Методи та засоби проектування технічних і програмних компонентів безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою

Отримані результати лабораторних досліджень і виробничих випробувань безпечних ПЛІС-контролерів у складі мікроелектронної системи централізації (МСЦ) підтверджують відповідність розроблених у дисертації теоретичних положень і технічних рішень вимогам українських та міжнародних стандартів до функціональної безпеки та електромагнітної сумісності.

Сьомий розділ присвячений оцінці ефективності виконаних досліджень. Виконано оцінку безпеки БЛП-автоматів з керуванням функціональною деградацією. При цьому показано, що останов або часткова втрата працездатності пов'язані із введенням певних ризиків, обумовлених збільшенням ролі людського фактора в процесах керування об'єктами критичного застосування, що необхідно враховувати при інтегральній оцінці функціональної безпеки ТПК СКЗ. Запропоновано розглядати деградацію ТПК СКЗ як процес перерозподілу елементів множини відповідальних функцій Фr = { Фr(cs), Фr(dm), Фr(u) } між його підмножинами: відповідальних функцій, реалізуємих системою керування (СК) Фr(cs) = {r(cs)1, r(cs)2, …, r(cs)Nr(cs)}, відповідальних функцій, реалізуємих особою, що приймає рішення (ОПР) Фr(dm) = {r(dm)1, r(dm)2, …, r(dm)Nr(dm)}}, і функцій, які не можуть бути реалізовані на даному рівні деградації Фs = {s1, s2, …, sNs}. Розглянуто клас задач, що описуються графом безпечних переходів, які мають ієрархічну структуру. У рамках задач даного класу відповідальні функції з множини Фr(cs), які не можуть бути реалізовані СК в умовах деградації, покладають на ОПР і переходять у множину Фr(dm). Отримано аналітичну залежність для оцінки підвищення безпеки при реалізації алгоритму керування деградацією

, (10)

де 1df - інтенсивність небезпечних відмов (dangerous faіlure) при реалізації однієї відповідальної функції; 1df - інтенсивність небезпечних відмов при реалізації однієї відповідальної функції при реалізації процедури керування функціональною деградацією; Р1(dm) - імовірність приналежності даної відповідальної функції множині Фr(dm) у деякий довільний момент часу; z - коефіцієнт, що враховує зменшення інтенсивності переходів відповідальної функції з підмножини Фr(cs) в Фr(dm) 1(cs-dm) за рахунок реалізації процедури керування функціональною деградацією

; (11)

j - коефіцієнт, що визначає відношення інтенсивності небезпечних відмов ОПР 1df(dm) і СК 1df(cs) при реалізації однієї відповідальної функції

j = 1df(dm)/ 1df(cs). (12)

Розрахунки показали, що застосування для задач розглянутого класу процедури синтезу БЛП-автоматів з керуванням деградацією, запропонованої в розд. 2, дозволяє зменшити інтенсивність небезпечних відмов в 1,2 - 1,38 разів залежно від кількості рівнів деградації.

Виконано порівняльну оцінку безпеки ПЗ, реалізованого на табличній і текстовій мовах опису апаратури. Запропоновано вдосконалений метод оцінки складності ПЗ, який представляє собою розширення методу Чепіна, що враховує ієрархічний принцип опису цифрових пристроїв на ПЛІС і можливість використання готових компонентів (мегафункцій).

Для прогнозної оцінки ефективності використання мови THDL як альтернативи відомим текстовим мовам опису апаратури при розв'язанні типових задач використана наступна методика:

1. Обрано n типових задач із різним рівнем складності.

2. Розраховано складність обраних задач Q = {Q1, Q2, ... Qn} відповідно до запропонованого розширення метрики Чепіна.

3. Розраховано прогнозну кількість помилок для обраних задач В = {В1, В2, ... Вn} відповідно до метрики Холстеда при розробці HDL-описів на мовах AHDL (В(А) = {В(А)1, В(А)2, … В(А)n}) і THDL (В(T) = {В(T)1, В(T)2, … В(T)n}).

4. Отримані за результатами статистичних досліджень експериментальні значення кількості помилок при розробці HDL-описів на мовах AHDL (В(А)э = {В(А)э1, В(А)э2, … В(А)эn}) і THDL (В(T)э = {В(T)э1, В(T)э2, … В(T)эn}).

5. Розраховано відносні значення метрики Воi = В(А)i/ В(T)i.

6. Розраховано відносні значення метрики Воэi = В(А)эi/ В(T)эi.

7. Розраховано значення коефіцієнтів Vpi = (Воi - 1)/( Воэi - 1).

8. Побудовано залежності Vp = f1(Q) та Воэ = f2(Q).

Графік залежності кількості помилок у програмі Воэ від складності Q Воэ = f2(Q) наведений на рис. 8. Як показують експериментальні дослідження, значення Воэ може коливатися в межах 2 - 5, при цьому закономірності в зміні Воэ залежно від складності Q не спостерігається.

Рис. 8. Залежність кількості помилок у програмі Воэ від складності Q

Аналіз графіка залежності вагового коефіцієнта Vp від складності Q Vp = f1(Q) (рис. 9) показує, що коефіцієнт Vp змінюється в діапазоні 0,57 - 0,86, причому він має тенденцію знижуватися при зростанні значення складності Q. При Q > 40 діапазон змін коефіцієнта Vp зменшується і обмежується значеннями 0,57 - 0,7.

Рис. 9. Залежність вагового коефіцієнта Vp від складності Q

Таким чином, для оцінки зниження ймовірності появи помилок у програмі при використанні мови THDL як альтернативи відомим текстовим мовам опису апаратури, доцільно використовувати коефіцієнт Vp. При цьому необхідно виконати розрахунок метрики складності Q відповідно до запропонованого вище розширення методу Чепіна та метрики кількості помилок (відносного значення) відповідно до методу Холстеда. Якщо складність програми Q < 40, то діапазон значень Vp повинен становити 0,7 - 0,86; якщо Q > 40, то діапазон значень Vp повинен становити 0,57 - 0,7.

Виконано порівняльну оцінку функціональної безпеки розроблених і відомих пристроїв формування керуючих впливів. На рис. 10, який ілюструє модель відомого пристрою формування керуючих впливів, Ар Вр - стан із працездатними каналами А і В; Ар Во - стан із працездатним каналом А та несправним каналом В; Ао Вр - стан із працездатним каналом В та несправним каналом А (із захисною відмовою); Ао Во - стан з несправними каналами А і В (небезпечне); а - інтенсивність відмов, пов'язаних з порушенням функцій формування керуючих впливів; к - інтенсивність відмов, пов'язаних з порушенням контрольних функцій; - інтенсивність відновлень.

Рис. 10. Діаграма станів відомого пристрою формування керуючих впливів

Рис. 11. Діаграма станів розробленого пристрою формування керуючих впливів

У логарифмічній шкалі залежність Р3(к, а) для відомого варіанта описується площиною (див. рис. 12) та має вигляд

lgР3 = lg к + lg a + 9,6. (13)

У логарифмічній шкалі залежність Р3(, a) для відомого варіанта також описується площиною (див. рис. 13) та має вигляд

lg Р3 =2lga - lg + 5,2. (14)

Оскільки обидві залежності в логарифмічній шкалі описуються площинами, їхнє подання в чотирьохмірному просторі з осями (-lg Р3), (-lg к), (-lg а) і (-lg ) дасть дві чотирьохмірних поверхні, причому тривимірна поверхня, що утвориться при перетинанні чотирьохмірних площин буде відповідати границі ефективної області використання нового методу.

Рис. 12. Залежність Р3(к, а) у логарифмічній шкалі для відомого варіанта

Рис. 13. Залежність Р3(, a) у логарифмічній шкалі для нового варіанта

Рівняння для тривимірної площини перетинання має вигляд

=(a / к ) * 10-4,4. (15)

Таким чином, область, розташована над поверхнею = f(a, к) (рис. 14) є областю ефективного використання розробленого в розд. 5 методу формування керуючих впливів для об'єктів критичного застосування (ОКЗ). Для того, щоб визначити, у скільки разів знижується ймовірність при використанні розробленого методу P3H у порівнянні з відомим P3U, необхідно скористатися вираженням

. (16)

Таким чином, використання розроблених моделей і методів побудови пристроїв формування n-фазних гармонічних сигналів дозволяє істотно підвищити показники функціональної безпеки для широкого діапазону значень інтенсивностей відмов і відновлень.

У додатках наведено результати математичного та комп'ютерного моделювання розроблених безпечних автоматів з функціональною деградацією, HDL-моделі БЛП-автоматів та пристроїв безпечного формування керуючих впливів, акти впроваджень та розрахунки якісних показників програмного забезпечення на мові THDL.



Рис. 14. Залежність = f(а, к) , яка визначає область ефективного використання розробленого методу

ВИСНОВКИ

У дисертації запропоновано узагальнення і розв'язання науково-прикладної проблеми розробки та реалізації методів і засобів проектування технічних і програмних компонентів безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою з метою підвищення показників безпеки систем критичного застосування.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Виконано аналіз методів і засобів проектування комп'ютерних систем і компонентів критичного застосування і тенденцій їхнього розвитку, на основі якого сформульована проблема і задачі дослідження, обґрунтовані концепція та методика проведення досліджень.

2. Розроблено методологію синтезу, розроблені та досліджені абстрактні, структурні та HDL-моделі безпечних логічних автоматів для ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою, аналіз яких показав, що синтезовані формальні моделі та методи є універсальним апаратом для опису дискретних пристроїв і систем з реалізацією функцій забезпечення безпеки керування, що забезпечує можливість формалізованого проектування безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою, у тому числі: розробки і формального опису процедур керування ОКЗ, їхньої верифікації, синтезу архітектури і HDL-описів програмних і технічних компонентів.

3. Запропоновано процедури абстрактного синтезу БЛП-автоматів з функціональною деградацією забезпечують збереження максимально можливої кількості реалізованих автоматом відповідальних функцій в умовах наявності спотворень при безумовному забезпеченні безпеки.

4. Розроблено мову, технологію та інструментальні засоби проектування програмного забезпечення для безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою з використанням спрощених табличних конструкцій для опису алгоритмів, настройки функцій забезпечення безпеки та кодування вхідних і вихідних сигналів, що дозволяє зменшити кількість помилок і за рахунок цього підвищити безпеку ПЗ.

5. Отримано метод реалізації та моделі безконтактних модулів безпечного формування керуючих впливів, які, на відміну від відомих, базуються на використанні принципу послідовного перетворення параметрів сигналів, що динамічно змінюються у часі, що дозволяє виконувати безпечне сполучення виконавчих механізмів і мікроелектронних структур з асинхронно функціонуючими каналами, які резервуються, причому відключення хоча б одного з каналів приводить до принципової неможливості формування на виході небезпечного керуючого впливу.

6. Дослідження залежності коефіцієнта нелінійних спотворень вихідного сигналу розробленого n-фазного пристрою безпечного формування гармонічних сигналів від скважності ВЧ-сигналу на виході одного з перетворювачів Ku = f(s2) на экстремум дозволило визначити значення скважності (s2 = 34,5 % або s2 = 65,5 %), при яких Ku досягає мінімального значення (Kumіn = 4,3 %), і за рахунок цього забезпечити підвищення якості керування ОКЗ.

7. Дослідження математичної моделі n-фазних ПБФ ГС показали, що: зсув фаз між вихідними гармонічними сигналами, формуємими шляхом фільтрації ВЧ-складової сигналів, z1, z2, ... zn, відповідає зрушенню фаз між дискретними імпульсними сигналами керування k1, k2, ... kn, що дозволяє забезпечити безпеку керування n-фазними виконавчими механізмами; реалізація рівнянь моделі забезпечує можливість керування напрямком обертання фаз або відключення вихідного сигналу шляхом зміни вхідного стану моделі; перехід у захисний стан одного з каналів, а також відключення опорного сигналу приводить до принципової неможливості формування вихідного сигналу, що дозволяє використовувати опорний сигнал для переводу ПБФ ГС у захисний стан при виявленні відмов.

8. Запропоновано метод розрахунку параметрів моделі безпечних n-фазних ПБФ ГС, що дозволяє визначити значення параметрів моделі для заданих значень частоти формуємого n-фазного сигналу, кількість рівнів апроксимації і частоти сигналу тактування.

9. Розроблено HDL-модель n-фазних ПБФ ГС, що реалізована на запропонованій мові опису апаратури THDL, яка являє собою функціонально-завершений програмний компонент безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою та дозволяє використовувати формальну процедуру проектування ПЗ шляхом програмної настройки параметрів даного компонента.

10. Створено систему керування ОКЗ на основі безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою - мікроелектронну систему централізації (МСЦ) для залізничного транспорту і метрополітенів. При розробці системи керування ОКЗ на базі безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою були використані: математичні моделі та методи синтезу БЛП-автоматів - при розробці та проектуванні безпечних модулів логічної обробки інформації на основі ПЛІС; мова, технологія та інструментальні засоби програмування безпечних ПЛІС-контролерів - при проектуванні ПЗ для безпечних логічних ПЛІС-контролерів (БЛК) і розробці безконтактного модуля керування стрілкою (БМК-С); методи проектування і моделі ПБФ КВ - при розробці генератора автоматичного регулювання швидкості (Г-АРС), безконтактного модуля керування стрілкою (БМК-С), безконтактного модуля керування сигналами світлофора (БМК-СС).

11. Отримані результати лабораторних досліджень і виробничих випробувань безпечних ПЛІС-контролерів у складі мікроелектронної системи централізації (МСЦ) підтверджують відповідність розроблених у дисертації теоретичних положень і технічних рішень вимогам українських та міжнародних стандартів до функціональної безпеки та електромагнітної сумісності.

12. Аналіз і розрахунок показників безпеки ТПК СКЗ із урахуванням ризиків, обумовлених збільшенням ролі людського фактора в процесах керування об'єктами критичного застосування в умовах деградації показав, що застосування для задач розглянутого класу методів синтезу БЛП-автоматів з функціональною деградацією, запропонованих у розд. 2, 3, дозволяє зменшити інтенсивність небезпечних відмов в 1,2 - 1,38 разів.

13. Виконаний розрахунок і проведені експериментальні дослідження показують, що використання мови THDL як альтернативи відомим мовам опису апаратури, дозволяє підвищити функціональну безпеку програмного забезпечення за рахунок зниження кількості помилок у програмі в 2 - 5 разів для задач різних класів і рівнів складності.

14. Запропоновано розширення метрики Чепіна, що дозволяє оцінювати складність HDL-описів Q з урахуванням можливості використання верифікованих програмних компонентів і ієрархічного принципу опису цифрових пристроїв на основі ПЛІС.

15. Порівняльна оцінка функціональної безпеки безконтактних модулів безпечного формування керуючих впливів показала, що використання розроблених методів проектування і моделей пристроїв безпечного формування гармонічних сигналів дозволяє істотно підвищити показники функціональної безпеки для широкого діапазону значень інтенсивностей відмов і відновлень. Зокрема, при інтенсивності відмов пристроїв формування сигналів а = 10-7 1/годину, контрольних засобів к = 10-10 1/годину, відновлень = 0,5 1/годину ймовірність небезпечної відмови Р3(t) за 10 років експлуатації знижується в 12,56 разів.

16. Результати дисертаційних досліджень впроваджені на Харківському метрополітені, що підтверджується відповідними актами.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ За ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

1. Малиновский М. Л. Проектирование цифровых устройств на ПЛИС / М. Л. Малиновский, И. А. Фурман, С. Я. Бовчалюк ; под ред. И. А. Фурмана. - Харків: Факт, 2006. - 164 с.

Здобувачем розроблено структурні та HDL-моделі цифрових автоматів з несиметричними відмовами.

2. Малиновский М. Л. Контроллеры и процессоры с параллельной архитектурой / И. А. Фурман, В. А. Краснобаев, М. Л. Малиновский, С. В. Панченко ; под ред. Г. И. Загария. - Харків: УкрГАЖТ, 2006. - 416 с.

Здобувачем розроблено методи синтезу та досліджено моделі безпечних автоматів.

3. Малиновский М. Л. Управление объектами критического применения на основе ПЛИС : моногр. / М. Л. Малиновский. - Харків: Факт, 2008. - 224 с., 67 ил.

4. Малиновский М. Л. Система обработки информации и управления АСУ ТП на основе применения кодов модулярной арифметики: моногр. / В. И. Барсов, В. А. Краснобаев, И. А. Фурман, М. Л. Малиновский, В. В. Шевченко. - Харків: УИПА, 2009. - 160 с.

Здобувачем запропоновано методи введення несиметричності відмов цифрових пристроїв шляхом корекції помилок систем, що функціонують у медулярній арифметиці.

5. Малиновский М. Л. Модели и методы параллельной реализации логических операций в АСУ ТП: моногр. / В. И. Барсов, И. А. Фурман, М. Л. Малиновский, В. А. Краснобаев, В. В. Шевченко. - Харків: УИПА, 2009. - 140 с.

Здобувачем розроблено методи безпечної паралельної реалізації логічних операцій в АСКТП.

6. Малиновский М. Л. Новая концепция и перспективные средства реализации микроэлектронных систем автоматизированного управления движением поездов на метрополитенах / М. Л. Малиновский // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2005. - № 4. - С. 44-48.

7. Малиновський М. Л. Вдосконалення архітектури програмованих логічних контролерів паралельної дії / І. О. Фурман, С. Я. Бовчалюк, М. Л. Малиновський // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства - 2005. - т. 2 - C. 164-168.

Здобувачем запропоновано архітектуру паралельного логічного контролера, яка є захищеною від небезпечних відмов при наявності одиночних дефектів.

8. Малиновский М. Л. Концепция, методы и средства моделирования на ПЛИС контроллеров и процессоров с параллельной архитектурой / И. А. Фурман, В. А. Краснобаев, М. Л. Малиновский, С. А. Кошман, С. Я. Бовчалюк // Сборник научных трудов Харьковского национального автодорожного университета. - Харьков, 2005. - Вып. 16 - C. 338-341.

Здобувачем розроблено HDL-моделі безпечних автоматів з паралельною архітектурою.

9. Малиновский М. Л. Новая концепция разработки и структурная организация безопасной системы автоматизированного управления движением поездов на метрополитенах / Фурман І. О., Малиновский М. Л. // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2006. №5. - C. 97 - 102.

Здобувачем запропоновано концепцію розробки системи керування рухом поїздів.

10. Малиновський М. Л. Оптимізація архітектури та схемотехніки каналів обміну даними між безпечними ПЛІС-контролерами паралельної дії / М. Л. Малиновский // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. - 2006. - Вип. 43, т. 2 - C. 123-127.

11. Малиновський М. Л. Удосконалення методів проектування програмного забезпечення для мікроелектронних систем керування технологічним обладнанням / М. Л. Малиновський, І. O. Фурман, О. Ю. Аллашев // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. - 2006. - Вип. 43, т. 1 - C. 202-206.

Здобувачем запропоновано технологію проектування програмного забезпечення для систем критичного застосування.

12. Малиновський М. Л. Методы, схемотехника и протоколы передачи информации в сетях ПЛИС-контроллеров параллельного действия / І. О. Фурман, М. Л. Малиновський, А. В. Святобатько, С. Я. Бовчалюк, С. М. Тихонравов // Праці / Таврійська держ. агротехн. акад. - Мелітополь, 2006. - Вип. 43. - C. 3-10.

Здобувачем розроблено HDL-модель пристрою обміну інформацією між паралельними ПЛІС-контролерами.

13. Малиновський М. Л. Синтез керуючих автоматів циклічної дії (цикломатів) / М. Л. Малиновський, І. О. Фурман, О. Ю. Аллашев, С. М. Тихонравов // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства - 2007. - Вип. 57, т. 2 - C. 92-99.

Здобувачем розроблено математичну модель автомата циклічної дії.

14. Малиновский М. Л. Математические модели безопасных ПЛИС-контроллеров с параллельной архитектурой / М. Л. Малиновский // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2007. - №7. - C. 105-113.

15. Малиновский М. Л. Методы проектирования программного обеспечения для ПЛИС-контроллеров на табличном языке CycloGraF / М. Л. Малиновский // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2008. - №5 (32). - С. 168-172.

16. Малиновський М. Л. Опыт и перспективы параллельной реализации алгоритмов логического управления объектами критического применения / И. А. Фурман, М. Л. Малиновский, А. Ю. Аллашев, С. Я. Бовчалюк // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2008. - № 6 (33). - С. 245-250.

Здобувачем досліджено історію розвитку систем паралельного керування об'єктами критичного застосування.

17. Малиновский М. Л. Абстрактный синтез безопасных параллельных логических автоматов циклического действия / М. Л. Малиновский // Праці / Таврійська держ. агротехн. акад. - Мелітополь, 2008. - Вип. 8, том 2. - C. 63-71.

18. Малиновський М. Л. Проблемно-орієнтована таблична мова алгоритмів логічного керування технологічним обладнанням / М. Л. Малиновський, І. О. Фурман, С. Я. Бовчалюк, О. Ю. Аллашев // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. - 2008. - Вип. 73, т. 2 - C. 52-54.

Здобувачем запропоновано табличні конструкції для програмування пристроїв автоматизації виробничих процесів.

19. Малиновський М. Л. Концепція розробки промислового зразка ПЛІС-контролера паралельної дії / І. О. Фурман, М. Л. Малиновський, С. Я. Бовчалюк // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. - 2008. - Вип. 73, т. 2 - C. 96 - 97.

Здобувачем розроблено структурні моделі та програмне забезпечення для універсального ПЛІС-контролера промислового призначення.

20. Малиновський М. Л. Підвищення ефективності побудови систем керування аварійним захистом АЕС на основі безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою / Кощей Л. Д., Тертишний С. М., Борисенко В. А., Фурман І. О., Малиновський М. Л. // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. - 2008. - Вип. 73, т. 2 - C. 35 - 38.

Здобувачем запропоновано архітектуру ПЛІС-контролера для системи керування аварійним захистом АЕС.

21. Малиновський М. Л. Методи абстрактного синтезу безпечних автоматів / Малиновський М. Л., Алєнін Д. О. // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. - 2009. - Вип. 87 - C. 74 - 76.

Здобувачем розроблено методи абстрактного синтезу автоматів з несиметричними відмовами різних класів.

22. Малиновський М. Л. Розробка абстрактних, структурних та HDL-моделей автоматів циклічної дії / Фурман І. О., Барсов В. І., Малиновський М. Л., Аллашев О. Ю., Тихонравов С. М., Алєнін Д. О. // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. - 2009. - Вип. 87 - C. 77 - 80.

Здобувачем розроблено абстрактні і HDL-моделі автоматів циклічної дії.

23. Малиновский М. Л. Метод безопасного формирования гармонических управляющих сигналов / М. Л. Малиновский // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2009. - № 1. С. 22 - 26.

24. Малиновский М. Л. Оценка сложности HDL-описаний цифровых устройств / М. Л. Малиновский // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2009. - № 5 (39). - С. 171 - 175.

25. Малиновский М. Л. Программирование безопасных ПЛИС-контроллеров на табличном языке THDL / М. Л. Малиновский // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2009. - № 2. С. 18 - 23.

26. Малиновский М. Л. Модели и методы управления объектами критического применения на основе безопасных ПЛИС-контроллеров с параллельной архитектурой / М. Л. Малиновский // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2009. - № 6 (40). - С. 36 - 40.

27. Пат. 71200 Україна, МПК (2006) G 05 B 19/05, G 06 F 9/00. Програмований логічний контролер / Фурман І. О., Бовчалюк С. Я., Малиновський М. Л. (Україна).; заявители и патентообладатели Фурман І. О., Бовчалюк С. Я., Малиновський М. Л. - № 20031210864 ; заявл. 01.12.03; опубл. 15.05.06, Бюл. № 5. - 4 с. : ил.

Здобувачем удосконалено архітектуру програмованого логічного контролера шляхом введення блоку пам'яті заборонених станів.

28. Пат. 77886 Україна, МПК (2006) G 05 B 19/18, G 05 В 19/05. Програмований логічний контролер. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я., Малиновський М. Л. (Україна) ; заявители и патентообладатели Фурман І. О., Бовчалюк С. Я., Малиновський М. Л. - № а200506855 ; заявл. 11.07.05 ; опубл. 15.01.07, Бюл. №1. - 4 с. : ил.

Здобувачем удосконалено архітектуру програмованого логічного контролера шляхом введення блоку вибору логічних операцій.

29. Пат. 82759 Україна, МПК (2006) G 05 B 19/18. Програмований логічний контролер / Малиновський М. Л., Кулик П. Д., Філіппович В. П., Фурман І. О. (Україна) ; заявитель и патентообладатель ТОВ НКП Укртрассигнал. - № а200608437 ; заявл. 27.07.06 ; опубл. 12.05.08, Бюл. №9. - 4 с. : ил.

Здобувачем удосконалено архітектуру програмованого логічного контролера шляхом введення блоків, що забезпечують динамічне перетворення інформації за забезпечують таким чином несиметричність відмов.

30. Пат. 33091 Україна, МПК (2006) G 05 B 19/18. Спосіб автоматичного перетворення технологічної циклограми у програмний код логічних контролерів / Фурман І. О., Малиновський М. Л., Бовчалюк С. Я., Аллашев О. Ю. (Україна) ; заявители и патентообладатели Фурман І. О., Малиновський М. Л., Бовчалюк С. Я., Аллашев О. Ю. - № u200801479 ; заявл. 05.02.08 ; опубл. 10.06.08, Бюл. №11. - 1 с.:ил.

Здобувачем розроблено форму технологічної циклограми, що одночасно є конструкцією програмування засобів автоматизації.

31. Пат. 37285 Україна, МПК (2006) G 05 B 19/18. Спосіб автоматичного синтезу ПЛІС-контролера по технологічній циклограмі. Фурман І. О., Малиновський М. Л., Бовчалюк С. Я., Аллашев О. Ю. (Україна) ; заявители и патентообладатели Фурман І. О., Малиновський М. Л., Бовчалюк С. Я., Аллашев О. Ю. - № u200806966 ; заявл. 20.05.08 ; опубл. 25.11.08, Бюл. №22. - 2 с.: ил.

Здобувачем запропоновано табличний процесор, який автоматично перетворює технологічну циклограму в HDL-код.

32. Пат. 39228 Україна, G05В19/18/. Спосіб безпечного формування гармонічного сигналу з використанням широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) / Аллашев А. Ю., Бовчалюк С. Я., Борисенко В. А., Бутов А. С., Кощей Л. Д., Малиновский М. Л., Тертышный С. Н., Фурман И. А. ; заявители и патентообладатели Аллашев А. Ю., Бовчалюк С. Я., Борисенко В. А., Бутов А. С., Кощей Л. Д., Малиновский М. Л., Тертышный С. Н., Фурман И. А. - № u200812423 ; опубл. 10.02.09, Бюл. № 3.

Здобувачем запропоновано принцип утворення сигналу з широтно-імпульсною модуляцією шляхом використання функції нееквівалентності для двох сигналів з близькими частотами.

33. Фурман І. О., Малиновський М. Л., Джулгаков В. Г. та ін. Мікроелектронні засоби програмного керування. Підручник для студентів ВНЗ. - Харків: Факт, 2007. - 486 с.

Здобувачем розроблено класифікацію, моделі та методи HDL-синтезу безпечних автоматів.

34. Малиновский М. Л. Оценка эффективности информационной технологии параллельного логического управления объектами критического применения / И. А. Фурман, М. Л. Малиновский, С. Я. Бовчалюк, А. Ю. Аллашев // Міжнародна наук.-техн. конф. «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2007» / Нац. аерокосм. ун-т ім. М. Є. Жуковського «ХАИ». - Х., 2007. - С. 388 - 390.

Здобувачем запропоновано метод оцінки складності HDL-описів цифрових пристроїв.

35. Малиновський М. Л. Программирование микропроцессорных средств промышленной автоматизации / И. А. Фурман, М. Л. Малиновский, А. Ю. Аллашев // Матеріали ІV міжнар. наук.-практ. семінару «Методичні аспекти застосування електротехнічного обладнання фірми «LENZE» у навчальному процесі і виробництві», - Харьков, 2008. - С. 50-56.

Здобувачем розроблено табличну мову програмування THDL.

36. Совершенствование методов и средств программирования безопасных ПЛИС-контроллеров с параллельной архитектурой / В. А. Борисенко, Л. Д. Кощей, С. Н. Тертышный, М. Л. Малиновский, И. А. Фурман // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2008. - Додаток до журн. - № 4 (72). - С. 3-4.

Здобувачем розроблено мову та інструментальні засоби технологічного програмування безпечних ПЛІС-контролерів.

37. Малиновский М. Л. Модели и стили программирования ПЛИС на табличном языке THDL // 13-й міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ сторіччі»: Зб. матеріалів форуму. Ч.2.- Харків: ХНУРЕ, 2009. - С. 12.

АНОТАЦІЇ

Малиновський М.Л. Методи та засоби проектування технічних і програмних компонентів безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - комп'ютерні системи і компоненти. - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2010.

Дисертація присвячена проблемі розробки та реалізації методів і засобів проектування технічних і програмних компонентів безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою для систем критичного застосування.

Розроблено методологію абстрактного та структурного синтезу безпечних логічних автоматів паралельної дії. Запропоновано моделі та виділено класи безпечних автоматів; табличні та графічні методи завдання безпечних автоматів; методи синтезу безпечних автоматів з функціональною деградацією; методи кодування станів з кон'юнктивною функцією керування деградацією. Розроблено мову та технологію програмування безпечних ПЛІС-контролерів. Запропоновано формальний опис алфавіту та синтаксису розробленої мови THDL (Table Hardware Descrіptіon Language). Розроблено процедуру і інструментальні засоби програмування безпечних ПЛІС-контролерів. Розроблено та досліджено методи проектування і моделі пристроїв безпечного формування керуючих впливів, що засновані на використанні принципу послідовного перетворення параметрів сигналів, які динамічно змінюються у часі. На основі отриманих у дисертації теоретичних результатів розроблено та впроваджено мікроелектронну систему централізації на основі безпечних ПЛІС-контролерів з паралельною архітектурою для залізниць та метрополітенів.

Ключові слова: комп'ютерні системи та компоненти, мовно-програмні засоби HDL-синтезу, системи критичного застосування, ПЛІС-контролер, БЛП-автомат, функціональна безпечність, безпечний автомат з функціональною деградацією, несиметричні відмови.

Малиновский М. Л. Методы и средства проектирования технических и программных компонентов безопасных ПЛИС-контроллеров с параллельной архитектурой. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.05 - компьютерные системы и компоненты. - Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков, 2010.

Диссертация посвящена проблеме разработки и реализации методов и средств проектирования технических и программных компонентов безопасных ПЛИС-контроллеров с параллельной архитектурой для систем критического применения.

Разработана методология абстрактного и структурного синтеза безопасных логических автоматов параллельного действия (БЛП-автоматов). Предложены абстрактные модели и выделены классы безопасных автоматов. Разработаны табличные и графические методы задания безопасных автоматов; методы синтеза безопасных автоматов с функциональной деградацией, основанные на формировании множеств ответственных операций и построении, анализе и преобразовании -автоматов.

Разработаны методы кодирования состояний, которые позволяют реализовать конъюнктивную функцию управления деградацией безопасных автоматов. Предложены абстрактные и структурные модели безопасных автоматов циклического действия. Выполнено исследование и компьютерное моделирование безопасных автоматов различных классов. Рассмотрены и исследованы типовые модели безопасного функционирования систем и компонентов критического применения.

Сформулирована концепция создания языка и инструментальных средств табличного HDL-синтеза цифровых систем на основе ПЛИС. В соответствии с предложенной концепцией разработаны язык, инструментальные средства и технология проектирования программного обеспечения для безопасных ПЛИС-контроллеров с параллельной архитектурой. Предложено формальное описание алфавита и синтаксиса разработанного языка описания аппаратур THDL (Table Hardware Descrіptіon Language). Разработана семантика табличного языка THDL, раскрывающая назначение четырех его конструкций (таблиц логических преобразований, переходов, микроциклов и соединений) и устанавливающая общие правила их использования.

Предложены модели программирования ПЛИС на языке THDL, которые образуют квадранты и отвечают стилям программирования: "от событий", структурному, "от состояний", сентенциальному. Разработана процедура и инструментальные средства программирования безопасных ПЛИС-контроллеров с параллельной архитектурой, которые представляют собой надстройку над существующими САПР проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС.

Предложены формальные модели THDL-конструкций и шаблоны HDL-описаний в поведенческом и структурном стилях, которые положены в основу создания методов и инструментальных средств трансляции THDL-описаний в традиционные языки описания аппаратуры цифровых систем.

Разработаны и исследованы методы проектирования и модели устройств безопасного формирования управляющих воздействий. Предложенные методы основаны на использовании принципа последовательного преобразования параметров сигналов устройства формирования управляющих воздействий, которые динамично изменяются во времени. Предложены математические модели устройств безопасного формирования управляющих воздействий с последовательным, параллельным и смешанным соединением каналов. Разработана и исследована математическая модель однофазных и n-фазных устройств безопасного формирования гармоничного сигнала. Разработана методика расчета параметров моделей безопасных устройств формирования управляющих воздействий.

Выполнен расчет показателей безопасности автоматов с функциональной деградацией и устройств формирования управляющих воздействий. Предложена сравнительная оценка качественных показателей программного обеспечения на табличном языке THDL и известных текстовых языках описания аппаратуры цифровых систем.

На основе полученных в диссертации теоретических результатов разработана и внедрена микроэлектронная система централизации на основе безопасных ПЛИС-контроллеров с параллельной архитектурой для железных дорог и метрополитенов.

Ключевые слова: компьютерные системы и компоненты, языково-программные средства HDL-синтеза, системы критического применения, ПЛИС-контроллер, БЛП-автомат, функциональная безопасность, безопасный автомат с функциональной деградацией, несимметричные отказы.

Malinovskiy M. L. Methods and means of designing of technical and program components of safe FPGA-controllers with parallel architecture. - Manuscript.

The thesis for a doctor of the technical science degree by speciality 05.13.05 - Computer Systems and Components. - National Technical University “Kharkov Polytechnic Institute”, Kharkov, 2010.

The dissertation is devoted to a problem of development and realization of methods and means of designing of technical and program components of safe FPGA-controllers with parallel architecture for safe-critical systems.

The methodology of abstract and structural synthesis of safe State Machines of parallel action (SP-machines) is developed. The models and the classes of safe State Machines, tabular and graphic methods of the description of safe State Machines, methods of synthesis of safe State Machines with functional degradation, methods of coding of states are offered. Language, tools and technology of designing of the software for safe FPGA-controllers are developed. The formal description of the alphabet and syntax of the developed Table Hardware Description Language (THDL) and its semantics is offered. The procedure and tools of programming of safe FPGA-controllers with parallel architecture are developed. Methods of designing and models of devices of safe formation of control influences are developed. On the basis of the theoretical results, received in the dissertation, the microelectronic system of centralization on the basis of safe PLD-controllers with parallel architecture for railway transport is developed and installed.

Keywords: computer systems and components, languages and tools of HDL-synthesis, critical applications, FPGA-based controllers, SP-machines, functional safety, safe machine with functional degradation, asymmetrical failures.

Размещено на Allbest.ru

...