double arrow

БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНСТРУКЦИИ СИСТЕМ


Сокращения

АЛУ – арифметико-логическое устройство

АЦП – аналого-цифровой преобразователь

ВПИ – вычислительный преобразователь информации

ГСА – граф-схема алгоритма

ДКГ – двоичный код Грея

ДГК – двоичный геометрический код

ДНК – двоичный непозиционный код

ДПК – двоичный позиционный код

ДНФ – дизъюнктивная нормальная форма

ЗУ – запоминающее устройство

ИУС – информационно-управляющая система

ЛПИ – логический преобразователь информации

ЛСА – логическая схема алгоритма

КНФ – конъюнктивная нормальная форма

МИУС – микропроцессорная ИУС

МПА – микропрограммный автомат

МПС – микропроцессорная система

МСА – матричная схема алгоритма

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

ОУ – операционное устройство

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема

ПЛМ – программируемая логическая матрица

Рг – регистр

СДНФ – совершенная ДНФ

СКНФ – совершенная КНФ

cr – счетчик, DC – дешифратор, CD – шифратор

СС – схема синхронизации

УА – управляющий автомат

УВ – устройство ввода информации

УВВ – устройство вывода информации

УВИ – устройство ввода изображений

ФАЛ – функция алгебры логики

Ф, И, Л, А, У – подсистемы структурной модели (функциональная, информационная, логическая, адресная, управляющая)

ФМ – фотоматрица

ЦА – цифровой автомат

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

ЦП – центральный процессор


Введение

XXI век называют веком информационных технологий, когда понятие информа­ции, способы распространения и обработки информации приобретают первостепен­ное значение не только в задачах автоматизации производственных процессов, но и в задачах организации информационного и культурного обмена в деятельности регионов, стран и континентов. Это не значит, что энергетическая, материальная сторона вопроса несущественна, это значит лишь то, что и организация энергетиче­ских и материальных потоков определяется уровнем применяемых информацион­ных технологий.

Вместе с тем, понятие «информационные технологии» чаще всего связывают с применением универсальных ЭВМ, программных комплексов для локальных и глобальных сетей ЭВМ. Фактически информационные технологии имеют две стороны:

– технологическую и схемотехническую, позволяющую аппаратными средст­вами реализовать как сами ЭВМ, так и всевозможные средства приема, хранения, передачи и обработки информации;

– собственно программные средства для реализации информационных пре­образований на универсальных ЭВМ или сетях ЭВМ.

Обоим этим аспектам предшествует так называемая алгоритмическая сто­рона информационных технологий, т.е. изучение самого процесса управления или преобразования информации, его формализация в математической или алгорит­мической форме.

Настоящее пособие посвящено формальной и структурной теории автоматов, являющейся одним из важнейших разделов аппаратной реализации средств пре­образования информации. Однако это направление затрагивает и вторую сторону вопроса (программное обеспечение) по двум основным аспектам:

– сами программы реализуются (выполняются) с помощью аппаратных средств;

– имеется тенденция создания так называемых систем со встроенными ин­формационными технологиями. В таких системах программное обеспече­ние из оперативной памяти для универсальной ЭВМ переведено в основном в «жесткую» аппаратную реализацию на основе постоянных запоминающих устройств и программируемых матриц.

Развитие интегральных технологий микроэлектронных и оптоэлектронных схем привело к созданию сложных элементов и устройств вычислительной тех­ники и дискретной автоматики.

Изделия микроэлектроники производятся в виде интегральных схем (ИС) с малой (МИС), средней (СИС), большой (БИС) и со сверхбольшой степенью инте­грации (СБИС). Эта степень интеграции определяется через количество условных вентилей или через число p-n-переходов:

до 103 – МИС; до 10­4 – СИС; до 106 – БИС; свыше 106 – СБИС.

Некоторые из интегральных схем относятся к классу операционных уст­ройств (ОУ), т.к. их использование по назначению требует наличия внешнего управления, другие же являются устройствами с автономным управлением (мик­ропроцессоры, контроллеры и др.). Из каких бы элементов интегральной схемо­техники ни состояла вся автоматизированная система, ее функционирование во времени может быть обеспечено только включением в структуру системы автома­тов управления.

В этом плане роль автоматов управления в проектировании и применении ав­томатизированных систем является определяющей. Более того, в некоторых спе­циализированных системах, работающих в реальном масштабе времени (само­леты, морские суда, системы ж.-д. автоматики), наряду с ОЗУ и ПЗУ автоматы управления могут составлять > 50 % радиоэлектронного оборудования.

В последнее время широко применяются так называемые самоконтролируе­мые автоматы, т.е. автоматы со встроенными системами контроля правильности функционирования.

Всем этим вопросам и посвящено настоящее учебное пособие.

Студенты, обучающиеся специальностям в области информационных техно­логий, обычно уже имеют определенное понятие о работе с цифровой техникой и персональными компьютерами, а подчас и практические на­выки такой работы. Однако, бу­дучи пользователями ЭВМ или любителями электронной техники и автоматики, при фрагментарных знаниях микропроцессорной техники они допускают в ряде случаев элементарные промахи из-за нечеткого понимания основ теории дискретных устройств (ТДУ).

Настоящее пособие предназначено для студентов, изучивших основы электротехники и электроники и знакомых с элементами цифровой техники.

Ряд разделов пособия (гл. 2, 4, 5) ориентирован на научно-исследовательскую работу студентов и дипломное проектирование, хотя в основе автор не старался чрез­мерно выходить за рамки учебной программы по теории дискретных устройств для специальностей железнодорожного профиля в области информационных тех­нологий и систем (Автоматика, телемеханика и связь, Информационные системы, Мехатроника, Приборы и системы неразрушающего контроля, Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем управления, Безопасность информации и Энергоснабжение).

В первой главе кратко излагаются все основные понятия.

Уровень сложности материала возрастает по мере изложения, однако в ка­кой-то мере пособие является самодостаточным по данному вопросу, т.е. сту­денту при первом чтении для освоения знаний по программе достаточно пользо­ваться дополнительно только справочниками по элементной базе. С главой 2 следует лишь ознакомиться, обратив главное внимание на изучение материала гл. 3.

В настоящем посо­бии кратко изложены базовые понятия и методы теории дискретных устройств и даны методы абст­рактного и структурного синтеза автоматов с ориентацией на применение боль­ших интегральных схем (БИС) в виде ПЗУ, ПЛМ, ПЛИС и др.

Структурный синтез автоматов ориентирован не на задачи преобразований графов или таблиц переходов, что эффективно на элементах малой и средней ин­теграции, а на декомпозиционный подход с самого верхнего уровня, т.е. уровня описания алгоритмов управления.

Все положения ТДУ применимы не только в электронной технике, но и при создании устройств пневмоавтоматики, управляемых аналого-цифровых систем и устройств квазиоптического диапазона.

Учебное пособие ориентировано в первую очередь на студентов, изучающих ТДУ по односеместровой программе (без курсовых и лабораторных работ). Специальности этого профиля для ж.-д. транспорта перечислены. Этой категории студентов для освоения программы можно лишь прочитать гл. 4 и 5, т.к. они рассчитаны на научно-исследовательскую работу студента (НИРС) и дипломное проектирование, если тема проекта имеет отношение к ТДУ. Однако для студентов, изучающих ТДУ в группе специальностей «Информатика и вычислительная техника» при 2- и 3-семестровой программе с курсовыми работами рекомендуются все главы пособия и более углубленное изучение дополнительной литературы. Параграф 4.3 и два последних параграфа не относятся к теоретическим материалам курса ТДУ. Это, фактически, подробно рассмотренные примеры проектирования конкретных систем. Причем РПЗУ серии 573 хотя и используются, на их замену разработаны сейчас новые серии. Однако этот материал интересен для студента тем, что в нем в комплексе используются все основные дискретные устройства: схемы на ПЗУ, дешифраторы, многорежимные формирователи импульсов, логические преобразователи, автоматы управления, блоки индикации и др. Это пример того, как, изучив ТДУ и умея производить анализ узлов и блоков, можно перейти к проектированию относительно сложной системы со всеми подсистемами: функциональной, адресной, информационной, логической и управляющей.

В списке литературы имеются источники, не относящиеся к числу необходимых для усвоения материала, даже в числе дополнительных. Это касается материалов по пневмоматрицам, устройствам СВЧ диапазона, системам распознавания образов, нейронным системам и технологическим процессам с системами управления на базе искусственного интеллекта.

Автор включил эти материалы с двойной целью:

- убедить в том, что ТДУ применима не только к электронным схемам;

- определить области практического применения ТДУ.

Все ссылки на литературу, используемую автором при написании пособия, относятся в основном к гл. 4, 5. Однако это не значит, что гл. 4, 5 – компиляция этих источников. Более того, почти весь материал этих глав оригинален (изобретения) или базируется на теоретических работах автора. Ссылки же на других авторов потребовались для установления исторического приоритета в некоторых вопросах и сопоставления метода автора другим решениям.

В учебном пособии § 3.5 и 5.3 написаны аспирантом Ю.А. Мухопадом.

Автор выражает признательность доктору техн. наук, профессору Легалову А.И., доктору техн. наук, профессору Дунаеву М.П. и доктору техн. наук, профессору Круглову С.П., внимательно прочитавшим рукопись. Их конструктивные замечания способствовали улучшению учебного пособия.


Глава 1

БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНСТРУКЦИИ СИСТЕМ


Сейчас читают про: