Структурно-функціональний аналіз та синтез перетворювачів дискретної інформації для передпроцесорної обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

Купрейчик Ірина Валеріївна

УДК 681.325

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНИЙ АНАЛІЗ ТА СИНТЕЗ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ДИСКРЕТНОЇ ІНФОРМАЦІЇ ДЛЯ ПЕРЕДПРОЦЕСОРНОЇ ОБРОБКИ

05.13.13 обчислювальні машини, системи та мережі

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, професор Какурін Микола Яковлевич, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри автоматизованого проектування обчислювальної техніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Борисенко Олексій Андрійович, Сумський державний університет, завідувач кафедри електроніки та комп'ютерної техніки;

доктор технічних наук, професор, Руденко Олег Григорович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри електронних обчислювальних машин.

Провідна установа Національний технічний університет „Харківський Політехнічний інститут”, кафедра обчислювальної техніки та програмування, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться „19” жовтня 2005 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий „14” вересня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.Ф.Чалий.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інформатизація суспільства вимагає подальшого інтенсивного розвитку ЕОМ, систем та мереж, а також функціонально-орієнтованих засобів обробки інформації. Зростання складності обчислювальних систем і підвищення вимог до можливостей та характеристик проектованих функціонально-орієнтованих пристроїв (ФОП) вимагають удосконалення вже існуючих і розробки нових ефективних методів побудови, алгоритмізації та моделювання ФОП.

Існують загальновідомі вузькоспеціалізовані методи синтезу та оптимізації ФОП, які застосовуються у практиці логічного проектування пристроїв з великою кількістю входів, виходів та компонентів (пристроїв великої розмірності).

Для поєднання блоків обчислювальних систем на етапі передпроцесорної обробки використовуються перетворювачі різних кодів у двійкову систему числення. Серед усієї множини кодів існує клас надійних і завадозахищених кодів, що використовуються в навігації, аеро й космічній техніці, у надводних та підводних кораблях. При цьому застосовуються системи числення в залишкових класах (СЗК) і числа Фібоначі.

Складність завдань розробки перетворювачів кодів (ПК) полягає в тому, що відомі ФОП для перетворення двійково-К-значних кодів у двійковий код і ФОП для перетворення кодів СЗК у двійковий код дають добрі результати при невеликій розмірності систем логічних функцій. Водночас в обчислювальній техніці має місце стійка тенденція до зростання розмірності (розрядності) зазначених перетворювачів і до розширення як функціональності ПК, так і до збільшення їхньої швидкодії.

Великий внесок в розробку теоретичних основ застосування та використання СЗК та чисел Фібоначі зробили вчені: Акушський І.О., Юдицький Д.М., Хлевной С.І., Щвецов Н.І., Вершков В.О., Стахов О.П.

Зважаючи на це, актуальною є задача розробки й теоретичного обґрунтування економічних логічних структур ФОП великої розмірності для побудови нових, більш швидкодіючих ФОП, які в ряді випадків виконують функції передпроцесорів і постпроцесорів, тобто функціональних розширювачів високоефективних обчислювальних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана протягом 2001 2005 р.р., в межах наукового напрямку кафедри "Автоматизація проектування обчислювальної техніки" Харківського національного університету радіоелектроніки згідно з планом науково-технічних робіт у рамках держбюджетної теми 102 „Розробка основ нових інформаційних технологій в автоматизованому проектуванні, діагностиці засобів радіоелектронної апаратури та обчислювальної техніки” (№ ДР 0100U003417, виконавець) та теми 522 „Розробка навчально-методичного забезпечення та програмно-апаратних засобів для нових навчальних дисциплін з комп'ютерних наук та комп'ютерної інженерії (№ ДР 0197U012176, виконавець). Результати впроваджено в навчальний процес кафедри АПОТ Харківського національного університету радіоелектроніки, у навчальний процес Української державної академії залізничного транспорту.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методів структурно-функціонального аналізу та синтезу перетворювачів дискретної інформації для передпроцесорної обробки, що виконують перетворення кодів СЗК і кодів Фібоначі у двійкову систему числення.

Основними завданнями роботи є розробка й дослідження методів проектування перетворювачів кодів СЗК і кодів Фібоначі на основі використання методу багаторівневої функціональної декомпозиції з урахуванням аналізу апаратних витрат різних розбивок структур ПК, а також алгоритмізація, моделювання зазначених ФОП на базі мереж Петрі (МП).

Для досягнення поставленої мети в процесі досліджень було необхідно:

розробити метод системного проектування перетворювачів кодів СЗК і кодів Фібоначі у двійковий код;

розробити методи підвищення швидкодії відомих структур перетворювачів кодів СЗК і Фібоначі у двійковий код за кількістю тактів їхнього перетворення;

розробити методи зменшення апаратних витрат стосовно різних схемотехнічних базисів;

дослідити й розробити методи функціонального моделювання перетворювачів кодів СЗК і Фібоначі на мережах Петрі;

дослідити модель багатофункціонального перетворювача кодів і методику моделювання її з використанням мереж Петрі.

Об'єкт дослідження процес перетворення кодів систем залишкових класів та кодів Фібоначі у двійковий код.

Предмет дослідження методи перетворення кодів й структури перетворювачів кодів систем залишкових класів та кодів Фібоначі у двійковий код, а також їх моделі у вигляді мереж Петрі.

Методи досліджень у роботі застосовані методи теорії чисел, теорії перемикальних функцій (булевої алгебри) та комбінаторики для аналізу функціонування та апаратних витрат перетворювачів кодів СЗК та перетворювачів кодів Фібоначі. Для моделювання перетворювачів кодів використано апарат мереж Петрі та мову опису VHDL.

Наукова новизна одержаних результатів. При вирішенні поставлених завдань автором отримано такі результати:

вперше отримано метод багаторівневого системного проектування спеціалізованих функціональноорієнтованих пристроїв, починаючи від переліку функціональних задач до схемної реалізації функціональноорієнтованих пристроїв, що дозволило формалізувати та автоматизувати процес проектування перетворювачів кодів систем залишкових класів та кодів Фібоначі з урахуванням вибору оптимального співвідношення швидкодії та апаратних витрат на реалізацію перетворювачів кодів;

вперше застосовано мережі Петрі для моделювання перетворювачів кодів систем залишкових класів та кодів Фібоначі, що дозволило виконати функціональне моделювання перетворювачів кодів та підвищити швидкодію моделювання й ураховувати більшу кількість параметрів моделі;

удосконалено структури перетворювачів кодів систем залишкових класів та кодів Фібоначі у двійковий код, що дозволило знизити кількість тактів перетворення в перетворювачах кодів Фібоначі з чотирьох тактів до одного, а в перетворювачах кодів систем залишкових класів у сім разів і знизити їхні апаратні витрати на 25%;

одержав подальший розвиток метод побудови таблиць законів функціонування формувачів еквівалентів для різних варіантів розбивки формувача еквівалентів на блоки й наведено оцінки апаратних витрат на їхню реалізацію, що дозволило одержати аналітичні вирази для функцій виходів формувачів еквівалентів та виконати їх проектування.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці:

патентозахищеного швидкодіючого ПК Фібоначі у двійковий код, що дозволило істотно підвищити ефективність ФОП передпроцесорної обробки інформації;

програмного забезпечення для знаходження ортогональних базисів СЗК і для побудови таблиць законів функціонування ПК СЗК і Фібоначі у двійковий код;

моделей і методів моделювання розроблених ПК за допомогою мереж Петрі, включаючи кольорові МП.

Матеріали дисертації, отримані під час виконання дисертаційної роботи, були використані на підприємстві ЗАТ “Інститут Харківський Промтранспроект” у науково-дослідній, дослідно-конструкторській роботі (акт про впровадження від 25.01.2005 р.); у навчальному процесі Харківського національного університету радіоелектроніки (акт про впровадження від 7.02.2005 р.); у навчальному процесі Української державної академії залізничного транспорту (акт про впровадження від 19.01.2005 р.).

Особистий внесок здобувача. Усі основні положення й результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. Роботи [4,8,9,10] опубліковано без співавторів. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить: в [1] введення четвертої координати дозволило зменшити кількість позицій моделі при збереженні тієї ж кількості переходів; в [2] виконано порівняльний аналіз різних методів перетворення кодів СЗК у двійкову систему числення, отримано оцінки кількості тактів перетворень; в [3] запропоновано та розроблено спосіб швидкодіючого перетворення кодів СЗК у двійкову систему числення, що базується на методі накопичення еквівалентів і одночасному перетворенні цифрових кодів залишків; в [5] запропоновано алгоритм системного проектування ПК Фібоначі у двійковий код на основі аналізу апаратних витрат різних розбивок багаторозрядного ПК на групи; в [6] проаналізовано функціонування ПК Фібоначі у двійковий код, який має високу швидкодію перетворення в один такт, а також розроблено VHDL-опис швидкодіючого багаторозрядного ПК Фібоначі в двійковий код; в [7] розроблено структуру оригінального восьмирозрядного ПК Фібоначі у двійковий код з дуже малим часом перетворення в один такт.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: на 7-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка й молодь в XXI столітті” (м. Харків, квітень 2003 р.); на Міжнародній науковій конференції “Теорія й техніка передачі, прийому й обробки інформації” (м. Туапсе, жовтень 2003 р.); на 10-й Ювілейній Міжнародній науковій конференції “Теорія й техніка передачі, прийому й обробки інформації” (м. Туапсе, вересень жовтень 2004 р.).

Публікації. Основні результати досліджень викладено в 10 друкованих виданнях, з яких 6 опубліковані в збірниках наукових праць, рекомендованих ВАК України, в 1 патенті, у матеріалах 3 міжнародних наукових конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота має у своєму складі: вступ, п'ять розділів, висновки, списку використаних джерел зі 151 найменування, три додатки, 48 рисунків, 43 таблиці. Загальний обсяг роботи становить 185 сторінок, у тому числі 157 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано основну мету і задачі досліджень, наведені відомості про зв'язки обраного напрямку досліджень із планами організації, де виконувалася робота. Надано стислу анотацію отриманих в роботі рішень, відзначена їх практична цінність та шляхи використання результатів досліджень.

У першому розділі дисертаційної роботи розглянуто загальний підхід до аналізу й синтезу перетворювачів дискретної інформації.

У структурах обчислювальних систем можна виділити підсистеми первинної й вторинної обробки інформації. Основне функціональне призначення підсистем первинної цифрової обробки інформації передпроцесорна й постпроцесорна цифрова обробка сигналів. Особлива група швидкодіючих ФОП використовується як передпроцесори і постпроцесори у підсистемі первинної обробки. Передпроцесор веде обробку інформації до центрального обчислювального ядра, постпроцесор після. Передпроцесори можуть використовуватися як перетворювачі кодів різного призначення. Такі перетворювачі виконують на апаратному, або на програмному рівні й оформляють у вигляді замовлених або напівзамовлених ВІС.

Доведено, що будь-який алгоритм вирішення функціональних задач (ФЗ) принципово може бути реалізований за допомогою програмних або апаратних засобів з тим або іншим ступенем ефективності. Досліджено апаратний і програмний способи перетворення кодів. Показано, що для підвищення швидкодії ПК більш перспективним є апаратний спосіб перетворення. Однак “тверді” апаратні засоби не допускають перебудови.

Проведено аналіз існуючих методів перетворення кодів. Відомі апаратні реалізації ПК СЗК і Фібоначі здійснюються з використанням традиційної елементної бази: інтегральних мікросхем малого й середнього ступеня інтеграції. фібоначі перетворювач код

Визначено мету роботи, сформульовано основні задачі дослідження.

У другому розділі досліджуються й модифікуються методи багаторівневого системного проектування ПК СЗК у двійкову систему числення на основі використання змішаної системи числення й ортогональних базисів.

В автоматизованому проектуванні радіоелектронних пристроїв від словесного технічного завдання (ТЗ) до схемної реалізації пристрою умовно можна виділити ряд рівнів, а саме: системний, алгоритмічний, функціонально-блоковий, схемотехнічний.

Формування структурно-функціональної організації ПК від загального подання до вибору схемної структури виконувалося відповідно до такого алгоритму:

{MF}{O}{Ф}{T}, (1)

де {MF} - дерево функцій на системному рівні проектування; {O} операторна модель на алгоритмічному рівні проектування; {Ф} функціональна модель ПК на функціонально-блоковому рівні; {T} технічна модель ПК, що являє його схемну реалізацію.

Вихідні дані для проектування це вимоги, що втримуються в ТЗ, а саме: перелік типів ФЗ, розв'язуваних ФОП, характеристики типів ФЗ, характеристики вхідних потоків вимог на вирішення ФЗ кожного типу, критерії оцінки ефективності проектування ФОП. Взаємодію ФЗ один з одним і їхньою розбивкою на підзадачі зручно подавати у вигляді дерева функцій.

Ряд базових дерев функцій, як правило, береться з попередніх розробок. На рис.1 наведено дерево функцій для ПК СЗК, де F₀ - перетворювач на 0 рівні; F₁ - введення даних; F₂ - обробка кодів залишків; F₃ - виведення результату; F_{4 -} - введення кодів залишків; F₅ - обробка кодів залишків; F₆ - обчислення С_i, D_i, (де С_i - інформація про величину перетворюваної цифри, D_i - інформація, що зберігається в регістрі); F₇ - обчислення тридцятимільйонних еквівалентів; F₈ - підсумовування еквівалентів; F₉ - зберігання проміжних результатів; F₁₀ - виведення числа у двійковому коді.

Рис.1. Структура дерева функцій

Перехід від дерева функцій (від термінальних вершин) до операторної моделі відбувається шляхом реалізації конкретних алгоритмів перетворення інформації у перетворювачах кодів.

Перехід від операторної моделі до функціонально-блокової відбувається шляхом накладення на операторну модель конкретних блоків, що реалізують розглянуті алгоритми.

Структурно-функціональні схеми ПК будуються на основі відомих схем ПК із застосуванням моделювання на функціональному рівні. Функціональна модель ПК ураховує: розрядність перетворювача кодів, значення основ СЗК, значення ортогональних базисів; функціонально-блокову структуру операційного автомата, спосіб формування еквівалентів.

На базі структурно-функціональної моделі синтезується технічна модель за критерієм відповідності параметрів вимогам ТЗ. Закон відображення реалізується шляхом накладення обраного елементного базису на структурно-функціональну модель ПК.

Розгляд алгоритмів перетворення дозволив виділити два способи перетворення кодів СЗК у двійкову систему числення. Перший спосіб базується на можливості подання числа в змішаній системі числення у вигляді (2):

(2)

де а_i - цифри розрядів у змішаній системі числення ; p_i - основа СЗК у розряді i.

Цифри а_i числа Х у змішаній системі одержують за наступними правилами. Першою перебуває цифра а_i. Для цього визначають найменший залишок а_i від розподілу числа Х на основу р_1, тобто:

. (3)

З (3) випливає, що а_i є не що інше, як Х_р1, тобто цифра молодшого значущого розряду подання числа в системі зі змішаною основою є цифрою молодшого (першого) розряду цього числа в СЗК.

Другий спосіб переведення чисел із СЗК у позиційну систему числення базується на попередньому знаходженні ортогонального базису для заданих основ СЗК і дозволяє виконати переведення числа із СЗК за допомогою спеціалізованого перетворювача за кілька тактів. Ортогональні базиси знаходять за формулою:

, (4)

де , а найменше ціле число, що задовольняє умові . Значення знаходять, починаючи зі значення 1 так, щоб виконувалися дві основні властивості ортогонального базису:

1)mod P ; (5)

2) mod P ; . (6)

З метою автоматизації знаходження ортогональних базисів була розроблена програма знаходження базисів СЗК за заданими основами, результати роботи якої для ряду основ СЗК наведено в табл. 1.

Таблиця 1 Розрахунок ортогональних базисів для ряду основ СЗК

Основи СЗК	Ортогональний базис
2, 3, 5, 7 3, 5 3, 5, 7 3, 5, 7, 11 3, 5, 7, 11 ,13 3, 5, 7, 11 ,13, 17 29, 31 31, 37 5, 7, 11, 13	105, 70, 126, 120 10, 6 70, 21, 15 385, 231, 330, 210 385, 6006, 10725, 1365, 6930 385, 51051, 145860,46410, 157080,195195 465, 435 962, 186 1001, 715, 1365, 1925

Для розробки методів підвищення швидкодії проаналізовано три різні структури перетворювачів кодів СЗК: структура з послідовним включенням лічильників; з паралельним включенням лічильників; з паралельним перетворенням кодів залишків.

Виконано порівняльний аналіз кількості тактів перетворення цих структур, результати якого наведені в табл.2:

Таблиця 2 Кількість тактів перетворення

Основи СЗК	Схемне вирішення
	N1	N2	N3	K	M
(3,5,7) (3,5,7,11) (3,5,7,11,13) (3,5,7,11,13,17)	104 1154 15014 255255	20 114 1164 15030	12 22 34 50	5,2 10,1 12,9 17	1,7 5,2 34,2 300

Найбільшою швидкодією володіє перетворювач коду СЗК у двійковий код, що використовує принцип паралельного перетворення цифрових кодів залишків. Крім того, зі збільшенням кількості основ (модулів) СЗК відносний ефект збільшення швидкодії K=N₁/N₂ і M=N₂/N₃ зростає (N₁,N₂,N₃ максимальна кількість тактів перетворення відповідної структури).

У третьому розділі досліджено спеціалізовані ПК Фібоначі у двійковий код. Відома раніше структура ПК складалася з n-розрядного регістра для збереження р-коду Фібоначі, L комутаторів групи розрядів, розподільника імпульсів для керування процесом перетворення й двійкового накопичувального суматора для послідовного нагромадження двійкових еквівалентів. Такий перетворювач не забезпечував достатньо високої швидкодії, тому що максимальна кількість тактів перетворення р-коду Фібоначі дорівнює , де означають округлення до меншого цілого. Зазначений перетворювач має також більші апаратні витрати так, як кількість L комутаторів групи розрядів у ньому знаходиться з нерівності , де n -е за порядком число р-коду Фібоначі, р-число, що характеризує конкретну множину чисел р-коду Фібоначі.

Проаналізовано переваги використання кодів Фібоначі для кодування двійкової інформації в спеціалізованих комп'ютерах, в аналого-цифрових і цифро-аналогових ПК, а також у криптографічних пристроях. Застосування кодів Фібоначі дозволяє проводити контроль функціонування пристроїв під час виконання операцій з обробки інформації.

Поставлено й виконано задачу створення такого перетворювача р-коду Фібоначі у двійковий код, у якому нове схемне вирішення дозволило при збільшенні швидкодії істотно зменшити його апаратні витрати. Розроблений перетворювач коду Фібоначі у двійковий код для р=1, n=8 зображено на рис.2.

де З₁ - З₈ - значення тригерів стану 2₁-2₈; Wi=1,1,2,3,5,8,13,21 для i=1,8. Рис.2. Структура перетворювача коду Фібоначі у двійковий код

Аналіз різних варіантів розбивок ПК Фібоначі у двійковий код на блоки показав, що найменші апаратні витрати має чотириблокова структура ПК Фібоначі у двійковий код. Функціонування блоків ФЕ описується формулами:

Запропоноване схемне вирішення в [7] дозволяє значно підвищити швидкодію перетворювачів кодів Фібоначі.

При послідовному додаванні значень ФЕ й зовнішніх комбінаційних суматорів (КС) для кожної з розбивок блоків загальна кількість корпусів наведена нижче. Виходячи з цього, будується графік апаратурних витрат, де а витрати на ФЕ, b витрати КС, c витрати ОА й УУ, d сумарні витрати ПК.

Оптимальний варіант розбивки

Таким чином, найменші апаратурні витрати має розбивка 12 блоків по одному розряду й досить близькими до нього є розбивки 6 блоків по 2 розряди в блоці й 4 блоки по три розряди в блоці. З позиції швидкодії остання розбивка буде більш вигідною.

В останні роки широку популярність одержала така апаратна платформа, що дозволяє знизити матеріальні витрати на реалізацію ФОП й домогтися оптимального функціонування й швидкодії. Це програмувальні логічні інтегральні схеми (ПЛІС) і використання САПР на основі мов опису апаратури. Мовою VHDL реалізовано 8-розрядну модель ПК Фібоначі. З використанням пакетів Active-HDL, Symplify, FPGA Express виконано апаратний синтез схеми розглянутого ПК на ПЛІС фірми Xilinx Spartan-II серії XC2S100-6.

Рис.3. Витрати на ФЕ за кількістю корпусів

З метою автоматизації етапу структурно-функціонального проектування спеціалізованих ПК розроблено програмне забезпечення, що дозволяє обчислювати ортогональні базиси за заданими основами у СЗК і переводити числа в десяткову систему числення. Розглянуто ряд прикладів побудови таблиць законів функціонування ФЕ для різних варіантів розбивки ФЕ на блоки й дано оцінки апаратних витрат на їхню реалізацію.

У четвертому розділі досліджено методи моделювання ПК на функціональному рівні. Показано, що дуже важливим є правильний вибір апарата моделювання, що з однієї сторони має достатньо добре відбивати алгоритмічні перетворення, а з іншої бути легко перебудовуваним, легко й візуально спостережуваним. Під час проведення аналізу методів моделювання ПК СЗК і кодів Фібоначі на функціональному рівні розглянуто метод програмно-алгоритмічного моделювання й метод моделювання на МП.

Програмно-алгоритмічні методи є малоефективними через те, що в кодах мов програмування можна реалізувати тільки конкретний алгоритм перетворення, а написання універсальної програми, що враховує всі параметри й способи перетворення, призведе до великої складності її реалізації й недостатньої швидкодії. Крім того, необхідність модернізації алгоритмів і програм залежно від специфіки перетворення й особливостей структури вимагає постійної роботи з вихідним програмним кодом, що не завжди є можливим. З іншої сторони застосування мов опису апаратури також не дозволяє вирішити завдання моделювання, тому що на функціональному рівні подання ще немає конкретної схемної реалізації ПК.

Найбільш прийнятні результати моделювання отримано за допомогою застосування МП. Програмна реалізація МП у вигляді спеціалізованого програмного середовища дозволяє досить зручно перебудовувати структуру МП (модель ПК) залежно від заданого числа параметрів, що змінюються. При цьому модель МП не передбачає наявності конкретної схемної реалізації ПК. У роботі наведено приклади використання мережних моделей ПК СЗК і кодів Фібоначі у двійковий код.

При створенні моделей перетворювачів на МП було введено проміжне перетворення кодів СЗК і кодів Фібоначі в десятковий код з наступним перетворенням у двійковий код. Це обумовлено тим, що безпосереднє перетворення кодів СЗК і кодів Фібоначі у двійковий код з використанням МП реалізувати досить складно через відсутність математичного визначення реалізації операцій розподілу, які завжди присутні в алгоритмах перетворення кодів. Використання проміжного перетворення через десятковий код істотно не впливає на час моделювання й на кінцевий результат, а також надає проектувальникові можливості візуального контролю проміжних результатів моделювання, що є дуже важливим при моделюванні багатофункціональних перетворювачів кодів. Досліджено й проаналізовано МП як математичний апарат моделювання ПК.

Принципи моделювання функціональної моделі ПК: розрядність ПК моделюється на рівні матричного завдання МП; значення основ СЗК і значення ортогональних базисів задаються при створенні мережної моделі ПК; спосіб формування еквівалентів моделюється шляхом зміни кроків перетворення.

Розроблено технологію матричного опису графа МП, у якому матричний опис вихідної схеми у вигляді позиція-перехід і перехід-позиція забезпечує графічне подання мережі з одночасною можливістю моделювання заданих параметрів. На рис.4 зображена модель ПК СЗК у двійковий код числа 18, поданого в коді СЗК (4,3,0,0) для основ 7, 5, 3, 2. У позиціях i1 i4 перебувають значення розрядів коду СЗК, а i8 i12 значення двійкового коду. У позиції i6 перебуває перетворене число в десятковому коді.

Рис.4. Мережа Петрі для ПК СЗК у двійковий код

Таблиця 3 Матричний опис та результати моделювання

POSITION	ENTER	MET	PRINT	Результати моделювання
4 1 7 3 2 5 1 3 3 1 4 2 5 5 1 6 7 16 6 8 8 6 9 4 6 10 2 6 11 1 7 1 -1 7 2 -1 7 3 -1 7 4 -1 7 5 -1 7 6 1	1 6 7 2 6 5 3 6 3 4 6 2 5 6 1 7 8 1 8 9 1 9 10 1 10 11 1 11 12 1	7 5 3 2 1 0 3 0 0 0 0 0	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	Крок № 0 7 5 3 2 1 0 3 0 0 0 0 0 Крок № 1 7 5 3 2 1 0 2 0 0 0 0 0 Крок № 2 7 5 3 2 1 0 1 0 0 0 0 0 Крок № 3 7 5 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 Крок № 4 0 0 0 0 0 18 0 0 0 0 0 0 Крок № 5 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 Крок № 6 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 Крок № 7 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0

Розроблено програму моделювання ПК із використанням МП (Winpet), що дозволяє моделювати взаємозв'язок розрядності ПК, вагомозначності кодів і способу формування еквівалентів.

У п'ятому розділі досліджено методи перетворення інформації в сучасних складних інформаційно-довідкових і інформаційно-вимірювальних системах; показано, що прийом інформації може вестися від різних джерел інформації. Інформація може кодуватися в різних системах числення, наприклад у СЗК або системі Фібоначі. Цей новий підхід, що враховує багатофункціональність ПК, може вплинути на розвиток відбірок систем зв'язку, зберігання й обробки інформації.

У зв'язку з використанням різних систем кодування інформації спеціалізовані ФОП для передпроцесорної обробки можуть бути реалізовані як багатофункціональні ФОП.

Однією з математичних моделей цифрового перетворювача інформації як будь-якого дискретного пристрою є абстрактний цифровий автомат, що задається рядом параметрів вигляду

А<{X},{Y},{Z}, {(},{(},{U},{f}>, (7)

де X,Y,Z - відповідно вхідний, вихідний і внутрішній алфавіти автомата: {} - ряд функцій переходів; {} - ряд функцій виходів; {U} - набудований алфавіт автомата, що визначає ряд функції _i і _i з ряду {} і {}, {f} - функціональність автомата, що задається парою функцій _i і _i з {} і {}.

Використовувати модель абстрактного багатофункціонального автомата для моделювання пристроїв перетворення інформації на функціональному рівні важко, тому що з однієї сторони модель даного рівня не враховує тимчасових параметрів, а з іншої сторони на цьому рівні моделі ще відсутня конкретна прив'язка до розрядності, значень основ і вагам розрядів.

Достатньо зручною моделлю для моделювання ПК, як показано в розділі чотири, є МП. Але традиційна МП не дозволяє моделювати багатофункціональні перебудовуванні структури. Тому потрібна деяка модифікація МП, пов'язана із введенням додаткового параметра, що моделює багатофункціональність. Одним з видів “навантажених” мереж є кольорові МП. Кольорові МП відрізняється від простих МП тільки параметром кольору, що дозволяє використовувати апарат простих МП, описаних у даній роботі, з модифікацією вихідного матричного подання.

Даний підхід реалізований шляхом розробки програмного модуля Colpet для кольорових МП, в основу якого покладений програмний модуль Winpet. Програма Colpet на основі матричного опису навантаженої МП дозволяє моделювати паралельний процес багатофункціонального перетворення кодів і аналізувати час, витрачений на процес перетворення. Ця програма використовує закладений принцип кодування в програмі Winpet з додатковим стовпцем, що вказує колір. Колір це параметр, що визначає властивості ресурсу (тип перетворення).

Як приклад у роботі розглянута модель передпроцесорної обробки багатофункціонального перетворювача з використанням різних типів перетворювачів: “СЗК у десятковий код”, “Фібоначі в десятковий код”, “десятковий код у двійковий ”.

МП для моделювання багатофункціонального ПК зображена на рис.5 У цій моделі використовується поняття кольорової черги, що забезпечує впорядкування заданих вихідних чисел, причому кожне число характеризується своїм кольором і значеннями. На виході зображеної моделі кожне число буде передано для подальшого перетворення на один із ПК.

Рис.5. Мережа Петрі для моделювання багатофункціонального ПК

Перевагою багатофункціональної структури ПК є можливість більш істотного спрощення внутрішньої структури ПК у порівнянні з використанням декількох однофункціональних ПК, тому що ряд блоків і вузлів структури можуть бути загальними для різних ПК. Це підвищує швидкодію моделювання й ураховує більшу кількість параметрів моделі.

ВИСНОВКИ

У процесі досліджень, що проведені в рамках дисертаційної роботи, вирішена актуальна науково-технічна задача розробки методів структурно-функціонального аналізу та синтезу перетворювачів дискретної інформації для передпроцесорної обробки, що виконують перетворення кодів систем залишкових класів та кодів Фібоначі у двійкову систему числення, які спрямовані на зниження апаратних витрат (вартості) і збільшення швидкодії даних пристроїв.

У роботі отримано такі результати:

1. Розглянуто загальний підхід до аналізу й синтезу перетворювачів дискретної інформації. Проведено аналіз існуючих методів перетворення кодів. Розроблено метод багаторівневого системного проектування спеціалізованих ФОП, починаючи від переліку функціональних задач до схемної реалізації ФОП. Це дозволило автоматизувати процес проектування ПК СЗК і Фібоначі з урахуванням вибору оптимального співвідношення швидкодії й апаратних витрат на реалізацію ПК.

2. Досліджено методи перетворення інформації в сучасних складних інформаційно-довідкових і інформаційно-вимірювальних системах; показано, що прийом інформації може вестися від різних джерел інформації. Досліджено й розроблено методи моделювання ПК на функціональному рівні, які враховують розрядність ПК, кількість кроків перетворення й швидкодію. Для цієї мети застосовано апарат мереж Петрі, що дозволило моделювати одночасно кілька параметрів у динамічному режимі. Розроблено програмне середовище функціонального моделювання ПК із використанням мереж Петрі й методика моделювання ПК. Запропоновано й досліджено модель багатофункціонального ПК, що реалізує одночасно кілька алгоритмів перетворення кодів. Перевагою багатофункціональної структури ПК є можливість більш істотного спрощення внутрішньої структури ПК у порівнянні з використанням декількох однофункціональних ПК, тому що ряд блоків і вузлів структури можуть бути загальними для різних ПК. Це підвищує швидкодію моделювання й ураховує більшу кількість параметрів моделі.

3. Досліджені й модифіковані методи проектування ПК СЗК у двійкову систему числення на основі використання змішаної системи числення й ортогональних базисів. Досліджені спеціалізовані ПК Фібоначі у двійковий код. Вирішено задачу створення перетворювача р-коду Фібоначі у двійковий код, у якому нове схемне вирішення дозволило при збільшенні швидкодії істотно зменшити його апаратні витрати. Вперше розроблено методи підвищення швидкодії ПК СЗК і кодів Фібоначі у двійковий код, що використовують принцип двокрокового перетворення й багатоблокову реалізацію формувача еквівалентів.

4. Отримав подальший розвиток метод побудови таблиць законів функціонування для різних варіантів розбивки формувача єквівалентів на блоки й дані оцінки апаратних витрат на їхню реалізацію, що дозволило одержати аналітичні вирази для функцій виходів формувача єквівалентів та виконати їх проектування.

5. Практичне значення роботи полягає: у розробці патентозахищеного швидкодіючого ПК Фібоначі у двійковий код, що дозволило істотно підвищити швидкодію ФОП передпроцесорної обробки інформації; у розробці й експериментальному дослідженні програмного забезпечення для знаходження ортогональних базисів СЗК і для побудови таблиць законів функціонування перетворювачів кодів СЗК і Фібоначі у двійковий код; у розробці моделі й методів моделювання розроблених ПК за допомогою мереж Петрі, включаючи кольорові мережі Петрі.

6. Результати досліджень використано в науково-дослідній, дослідно-конструкторській роботі у системі автоматизованої обробки інформації з використанням пересувних лабораторій виміру та автоматизованої обробки сучасних систем планового координування точок зйомки поверхні дорожнього покриття на основі застосування сигналів існуючих космічних орбітальних угрупувань GPS та ГЛОНАСС та сучасних технологій лазерних вимірів; у навчальному процесі Харківського національного університету радіоелектроніки; в навчальному процесі Української державної академії залізничного транспорту.

7. Подальші розробки й дослідження доцільно проводити в області аналізу й системного проектування перетворювачів двійкових кодів у код СЗК і Фібоначі, що дозволить використовувати ці пристрої для постпроцесорної обробки інформації.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Данько Н.И., Загарий Г.И., Луханин Н.И., Купрейчик И.В., Матейченко В.В., Теория и практика языка расширенных сетей Петри // Інфомаційно-керуючі системи на залізничному транспорті (науково-технічний журнал). 2003. №4. С. 6165.

2. Какурин Н.Я., Макаренко А.Н., Купрейчик И.В. Преобразователи кода СОК в двоичную систему счисления // АСУ и приборы автоматики. 2001. Вып. 116. С. 8893.

3. Какурин Н.Я., Купрейчик И.В., Макаренко А.Н. Повышение быстродействия преобразователей кода СОК // АСУ и приборы автоматики. 2001. Вып. 117. С. 8492.

4. Купрейчик И.В. Программная реализация нахождения ортогональных базисов в СОК // АСУ и приборы автоматики. 2003. Вып. 124. С.8790.

5. Какурин Н.Я., Купрейчик И.В. Системное проектирование преобразователей кодов Фибоначчи в двоичный код // АСУ и приборы автоматики. 2004. Вып. 128. С. 8287.

6. Какурин Н.Я., Купрейчик И.В., Старчевский Д.Л. VHDL-модель преобразователей кодов Фибоначчи в двоичный код // АСУ и приборы автоматики. 2004. Вып. 129. С. 6773.

7. Пат. №58165 Україна, UA HO3М7/12. Перетворювач коду Фібоначі в двійковий код. Какурін М.Я., Купрейчик І.В., Макаренко Г.М. (Україна); ХНУРЕ. №2002108181; // Промислова власність 2003; бюл.№7. С4.149.

8. Купрейчик И.В. Концепция построения структур преобразователей информации для устройств сопряжения с объектами // Материалы 7-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”: Тез.докл. Харьков: ХТУРЭ. 2003. С. 470.

9. Купрейчик И.В. Интеллектное решение прямой и обратной задач неравномерного распределения ресурсов // Межд. научная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”: Тез.докл. Харьков Туапсе, 2003. С. 4647.

10. Купрейчик И.В. Моделирование функциональных преобразователей на языке сетей Петри // Межд. научная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”: Тез.докл. Харьков Туапсе, 2004. С.455.

АНОТАЦІЯ

Купрейчик І.В. Структурно-функціональний аналіз та синтез перетворювачів дискретної інформації для передпроцесорної обробки. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.13 обчислювальні машини, системи та мережі - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2005.

Дисертація присвячена розробці й дослідженню методів проектування перетворювачів кодів СЗК і Фібоначі на основі використання методу багаторівневої функціональної декомпозиції з урахуванням аналізу апаратних витрат різних розбивок структур ПК, а також алгоритмізації, моделюванню, зазначених ФОП на базі мереж Петрі. При вирішенні поставлених завдань автором отримано такі результати: методи підвищення швидкодії ПК СЗК і Фібоначі у двійковий код; метод системного проектування ПК СЗК і Фібоначі у двійковий код; вперше застосовано МП для моделювання ПК СЗК і Фібоначі, що дозволило виконати функціональне моделювання ПК із урахуванням розрядності ПК, значень основ СЗК і ортогональні базиси; способу формування еквівалентів і функціонально-блокової структури ПК; вперше розроблено модель багатофункціонального ПК і методику моделювання її з використанням МП.

Ключові слова: алгоритм, процесор, модель, структура, ПК СЗК, ПК Фібоначі, формувач еквівалентів, мережі.

АННОТАЦИЯ

Купрейчик И.В. Структурно-функциональный анализ и синтез преобразователей дискретной информации для предпроцессорной обработки. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.13 вычислительные машины, системы и сети - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена вопросам расширения возможностей ФОУ, а также снижению аппаратных затрат и увеличению быстродействия ФОУ, выполняющих преобразования кодов СОК, преобразования кодов Фибоначчи в двоичную систему счисления, а также разработке методов моделирования, алгоритмизации и верификации этих ФОУ на базе сетей Петри.

Целью работы является разработка методов структурно-функционального анализа и синтеза преобразователей дискретной информации для предпроцессорной обработки, выполняющих преобразования кодов СОК и кодов Фибоначчи в двоичную систему счисления.

Научными результатами, полученными в работе являются: методы повышения быстродействия ПК СОК и Фибоначчи в двоичный код, использующие принцип двухшагового преобразования и многоблочную реализацию формирователя эквивалентов (ФЭ), что позволило снизить число тактов преобразования в ПК Фибоначчи с четырех тактов до одного, а в ПК СОК в семь раз и снизить их аппаратные затраты на 25%; метод системного проектирования ПК СОК и Фибоначчи в двоичный код, основанный на анализе аппаратных затрат различных разбиений структур ПК, что позволило в 2,5 раза уменьшить аппаратные затраты применительно к ПК Фибоначчи; впервые применены СП для моделирования ПК СОК и Фибоначчи, что позволило выполнить функциональное моделирование ПК с учетом разрядности преобразователя кодов, значений оснований СОК и ортогональных базисов; способа формирования эквивалентов и функционально-блочной структуры ПК; впервые разработана модель многофункционального преобразователя кодов и методика моделирования ее с использованием сетей Петри. Разработан метод многоуровневого системного проектирования специализированных ФОУ, начиная от перечня функциональных задач до схемной реализации ФОУ. Это позволило автоматизировать процесс проектирования ПК СОК и Фибоначчи с учетом выбора оптимального соотношения быстродействия и аппаратных затрат на реализацию ПК. Впервые разработаны методы повышения быстродействия ПК СОК и кодов Фибоначчи в двоичный код, использующие принцип двухшагового преобразования и многоблочную реализацию ФЭ. Получил дальнейшее развитие метод построения таблиц законов функционирования ФЭ для разных вариантов разбиения ФЭ на блоки и даны оценки аппаратных затрат на их реализацию.

Исследованы и разработаны методы моделирования ПК на функциональном уровне, учитывающие разрядность ПК, число шагов преобразования и быстродействие. Для этих целей применен аппарат сетей Петри, что позволило моделировать одновременно несколько параметров в динамическом режиме. Разработана программная среда функционального моделирования ПК с использованием сетей Петри и методика моделирования ПК.

Практическое значение работы состоит: в разработке патентозащищенного быстродействующего ПК Фибоначчи в двоичный код, что позволило существенно повысить эффективность ФОУ предпроцессорной обработки информации; в разработке и экспериментальном исследовании программного обеспечения для нахождения ортогональных базисов СОК и для построения таблиц законов функционирования ПК СОК и Фибоначчи в двоичный код; в разработке модели и методов моделирования разработанных ПК с помощью сетей Петри, включая цветные СП.

Научные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, были использованы на предприятии ЗАО “Институт Харьковский Промтранспроект” в научно-исследовательской, исследовательско-конструкторской работе в системе автоматизированной обработки информации с использованием передвижных лабораторий; в учебном процессе Харьковского национального университета радиоэлектроники; в учебном процессе Украинской государственной академии железнодорожного транспорта.

Дальнейшие разработки и исследования целесообразно проводить в области анализа и системного проектирования преобразователей двоичных кодов в код СОК и Фибоначчи, что позволит использовать эти устройства для постпроцессоной обработки информации.

Ключевые слова: алгоритм, процессор, модель, структура, ПК СОК, ПК Фибоначчи, формирователь эквивалентов, сети.

Abstract

Kupreychik I.V. Structure functional analysis and synthesis of converters of the discrete information for preprocessor processing. - Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of Candidate of Technical Sciences by speciality 05.13.13 - computers of system and network. the Kharkiv National University of Radio electronics, Kharkiv, 2005.

Theoretical bases of designing FOD on the basis of known methods of designing are examined; the expediency and an area of application specialized FOD are shown and the basic quality criteria for comparison of FOD structures are revealed; existing scheme realizations of SRK codes converters into a base-2 system are analyzed with the purpose of promptitude increase of converters; the structure of the SRK codes converter in a binary code is investigated with the purpose of minimization of hardware expenses; opportunities of application of Fibonacci codes in FOD are analyzed and the way for codes transformation and promptitude increases is developed; system designing Fibonacci codes converters into binary code is executed with the purpose of an optimum structure finding; models and algorithms of FOD designing as a program complex with expanded Petri networks usage are realized in the work.

The following results during researches implementation are received:

the algorithm of system designing of SRK codes converters in the binary code basing strategy of devices decomposition on blocks and uses multiunit (FE) is developed; the new original structure of Fibonacci codes converters in a binary code with promptitude in one step on which it is received the declarational patent of Ukraine is offered.

Key items: algorithm, the processor, model, structure, the SRK codes converter, the Fibonacci codes converter, equivalents creator, networks.

Размещено на Allbest.ru

...