Особенности синтеза самосинхронного микропрограммного устройства управления

2013 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 8 УДК 681.32

А.Н. Каменских

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Пермь, Россия

ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА САМОСИНХРОННОГО МИКРОПРОГРАММНОГО УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ

Описываются проблемы, связанные с автоматизированным синтезом строго самосинхронных схем с памятью. Проводится абстрактный синтез строгосамосинхронного микропрограммного устройства управления. Рассматриваются особенности самосинхронных цифровых автоматов с памятью с точки зрения разработки программы синтеза в унифицированном базисе. Изучается возможность использования разработанных методик синтеза в функционально-полном толерантном базисе для автоматизации синтеза строгосамосинхронных схем. Определяется место синхронизации как этапа синтеза устройства управления. Предлагается алгоритм автоматической синхронизации для строгосамосинхронных схем, проектируемых с применением САПР. Формулируются и актуализируются задачи для дальнейшего исследования возможности применения концепции функционально-полных толерантных элементов при проектировании строгосамосинхронных комбинационных схем и цифровых автоматов с памятью.

Ключевые слова: строго самосинхронные схемы (СС), САПР, функционально-полный толерантный элемент (ФПТ), микропрограммное устройство управления (МПУУ).

A.N. Kamenskih

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

SELF-SYNCHRONOUS MICROPROGRAMMED CONTROL DEVICE SYNTHESIS CHARACTERISTICS

The paper defines problems concerning the automated synthesis of strict self-synchronous circuits with memory. Abstract synthesizing of a strict self-synchronous microprogrammed control device has been conducted. There are given characteristics for self-synchronous digital memory-fitted automats as far as synthesis program development in standard basis is concerned. The possibility of using the developed synthesis methods for full-range tolerant basis in automated synthesis of self-synchronous circuits is being studied. Synchronization position is determined as a stage in the control device synthesis. There has been developed algorithm for automatic self-synchronous circuits synchronizing designed with the help of CAD system. Tasks for further study of the full-function tolerant components concept application are formulated for the design process of self-synchronous combinational logic circuits and digital memory-fitted automats.

Keywords: self-synchronous circuits, CAD system, full-function tolerant component, microprogrammed control device.

В работах Д.Е. Маллера были предложены схемы, поведение которых не зависит от скорости элементов [1]. Эти идеи впоследствии были развиты в работах профессора В.И. Варшавского, который впервые предложил использовать расщепление переходного процесса на две фазы с целью фиксации окончания переходного процесса в каждой фазе [2]. В статьях [3, 4] описывается современное состояние самосинхронных методов проектирования. Самосинхронные схемы функционируют независимо от задержек элементов, также они потребляют меньше электроэнергии и обладают высоким быстродействием. Индикаторы строгосамосинхронных схем фиксируют все однократные константные отказы выходов, это свойство может быть использовано при построении отказоустойчивых цифровых устройств и аппаратуры управления. Ранее нами был предложен строгосамосинхронный функционально-полный толерантный базис [5]. Самосинхронный ФПТ-ба-зис, обладая преимуществами строгосамосинхронных схем, позволяет снизить избыточность, вносимую блоками спейсера и индикации. Также становится возможным решить задачу автоматизированного синтеза за счет применения унифицированного базиса. Одной из проблем применения самосинхронных методик является отсутствие средств автоматизации, позволяющих проводить полный цикл проектирования. Все строгосамосинхронные схемы сейчас проектируются вручную с применением программ для синхронных схем вместе со специально разработанными программами анализа на принадлежности спроектированных схем к классу полумодулярных по Маллеру.

В статье будут рассмотрены особенности синтеза строгосамосин-хронных схем с памятью, а также исследованы возможности применения СС ФПТ-базиса для решения поставленных задач.

Абстрактный синтез микропрограммного устройства управления

При синтезе синхронного микропрограммного устройства управления (МПУУ) синхронизация не выделяется как этап, а реализуется стандартным способом. Если речь идет о самосинхронном МПУУ, необходимо учитывать сигналы спейсера и индикаторов еще на этапе синтеза.

Самосинхронная схема может находиться в трех состояниях: спей-сер (null) и два информационных состояния (Data1,Data0). Тогда переход между вершинами графа должен происходить только в состояниях

DATA, когда на выходе комбинационных схем находятся данные. Для построения графа управляющего автомата необходимо дополнить все переходы парой спейсер-индикатор, передающейся по отдельному каналу. В состоянии NULL автомат хранит текущее состояние, и никакие микрооперации не выдаются. В состоянии DATA, в зависимости от условий, происходит переход между вершинами графа (рис. 1) и таблица.

00 01

SI

Рис. Граф управляющего автомата

Обобщенная таблица переходов-выходов СС МПУУ

SI •У 2 y1x2 x1 y2 y1 x2 x1 y2 (t +1) yi(t +1) y2 (t +1) y2 (t +1) z1z2 z3z4

01 --11 --11 - - - - 0000

10 00~~ 0 1 1 0 1000

01 0111 1011 0 1 1 0 0000

10 01~~ 10~~ 1 1 0 0 0100

01 1111 0011 1 1 0 0 0000

10 110~ 001~ 0 0 1 1 0000

10 1110 0001 0 1 1 0 0000

10 1111 0000 1 0 0 1 0010

01 1011 0111 0 1 1 0 0000

10 10~~ 01~~ 0 0 1 1 0001

Таким образом, для корректного синтеза самосинхронного МПУУ необходимо:

1) учитывать пару сигналов спейсер-индикатор, как одно из условий перехода;

2) использовать специальные самосинхронные триггеры, для индикации окончания переходного процесса, либо использовать методы квази-самосинхронных схем (буфер);

3) использовать регистр триггеров для учета сигнала индикатора при формировании команд.

Алгоритм синхронизации комбинационных схем в составе устройства управления

В общем случае можно свести задачу синтеза микропрограммного устройства управления к следующей последовательности шагов, после задания графа управляющего автомата:

- получаем обобщенную таблицу переходов выходов;

- добавляем заданное число триггеров;

- добавляем заданное число выходов;

- для каждого входа триггера и выхода получаем переключательную функцию в СДНФ;

- осуществляем синтез комбинационных схем по СДНФ;

- проверяем полученное устройство.

Рис. 2. Самосинхронное микропрограммное устройство управления

Алгоритм синхронизации представляет собой последовательность шагов по разделению схемы на отдельные блоки, а затем синхронизацию их парой сигналов запрос-ответ. Алгоритм выполняется на этапе синтеза комбинационных схем. Предлагается следующий алгоритм:

- все элементы разделяются на линии, в пределах одной линии входы-выходы элементов должны быть независимы, первую линию составляют элементы с внешним/замкнутым источником управляющего сигнала;

- выходы всех индикаторов в пределах одной линии объединяются Г-триггером;

- если вход элемента зависит от сигнала предыдущего элемента, на вход подключается выход Г-триггера соответствующей линии.

Поясним алгоритм на примере части проектируемого микропрограммного устройства управления (рис. 2).

Состав устройства на рис. 2: 2 СС ФПТ-элемента, 3 D-триггера, 1 Г-триггер, контакты входов-выходов, 6 инвертеров.

В соответствии с предложенным алгоритмом разобьем элементы на линии. К первой линии относится СС ФПТ-элемент управляющим переключением D-триггеров Y2,Y1. Линия содержит только 1 элемент, поэтому Г-триггеры не используются. Вторая линия содержит элементы, состояние которых зависит от элементов первой линии. Сюда относятся 2 D-триггера Y2Y1, выходы индикаторов, которые объединяются Г-триггером. Третья линия содержит элементы, состояние которых зависит от элементов второй линии. В нашем примере это второй СС ФПТ-элемент. На вход S элементов третьей линии подключается выход Г-триггера. Последний D-триггер просто фиксирует данные схемы на выходе Z1, его вход разрешения подключается к выходу индикатора 3-й линии.

Для иллюстрации была использована модель СС МПУУ из САПР Quartus2. САПР предназначен для проектов синхронных ПЛИС и не подходит для моделирования СС схем, однако обладает удобной системой визуализации и возможностью проверить правильность функционирования, что и было использовано в ходе работы над СС МПУУ.

Для программы автоматизированного синтеза в СС ФПТ-базисе необходимо: создать описание СС ФПТ-базиса, создать описание самосинхронных триггеров, адаптировать программу синтеза комбинационных схем в ФПТ-базисе для самосинхронного метода. Создать подпрограмму проверки на полумодулярность полученных схем.

На данный момент созданы: полное описание СС ФПТ-базиса, полные описания самосинхронных триггеров [6], методика синтеза в ФПТ-базисе комбинационных схем, алгоритм синхронизации.

Целесообразно в дальнейших исследованиях создание программы анализа полумодулярности синтезируемой схемы по VHDL описанию, так как существующие на данный момент программы анализа самосинхронности создаваемых схем не могут работать в составе САПР, а также устарели и не работают на современных ОС [7].

Таким образом, был проведен абстрактный синтез строгосамо-синхронного микропрограммного устройства управления. Выделены основные отличия проектирования строгосамосинхронных цифровых устройств, определено место синхронизации как этапа синтеза. Предложен алгоритм синхронизации. Работа алгоритма проверена на примере синтеза МПУУ в строгосамосинхронном функционально-полном толерантном базисе. Актуальными задачами для дальнейших исследований являются:

- оптимизация базисного элемента (СС ФПТ);

- исследование отказоустойчивости СС ФПТ-базиса, свойства сохранения функциональной полноты при однократных константных отказах входов;

- оценка эффективности применения унифицированного базиса в самосинхронной аппаратуре;

- создание методик автоматизированного синтеза самосинхронных устройств;

- создание программы анализа полумодулярности по VHDL описанию;

- создание САПР самосинхронных схем.

Библиографический список

1. Muller D.E., Bartky W.S. A Theory of Asynchronous Circuits, Proc. Int'l Symp. Theory of Switching. Part 1. - 1959.

2. Варшавский В.И. Апериодические автоматы. - М.: Наука, 1976.

3. Самосинхронная схемотехника - перспективный путь реализации аппаратуры / И.А. Соколов, Ю.А. Степченков, В.С. Петрухин, Ю.Г. Дьяченко, В.Н. Захаров [Электронный ресурс]. - URL: http://samosinhron.ru/

4. Fant K.M., Brandt S.A. Null Convention logic: a complete and consistent logic for asynchronous digital circuit synthesis // Application Specific Systems, Architectures and Processors. ASAP 96. Proceedings of International Conference on. - 1996.

5. Kamenskih A.N., Ponurovskiy I.S., Tyurin S.F. Syntesis and analysis of self-timed functionally complete tolerant element // Радюелектронш i комп'ютерш системи. - 2013. - № 5(64). - 162-167.

6. Библиотека элементов БМК для критических областей применения [Электронный ресурс] / Ю.А. Степченков, А.Н. Денисов, Ю.Г. Дьяченко, Ф.И. Гринфельд, О.П. Филимоненко, Ю.П. Фомин. - URL: http://samosinhron.ru/?page=2 (дата обращения: 25.10.2013).

7. Каменских А.Н. Синтез и анализ самосинхронного функционально-полного толерантного элемента в подсистеме Транал // Информация, инновации, инвестиции: сб. тр. Всерос. конф. - Пермь, 2012.

Сведения об авторе

Каменских Антон Николаевич (Пермь, Россия) - ассистент кафедры автоматики и телемеханики Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: kmt@dom.raid.ru).

About the author

Anton Nikolaevich Kamenskih (Perm, Russian Federation) is an Assistant at the Department of Automation and Telemechanics, Perm National Research Polytechnic University (614990,29, Komsomolsky pr., Perm, e-mail: kmt@dom.raid.ru).

Получено 06.09.2013