, сохраняющие предыдущее состояние до наступления следующего такта.

Оба типа схем объединяются под названием конечных автоматов в предположении, что все переменные принимают значения из конечных алфавитов. Особое значение имеют конечные автоматы с двузначным структурным алфавитом, зависимости между входами и выходами которых выражаются булевыми функциями. Последовательные схемы называются также конечными автоматами с памятью.

Переход от переключательной функции к логической схеме в булевом базисе заключается в следующем: обозначить входы вентилей в соответствии с формулой и соединить их между собой надлежащим образом.



РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПОЭТАПНОГО СИНТЕЗА КОМБИНАЦИОННЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Актуальность разрабатываемого программного продукта

В качестве критерия эффективности синтезируемых схем принимают цену схемы по Квайну. В связи с этим возникает необходимость решения задач нахождения минимального покрытия переключательной функции. Разработчик цифровой схемотехники должен владеть математическим инструментарием для осуществления поэтапного синтеза проектируемого устройства. Однако при возрастании числа входных сигналов процесс синтеза схемы без применения программного продукта занимает немало временных ресурсов. Негативным образом на качество схемы влияет высокая вероятность ошибок на любом этапе синтеза, вызванных человеческим фактором.

Современные программные решения обеспечивают лишь один из этапов синтеза - минимизацию переключательных функций, однако данный этап базируется на применении карт Карно, что объясняет ограниченность относительно количества входных сигналов рассматриваемых программных пакетов.

В данной связи разработка программного обеспечения, обеспечивающего полный поэтапный синтез цифровых устройств систем автоматического управления, является актуальным и экономически оправданным.

Выбор программного средства разработки

На основе характеристик рассмотренных инструментариев составлена сравнительная таблица (Таблица 2.1.).

Таблица 2.1. Сравнение характеристик инструментариев программирования

Характеристики	Borland С++ Builder	Eclipse IDE for Java Developers	Microsoft Visual Studio C# (.NET Framework)
Кроссплатформенность	-	+	+
Удобная работа с БД	-	+	+
Наличие свободных библиотек для работы с диаграммами	+	+	+
Возможность перегрузки функций	+	+	+
Сборщик мусора	-	+	+
Объектно-ориентированный подход	+	+	+
Наличие конструктора форм	+	-	+
Опыт разработки	+	+	+
Типобезопасность	-	+	+

Таким образом, в качестве инструментария разработки программного продукта выбран Microsoft Visual Studio C# (.NET Framework).

C# -- типобезопасный объектно-ориентированный язык, предназначенный для разработки разнообразных безопасных и мощных приложений, выполняемых в среде .NET Framework. С помощью языка C# можно создавать обычные приложения Windows, XML-веб-службы, распределенные компоненты, приложения "клиент-сервер", приложения баз данных. Visual C# предоставляет развитый редактор кода, конструкторы с удобным пользовательским интерфейсом, встроенный отладчик и множество других средств, упрощающих разработку приложений на базе языка C# и .NET Framework. Рассматриваемый язык программирования характеризуется:

Подлинная объектная ориентированность; 

Компонентно-ориентированное программирование;

Безопасный (по сравнению с языками C и C++) код;

Унифицированная систематипизации.

Язык программирования С# появился позднее Java и С++ и учел недостатки своих предшественников. Код, написанный на С#, лаконичнее, быстрее и не так громоздок, как на языке Java. Легкость в изучении, простая компиляция, типобезопасность существенным образом отличают C# от C++.

В качестве системы управления базами данных выбрана Microsoft SQL Server.

Для оценки параметров графических библиотек были взяты настройки графика по умолчанию, указано разрешение выходного рисунка и задействовалось фиксированное количество точек. Каждое решение запускалось несколько раз, в качестве реальной скорости бралось статистическое среднее. Анализ проводился на машине IntelCoreI5 3.10 GHz, 8 gb ОЗУ, Windows 7x64. Результаты представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Распределение скорости работы средств построения графиков для платформы .NET.

№№	Решение	Количество итераций	Суммарное время (сек)	Среднее время на одну итерацию (сек)
11	DisLin	5	1.9071907	0.38143814
22	ZedGraph	5	2.750275	0.550055
33	WebChart	5	5.130513	1.0261026
44	Microsoft ChartControls	5	6.8456845	1.3691369
55	GoogleChartSharp	5	9.8049804	1.96099608

Вывод: в ходе рассмотрения особенностей библиотек построения графиков и их характеристик, наиболее оптимальным функционалом и быстродействием обладают DisLin и ZedGraph. Однако ввиду отсутствия свободного доступа к бесплатному скачиванию инструментария DisLin, в разработанном программном обеспечении использовалась библиотека ZedGraph.

Проектирование пользовательского интерфейса

Пользовательский интерфейс (ПИ) - система правил и средств, регламентирующая и обеспечивающая взаимодействие программы с пользователем. В понятие пользовательского интерфейса (ПИ) входят способы взаимодействия пользователя с системой. Отправной точкой хорошего интерфейса является метафора. Обстановка на экране и способы взаимодействия с системой должны апеллировать к ситуации, хорошо знакомой пользователю.

Структурная схема программной реализации приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Структурная схема программной реализации.

Разработанное программное обеспечение предусматривает табличную запись условий функционирования. Для формирования полей таблицы истинности пользователю предлагается задать такие параметры проектируемого устройства, как количество входных сигналов и количество выходов системы, а так же тип входных сигналов (в виде двоичного кода или десятичного кода).

После ввода условий функционирования и характеристик проектируемой схемы запускается процесс синтеза устройства. Интерфейс, демонстрирующий результат синтеза преобразователя двоичного кода в помехозащитный код Грея, изображен на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Демонстрация результатов синтеза проектируемого КЦУ

Программное обеспечение позволяет пролистывать и сохранять таблицу преобразования структурных формул к заданному базису. Подключенная графическая библиотека ZedGraph применяется для формирования гистограмм цен по Квайну и временных диаграмм устройства.

В отдельном окне программа формирует структурную схему и прилагает необходимый инструментарий для работы с ней (рис. 2.6.).

Рис. 2.6. Окно интерфейса вывода структурной схемы.

Проектирование цифрового устройства статистического мажорирования с использованием разработанного программного продукта.

Актуальность резервирования на основе мажоритарной логики.

В современной промышленности наиболее распространенным раздельным резервированием является резервирование на уровне устройств (ОЗУ, процессор, жесткие диски и т.д.), так как современные бортовые вычислительные машины (БЦВМ) имеют модульное построение, а резервирование на уровне модулей значительно повышает ремонтопригодность. В зависимости от способа включения резервного элемента или БЦВМ различают горячее и холодное резервирование.

В системах управления широко применяется мажоритарное резервирование (с использованием «голосования»). Этот способ основан на применении дополнительного элемента, называемого мажоритарным или логическим. Благодаря данному элементу предоставляется возможность сравнивать сигналы, поступающие от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты сравнения совпадают, то они передаются на выход устройства. Данный тип резервирования используется при горячем резерве элементов (рис. 3.4.).

Рис. 3.1. Структурная схема мажоритарного резервирования.

Мажоритарный элемент позволяет обеспечить режим одновременного штатного функционирования основного и резервных элементов радиоэлектронных устройств и исключает применение специальных коммутационных узлов, устраняющих взаимное влияние основного и резервных элементов друг на друга. При этом отказ основного или резервного элементов не влияет на работу оставшихся исправных элементов. В настоящее время нашло широкое применение структурное резервирование с мажоритарным элементом, оно используется для повышения надежности цифровых электронных устройств и цифровых систем.

Таким образом, актуальность использования мажоритарной логики в системах с резервированием обусловлено следующими причинами:

- значительное увеличение вероятности безотказной работы вычислительной системы;

- отсутствие потребности обнаружения неисправного элемента и переключения на резервный;

- подавление всех сбоев.

Внедрение мажоритарного элемента и проектирование устройства на логических вентилях требует решения задач синтеза. Использование разработанного программного обеспечения, реализующее оптимальный метод синтеза, значительно ускорит процесс проектирования цифрового устройства статистического мажорирования и позволит избежать вычислительных ошибок на любом этапе синтеза, связанные с человеческим фактором.

Анализ методов проектирования устройства статистического мажорирования

Проектируемое устройство разрабатывается для системы с резервированием,

изображенной на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Структурная схема системы с резервированием на базе троированного АЦП.

Принцип работы предложенной системы заключается в следующем: в месте отбора информации размещены три датчика, которые измеряют некую величину. Информация с датчиков поступает на входы трех аналого-цифровых преобразователей типа последовательного приближения, которые преобразуют полученную информацию в N-разрядный цифровой код. Проблематика заключается в вероятности отказа одного из АЦП или возникновении ошибки в снимаемом с АЦП коде. С целью нахождения пути решения поставленной задачи было разработано устройство статистического мажорирования, принцип работы которого заключается в следующем: на вход устройства подаются три цифровых кода, снимаемые с трех АЦП, на выходе устройство формирует статистическое среднее (исправленный код).

В результате динамического поступления кода с АЦП на вход проектируемого устройства различные внешние факторы (перепады температуры, потоки воздуха и т.д.) могут сказаться на качестве результатов измерения и вызывать помехи. Предлагается затратить N тактов (где N - разрядность кода) для записи кода с каждого АЦП в три запоминающих регистра на D-триггерах с целью фиксации цифровой информации. Зафиксированный код поступает на вход устройства статистического мажорирования.

Рассмотрен вариант устройства, учитывающий параллельное считывание кода с трех запоминающих регистров. Данный вариант схемы обеспечивает оптимальное быстродействие ввиду минимально-возможного ранга схемы. Существенным недостатком является высокая цена схемы по Квайну, которая значительно возрастает с увеличением разрядности снимаемого с АЦП входа (рис. 3.3.).

Рис. 3.3. Возрастание цены схемы по Квайну с увеличением разрядности кода.

В данной связи данный вариант проектирования устройства сопряжен с технологическими трудностями и сочтен неоптимальным.

Второй вариант проектирования заключается в поразрядном поступлении кода на вход статистического мажора. В рассматриваемом варианте число входов устройства не зависит от разрядности снимаемого кода с АЦП. Таким образом, цена схемы по Квайну остается фиксированной. Увеличивается многоступенчатость схемы, что негативно сказывается на быстродействии в сравнении с первым вариантом (быстродействие снижается в 4 раза).

Вывод: учитывая универсальность рассматриваемого варианта, распространяемая на любое количество входов устройства, отдано предпочтение схеме, на вход которой цифровые коды поступают поразрядно.

Синтез проектируемого устройства с использованием разработанного программного обеспечения

Вследствие функциональной полноты функций Шеффера могут представлять любую булеву операцию и таким образом самостоятельно образовывать базис, в котором реализуется любая логическая функция. Устройство включает в себя несколько комбинационных цифровых устройств, соединенных между собой коммутаторами. Первое КЦУ представляет собой модифицированный цифровой компаратор, показанный на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Условия функционирования первого комбинационного устройства в составе статистического мажора

С использованием разработанного программного обеспечения проведен синтез рассматриваемого КЦУ. Схема устройства показана на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Структурная схема устройства модифицированного компаратора с тремя входами на логическом базисе И-НЕ.

Второе составляющее КЦУ также представляет собой цифровой компаратор, однако в двумя входами. Условия функционирования продемонстрированы на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Условия функционирования второго комбинационного устройства в составе статистического мажора

С использованием разработанного программного обеспечения проведен синтез рассматриваемого КЦУ. Схема устройства показана на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Структурная схема устройства модифицированного компаратора с двумя входами на логическом базисе И-НЕ.

Мажоритарный элемент - логическое устройство из класса пороговых, значение выходного сигнала совпадает со значением на большинстве входов. Мажоритарные элементы имеют широкую область применения в цифровых высоконадежных системах, системах с резервированием и помехоустойчивых телекомунникационных системах. Синтез мажоритарного элемента был проведен с помощью разработанного ПО. Результаты синтеза показаны на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Структурная схема мажоритарного элемента 2х3 на логическом базисе И-НЕ.

Данные устройства были объединены в устройство статистического мажорирования с помощью переходных коммутаторов.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе производственной практики были изучены этапы синтеза комбинационных цифровых устройств. Проведен детальный анализ алгоритмов, используемых на каждом этапе синтеза, на основе таких показателей, как время выполнения, вычислительная сложность и ограничительные условия работы алгоритмов. Оптимальный метод синтеза был реализован в программном продукте, разработанном на языке С# на платформе .NET. В качестве СУБД была выбрана MS SQL Server 2012. В этой связи исследования в области алгоритмов работы с переключательными функциями и разработка программного обеспечения являются актуальными, так как позволяют быстро осуществлять синтез комбинационных устройств, программно моделировать характеристики и поведение разрабатываемой схемы в системах автоматики. Рассмотрены системы с резервированием, метод мажоритарного резервирования, предусматривающий наличие комбинационных цифровых устройств, отмечен, как наиболее приемлемый. С помощью разработанного ПО спроектировано устройство статистического мажорирования на элементах И-НЕ, ИЛИ для систем с резервированием.

статистический мажорирование синтез цифровой



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Годяев А.И. Теоретические основы логического проектирования дискретных устройств: учеб.пособие/А. И. Годяев. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007. - 128 с.: ил.

Глушков В.М Синтез цифровых автоматов: М. Физматгиз, 1962 г., 476 стр. с ил.

Ланских В.Г. Элементарная цифровая схемотехника: Учебное пособие. - Киров: Изд-во ВятГУ, 2009. - 82 с.

Рощин А.Г., Половов: Теория автоматов. Часть I. Учебное пособие - М.: МГТУ ГА, 2007. -96 с.

Горбатов В.А.: Дискретная математика: учеб.для студентов втузов. - М.: АСТ: Астрель, 2006. -447, с.:ил. - (Высшая школа)

Зубчук В.И.: Справочник по цифровой схемотехнике/ В.И. Зубчук, В.П. Сигорский, А.Н. Шкуро. - К. Техника, 1990. - 448 с.

Размещено на Allbest.ru