Список микрокоманд и логических условий

Аi	Микрокоманды
А1	Установка нулевого состояния всех счетчиков
А2	Запись в стек исходной информации
А3	Считывание в ПЗУ i -гo входа, подлежащего коммутации
А4	«+1» к Сч. ст.
А5	Запись в РгУ i -й строки матрицы ||А||
А6	Опрос декодера ДСЗ
А7	«+1» к 2 Сч.
А8	Опрос декодера ДС4
А9	Опрос декодера ДС6
А10	Замыкание ЭК в коммутаторе I звена
А11	«+1» к 1 Сч.
А12	Опрос декодера ДС1
А13	Опрос декодера ДС5
А14	Опрос декодера ДС2
А15	Замыкание ЭК в коммутаторах II и III звена
А16	Индикация о невозможности установления соединения
	Проверяется содержимое 2 Сч.
	Проверяется содержимое 1 Сч.
	Проверяется содержимое Сч. ст.

В регистр управления РгУ по заданному адресу считывается из ПЗУ i- я строка матрицы требований на соединение ||А||. Регистр управле­ния разделен на части – поля. Каждое поле содержит: П1 – код комму­татора третьего звена; П2 – код выхода; ПЗ – код коммутатора первого звена; П4 – код входа.

Рис. 110. Алгоритм управления многокаскадным коммутатором

Управляющая подсистема – микропрограммный автомат для управления блоками И, Л, Ф, А по реализации алгоритма установления соединений.

В табл. 49 приведен список микрокоманд и логических условий. Очевидно, что в этой классификации указаны основные функции пяти подсистем. Для логической подсистемы требуется введение еще ряда до­полнительных логических условий, таких как: весь ли список на соедине­ние исчерпан, заняты ли промежуточные линии в коммутационном поле и др. Предложенная система управления коммутатором многофункциональ­на, т.к. позволяет осуществить управление трехкаскадными схемами, как с ординарной, так и с неординарной коммутацией. Алгоритм управления операционным устройством многозвенного коммутатора в форме ЛСА имеет вид:

А₀А₁А₂ [А₃А₄]А₅[А₆А₇] ₁[А₈А₉А₁₀][А₁₁А₁₂] [А₁₃А₁₄А₁₅] А_к; ( v ) .

При переходе к неординарной коммутации изменяются адресные поля в РгУ и увеличивается количество счетчиков, регистров и декодеров, определяющих 2ПЛ. Сам алгоритм управления (110) практически не изменяет­ся. Быстродействие установления соединений за счет использования спе­циальной операционной структуры (рис. 108) и автомата Мура, соответст­вующего алгоритму управления (110) почти на два порядка выше, чем при программной реализации на микроконтроллере на одной и той же эле­ментной базе.

Реализация системы управления на быстродействую­щей логике, например ЭСЛ, позволит строить многозвенные коммутаторы СВЧ диапазона на базе арсенид-галлиевого матричного кристалла (БМК). БМК может использоваться как однозвенный коммутатор размерностью 4x4 [14]. На основе нескольких БМК по трехкаскадной схеме может быть построен многовходовый коммутатор, как для ординарной, так и для неординарной коммутации. Это может быть принципиально новым решением для СВЧ диапазона, устраняющим необходимость последовательной обработки списков через буфер с одним коммутатором 4x4 или с помощью коммутационных схем на основе числовых матриц ПЗУ. Аналогично может быть решен вопрос многозвенной коммутации в пневмоавтоматике на базе схем [24].

Таким образом, структурная реализация системы управления коммутаторами по декомпозиционной схеме в виде специального (Ф, И, А, Л) операционного устройства и автомата управления им позволяет достичь нового качества в задачах пространственной коммутации сигналов.

Основная литература

1. Постников А.И. Основы теории цифровых автоматов. – Красноярск: КрГТУ, 1999. – 251 с.

2. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. Теория дискретных устройств ж.-д.автоматики, телемеханики и связи. – М.: Транспорт, 2001. – 307 с.

Дополнительная литература

1. Амосов В.В. Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств. – СПб.: БХВ – Петербург, 2007. – 242 с.

2. Баранов С.И., Скляров В.А., Янцен Н.Я. Синтез автоматов на элементах с матричной структурой / Проектирование функционально ориентированных вычислительных систем. – Л.:ЛГУ, 1990. – С. 90–108.

3. Балакин В.Н., Барашенков В.В. Проектирование самопроверяемых управляющих устройств по тестопригодным схемам алгоритмов // Автоматика и телемеханика. – 1988. – №11. – С. 161–168.

4. Баркалов А.А. Синтез устройств управления на ПЛМ. – Донецк: Дон. НТУ, 2002. – 128 с.

5. Бабкин П.А., Мухопад Ю.Ф. Синтез МПА с ассоциативной памятью // МПС контроля и управления: тр. Сиб. науч. техн. конф. – Новосибирск НЭТИ, Томск ТИАСУР, 1992. – С. 41–48.

6. Бибило П.Н. Синтез логических схем с использованием языка VHDL. – М.: Солон – Р, 2002.

7. Горбатов В.А., Горбатов А.В., Горбатова М.В. Дискретная математика. – М.: АСТ Астрель, 2006. – 447 с.

8. Горбатов В.А., Смирнов В.И., Хлытчиев И.С. Логическое управление распределенными системами. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 278 с.

9. Глушков В.М. Автоматно-алгебраические аспекты оптимизации МПА // тр. Межд. мат. конгр. – М.: 1968. – С. 53–55.

10. Закревский А.Д. Логика распознавания. – М.: УРСС, 2003. – 140 с.

11. Закревский А.Д. Синтез каскадных схем. – М.: Наука, 1981. – 386 с.

12. Захаров В.Н., Поспелов Д.А., Хазацкий В.Е. Системы управления. – М.: Энергия, 1972. – 344 с.

13. Карпов Ю.Г. Теория автоматов. – СПб.: Питер, 2003. – 208 с.

14. Мелихов С.В., Ненахов А.В., Колесов И.А. и др. Микропроцессорные аналого-цифровые устройства СВЧ на основе базового матричного кристалла // тр. науч.-практ. конф. – Томск: ТУСУР, 2007. – С. 70–74.

15. Мухопад Ю.Ф. Преобразование операторных схем алгоритмов // Информ. системы контроля и управления. – Иркутск: ИрГУПС, 2006. – Вып 14. – С. 118–123.

16. Мухопад Ю.Ф. Проектирование специализированных микропроцессорных вычислителей. – Новосибирск: Наука, 1981. – 183 с.

17. Мухопад Ю.Ф., Мухопад А.Ю. Комбинаторно-нейронные сети // Информ. технологии контроля и управления на транспорте. – Иркутск: ИрИИТ, 2000. – Вып. 8. – С. 54–62.

18. Музылева И. Элементарная база для построения цифровых систем управления. – М.: Техносфера, 2006. – 173 с.

19. Мухопад Ю.Ф., Чекмерев Ю.Д. ПЗУ с самоконтролем. – А.с. №1410101 СССр, БИ №26, 1988.

20. Мухопад Ю.Ф., Бадмаева Т.С., Кругликов С.В. Устройство определения координат изображения. – А.с. № 991452 СССР, БИ №3, 1983.

21. Мухопад Ю.Ф., Мухопад А.Ю., Бадмаева Т.С. Самоконтролируемый автомат управления. – Патент № 63588, опубл. 27.05.2007, БИ №15.

22. Мухопад Ю.Ф., Березков Л.О., Скосырский Г.С., Минаев В.И. Микропроцессорные системы контроля ПЗУ. – Иркутск, Улан-Удэ, ИГУ, 1984. – 144 с.

23. Мухопад Ю.Ф. Микроэлектронные информационно-управляющие ситемы. – Иркутск: ИрГУПС, 2004. – 404 с.

24. Мухопад Ю.Ф., Бовкун А.Ф., Комков А.З. Программная матрица для пневматических систем управления дискретного действия. – Пат. № 62717 РФ, БИ № 12, 27.04.2007; пат. № 63307 РФ, БИ №19, 10.07.2007.

25. Мухопад Ю.Ф., Скосырский Г.С., Репнин В.М. и др. Формирователь временных последовательностей. – А.с. № 991587 СССР, БИ №3, 1983.

26. Мухопад Ю.Ф. Накопитель для радиочастотного ПЗУ // Микропроцессорные системы контроля и управления на транспорте. – Иркутск: ИрИИТ, 2000. – Вып. 6. – С. 129–135. – А.с. № 1410101 СССР, 1988, БИ № 26.

27. Мухопад Ю.Ф., Гардер В.М. Устройство для вычисления функций. – А.с. 696472 СССР, БИ № 41, 1979; А.с. 579622 СССР, БИ № 46, 1979.

28. Мухопад Ю.Ф., Кучина Е.М. Адаптивный аналого-цифровой фильтр. – А.с. 714408 СССР, БИ №5, 1980.

29. Мухопад Ю.Ф., Рудковский В.П. Комбинационный преобразователь информации систем обработки сигналов // Информ. системы контроля и управления в промышленности. – Иркутск: ИрГУПС, 2005. – Вып. 13. – С 3–9.

30. Мухопад А.Ю., Мухопад Ю.Ф. Микропрограммный автомат №82888, БИ №13, 2009. Патент РФ на полезную модель.

31. Мухопад Ю.Ф., Рудковский В.П. Структурный синтез самодиагностируемых обратимых ФПИ // Инф. сист. контроля и управл. в промышл. и на транспорте. – Иркутск: ИрГУПС, 2005. – Вып. 13. – С. 45–49.

32. Мухопад Ю.Ф., Бадмаева Т.С. Синтез автоматов по декомпозиционной схеме алгоритма // Информационные системы контроля и управления. – Иркутск: ИрИИТ, 2002. – С. 14–25.

33. Мухопад А.Ю., Мухопад Ю.Ф. Метод синтез сложных автоматов. – Новосибирск: Научный вестник НГТУ, 2009. – №1 (34). – С. 221–227.

34. Плотников А.В., Баркатов А.А., Стародубцев К.Е. Микропрограммное устройство управления // УС И М, 1987. – №4. – С. 38–41.

35. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.

36. Пупырев Е.И. Перестраиваемые автоматы и микропроцессорные системы. – М.: Наука, 1984. – 191 с.

37. Савельев А.Я. Прикладная теория автоматов. – М.: Радио и связь, 1989. – 208 с.

38. Сагунов В.Г. Алгоритмы технического диагностирования дискретных устройств. – М.: Радио и связь, 1990. – 111 с.

39. Сагомонян Е.С., Слабаков Е.В. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы. – М.: Радио и связь, 1989. – 208 с.

40. Скосырский Г.С., Мухопад Ю.Ф. Устройство функционального контроля БИС памяти. – А.с. № 1547034 СССР, БИ №*, 1990.

41. Соловьев В.В., Климович А. Логическое проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. – М.: Горячая линия-Телеком, 2008. – 375 с.

42. Суров В.П., Шаманов В.И. Методы минимизации функций алгебры логики. – ИрГУПС, Красноярск, 2006. – 21 с.

43. Смагин А.А. Организация сжатия информации в табличных структурах. – Саратов: СГУ, 1985. – 124 с.

44. Рудковский В.П., Мухопад Ю.Ф. Оптимизация математического базиса управляющих систем // Автоматизированные системы контроля и управления на транспорте. Вып. 5. – Иркутск: ИрИИТ, 1999. – С. 129–136.

45. Щербаков Н.С. Достоверность работы цифровых устройств. – М.: Машиностроение, 1989. – 224 с.

46. Уилсмхерст Т. Разработка встроенных систем с помощью микроконтроллеров PIC. – Киев: «МК-Пресс»; СПб.: «Корона-век», 2008. – 544 с.

47. Рыцар Б.Е., Кметь А.Б. Новый метод кодирования подфункций в задачах синтеза цифровых устройств. Кибернетика и системный анализ. – 2003. – №2. – С. 63–90.

48. Шалыто А.А. Логическое управление. Методы аппаратной и программной реализации алгоритмов. – СПб.: Наука, 2000.

49. Юдитский С.А., Магергут В.З. Логическое управление дискретными процессами. М.: Машиностроение, 1987. – 175 с.

50. Мухопад Ю.Ф., Бадмаева Т.С. Устройство для программного управления с применением коммутатора. – А.с. № 1087996 СССР, БИ № 15, 1984.

51. Информационные системы. Табличная обработка информации./ ред. Е.П. Балашов, В.Б. Смолов. – Л.: Энергоиздат, 1985. – 179 с.

52. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. М.: ГЛ – Телеком, 2007. – 336 с.

53. Поликарпова Н.И., Шалыто А.А. Автоматное программирование. – СПб.: Питер, 2009. – 176 с.

Редактор Ф.А. Ильина

Подписано в печать 29.03.2010.

Формат 60×84 ¹/₁₆. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 10,75. Уч-изд. л. 11,55.

План 2010 г.

Тираж 200 экз. Заказ

Типография ИрГУПС

г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15

* Это правило записи и индексации не является таким уж строгим, если оно применяется к кодам общего типа, не относящимся к двоично-позиционным (ДПК). Для лучшего визуального восприятия таблиц используется и привычная запись x₁, х₂,..., x_m.

* Примечание: Правило (или Теорема) де Моргана приведено далее в § 1.7. Подробнее см. [1, 2 (Основная литература), 38].

* Примечание: В наиболее доступной форме методы минимизации б.ф. изложены в работах [1, 2, 37, 42, 52]. Этот вопрос глубоко исследован в работах [4, 6, 7, 11, 41]. В работе [47] предложен эффективный алгоритм минимизации б.ф. для большого числа переменных. Практические алгоритмы минимизации на базе специальных алгоритмических языков приведены в [6].

* Для удобства восприятия выражения (5) в этом параграфе повторяют выражения (3) из предыдущего параграфа.

* Примечание: системная модель [23] рассмотрена подробно в гл. 2.

* Реализация систем управления технологическими процессами для взрыво- и пожароопасных производств не требует большого быстродействия. Однако отсутствие в этой технике ПЛМ и ПЛИС оправдывает реализацию СО ФПИ на основе логических элементов струйной техники [24].

** С другой стороны, для сверхбыстродействующих систем СВЧ-радиодиапазона и квазиоптических схем уровень интеграции также не велик, потому и здесь структуры СО ФПИ с комбинационными схемами являются наиболее предпочтительными [14, 26]. Более того, в работах [10, 17] показано, что некоторые нейроподобные структуры могут быть реализованы в виде комбинационных схем, а системы контроля программных комплексов выполняются в виде конечных автоматов [53].

*Примечание: Другие таблично-алгоритмические способы более точного вычисления функции, чем метод прямого считывания, приведены в работах [27, 36, 43, 48, 51].

* Примечание: Более подробно вопрос выбора базисов рассмотрен в работах [37, 44].

* Примечание: Другие типы триггеров подробно описаны в литературе по автоматике и вычислительной технике [18, 35, 52].

* Примечание: Модель предложена Ю.Ф. Мухопадом в 1974 г. на международном конгрессе JFAC, развита и обобщена в работах [16, 23].

* Примеч.: Вопросам взаимного преобразования операторных схем (ГСА, ЛСА, МСА, ТСА) алгоритмов посвящена работа [16], а также § 2.5 настоящей главы.

* Автоматы могут быть заданы также перечнем условий переходов и выходов – секвенции. Секвенциональные автоматы не рассматриваются в этом пособии.

* В.А. Горбатов предлагает алгоритм оптимального кодирования, основанный на частотно-матричном методе и построении значения производной для каждой пары состояний [7]. Для минимизации аппаратурных затрат по графу переходов получают кодирующее дерево, из которого следуют коды состояний. Однако алго­ритм В.А. Горбатова обеспечивает снижение затрат на реализацию комбинацион­ных схем F₁ и F₂ всего лишь на 5–10% при их реализации на логике средней инте­грации. Для современной техники БИС и СБИС он не дает преимуществ.

В работе [13] предлагается другой подход к «оптимальному» кодированию номеров состояний, основанный на последовательной и параллельной декомпозиции графа переходов автомата. Ю.Г. Карпов говорит о том, что предлагаемая теория отличается «внутренней красотой и может иметь важные применения». Однако нахождение специального кода, приводящего к минимизации системы булевых функций, автор демонстрирует на очень упрощенном примере автомата с одним логическим условием и числом состояний ≤8. Со ссылками на иностранные источники говорится о том, что при увеличении числа логических условий сложность задачи возрастает экспоненциально. Для инженерной практики, когда число состояний ≥32, а число логических условий ~ 10–12, эти методы требуют дополнительной доработки и оценки границ их применимости.

* Имеются герконы с быстродействием (0,51)∙10^-3 с.

*Для уменьшения объема ПЗУ в автоматах применяются так называемые ПЛМ – программируемые логические матрицы, представляющие собой БИС, в ко­торой конструктивно объединены матрица элементов «И» для образования конъ­юнкций переменных из множеств {α}{Z} и матрица элементов «ИЛИ» для объединения этих конъюнкций. Активные эле­менты матрицы могут настраиваться на проводящее состояние или на «разрыв», например, методом разрушения (прожигания) плавких перемычек. Т.е. ПЛМ од­норазово может быть настроена на реализацию любой заданной системы m буле­вых функций от n переменных, при этом в ПЛМ может образовываться k раз­личных конъюнкций переменных. Поэтому ПЛМ характеризуют тремя парамет­рами n, k, m. В существующем ряде интегральных схем выпускаются ПЛМ с характери­стиками от (8, 24, 4) до (32, 256, 16).

* Реализация системы булевых функций на ПЛМ конкретной серии БИС при­водится в справочниках, теоретические вопросы проектирования комбинацион­ных схем на ПЛМ освещены в работах [2, 6, 11, 37, 48].

* Весь объем знаний в области ТДУ, накопленный более чем за 50 лет развития теоретических и прикладных исследований в области анализа и синтеза конечных автоматов, так или иначе используется при конструировании автоматов на ПЛИС.

* Тестовый контроль подробно проработан в [39, 40,45] и сводится к разделению автомата на части и раздельной проверке исправности регистров, счетчиков, дешифраторов и комбинационных схем.

[**] В работе [2] предложено кодировать состояния автомата таким образом, чтобы код памяти а(t) разделить на две части с одной единицей в каждой, т.е. если n разрядов разделены пополам, то один а(t) будет отличаться от другого а(t + 1) положением единицы в n /2 разрядах хотя бы одной половины n -разрядного кода. Однако в любом случае исправный автомат перейдет в новое состояние с «обобщенным» кодом 11. Допустимо также кодирование по принципу 01 или 10.

Этот подход развит в работах В.В. Сапожникова, который также использует коды m C n, когда в n разрядах m единиц, например 2 из 5 или 3 из 8. Предложены и различные способы реализации схем контроля 2 из 5 и др. Метод имеет тот недостаток, что приводит к существенному увеличению разрядности регистров памяти автомата и использованию «объемных» схем контроля для сложных автоматов. Академиком М.А. Гавриловым [1] предложен более обобщенный подход кодирования состояний таким образом, чтобы сумма по модулю 2 кода а(t) и а(t + 1) равнялась заданному числу единиц (расстояние по Хеммингу). Недостаток метода – трудности выполнения этого условия при относительно большом числе логических переходов.

В. Балакиным и В. Барашенковым [3] предложен так называемый комплексный подход динамического контроля, основанный на проверке правильности временной последовательности выходных команд А _i и отсутствия замены на А _j. Однако схема контроля такого автомата оказывается сложнее самого контролируемого автомата.

* Для аппаратной реализации МПА некоторого снижения сложности реализации можно добиться за счет специальных способов декомпозиции систем булевых функций [6, 7, 11, 48]. Однако даже 1,5–2-кратного упрощения трудно добиться при m + q ³ 16.

* В настоящее время существует достаточно много программных систем, позволяющих осуществлять моделирование и анализ работы автомата в динамике. К таким системам относятся системы схемотехнического моделирования Micro-cap, Electronics Workbench и язык VHDL для моделирования автоматов, вложенных в ПЛИС Altera, Xilinx. Последний серьезный вариант требует особой подготовки в области САПР микропроцессорной техники и поэтому доступен в основном студентам и аспирантам специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

* Существующие методы контроля ОЗУ и ПЗУ на функционирование ориентированы на применение специальных тестовых последовательно­стей типа «бабочка», «пинг-понг», «бегущая единица или ноль» и др., сложность которых определяется временной диаграммой функционального контроля (ФК) и оценивается характеристиками вида 2(n + 2n ^1/2), 2(2n ² + 2n), 2(3n² + 3n), где n – количество элементов памяти (ЭП) в запоминающей матрице ПЗУ [22]. Для ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием эти методы ФК не пригодны, т.к. их физическая реализация характеризуется длительным временем программирования (от 0,05 до 0,1 с на слово) и ограниченным количеством цик­лов перезаписи (<100 циклов).