Информационный анализ микропроцессорных систем

УДК 681.335

ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

© М.Е. Глинкин, Е.И. Глинкин

Ключевые слова: информационная концепция; процессы; аппаратные и метрологические средства; математическое и программное обеспечение; микропроцессорные системы.

Показана перспективность информационной концепции, доказывающей интеграцию информационных процессов, упорядочивающих универсальную архитектуру с информативным математическим обеспечением и эффективными метрологическими средствами в коммуникабельное информационное обеспечение микропроцессорных систем.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ

Технологическая концепция [1-3] отражает вектор развития полупроводниковой электроники (микроэлектроники) с комбинаторной топологией жестких структур и фиксированными связями, обусловленных регламентированным алгоритмом тривиальной функции. В основу концепции положена эффективность технологии очистки полупроводников, определяющая развитие полупроводниковых приборов (ПП) за счет интеграции элементов на единице площади (объема) кристалла при создании интегральных схем. Уровень иерархии схем оценивается количеством ПП на монолитной подложке в едином корпусе, которые классифицируют на малые (ИС) и средние (СИС), большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы соответственно по числу элементов до 30 и 300, до 104 и 106. Критерием оценки служит мера количества компонентов без учета эффективности качества функции [2].

Целью технологической интеграции является микроминиатюризация жесткой структуры с избыточными связями, управляемыми по программе для организации гибкой архитектуры с минимальным энергопотреблением. Технологическая интеграция решает задачу создания технологического оборудования с удовлетворительными экономическими показателями и метрологией, регламентирующей эффективность архитектуры роз1/асЫт. Количественная оценка без учета качества информационных процессов приводит к широкой номенклатуре с узкой специализацией интегральных схем при мелкосерийном производстве.

К недостаткам технологической концепции относится неспособность прогнозирования дальнейшего развития интегральных схем, т. к. технология достигла предельно возможной степени интеграции и дальнейшее ее улучшение экономически неоправданно. Данная концепция характеризует лишь количественную закономерность развития технических средств микроэлектроники, а качественные показатели, обусловленные интеграцией информационных процессов, остаются неопределенными, что приводит к путанице в определении и назначении, дезориентации перспектив развития микропроцессорных средств и информационных технологий [1].

Технологическая концепция определила гносеологию полупроводниковых приборов на этапе создания интегральных схем за двадцать лет их развития. На уровне ИС и СИС она не позволяла дифференцировать микросхемы по функциям, но способствовала внедрению планарной технологии, заменившей комбинаторную логику на матричную - основу БИС и СБИС. С появлением микропроцессора количественная оценка в частности и технологическая концепция в целом стали тормозом развития микроэлектроники из-за непонимания истории становления архитектуры в частности и информационного обеспечения в целом.

Следует отметить прогрессивность технологической интеграции при организации аппаратных средств в процессе появления ПП, ИС, СИС, топология которых послужила основой дифференциации схем на принципиальные, функциональные и структурные по аналогии с уровнем интеграции комбинаторной схемотехники. В процессе развития программного обеспечения на уровне БИС по аналогии со схемами программы также систематизировали на иерархических уровнях структур, функций и принципов, сопоставив им блок-схемы, листинги и таблицы мнемотехники.

Техника интегральных схем (ПП, ИС, СИС) и программ (БИС) интегрировала аппаратные средства и программное обеспечение в архитектуру программируемых логических матриц (ПЛМ) - основу микропроцессоров и интеллектуальных систем. Архитектура ПЛМ систематизирует однотипные структуры с избыточными связями схемотехники в упорядоченное адресное пространство мнемотехники, в котором копируют информацию по определенным правилам адресации. За счет схемной избыточности и мнемонической упорядоченности архитектура ПЛМ в частности, а БИС и СБИС в целом, гибкая и адаптивная, универсальная и многофункциональная, т.е. программно управляемая. Программно управляемая архитектура высокоэффективна для универсальных алгоритмов, а для узкоспециализированной функции подобна жесткой структуре с аппаратно управляемыми связями комбинаторной логики, реализующей регламентированные операции тестера [2].

Технологическая концепция не прогнозирует интеграцию схемо- и мнемотехники с точными науками:

ции программного обеспечения - совокупности программ и методов их проектирования, технической документации (ЕСКД) и правил (ГОСТ) ее оформления.

Гибкость обработки достигается при появлении функции анализа - информационного процесса «измерение» за счет интеграции компьютеров с автоматическими интерфейсами ввода-вывода, получивших название микропроцессорные измерительные средства (аналоговые микропроцессоры). Процесс измерения интегрирует архитектуру и математическое обеспечение в метрологические средства, организованные из исследуемых компонент и образцовых мер, критериев оценки и методов оптимизации их эффективности.

Интеграция аппаратных и метрологических средств, математического и программного обеспечения в информационное формируется в процессе развития функции анализа в информационный процесс синтеза, за счет накопления и передачи информации в базисных структурах микроэлектроники: микропроцессорные

системы и сети, интеллектуальные роботы (табл. 1).

Анализ развития микроэлектроники показывает, что закономерности технологической интеграции являются лишь достаточными условиями развития полупроводниковых приборов и интегральных схем, а необходимыми - служат физические явления интеграции функций, совершенствующие схемы в микропроцессорные средства и системы, сети и роботы. Информационная концепция критериями оценки использует меры качества функций для упорядочивания информационных процессов.

Целью информационной интеграции является эффективное использование гибкой архитектуры с универсальным математическим обеспечением и адаптивными метрологическими средствами для организации коммуникабельного информационного обеспечения микропроцессорных систем. Информационная концепция решает задачу создания информационных технологий учебно-методического процесса и научнотехнических исследований, опытно-конструкторских разработок и автоматизации процессов в различных отраслях народного хозяйства.

Таблица 1

Информационное обеспечение

ИО ИР МС МР АР КР

синтез программное управление адаптация самообучение

МС МПС РС ТС ЛС

передача звук изображение голограмма

МПС МИС ИВС ИВК ИИС

накопление передача хранение обработка

МС МИС ПК К МИП МАП

измерение качество количество критерий

МО ПК БИС МК МИКРО-ЭВМ МИНИ-ЭВМ

вычисление символ слово схема

ПО БИС СИС ИВВ ИП М

программирование передача хранение обработка

АС СИС ИС ПрП ВП ФП

управление пространство время функция

ИС ПП АП ИАП ДП

преобразование амплитуда время код

ПП ЭЛЕКТРОНИКА П Д Т

обмен генерация вентильный эффект усиление

математикой и физикой, информатикой и метрологией, что тормозит развитие архитектуры в информационное обеспечение, включающее также математическое обеспечение и метрологические средства (табл. 1).

Таким образом, технологическая концепция ограничена рамками архитектуры интегральных схем при становлении аппаратных средств и программного обеспечения из-за количественной меры оценки интеграции элементов в кристалле. Технологическая интеграция не прогнозирует вектор развития архитектуры микросхем в информационное обеспечение микропроцессорных систем - основы информационных технологий, т. к. не учитывает качественную оценку информационных процессов. Развитие высокоэффективной архитектуры в комплексе информационного обеспечения может быть объяснено с позиций информационной интеграции процессов.

2. ИНФОРМАЦИОННАЯ КОНЦЕПЦИЯ

Информационная концепция [2-3] показывает диалектику становления информационного обеспечения (ИО) микропроцессорных систем в процессе истории развития аппаратных (АС) и метрологических средств (МС), программного (ПО) и математического (МО) обеспечения для упорядоченности информационных процессов (табл. 1). Интеграция процессов обмена -преобразования - управления формирует на уровне ПП - ИС - СИС аппаратные средства с организацией принципиальных, функциональных, структурных схем и методов их проектирования, технической документации и правил ее оформления. Функция хранения развивает информационные процессы в программирование при появлении БИС и программного обеспечения, интегрирующего аппаратные средства в архитектуру. Возникновение функции обработки (вычисления) совершенствует БИС в СБИС - персональные компьютеры с математическим обеспечением, управляющим по программе алгоритмом вычисления архитектуры. Математическое обеспечение включает модели и алгоритмы, их способы исчисления и счисления для организа-

Эффективность информационной концепции обусловлена коммуникабельными микропроцессорными средствами серийного производства с фиксированной топологией архитектуры. Данная концепция, в отличие от технологической, определяет перспективный вектор развития микроэлектроники от интегральных схем до микропроцессорных средств различного иерархического уровня за счет интеграции от простого к сложному информационных процессов при объединении компонент в неделимый комплекс информационного обеспечения с дифференциацией базисных структур по способам реализации информационных процессов в пространственно-временном континууме.

Интегральные схемы дифференцируют по координатам управления процессами: пространство - время -функция, а системы делят по адресам вектора измерения с оценкой эффективности: качество без количества, количество без качества и количественно-качественный критерий.

Дифференциация архитектуры в адресном пространстве позволяет согласовать ее с информационным обеспечением за счет структурной оптимизации математического обеспечения и метрологических средств в целом, а также минимизировать функции компонент информационного обеспечения в статическом, кинетическом и динамических режимах за счет параметрической оптимизации линейных, нелинейных и квазилинейных функций в частности. Адресация по режимам работы компонент информационного обеспечения и форм представления функций позволяет выбрать рациональный метод их проектирования на уровне арифметических, алгебраических и операторных исчислений.

Классификация информационного обеспечения на компоненты и формы схемо- и мнемотехники, физики и математики позволяет использовать не только традиционные для электронщиков и программистов, метрологов и математиков методы исчисления, но и выявлять общие закономерности анализа и синтеза, систематизируемые в информационные технологии проектирования на базе принципов науки и техники, регламентированных правилами и стандартами технической документации.

3. УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ АРХИТЕКТУРЫ

Универсальность архитектуры микропроцессорных систем определяется не только ассоциативными морфологическими признаками и типовыми схемами микроэлектроники, но и функциональными компонентами измерительной техники с информативным математическим обеспечением и адаптивными метрологическими средствами, формирующими коммуникабельное информационное обеспечение [2-3].

Использование для гибкой архитектуры жесткого алгоритма измерения и фиксированной статической характеристики контроля регламентирует морфологические признаки архитектуры до уровня жесткой неуправляемой структуры с тривиальной функцией тестера. При этом функция программно управляемого преобразования БИС опускается до примитивного информационного процесса в ПП - обмена, игнорируется избыточность архитектуры, что исключает универсальность и многофункциональность, сводит до нуля эф-

фективность микропроцессора. Очевидно техническое противоречие между жестким алгоритмом математического обеспечения процесса измерения с регламентированной характеристикой контроля и гибкой архитектурой с избыточной ассоциативной топологией. Техническое противоречие является комплексом физических рассогласований, нахождение и ликвидация одного из которых приводит к творческому решению технической задачи.

Найдем основные признаки архитектуры и математического обеспечения, коррелирующие между собой, и согласуем их, затем исследуем их взаимосвязанность с существенными признаками метрологических средств.

Компоненты архитектуры имеют аналогичные признаки в схемо- и мнемотехнике, отличающиеся норми-рованностью функции в системах координат, соответственно аппаратные средства - в метрике пространства, а программное обеспечение - адресовано во времени. Архитектура характеризуется неделимым комплексом схем (программ) и методов их проектирования, технической документацией (ЕСКД) и правилами (стандартами) ее оформления. Из определения архитектуры очевидно, что существенными компонентами аппаратных средств являются схемы, а программного обеспечения - программы.

Схемы и программы содержат аналогичные признаки и формы их содержания, определяющие структуры и связи морфологии, а также алгоритмы и модели функции. Избыточность морфологических признаков архитектуры диктует гибкость и универсальность функциональных признаков, согласующих аргіогі всевозможные алгоритмы с адресным пространственновременным континуумом математической модели программируемой логической матрицы.

Таким образом, универсальная математическая модель архитектуры управляет по программе схемой матрицы за счет любого алгоритма многофункционального преобразования для реализации информационных процессов различного иерархического уровня.

4. КОММУНИКАБЕЛЬНОСТЬ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Математическое обеспечение процесса измерения связано с архитектурой микропроцессора через морфологические признаки: по математической модели в общем случае, а по алгоритмам - в частности. Компонентами математического обеспечения измерений служат модели и алгоритмы, методы исчисления и аналитические способы. Архитектуру регламентируют аналитические алгоритмы и способы, реализуемые по математическим и физическим моделям измерения методами исчисления и счисления. Универсальность и многофункциональность методов исчисления и счисления, физических и математических моделей измерения подтверждаются тысячелетними достижениями математики и физики, однако, консерватизм техники измерений оперирует узкоспециализированными способами с тривиальными алгоритмами, целесообразными для проектирования жестких структур с функциями тестера [13].

Алгоритмы математического обеспечения диктуются способами измерения, отражающими по математи-

ческой модели физические процессы объекта контроля через первичный измерительный преобразователь (ПИП). Различают стационарные (статика), квазиста-ционарные (кинетика) и нестационарные (динамика) физические процессы, в которых измеряемые физические величины связаны с исследуемыми параметрами линейной, нелинейной и квазилинейной функцией.

Статическая характеристика стационарного объекта линейна, а структура алгоритма включает арифметические операции расчета параметров в явной форме и аналогична математической модели. Процессы обмена энергией адекватны фундаментальным законам классической физики и реализуются линейным математическим обеспечением. Информативность линейного математического обеспечения обусловлена универсальностью процессов обмена, идентичных в механике и оптике, гидравлике и энергетике, теплотехнике и электронике при стационарных условиях. Обмен протекает синхронно во времени при линейном преобразовании сигнала в неуправляемой структуре объекта контроля. Статические измерения реализуют тривиальными ПИП с жесткой структурой, функционирующей по линейному алгоритму арифметических операций для определения искомых параметров в явном виде адекватно линейной статической характеристике.

Квазистационарные процессы моделируют нелинейными функциями при создании математической модели физико-химического контроля, отражающей кинетику физических явлений при установлении равновесного состояния. Измеряемые параметры нелинейно отражают реакцию от входного воздействия, а с исследуемыми параметрами связаны алгебраическими преобразованиями по степенной статической характеристике через функциональный алгоритм кинетической модели. Из функциональной создают линейную модель нормировкой осей системы координат по функции обратной исходной, используя принцип инверсии. По линеаризованной модели в заданной области определения выбирают способ контроля с алгоритмом управления универсальной функции. В зависимости от способа управляют параметрами входного или преобразуемого сигнала асинхронно процессу обмена и находят в явной форме исследуемые параметры по линейному алгоритму контроля, соответствующему стационарному режиму в нормированной системе координат.

Квазистационарные измерения организуют с управляемой структурой ПИП или регулируемым режимом функционирования, которые линеаризуют функциональное математическое обеспечение за счет приведения процесса к стационарному обмену. При регулируемом режиме используют ПИП с жесткой структурой, а линеаризацию осуществляют по алгоритму параметрической оптимизации управляющих воздействий или измеряемых величин. С управляемой структурой ПИП фиксируют режимные параметры, а регулирование создают по алгоритму структурной оптимизации ассоциации морфологических признаков для адаптации ПИП в заданную точку диапазона контроля. Функциональное математическое обеспечение описывает кинетику равновесного состояния электрофизических процессов контакта веществ с различной концентрацией носителей заряда, инициирующих нелинейную вольтамперную характеристику в полупро-

водниках, металлах и электролитах при обмене и преобразовании энергии, измерении технологических параметров, а также аналитическом контроле механического износа и влагосодержания материалов.

Динамическая характеристика отражает нестационарный процесс изменения информации во времени, а функция моделируется квазилинейной зависимостью измеряемых величин отклика физического поля от управляемого воздействия на объект контроля. Адекватность функции динамическому процессу определяется информативными параметрами физико-химического контроля и режимными параметрами регулирования эксперимента. Режимы измерения с информативными параметрами нестационарных процессов связаны операторными исчислениями высшей математики по интегральным временным характеристикам через операционный алгоритм динамической модели. Математическое моделирование искомых параметров организуют методами интегродифференциального исчисления и комплексных переменных, спектрального и волнового анализа на основе электродинамики и статистической физики.

Операционный алгоритм линеаризует зависимость информативных параметров с управляющим воздействием и измеренными значениями, поэтому задача проектирования динамического исследования сводится к структурной оптимизации математического обеспечения, параметрической оптимизации метрологических средств и разработке инженерной методики физикохимического контроля. Аналогичные задачи решаются для нелинейных преобразователей, отражающих кинетику физических явлений.

Проектирование математического обеспечения динамических процессов заключается в синтезе структуры математической модели из физической по принципу аналогии или с помощью эквивалентной схемы. Наиболее гибкими и универсальными с позиций микропроцессорной архитектуры являются программируемые матричные структуры из ассоциации однотипных элементарных функций, упорядоченных в адресном пространстве по принципам аналогии и эквивалентности, дуальности и симметрии. Методами математического исчисления и счисления из матрицы моделируется по программе алгоритм идентификации информативных параметров, реализующий способ адаптивного физико-химического контроля.

Примерами матричного математического обеспечения с программным управлением служат сеточные модели теплофизического и электрохимического контроля состава и свойств веществ в различных агрегатных состояниях. Структурная оптимизация направлена на поиск из банка данных аналитической модели с информативными параметрами, которые связывают воздействия и измеренные значения линеаризующим алгоритмом расчета в явном виде по способу определения состава и свойств веществ.

5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Повышение эффективности способа аналитического контроля предполагает параметрическую оптимизацию режимов измерения, что является основной зада-

чей метрологических средств компьютерных анализаторов и теплофизических систем [2].

Параметрическая оптимизация достигается аналитически при дифференцировании исследуемой функции или нахождении экстремума функционала по заданному критерию цели в процессе компьютерного моделирования. При динамических процессах оптимизируются интервалы измерения и параметры управляющих импульсов, энергия входного воздействия и характеристики преобразователей, конструктивы стабилизаторов и структуры образцовых мер. Результатом параметрической и структурной оптимизации является метрологически эффективный способ определения состава и свойств веществ по информативным и режимным параметрам, за счет адекватных динамике (кинетике) эксперимента ассоциативной математической модели и аналитического алгоритма, реализующих функцию линеаризации динамической (нелинейной статической) характеристики.

Адаптацию по диапазону контроля с заданной точностью регламентирует инженерная методика экспресс-анализа, включающая оптимизацию градуировочной характеристики микропроцессорных систем в процессе коррекции, калибровки или идентификации по образцам с нормированными характеристиками. Инженерная методика автоматизирует процесс физикохимического контроля за счет коммуникабельного информационного обеспечения, включающего гибкую архитектуру микропроцессорных систем, согласованную с информативностью математического обеспечения и эффективностью метрологических средств.

ВЫВОДЫ

Информационный анализ отражает объективные закономерности науки и техники, интегрирующие информационные процессы в перспективные технологии познания природы и дифференцирующие функции в неделимые формы представления физики и математики, схемо- и мнемотехники, упорядочивающих универсальную архитектуру микропроцессорных средств с информативным математическим обеспечением физико-химического контроля сенсорных преобразователей и эффективными метрологическими средствами в коммуникабельное информационное обеспечение компьютерных анализаторов и теплофизических систем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Герасимов Б.И., Глинкин Е.И.. Микропроцессорные аналитические приборы. М.: Машиностроение, 1989. 248 с.

2. Глинкин Е.И. Схемотехника аналого-цифровых преобразователей. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2001. 160 с.

3. Глинкин Е.И., Глинкин М.Е. Схемотехника микропроцессорных средств. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 148 с.

Поступила в редакцию 23 февраля 2010 г.

Glinkin M.E., Glinkin E.I. Informational analysis of microprocessor systems.

The article presents integration informational conception, proving integration of informational processes, regularizing universal architecture with information by mathematical provision and efficient metrological facilities in communicating information provision of microprocessor systems.

Key words: informational conception; processes; hardware and metrological means; mathematical and program software; microprocessor systems.