Удосконалення таблично-алгоритмічного методу та моделей спеціалізованих кодоперетворювачів для проблемно-орієнтованих систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Черкаський державний Технологічний УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ТАБЛИЧНО-АЛГОРИТМІЧНОГО МЕТОДУ ТА МОДЕЛЕЙ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОДОПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ДЛЯ ПРОБЛЕМНО-ОРІЄНТОВАНИХ СИСТЕМ

05.13.05 комп'ютерні системи та компоненти

Корпань Ярослав васильович

Черкаси - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

ЛУКАШЕНКО ВАЛЕНТИНА МАКСИМІВНА,

Черкаський державний технологічний університет,

завідувач кафедри спеціалізованих комп'ютерних систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

МУСІЄНКО МАКСИМ ПАВЛОВИЧ,

Чорноморський державний університет ім. Петра Могили,

професор кафедри інформаційних технологій та програмних систем;

доктор технічних наук, професор

КВАСНІКОВ ВОЛОДИМИР ПАВЛОВИЧ,

Національний авіаційний університет,

завідувач кафедри інформаційних технологій.

Захист відбудеться "19" травня 2011 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К73.052.01. в Черкаському державному технологічному університеті за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

Автореферат розісланий "15" квітня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.В. Палагін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

кодоперетворення логічний корегуючий алгоритмічний

Актуальність теми. Спеціалізовані комп'ютерні системи та їх компоненти широко застосовуються в проблемно-орієнтованих системах та обчислювальних комплексах і у ряді випадків дозволяють краще та з меншими витратами вирішувати локальні задачі керування виробничими процесами, а також автономними фізичними об'єктами в аеронавігації та робототехнічних комплексах. Встановлено, що підвищення техніко-економічних показників компонентів спеціалізованих комп'ютерних систем приводить до підвищення ефективності функціонуючих в реальному часі проблемно-орієнтованих систем.

Питанням побудови компонентів обчислювальних систем присвячений ряд робіт В.Д. Байкова, В.И. Корнєйчука, В.А. Лужецького, В.М. Лукашенко, В.Д. Пузанкова, К.Г. Самофалова, В.Б. Смолова, А.П. Стахова, В.П. Тарасенка, та ін. Реалізація цих компонентів (кодоперетворювачів) в інтегральному виконанні зменшує складність електронних вузлів обчислювальної системи, значно підвищує надійність спеціалізованих підсистем.

Зацікавленість проектувальників проблемно-орієнтованих систем в швидкодіючих, високонадійних, з низькою вартістю кодоперетворювачах, що мають велику кількість розрядів швидко росте. Проте, великій кількості розрядів у спеціалізованих кодоперетворювачах відповідає великий обсяг таблиць.

Дослідження методів та моделей для кодоперетворення, що побудовані на базі таблично-алгоритмічних методів апаратурної реалізації, які сприяють підвищенню їх техніко-економічних показників, показало, що вони недостатньо висвітлені в вітчизняних та зарубіжних літературних і патентних джерелах.

Тому удосконалення таблично-алгоритмічного методу та створення моделей спеціалізованих кодоперетворювачів, в яких зберігається висока швидкодія, забезпечується мала потужність споживання, висока надійність, простота конструкції, висока експлуатаційна технологічність, низька вартість, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційний напрямок дослідження пов'язаний з планом наукових досліджень Черкаського державного технологічного університету (ЧДТУ) у рамках держбюджетних науково-дослідних робіт: «Розробка континуальних, гібридних таблично-алгоритмічних моделей формування, перетворення та обробка процесів для систем керування» (ДР №0104U002723), «Методи, моделі при обробці інтелектуальних, інформаційних технологій для високоефективних обчислювальних та локальних підсистем управління в проблемно-орієнтованих системах» (ДР №0106U004501), «Моделі локальних підсистем керування лазерним випромінюванням для рішення траєкторних задач на базі таблично-алгоритмічних методів апаратурної реалізації в проблемно-орієнтованих системах» (ДР №0109U002739), в яких автор брав участь в якості виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності спеціалізованих кодоперетворювачів для проблемно-орієнтованих систем за рахунок удосконалення таблично-алгоритмічного методу та розробки нових моделей перетворювачів кодів.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі:

- провести системний аналіз відомих таблично-алгоритмічних методів, моделей спеціалізованих кодоперетворювачів для проблемно-орієнтованих систем, формулювання задач дослідження;

- визначити логіко-алгебраїчні функції для формування прямих і обернених кодових послідовностей та відповідних до них корегуючих констант;

- розробити табличний логічно-оборотний метод кодоперетворення;

- розробити образно-знакові моделі спеціалізованих кодоперетворювачів на базі таблично-алгоритмічного методу апаратурної реалізації;

- удосконалити методику проектування спеціалізованих кодоперетворювачів;

- розробити алгоритм машинного розрахунку корегуючих констант для побудови спеціалізованих кодоперетворювачів.

Об'єкт дослідження - процеси кодоперетворення в проблемно-орієнтованих системах.

Предмет дослідження - таблично-алгоритмічні методи та моделі спеціалізованих кодоперетворювачів для проблемно-орієнтованих систем.

Методи дослідження базуються на теорії інформації та кодування (для перетворення кодової інформації); методах системного аналізу (для розробки методу та моделей); прикладній теорії цифрових автоматів (для розв'язання задач управління); теорії надійності (для визначення середнього часу напрацювання до відмови кодоперетворювачів); дискретній математиці (для визначення логіко-алгебраїчних функцій).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому.

1. Вперше запропоновано табличний логічно-оборотний метод кодоперетворення, який визначається сукупністю прийомів по використанню принципів кон'юнкції, диз'юнкції, нерівнозначності, властивостей МДП-технології; та засобів, що базуються на ПЗП, логічних елементах І, АБО, ВИКЛЮЧНЕ АБО, МДП-ключах, регістру, кожний тригер якого має кодові та лічильні входи. Відмінною особливістю є те, що при здійсненні зворотної операції перетворення початкова кодова інформація відновлюється без похибки.

2. Вперше розроблені три образно-знакові моделі спеціалізованих таблично-алгоритмічних кодоперетворювачів, які побудовані на базі запропонованих логіко-алгебраїчних функцій: перша - перетворювач двійкового коду в двійково-десятковий код; друга - перетворювач двійкового коду в багато однополярних кодів; третя - перетворювач ненатурального коду в натуральний код та навпаки. Відмінною рисою цих моделей є: висока швидкодія, яка адекватна табличному класичному методу апаратурної реалізації; мала потужність споживання за рахунок малого об'єму пам'яті та зменшення кількості тригерів у регістрі; висока надійність перетворювачів, завдяки реалізації в єдиному кристалі; низька вартість - за рахунок збільшення відсотку виходу придатних кристалів. Крім того, друга та третя моделі мають розширені функціональні можливості (друга модель може виконуватися також і як n-розрядний регістр, третя модель може перетворювати як вхідний код Х в вихідний Y, так і Y в Х, при використанні одного й того самого об'єму пам'яті).

3. Удосконалена образно-знакова модель спеціалізованого таблично-алгоритмічного кодоперетворювача для набору двійкових кодів за рахунок зменшення об'єму пам'яті та кількості зовнішніх контактів, що дозволило збільшити час напрацювання до відмови та відсоток виходу придатних кристалів, зменшити вартість.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Практичне значення полягає в доведенні дисертантом отриманих наукових результатів до нових інженерних рішень (структурні схеми таблично-алгоритмічних перетворювачів двійкового коду в двійково-десятковий код, двійкового коду в однополярні коди “Баркера”, коду Грея в двійковий код та навпаки, набору двійкових кодів).

2. Отримала подальший розвиток методика проектування таблично-алгоритмічних кодоперетворювачів, яка дозволяє по графоаналітичним залежностям скоротити час пошуку варіанту оптимальної структури в заданих апаратурно-часових обмеженнях.

3. Запропонований алгоритм машинного розрахунку корегуючих констант для удосконаленого таблично-алгоритмічного методу, який не потребує розробки спеціального програмного забезпечення.

4. Результати дисертаційних розробок та дослідження впроваджені в НПК «Фотоприлад», а також застосовані в навчальному процесі кафедри спеціалізованих комп'ютерних систем ЧДТУ в дисциплінах «Теорія інформації та кодування», «Системи цифрової обробки сигналів». Створений навчально-дослідний стенд, який включає розроблений перетворювач коду Грея в двійковий і навпаки.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення і практичні результати, що містяться в дисертаційній роботі, автором отримані самостійно. В роботах, написаних у співавторстві, авторові належать: системний аналіз та обґрунтування напрямку розробки та удосконалення методу, моделей [1, 4, 5]; загальний аналітичний вираз для оцінки швидкості кодоперетворення [2, 8-11]; застосування перетворювача на основі таблично-алгоритмічного методу [3]; структурна схема перетворювача інформації для спеціалізованої системи контролю [6]; алгоритм дій перетворення кодової інформації в табличному логічно-оборотному методі [7, 14].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на 22 науково-технічних конференціях: 12-й Міжнар. молодіж. форум «Радио-электроника и молодеж в XXI веке» (Харків, 2008); 2-а МНТК «Інформаційна техніка та електромеханіка» (Луганськ, 2003); 4, 6, 7-а МНТК «Современные информационные и электронные технологи» (Одеса, 2003); 2005; 2006; 10, 11, 13-а Міжнар. конф. по автоматичному керуванню (Севастополь 2003; Київ, 2004; Вінниця, 2006); 3-я МНТК «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні» (Харків, 2003); 16-а МНТК «Датчик» (Москва, 2004); 4-а НТК «Приладобудування: стан і перспективи» (Київ, 2005); МНТК «Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта» (Севастополь, 2004); МНТК «Проблеми математичного моделювання» (Дніпродзержинськ, 2004; 2005); МНТК «Приборостроение» (Вінниця, 2004); 10-а МНТК «Теория и техника передачи, приема и обработки информации» (Харків, 2004); МНТК «Современные проблемы радиотехники» (Севастополь, 2005); 8-а Міжнар. конф. по мат. моделюванню (Херсон, 2006); 1-а МНТК «Системы и средства передачи и обработки информации» (Черкаси, 2005); 3-а МНТК «Світ інформації та телекомунікацій» (Київ, 2006); MVPK «Vedeckэ pokrok na rozmezн millenium» (Praha, 2009); МНТК «Образование и науката на 21 века» (Софія, 2009).

Публікації. Основні результати по дисертаційній роботі відображені у 14 наукових працях, у тому числі 6 статтях, опублікованих у фахових журналах i збірниках наукових праць, які входять до переліку ВАК України, 4 патентах, 4 тезах доповідей на міжнародних конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Основний текст викладено на 125 сторінках, який містить 29 рисунків, 13 таблиць. Список використаних джерел містить 106 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність поставленої задачі, сформульовані мета і задачі досліджень, висвітлений її зв'язок з держбюджетними науково-дослідними роботами, описана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, наведена інформація про проведену апробацію результатів дослідження, їх публікацію та впровадження.

У першому розділі проведено системний аналіз сучасних методів та моделей кодоперетворювачів на базі таблично-алгоритмічних методів апаратурної реалізації. В результаті аналізу вітчизняної та зарубіжної науково-технічної та патентної літератури встановлено, що більшість сучасних перетворювачів характеризуються залежністю від розрядності, мають складну конструкцію, низьку надійність, велику потужність споживання, високу вартість. Аналіз існуючих перетворювачів двійкового коду в двійково-десятковий та навпаки (SN74185N, SN74184N, SN74185J тощо) показав, що вони мають великі потужність споживання та час затримки при малій швидкодії (для одного перетворювача SN74184N: I_спож не більш ніж 104 мА; P_спож не більш ніж 546 мВт, t_зт не більш ніж 40 нс). Для реалізації 32 розрядного перетворювача потрібно використати 54 елементи SN74184N, тобто I_спож  5616 мА; P_спож 29484 мВт, t_зт 2160 нс. Отже при збільшенні розрядності спостерігається (рис. 1) різке збільшення потужності споживання та часу кодоперетворення, а також зменшується швидкодія перетворювача.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

У другому розділі запропоновані моделі логіко-алгебраїчних функцій для перетворення прямих, оборотних кодових послідовностей та відповідних до них корегуючих констант, розроблений табличний логічно-оборотний метод кодоперетворення, який дозволяє відновлювати початкову кодову інформацію без похибки.

Особливістю проектування спеціалізованих кодоперетворювачів є те, що заздалегідь створюються таблиці, в яких вхідним кодовим комбінаціям Х відповідають вихідні кодові послідовності Y та різниці між ними .

В результаті системного аналізу існуючих математичних моделей перетворення кодів запропоновані моделі, які побудовані на властивостях логіко-алгебраїчної функції нерівнозначності.

Дійсно, якщо вхідна кодова послідовність має вигляд:

Х = ( x_n-1 2^n-1 + x_n-2 2^n-2 + … + x_n-і 2^n-і + … + x₁ 2¹ + x₀ 2⁰ ),

а відповідна вихідна кодова послідовність:

Y = ( y_n-1 2^n-1 + y_n-2 2^n-2 + … + y_n-і 2^n-і + … + y₁ 2¹ + y₀ 2⁰ ),

тоді, використовуючи властивості логіко-алгебраїчних функцій нерівнозначності, константу можна обчислити як:

Х Y = x_n-1 2^n-1 y_n-1 2^n-1 + x_n-2 2^n-2 y_n-2 2^n-2 + … + x_n-і 2^n-і y_n-і 2^n-і + … +

+ x₁ 2¹ y₁ 2¹ + x₀ 2⁰ y₀ 2⁰ = ( x_n-1 y_n-1 ) 2^n-1 + ( x_n-2 y_n-2 ) 2^n-2 + …+

+ ( x_n-і y_n-і ) 2^n-і + … + (x₁ y₁ ) 2¹ + ( x₀ y₀ ) 2⁰,

де x_n-1 2^n-1 y_n-1 2^n-1 = _n-1 2^n-1 ;

x_n-2 2^n-2 y_n-2 2^n-2 = _n-2 2^n-2 ;

x_n-і 2^n-і y_n-і 2^n-і = _n-і 2^n-і ;

x₁ 2¹ y₁ 2¹ = ₁ 2¹ ;

x₀ 2⁰ y₀ 2⁰ = ₀ 2⁰.

Тобто константа має вигляд:

= ( _n-1 2^n-1 + _n-2 2^n-2 + … + _n-і 2^n-і + … + ₁ 2¹, ₀ 2⁰ ).

Узагальнена математична модель розрахунку корегуючої константи має вигляд:

 = Х Y. (1)

На підставі властивості функції нерівнозначності, математична модель для формування прямої (X>Y вихідної) кодової послідовності має вигляд:

Y = Х , (2)

а модель для формування оборотної (Y>X вхідної) кодової послідовності

Х = Y . (3)

Особливістю запропонованих моделей (2) та (3) є використання одного й того самого значення корегуючої константи (1).

Наприклад, якщо вхідна кодова послідовність X = 101101, а вихідна Y = 100111, то відповідно формулі (1), константа = 001010.

Відповідно до формул (2) та (3) для отримання вихідної Y або вхідної X кодової інформації достатньо до корегуючої константи додати по mod 2 код X або Y відповідно:

X		101101					001010					001010
Y		100111			X		101101			Y		100111
		001010			Y		100111			X		101101

Відомо, що недоліком табличного адитивно-мультиплексорного методу є низька швидкодія.

Проведений порівняльний аналіз алгоритму розрахунку таблично-адитивного методу (ТАдМ) та таблично-логічного методу (ТЛМ) реалізації показав, що вже на етапі проектування кодоперетворювачів розрахунок здійснюється швидше при ТЛМ ніж при ТАдМ.

Загальний аналітичний вираз часу розрахунку має вигляд:

t = t_введX,Y + m · t _Цикл,

де t_введX,Y - час затримки на введення вхідної та відповідної до неї вихідної кодової послідовності; t _Цикл - час затримки циклу розрахунку корегуючої константи; m - кількість кортежів.

Для ТАдМ час проходження циклу розрахунку визначається:

t _{ТадМ Цикл} = 2^r (( t_{інверс Y} + r · 2 t₊ ) + 2 t_виб + t_запис), (3)

де t_{інверс Y} - час затримки на інверсію вихідної кодової послідовності; t₊ - час затримки на додавання кодової послідовності; t_виб - час затримки на вибірку кодової послідовності; t_запис - час затримки на запис результату; r - розрядність кортежу.

Враховуючи, що час затримки на операцію віднімання визначається за формулою:

( t_{інверс Y} + r·2 t₊) + 2 t_виб = t_(Y-X), (4)

тоді формула (3) приймає вигляд:

t _{ТадМ Цикл} = 2^r ( t_(Y-X) + t_запис ). (5)

Отже

t _ТадМ = t_введX,Y + m · (2^r (t_(Y-X) + t_запис ) ). (6)

Для ТЛМ час проходження циклу розрахунку визначається:

t _{ТЛМ Цикл} = 2^r ( 2 t_виб + t_XOR + t_запис ), (7)

де t _XOR - час затримки на додавання за mod 2.

Тобто

t _ТЛМ = t_введX,Y + m·( 2^r ( 2 t_виб + t_XOR + t_запис ) ). (8)

Відомо, що час затримки t_XOR << (t_{інверс Y} + r · 2t₊). Аналіз формули (6) та (8) показав, що вже на етапі проектування розрахунок корегуючої константи при ТЛМ здійснюється швидше, ніж при ТАдМ апаратурної реалізації перетворювача.

Перевагою запропонованого алгоритму машинного розрахунку корегуючих констант для ТЛМ у тому, що він не потребує розробки спеціального програмного забезпечення.

В роботі запропоновано табличний логічно-оборотний метод, що реалізує математичну модель (1) - (3) і визначається сукупністю прийомів по використанню принципів кон'юнкції, диз'юнкції, нерівнозначності, властивостей МДП-технології та засобів, що базуються на ПЗП, логічних елементах І, АБО, МДП-ключах, регістру.

Основна послідовність дій методу включає:

- запис вхідної інформації по кодовим входам в регістр;

- дешифрація кодової комбінації;

- зчитування відповідного коду корегуючої константи та її передача (по зворотному зв'язку) на лічильні входи тригерів;

- зміна стану відповідних тригерів в регістрі з одного стану в інший (під дією одиниць корегуючої константи);

- зчитування вихідної інформації.

Розподілення в часі вхідної та вихідної інформації здійснюється через МДП-ключі завдяки сформованому імпульсу керування.

Особливістю методу є підвищення швидкодії завдяки відсутності тривалих операцій, а також оборотність перетворення.

У третьому розділі розроблені та досліджені нові чотири образно-знакові моделі спеціалізованих кодоперетворювачів на базі запропонованих моделей логіко-алгебраїчних функцій та таблично-алгоритмічного методу апаратурної реалізації. Загальними відмінними рисами яких є висока надійність, багатофункціональність, малий об'єм пам'яті та потужність споживання, висока швидкодія, низька вартість пристрою за рахунок високого відсотку отримання придатних кристалів з пластини.

Перша образно-знакова модель - перетворювач двійкового коду в двійково-десятковий код, який містить регістр входу, комбінаційну схему адреси, блок елементів АБО, блок МДП-ключів, елемент затримки, інвертор, керуючий тригер.

Час перетворення інформації визначається наступним чином:

t_ОЗМ1 = t_Рг + t_Кс + t_АБО + t_пр + t_МДП, (9)

де t_Рг - час затримки регістру; t_пр - час перекиду тригеру регістра з одного стану в інший; t_Кс - час затримки комбінаційної схеми адреси; t_АБО - час затримки блоку елементів АБО; t_МДП - час затримки блоку МДП-ключів.

На відміну від існуючих, в запропонованому кодоперетворювачі при збільшені розрядності кодової інформації не потрібні додаткові апаратурні витрати, так як таблично-алгоритмічний метод апаратурної реалізації дозволяє розпаралелити процес перетворення, отже зберегти малу потужність при збереженні високої швидкості кодоперетворення.

Друга образно-знакова модель (рис. 2) - перетворювач двійкового коду в однополярні коди “Баркера”, який побудований на базі таблично-алгоритмічного методу та логіко-алгебраїчних функцій.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Образно-знакова модель перетворювача двійкового коду в однополярні коди “Баркера”: 1 - регістр входу; 2 - комбінаційна схема адреси; 3 - блок вентилів; 4 - ПЗП;5 - блок елементів АБО; 6 - керуючий тригер; 7, 8 - дозволяючі входи; 9,11, - керуючі входи пристрою, 10 - керуючий пристрій

Час перетворення інформації визначається наступним чином:

t_ОЗМ2 = t_Рг + t_Кс + t_В + t_ПЗП + t_АБО + t_пр, (10)

де t_В - час затримки блоку вентелів; t_ПЗП - час затримки ПЗП.

Наприклад, якщо потрібно 16 розрядну вхідну двійкову кодову послідовність, що має наступний вигляд:

А - 0001100001001110,

перетворити в відповідні вихідні n-розрядні (3, 5, 7, 11, 13) кодові послідовності однополярних кодів “Баркера” В_j:

В₃ - 110; В₅ - 11101; В₇ - 1110010; В₁₁ - 11100010010; В₁₃ - 111100110101,

тоді відповідні кодові послідовності представляються однаковою розрядністю та розбиваються на тетради. В табл. 1 наведені значення корегуючих констант для кожної тетради.

Таблиця 1

Значення корегуючих констант до відповідного двійкового коду

Тетради Аі Код j	код А1 0001	код А2 1000	код А3 0100	код А4 1110
код j константи для В3	1_3 0001	2_3 1000	3_3 0100	4_3 1000
код j константи для В5	1_5 0001	2_5 1000	3_5 0101	4_5 0011
коду j константи для В7	1_7 0001	2_7 1000	3_7 0011	4_7 1100
код j константи для В11	1_11 0001	2_11 1111	3_11 0101	4_11 1100
код j константи для В13	1_13 0000	2_13 0111	3_13 0111	4_13 1011

Примітки: і - індекс кортежу тетради: i = 1 - старша; і = 2 та і = 3 - середні; і = 4 - молодша; j - номер, який відповідає перетвореному коду “Баркера”.

Третя образно-знакова модель (рис. 3) - перетворювач коду Грея в натуральний код та навпаки, який побудований на базі запропонованого табличного логічно-оборотного методу, моделей логіко-алгебраїчних функцій, таблиці відповідності (табл. 2) вхідної та вихідної кодової послідовності, а також відповідної до них корегуючої константи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Образно-знакова модель перетворювача коду Грея в натуральний код та навпаки: 1 - вхідний регістр; 2 - дешифратор коду Грея; 3 - блок елементів АБО; 4 - шифратор; 5 - керуючий тригер; 6, 7 - перший та другий елементи «І»; 8 - дешифратор двійкового коду; 9 - інвертор; 10 - елемент затримки; 11 - блок МДП-ключів; 12,13,14 - керуючі входи перетворювача

Час перетворення інформації визначається як

t_ОЗМ3 = t_Рг + t_Дш + t_АБО + t_Ш + t_пр + t_МДП, (11)

де t_Дш - час затримки дешифратора; t_Ш - час затримки шифратора.

Таблиця 2

Відповідності десяткових чисел, коду Грея, двійкових кодів та

корегуючих констант

Десятковий код	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Код Грея	0000	0001	0011	0010	0110	0111	0101	0100	1100	1101	1111
Двійковий код	0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001	1010
Код	0000	0000	0001	0001	0010	0010	0011	0011	0100	0100	0101

Запропонована образно-знакова модель має розширені функціональні можливості: при одному об'ємі корегуючих констант може працювати як перетворювач коду Грея в натуральний код, як перетворювач двійкового коду в код Грея, або регістром n-розрядності. При цьому відбувається скорочення майже в 2 рази: кількості контактів, об'єму шифратора корегуючих констант, зменшується кількість регістрів і, як наслідок, зменшуються апаратурні витрати, енергоспоживання та підвищується надійність, а також зменшується кількість елементів перетворювача.

При реалізації його в єдиному кристалі зменшується інтенсивність відмов елементів контактних вузлів, підвищується на 3-4 порядки надійність, а також зменшуються вага та розміри пристрою.

Четверта образно-знакова модель (рис. 4) - перетворювач набору двійкових кодів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Образно-знакова модель перетворювача набору двійкових кодів:

1 - регістр; 2 - комбінаційна схема адреси; 3 - комутатор; 4 - блок елементів АБО; 5 - числовий блок; 6 - формувач набору кодів; 7 - дешифратор; 8 - блок МДП-ключів; 9 - блок керування

Час перетворення інформації визначається як

t_ОЗМ4 = t_Рг + t_Кс + t_к + t_АБО + t_ЧБ + t_пр + t_МДП, (12)

де t_к - час затримки комутатора; t_ЧБ - час затримки числового блоку.

При побудові багатофункціонального перетворювача кодів використано комутатор адреси коду, формувач коду, компоненти якого містять інформацію про операцію перетворення одного коду на інший.

Відмітною загальною рисою запропонованих образно-знакових моделей є можливість їх реалізації в єдиному кристалі, а зменшення кількості зовнішніх контактних елементів забезпечує збільшення часу напрацювання до відмови Т₀, тобто забезпечується висока надійність кодоперетворювачів.

Відомо, що основними причинами відмови приладів при збірці кристалів в корпус та установці на друковану плату є недостатня механічна міцність контактів, мала адгезія виводів до контактної площадки і останньої до підложки, деградації контактного опору через взаємну дифузію металів з утворенням інтерметалевих фаз і пустот, або прихований технологічний дефект.

Відомо, що інтенсивність відмов _і кожного контактного вузла перетворювача при звичайній технологічній реалізації дорівнює 10^-5 10^-6, а при реалізації в єдиному кристалі ІС інтенсивність відмов дорівнює 10^-8 10^-9.

При реалізації запропонованих кодоперетворювачів в єдиному кристалі співвідношення середнього часу безвідмовної роботи запропонованих перетворювачів Т_оОЗМ та середнього часу безвідмовної роботи класичного перетворювача Т_оКл має вигляд:

Т_оОЗМ / Т_оКл = ( 1 / _і )_ОЗМ / ( 1 / _і ) _Кл.

Отже збільшується на 3-4 порядки середній час безвідмовної роботи запропонованих перетворювачів по відношенню до класичних кодоперетворювачів.

У четвертому розділі запропонована методика проектування спеціалізованих таблично-алгоритмічних кодоперетворювачів, яка передбачає в якості альтернативної цілі визначення оптимальної кількості кортежів m за допомогою графоаналітичного методу та відзначається простотою та наочністю.

Особливістю запропонованої методики є те що, крім традиційних етапів проектування, виконуються ще й наступні послідовності дій.

1. Складається таблиця відповідності вхідного коду Х та вихідного коду Y.

2. Аналізуються розрядності відповідних кодових комбінацій Х та Y.

Якщо розрядність вхідного коду n_X та вихідного коду n_Y різниться, то код з меншою розрядністю вирівнюється наступним чином: для цілої частини нулі додаються перед першою значимою цифрою коду, для дробної частини - після значимої цифри.

3. Формуються m кортежів з r розрядністю кожен із коду Х і відповідного до нього коду Y.

4. Визначається метод формування корегуючих констант та алгоритм їх розрахунку.

5. Обчислюються значення корегуючої константи .

6. Формується таблиця значення _і по відповідним кортежам для запису в шифратор ПЗП.

7. Тросуються виходи Дш_Х, Дш_Y до відповідної корегуючої константи через елементи АБО для прямого та оборотного коду.

По узагальненій математичній моделі потужності споживання перетворювачів визначається за формулою:

Р = nР₁ + wР₂ + hР₃ + lР₄,

де n - кількість розрядів перетворювача; Р₁, Р₂, Р₃, Р₄, - потужність споживання одного тригеру регістра, ланцюга видачі однієї адреси, одного логічного елемента, одного розряду числового блоку пам'яті відповідно; w - кількість ланцюгів видачі однієї адреси; h - кількість логічних елементів; l - кількість розрядів числового блоку.

Для існуючих та запропонованих таблично-алгоритмічних кодоперетворювачів параметри w, h, l приймають значення:

w_кл = ( 2ⁿ - 1 ), w_ОЗМ1-4 = ( 2^n/m - 1 );

h_кл = 0, h_ОЗМ1 = 2n + 1, h_ОЗМ2 = 3n + 1, h_ОЗМ3 = 4n + 4, h_ОЗМ4 = 5n + 1;

l _кл = n ( 2ⁿ - 1 ), l_ОЗМ1-4 = n ( 2^n/m - 1 ).

Враховуючи, що апаратурні затрати на кодоперетворення залежать від принципів побудови перетворювачів, а також розрядності коду n та розрядності кортежу r (r = n/m), апаратурні затрати на спеціалізовані кодоперетворювачі визначаються за формулами:

С_кл = a₁ 2 n + a₂ 2^n-1 + а₃ + a₄ n (2ⁿ - 1) + а₇ 2n;

С_ОЗМ1 = a₁ n + a₂ n 2^n/m + а₃ + a₄ ( n / m ) 2^n/m + a₅ ( 2n + 1 ) + а₆ + а₇ ( n + 2 );

С_ОЗМ2 = a₁ n + a₂ n 2^n/m + а₃ + a₄ ( n/m ) 2^n/m + a₅ ( 3n + 1 ) + а₇ ( 2n + 3 );

С_ОЗМ3 = a₁ n + a₂ n 2^n/m + а₃ + a₄ ( n/m ) 2^n/m + a₅ ( 4n + 4) + а₆ + а₇ ( n + 4 );

С_ОЗМ4 = a₁ n + a₂ n 2^n/m + а₃ + a₄ ( n/m ) 2^n/m + a₅ ( 5n + 1 ) + а₇ n,

де а₁ - затрати на один розряд регістру; а₂ - затрати на один на ланцюг видачі однієї адреси; а₃ - затрати на один тригер керування; а₄ - затрати на один біт числового блока пам'яті; а₅ - затрати на один логічний елемент; а₆ - затрати на один елемент затримки; а₇ - затрати на один зовнішній контакт.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для визначення оптимальної кількості кортежів m побудовані графіки залежностей С/а(m), T₀(m), t(m) (рис. 5). Згідно графіку залежностей оптимальним числом кортежів для n=32 біт є m_опт =4.

Порівняльний аналіз кодоперетво-рювачів, реалізованих ТАдМ та табличним логічно-оборотним методом (ТЛОМ), показав, що час кодоперетво-рення t при урахуванні кількості кортежів m в перетворювачі, реалізованого ТЛОМ менший, ніж в перетворювачі, що реалізований ТАдМ.

З графіку видно, що запропонована методика проектування спеціалізованих кодоперетворювачів дозволяє для заданих апаратно-часових обмежень оптимізувати морфоструктуру кодоперетворювача, скоротити час розробки структури спеціалізованих кодоперетворювачів.

В розділі також описано виготовлений перетворювач коду Грея в двійковий і навпаки, який увійшов до складу навчально-дослідного стенду (рис. 6), що використовується на кафедрі СКС ЧДТУ. Використання стенду дозволяє студенту шляхом практичного застосування закріпити набуті теоретичні знання та навички.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Навчально-дослідний стенд: 1 - блоки дослідження: перетворювач коду Грея в двійковий і навпаки, кодів “Баркера”; 2 - блок живлення; 3 - генератор шумових сигналів; 4 - осцилограф С1-55; 5 - прилад комбінований цифровий Щ4300; 6 - notebook

ВИСНОВКИ

Запропоновані метод, моделі спеціалізованих кодоперетворювачів, які створюють можливість підвищення експлуатаційних показників, що використовуються в проблемно-орієнтованих системах в промисловості, аеронавігації, локальних підсистемах керування промислової електроніки, обчислювально-вимірювальних комплексів та лазерних маніпуляторах.

В роботі одержані такі основні результати.

Нові наукові результати:

Вперше запропоновано табличний логічно-оборотний метод кодоперетворення, який визначається сукупністю прийомів по використанню принципів кон'юнкції, диз'юнкції, нерівнозначності, властивостей МДП-технології; та засобів, що базуються на ПЗП, логічних елементах І, АБО, ВИКЛЮЧНЕ АБО, МДП-ключах, регістру, кожний тригер якого має кодові та лічильні входи. Відмінною особливістю є те, що при здійсненні зворотної операції перетворення початкова кодова інформація відновлюється без похибки ( = 0).

Вперше розроблені три образно-знакові моделі спеціалізованих таблично-алгоритмічних кодоперетворювачів, які побудовані на базі запропонованих логіко-алгебраїчних функцій: перша - перетворювач двійкового коду в двійково-десятковий код; друга - перетворювач двійкового коду в k однополярних кодів; третя - перетворювач коду Грея в натуральний код та навпаки. Відмінною рисою цих моделей є висока швидкодія, яка адекватна табличному класичному методу апаратурної реалізації, мала потужність споживання за рахунок малого об'єму пам'яті для корегуючої константи та зменшення кількості тригерів в

 2 рази,

де N_ТрX , N_ТрY - кількість тригерів в вхідному та вихідному регістрі відповідно (кількість тригерів залежить від розрядності вхідного та вихідного коду).

В порівнянні з табличним класичним методом апаратурної реалізації перша та друга моделі мають можливість зменшення потужності споживання в діапазоні

[ ( 2ⁿ - 1 ) / ( 2^n/m - 1 ) ] , … , [ m ( 2ⁿ - 1 ) / ( 2^n/m - 1 ) ] раз,

де m - число кортежів, n - число розрядів.

Крім того, в першій та третій моделі в порівнянні з сучасними пристроями збільшено час напрацювання до відмови на 3-4 порядки завдяки їх реалізації в єдиному кристалі; друга та третя моделі мають розширені функціональні можливості (друга модель може виконуватися також і як n-розрядний регістр, третя модель може також перетворювати вхідний код Х в вихідний Y, або Y>Х, при використанні одного й того самого об'єму пам'яті).

Удосконалена образно-знакова модель спеціалізованого таблично-алгоритмічного кодоперетворювача для набору двійкових кодів за рахунок зменшення об'єму пам'яті (мінімум в 2 рази) та кількості зовнішніх контактів (майже в 2 рази за рахунок схемотехнічної організації вводу/виводу інформації в режимі, що розділений в часі по вхідним контактам), що дозволило збільшити час напрацювання до відмови та відсоток виходу придатних кристалів, зменшити вартість.

Наукова й інженерно-технічна новизна підтверджені патентами України, а також рецензіями при опублікуванні в фахових виданнях та позитивними відгуками на міжнародних науково-технічних конференціях.

Практичне значення одержаних результатів:

Практичне значення полягає в доведенні дисертантом отриманих наукових результатів до нових інженерних рішень (структурні схеми таблично-алгоритмічних перетворювачів двійкового коду в двійково-десятковий код, двійкового коду в однополярні коди “Баркера”, коду Грея в двійковий код та навпаки, набору двійкових кодів).

Отримала подальший розвиток методика проектування таблично-алгоритмічних кодоперетворювачів, яка дозволяє по графоаналітичним залежностям скоротити час пошуку варіанту оптимальної структури в заданих апаратурно-часових обмеженнях.

Запропонований алгоритм машинного розрахунку корегуючих констант для табличного логічно-оборотного методу, який не потребує розробки спеціального програмного забезпечення, а також в 6 разів швидший у порівнянні з таблично-адитивним методом.

Результати дисертаційних розробок та дослідження впроваджені в НПК «Фотоприлад», а також застосовані в навчальному процесі кафедри СКС ЧДТУ в дисциплінах «Теорія інформації та кодування», «Системи цифрової обробки сигналів». Створений навчально-дослідний стенд, який включає розроблений перетворювач коду Грея в двійковий і навпаки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Бифункциональная модель для адресации элементов устройства отображения информации / Ю.Г. Лега, В.М. Лукашенко, Я.В. Корпань, М.Г. Лукашенко // Вістник Херсонського національного технічного університету. - 2006. - №2(25). - С. 287-209.

Высоконадежные многофункциональные преобразователи кодовой информации / В.М. Лукашенко, Д.А. Лукашенко, М.Г. Лукашенко, Я.В. Корпань // Зб. наук. пр. Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. Технічні науки. - 2004. - С. 74-77.

Гармонійний аналізатор спектра / В.М. Лукашенко, Ю.Г. Лега, Я.В. Корпань та ін. // Вісник Національного технічного університету України “КПІ”. - 2004. - № 27. - С. 10-14.

Методы совершенствования функционально ориентированных преобразова-телей / Ю.Г. Лега, В.М. Лукашенко, Я.В. Корпань та ін. // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2003. - № 4. - С. 63-68.

Перспективні елементи локальних підсистем керування ВПК верстатів / А.Г. Лукашенко, В.М. Лукашенко, Я.В. Корпань та ін. // Вістник Херсонського національного технічного університету. - 2005. - № 2(22). - С. 174-179.

Стандартизація документування в ергономічному проектуванні контрольно-вимірювальних приладів та систем / Бойко Т.А., Бойко Є.О., Корпань Я.В. та ін. // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2002. - №2, - С. 46-51.

Пат. 40178 Україна, МПК G 06 F 5/00. Перетворювач коду Грея в двійковий код і навпаки / Лукашенко В.М., Корпань Я.В., Лукашенко А.Г. та ін.; заявник ЧДТУ. - №200813020; заявл. 10.11.08; опубл. 25.03.09, Бюл. №6.

Пат. 5476 Україна, МПК G 06 F 5/00. Перетворювач двійкових кодів в двійково-десятковий код / Лукашенко В.М., Кунченко Ю.П., Корпань Я.В. та ін.; заявник ЧДТУ. - №20040604861; заявл. 21.06.04; опубл. 15.03.05, Бюл. №3.

Пат. 59246 А Україна, МПК G 06 F 5/00. Перетворювач набору двійкових кодів / Лукашенко В.М., Корпань Я.В., Шарапов В.М., Лукашенко Д.А., та ін.; заявник ЧДТУ. - №20021210302; заявл. 19.12.02; опубл. 15.08.03, Бюл. №8.

Пат. 44833 Україна МПК G 06 F 5/02. Перетворювач двійкового коду в однополярні оборотні коди / Лукашенко В.М., Корпань Я.В. та ін.; заявник ЧДТУ. - № u200906159; заявл. 15.06.09; опубл. 12.10.09, Бюл. 19.

Корпань Я.В. Високонадійний перетворювач завадостійкого коду / Я.В. Корпань, А.Ю. Больбот, А.Г. Лукашенко // Міжнар. молодіжний форуму «Радіоелектроніка і молодь в XXI ст.»: зб. матеріалів форуму Ч.2., 30 бер.-1 квіт.: тези допов. - Харків, 2008. - С. 105.

Корпань Я.В. Методика по визначенню числа кортежів для табличного логічно-оборотного методу реалізації кодоперетворювача // Образование и науката на 21 века: междунар. науч.-практ. конф., 17-27 окт.: тезисы докл. - София, - 2009. - т. 12. - с. 5-8.

Корпань Я.В. Преобразователь ненатурального кода в двоично-десятичный код // Молодежь и современные проблемы радиотехники: междунар. наук.-практ. конф., 24-29 апр. 2005 г.: тезисы докл. - Севастополь, 2005. - С. 77.

Табличний логічно-оборотний метод апаратної реалізації спеціалізованого кодоперетворювача / А.Г.Лукашенко, Я.В. Корпань, В.М. Лукашенко, Д.А. Лукашенко // Materiбly v mezinбrodni vedecko - praktickб konference «vedeckэ pokrok na rozmezн millenium - 2009» Praha: Publishing House “Education and Science” s.r.o., 2009. - dil 15. - c. 45-48

АНОТАЦІЯ

Корпань Я.В. Удосконалення таблично-алгоритмічного методу та моделей спеціалізованих кодоперетворювачів для проблемно-орієнтованих систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти. - Черкаський державний технологічний університет, Україна, Черкаси, 2011.

Запропоновані математичні моделі на базі логіко-алгебраїчних функцій нерівнозначності для формування прямих, обернених кодових послідовностей та відповідних до них корегуючих констант. Запропоновано табличний логічно-оборотний метод кодоперетворення, який визначається сукупністю прийомів по використанню принципів: кон'юнкції, диз'юнкції, нерівнозначності, властивостей МДП-технології; та засобів, що базуються на ПЗП, логічних елементах І, АБО, ВИКЛЮЧНЕ АБО, МДП-ключах, регістру, кожний тригер якого має кодові та лічильні входи. Розроблені чотири образно-знакові моделі спеціалізованих кодопереворювачів, які характеризуються високою надійністю та малою потужністю споживання, високою швидкодією та малим об'ємом пам'яті. Отримала подальший розвиток методика проектування таблично-алгоритмічних кодоперетворювачів. Запропонований алгоритм машинного розрахунку корегуючих констант для таблично-логічного методу.

Ключові слова: таблично-алгоритмічний метод, образно-знакова модель, перетворювач коду Грея.

АНОТАЦИЯ

Корпань Я.В. Усовершенствование таблично-алгоритмического метода и моделей специализированных кодопреобразователей для проблемно-ориентированных систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - компьютерные системы и компоненты. - Черкасский государственный технологический университет, Украина, Черкассы, 2011.

Диссертация посвящена усовершенствованию таблично-алгоритмического метода и моделей специализированных кодопреобразователей, которые широко используются в проблемно-ориентированных системах и вычислительных комплексах, а также позволяют лучше и с меньшими затратами решать локальные задачи управления технологическими процессами и автономными физическими объектами. Путем анализа предмета исследования установлено, что повышение технико-экономических показателей компонентов специализированных компьютерных систем приводит к повышению эффективности функционирующих в реальном времени проблемно-ориентированных систем.

В работе получены следующие научные и практические результаты.

Предложены математические модели на базе логико-алгебраичных функций неравнозначности для формирования прямых, обратимых кодовых последовательностей и соответствующих им корректирующих констант. Отличительной особенностью является универсальность и простота, отсутствие длительных арифметических операций.

Впервые предложен табличный логично-обратимый метод кодопреобразования, который определяется совокупностью приемов по использованию принципов конъюнкции, дизъюнкции, неравнозначности, свойств МДП-технологии; и средств, которые базируются на ПЗУ, логических элементах И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ, МДП-ключах, регистре, каждый триггер которого имеет кодовые и счетные входы. Отличительной особенностью является то, что при осуществлении обратной операции преобразования значения начальной кодовой информации восстанавливается без погрешности.

...