автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Отказоустойчивые устройства с реализацией процессов следящего преобразования потоков информационных квантов

На правах рукописи

Буренева Ольга Игоревна

ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫЕ УСТРОЙСТВА С РЕАЛИЗАЦИЕЙ ПРОЦЕССОВ СЛЕДЯЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОТОКОВ ИНФОРМАЦИОННЫХ КВАНТОВ

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Сафьянников Н.М.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Чернявский Е.А. кандидат технических наук Ипатов М.Е.

Ведущая организация - Федеральный научно-производственный центр

ФГУП «НПО "Аврора"»

Защита состоится " 34 " tM-CuS 2005 г. в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.02 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета .

Автореферат разослан 2005 г.

диссертационного совета

Ученый секретарь

Юрков Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Информационные процессы, происходящие в природе и технических системах, имеют непрерывно-дискретный характер: в зависимости от уровня и цели рассмотрения одна и та же система может проявляться как непрерывная и как дискретная. Представляется целесообразным выполнять организацию вычислительных процессов адекватно информационным процессам анализируемых систем.

При непрерывном анализе желательно применять соответствующие преобразования: непрерывный прием потока данных, непрерывную обработку информационных элементов потока по мере их поступления, непрерывное формирование результата в процессе обработки. Для решения таких задач, прежде всего, необходима организация процессов следящего преобразования, и как следствие этого создание элементов и устройств, ориентированных на потоковую обработку информации.

Такие элементы и устройства в настоящее время могут быть реализованы на существующей элементной базе вычислительной техники, а в последствии использованы для проведения информационных процессов на уровне нанотехнологий.

Информационные потоки формируются из элементарных информационных единиц, которые в зависимости от базовой реализации могут иметь различную материальную сущность. При использовании современной цифровой элементной базы в качестве элементарных информационных единиц - информационных квантов - могут выступать единичные импульсы.

Среди электрических форм представления информации промежуточное положение между аналоговой (непрерывной) и цифровой (дискретной) занимают импульсные формы. В случае использования времяимпульсной формы, информационную функцию выполняют временные характеристики прямоугольных единичных импульсов. В частности, в широтно-импульсных модулированных сигналах (ШИМ-сигналах) информативным параметром является относительная длительность импульсов при постоянном периоде их следования, в частотноимпульсных последовательностях - фиксированное количество импульсов произвольной длительности за некоторое время. При этом значение амплитуды импульсов не несет информационной нагрузки.

Использование импульсной формы позволяет реализовывать потоковые способы передачи и обработки информации, которые характеризуются:

- возможностью реализации следящих режимов за счет использования методов малых приращений и последовательной обработки потоков по мере поступления одиночных импульсов;

- высокой помехоустойчивостью, обусловленной непозиционностью и весовой равнозначностью одиночных импульсов.

В системах автоматического управления и информационно-измерительных системах и устройствах функциональное преобразование является широко распространенной задачей. Это связано с необходимостью выполнять масштабирование сигналов, линеаризацию, формировать нелинейные функции управления, осуществлять переход к различным параметрам при косвенных измерениях и так далее. В вычислительных системах и устройствах функциональное преобразование так же в ряде случаев реализуется автономно, например, выполнение множительно-делительных операций, тригонометрических преобразований и других. Функциональные преобразователи, обрабатывающие информацию, представленную в импульсной форме могут быть реализованы на базе аналоговых и (или) цифровых элементов, а так же с использованием микроЭВМ.

Начало разработки и внедрения устройств, преобразующих информацию, представленную с помощью временных интервалов и напряжений, с использованием аналоговой элементной базы относится к 60-ым годам. Несложное преобразование временных интервалов в цифровую величину путем их заполнения импульсами опорной частоты, явилось предпосылкой развития цифровых времяимпульсных устройств, ориентированных на использование узлов общего применения. Однако, развитие цифровых времяимпульс-ных устройств с применением схем малой и средней степени интеграции сдерживалось трудоемкостью изготовления и малой гибкостью результирующих схем. Появившиеся в 80-е годы программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика и базовые матричные кристаллы (БМК) могли бы снизить стоимость и сроки проектирования на их основе полузаказных БИС/СБИС, но необходимость использования промышленных мощностей при программировании связей в БМК, аппаратная избыточность и невозможность гибкой реконфигурации явились сдерживающими факторами в развитии времяимпульсных устройств на их базе.

Появление в настоящее время БИС/СБИС с программируемой архитектурой позволяет говорить об актуальности дальнейшего развития цифровых структур, обеспечивающих работу с импульсными потоками. Наблюдающееся увеличение степени интеграции схем с программированием конфигурации улучшает многие показатели проектируемых устройств: уменьшает стоимость изготовления, потребляемую мощность, габариты и одновременно увеличивает производительность и надежность систем на их основе.

В отдельных случаях, не требующих высокого быстродействия, обработка ШИМ-сигналов, частотноимпульсных последовательностей и кодов может выполняться алгоритмически с реализацией этих алгоритмов на микро-ЭВМ со сменными постоянными запоминающими устройствами программ. Актуальность подобного похода подтверждается появлением микроконтроллеров, имеющих возможность настройки некоторых входных линий на прием или выдачу ШИМ-сигналов. При алгоритмической реализации пре-

образований времяимпульсных сигналов сохраняются особенности функционирования присущие аппаратным преобразователям.

Интерес к таким алгоритмам также связан с реализацией потокового метода вычислений, заключающегося в развертке кодовой информации во времени с одновременным параллельно-последовательным выполнением преобразований над кодами и полученными потоками времяимпульсных сигналов в соответствии с требуемой функцией.

Устройства рассматриваемого класса могут применяться на этапе первичной обработки времяимпульсной информации, в частности при выполнении алгебраического и функционального преобразования в косвенных измерениях, линеаризации и масштабировании сигналов от датчиков, осуществлении типовых процедур статистической обработки измеряемой информации. Актуальность работ по созданию преобразователей импульсных потоков связана также с появлением в последнее время датчиков с выходными сигналами, представленными в широтно-импульсной и частотной форме (например, датчики температуры, ускорений), а также с применением в качестве промежуточной формы представления измеряемой аналоговой величины временных интервалов (интегрирующие аналого-цифровые преобразователи, Д-Е модуляторы). Разработка устройств, выполняющих обработку информации, которая представлена широтно-импульсной и кодовой формой и импульсными последовательностями одновременно с кодовым представлением результатов, составит проблемно-ориентированную элементную базу для средств сопряжения объектов измерения и управления с ЭВМ.

Под способом преобразования разнородных сигналов подразумеваются последовательность и (или) комбинация преобразований форм сигналов с реализацией вычислительных операторов. Вне зависимости от выбранного способа вычисления могут реализовываться как путем прямого, так и компенсационного преобразования. Причем параллельно-последовательная комбинированная обработка с промежуточным параметрическим преобразованием сигналов позволяет выполнять следящие преобразования, опираясь на структурные методы вычислений, характеризующееся малыми аппаратными затратами и высокой точностью.

Важной характеристикой устройств рассматриваемого класса является надежность их функционирования, связанная с возможностью компенсации помех и стремлением к нейтрализации внутренних аппаратных сбоев. Выбранная концепция обеспечения надежности предлагаемых устройств основана на интеграции свойств:

- отказоустойчивых форм представления информации,

- структурной организации вычислений, основанной на использовании компенсационных методов,

- соответствующей технологичной элементной базы.

Рассматриваемые в диссертационной работе аппаратные и алгоритмические структуры направлены на реализацию процессов следящего преобразования потоков единичных импульсов. При этом за счет оригинальных структурных решений достигается высокая отказоустойчивость разрабатываемых вычислительных структур.

Цель работы. Целью диссертационной работы является развитие и исследование основных принципов построения отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования потоков информационных квантов, а так же создание подходов к построению инвариантных к базе реализации процессов следящего преобразования.

Основные методы исследования. Для решения поставленных задач применялись теоретические методы теории обыкновенных дифференциальных уравнений и Z преобразования. Экспериментальные данные получены методом моделирования проектируемых цифровых структур в системе автоматизированного проектирования MAX+PLUS.

Научная новизна состоит в развитии отказоустойчивых устройств с реализацией процессов следящего преобразования импульсных потоков, а так же разработке описаний вычислительных процессов инвариантных к физическим носителям информации и ориентированных на обработку потоков информационных квантов.

Основные результаты, представляемые к защите:

- способы построения отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования потоков информационных квантов, и их интерпретация путем создания оригинальных устройств потоковой обработки;

- подходы к улучшению динамических характеристик отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования, которые реализованы за счет различных типов запоминающей обратной связи;

- инвариантные к базе последующей реализации схемы процессов множительно-делительного и дробно-рационального следящего преобразования потоков информационных квантов;

- инженерная методика проектирования процессов следящего преобразования потоков информационных квантов.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе разработанного класса устройств появилась возможность создавать с использованием цифровых программируемых структур отказоустойчивые потоковые преобразователи для различных применений, а также на базе инвариантных описаний процессов отказоустойчивого потокового преобразования проектировать элементы и узлы для обработки информации в других технологиях.

Достоверность результатов работы подтверждается аналитическими выводами, а также результатами модельного и натурного экспериментов.

Внедрение результатов работы осуществлено на ГМП «Март» (г. Санкт-Петербург) при модернизации системы термостатирования переносного анализатора активности холинэстераз крови человека «Гранат-3» - «Март»

и на ФГУП «Брянский электромеханический завод» при разработке терморегулятора переносного вибротермостата ВП-П «Термшейк-Мобил».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на:

-Всероссийской научно-технической конференции "Информационно-управляющие системы и специализированные вычислительные устройства для обработки и передачи данных", Махачкала, 1996 г.;

- 4-й, 6-й, 9-й и 10-й Международных конференциях "Теория и техника передачи, приема и обработки информации", г. Харьков-Туапсе, ХНУРЭ, 1998, 2000, 2003,2004 гг.;

-II и III Международных научно-технических конференциях "Управление в технических системах", г. Ковров, КГТА, 1998, 2000 гг.;

- Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям, С-Петербург, СПбГЭТУ, 1999 г.;

- Втором Политехническом симпозиуме: «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона», С-Петербург, СПбГТУ, 2002 г.;

- Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий», Москва - Сочи, 2004 г.;

-Научно-технической конференции "Фотометрия и её метрологическое обеспечение", Москва, ВНИИОФИ, 2004 г.;

- Международной конференции "Приборостроение в экологии и безопасности человека", С-Петербург, ИТМО, 2004 г.;

- Научно-технических конференциях "Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций", С-Петербург, СПбГЭТУ, 2002, 2003, 2004 гг.;

а так же на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 1999 - 2003 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 работы, в том числе 8 патентов, 2 свидетельства Роспатента РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ, 7 статей и тезисы к 6-ти докладам на международных и российских научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 96 наименований, и 4-х приложений. Основная часть работы изложена на 106 страницах машинописного текста. Работа содержит 39 рисунков и 3 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определено направление исследований, обоснована их актуальность, сформулирована цель диссертационной работы, отмечена её практическая значимость.

В первой главе выполнено обоснование направления исследований, связанное с:

- анализом информационных процессов обработки потоков импульсных сигналов и синтезом соответствующих устройств с реализацией на программируемой логике;

- выработкой принципов обработки потоков информационных квантов инвариантных к физической природе квантов и выбранной элементной базе.

Объектом исследования являются процессы, в которых информация в потоковых представлениях сопоставляется с интегральными усредненными характеристиками потоков, при этом удается сочетать следящую поэлементную обработку с простыми схемными решениями, выполненными, например, на цифровой элементной базе.

В качестве основных потоковых форм в электронном базисе рассматриваются:

времяимпульсная (относительная длительность прямоугольных импульсов, следующих с периодом Т);

частотноимпульсная (среднее значение частоты F прямоугольных импульсов произвольной длительности);

кодовая N (позиционный двоичный код).

Устройства, ориентированные на работу с динамическими потоками единичных импульсов, строятся на основе комбинированной обработки разнородных сигналов с использованием промежуточного преобразования сигналов в различные потоковые формы и статические коды. Это проявляется как в линейных решающих элементах, так и в функциональных преобразователях.

Развитие цифровых преобразователей, ориентированных на обработку импульсных потоков, может служить основой для алгоритмизации процессов следящего преобразования динамических квантовых информационных потоков. При этом вне зависимости от выбранного процессора, вычислительные процессы будут сохранять все особенности, присущие рассматриваемым аппаратным реализациям.

Кроме того, при процессорной реализации преобразований имеется возможность использовать циклические итеративные процедуры, позволяющие в процессе вычислений учитывать дополнительную информацию об изменениях входных данных, повышая тем самым точность вычислений.

В работе рассматриваются алгоритмы, реализующие процессы, аналогичные протекающим в аппаратных устройствах следящего преобразования импульсных потоков. Эти алгоритмы соответствуют саморазворачивающимся процессам с отрицательной обратной связью, которые стремятся к устойчивому состоянию, характеризующему конечный результат. При этом отсутствует пооперационное вычисление, а различные математические преобразования как линейные, так и функциональные, получаются в едином непрерывном циклическом итерационном процессе формирования результата с усред-

нением. Предлагаемые алгоритмические реализации обладают следующими достоинствами:

- позволяет выполнять следящие непрерывные линейные и функциональные преобразования, обеспечивая свойства отказоустойчивости;

- обеспечивает высокое быстродействие при отработке малых изменений входных сигналов;

- позволяет избавиться от ограничений, налагаемых особенностями аппаратных реализаций, где временные и пространственные (структурные) параметры имеют абсолютный характер.

Кроме того, работа рассматриваемых алгоритмов не зависит от начального состояния процессора: программа может производить вычисления с получением реальных результатов с любой ветви, заложенного в неё алгоритма. Заполнением оставшихся свободными ячеек памяти программ операторами возврата на рабочие операторы программы можно добиться максимальной отказоустойчивости используемых процессорных устройств, повысить живучесть вычислительной системы.

В первой главе также обосновывается выбор элементной базы для разработки преобразователей, в качестве базы указываются репрограммируемая логика и микропроцессорные БИС. Кратко рассматриваются основные структурные решения и отмечаются наиболее перспективные для использования при разработке преобразователей.

Обосновывается механизм обеспечения надежности и помехоустойчивости разрабатываемых устройств и алгоритмов, определяется связь этих показателей со структурными особенностями. Выделены основные задачи, разрешение которых требуется при разработке выбранного класса устройств.

Достоинством процессов следящего преобразования динамических информационных потоков является естественная возможность обеспечения автоматического восстановления результата, как на функциональном, так и на алгоритмическом уровнях. Автоматическое восстановление происходит без применения дополнительных специальных аппаратных или программных средств. Типы отказов, которые подлежат автоматическому восстановлению при реализации процессов следящего преобразования динамических информационных потоков, выделены на рис. 1 пунктиром.

Рис. 1. Автоматическое восстановление при различных типах отказов

Вторая глава содержит описания множительно-делительных устройств (МДУ), ориентированных на обработку импульсных потоков. Реализация множительно-делительного преобразования представляет интерес и как элемент базиса для построения более сложных процессов и как объект для выявления основных свойств принятого подхода к организации вычислений.

Основная особенность всех предлагаемых в работе МДУ состоит в структурной реализации операции деления, основанной на принципе обратимости. Для этого делитель функции используется в качестве коэффициента отрицательной обратной связи, которая приводит в действие механизм автоматической компенсации импульсных потоков. Эти потоки формируются как результат умножения кодов и входных импульсных потоков с помощью двоичных умножителей частоты, с последующей модуляцией полученного результата соответствующими ШИМ-сигналами с помощью элементов И. В качестве схемы сравнения частотно-импульсных потоков, вырабатывающей сигнал рассогласования в контуре обратной связи, используется реверсивный счетчик. Он выполняет две функции: вычитание частот и интегрирование полученной разности с выдачей результата в виде двоичного кода.

Устройства замкнуты отрицательной обратной связью и, при наличии некоторого установившегося состояния, реализуют следящий режим, обеспечивающий плавное достижение результата путем его итерационного подбора. Указанная структурная особенность обеспечивает автовосстановление в случае сбоя, повышая отказоустойчивость работы устройства.

В целях обеспечения стабильности выходного результата множитель-но-делительного преобразования предложено использовать запоминающую обратную связь (ЗОС). В рамках второй главы диссертационной работы предложены три типа ЗОС (линейная, гиперболическая и разрядно-взвешенная), которые реализованы в оригинальных МДУ.

Линейная ЗОС реализована с помощью регистра, включенного в цепь обратной связи. Такое решение позволило согласовать динамические характеристики цепи обратной связи и устройства в целом за счет фиксации мгновенных значений выходного кода и удержания их в течение необходимого времени. Выведена формула определения кода на выходе МДУ в произвольный период

где к -масштабные коэффициенты двоичных умножителей частоты цепи прямой и обратной связи.

Показано, что в установившемся режиме функциональная характеристика устройства будет иметь вид

N

ел

©2Р2

При использовании ЗОС повысилась точность устройства за счет устранения колебаний 4-6 младших разрядов, и соответственно, уменьшилось время автоматического восстановления результата: при малых отклонениях оно происходит за 1 - 3, а при предельно больших - за 10 периодов.

Гиперболическая ЗОС вне зависимости от сочетаний входных данных позволяет получать результат преобразования за три фиксированных периода входного ШИМ-сигнала. В этом устройстве операция деления данных, представленных в потоковых формах, реализована через последовательность сложений статических характеристик потока, формируемого на основе входного кода и импульсных потоков числителя. Количество сложений при этом определяется величиной, обратной статической характеристике потока, формируемого на основе импульсных потоков знаменателя.

Сокращение переходного процесса в устройстве достигается одновременной обработкой входных потоков единичных импульсов и импульсных потоков обратной связи на различном оборудовании. Повышение быстродействия устройства за счет использования гиперболической ЗОС состоит в реализации этой связью дополняющей компенсации, благодаря чему снимается зависимость длительности процесса вычисления от разрядности структуры.

Принцип действия МДУ с гиперболической ЗОС основан на широтной модуляции частотно-импульсных потоков с целью выработки временных тагов и кодовых весов для пошагового последовательного весового приближения к результату до его превышения и с последующей дополнительной частотно-импульсной компенсацией перевеса до получения результата. Проведен анализ процесса вычислений, и определено выражение для выходного кода:

где первое слагаемое -функциональная характеристика по параллельному выходу устройства, а второе - абсолютная погрешность устройства.

Исследования показали, что наибольший эффект применения гиперболической ЗОС будет проявляться на малых значениях относительной длительности

Разрядно-взвешенная ЗОС реализует сглаживание разности интенсив-ностей потоков в устройстве укрупненными приращениями, что позволяет выполнять анализ разностей потоков и коррекцию в динамическом режиме без запаздывания. В каждом периоде отрицательной обратной связи выявляется и фиксируется сигнал рассогласования При значительном рассогласовании логическим блоком устройства формируется дополнительная весовая разрядная компенсация оказывающая корректирующее воздействие на выходной код

-аде^ы-!-})2,

0.

'2

(©ьвгЛх) = МшхН (0Ь02,1\Х) + Д^корр=51еп(ДН,)2м].

Jкорр >

Моделирование показало, что даже при выделении двух взвешенных разрядов в восьмиразрядной сетке, эффект от применения разрядно-взвешенной ЗОС состоит в сокращении времени отработки отказа в зависимости от соотношения входных данных на 10 - 50%.

Запоминающая обратная связь может эффективно использоваться также в тех случаях, когда в процессе преобразований участвуют только частотные сигналы, определяя при этом период работы устройства, который не обязательно постоянен. В работе предложен способ использования линейной ЗОС в устройстве преобразования значительно отличающихся друг от друга по частоте импульсных потоков. Способ реализован в оригинальном устройстве, выполняющем множительно-делительное преобразование импульсных потоков в соответствии с формулой

В устройстве формируется внутренний импульсный сигнал с постоянной длительностью и периодом, пропорциональным частоте делимого Кроме информационной функции этот сигнал управляет контуром ЗОС, определяя моменты срабатывания запоминающей обратной связи.

Принцип действия этого устройства основан на модуляции одного частотно-импульсного потока Рз широтно-импульсными сигналами постоянной длительности, формируемыми на основе импульсов второго частотно-импульсного потока с изменяющимся в зависимости от его частоты периодом. При этом периодически вырабатывается и автоматически компенсируется сигнал рассогласования устройства.

В третьей главе рассмотрены особенности построения отказоустойчивых потоковых нелинейных преобразователей: принципиально-точных и аппроксимирующих. Предложены оригинальные устройства функционального преобразования импульсных потоков: преобразователь степенных зависимостей, устройство для извлечения квадратного корня, многофункциональный преобразователь и устройство, реализующее косинусную зависимость.

Устройства возведения в степень являются широко востребованными, а получение степенных функций импульсных потоков, особенно при использовании широтно-импульсной модуляции в большинстве случаев затруднено, по причине неравномерности потоков.

В соответствии с выбранной концепцией проектирования на базе структур с обратными связями был разработан преобразователь степенной зависимости. Использование запоминающих связей с одной стороны позволило улучшить характеристики преобразователя, а с другой стороны, выполнение промежуточного преобразования потоковой информации в код и фиксация этого кода в запоминающей обратной связи позволило преобразовывать формы представления потоковой информации с возможностью дальнейшего выравнивания потоков в цепях устройства. При этом в каждой цепи

обратной связи происходит выработка и автоматическая компенсация сигналов рассогласования, а введенный в обратную связь элемент памяти обеспечивает фиксацию значений кодов, сформированных в течение периода, и выработку благодаря этому постоянных на периоде внутренних частотных потоков при стабильном удержании результата.

Реализация функционального преобразования ШИМ-сигналов за счет использования функциональной запоминающей обратной связи, рассмотрена на примере устройства для извлечения квадратного корня. Функциональная ЗОС обеспечивает выработку и автоматическую компенсацию сигналов рассогласования с формированием квадратичной зависимости в контуре запоминающей обратной связи, благодаря чему получаемый результат, формируемый в виде импульсного потока со средней частотой

соответствует закону корня квадратного. Отказоустойчивость достигается применением итерационного принципа усреднения импульсных потоков с использованием частотно-импульсной следящей системы.

В качестве примера отказоустойчивого функционального преобразователя с частотной формой задания опорных величин рассмотрено оригинальное многофункциональное устройство, выполняющее преобразование потока широтно-импульсных сигналов в соответствии с характеристикой, содержащей рациональную дробь относительно аргумента

е[Р, е+р2 (1 - е)] + Р5 о - е) р30 + Р4(1-©)

И, наконец, предложен вариант реализации функционального преобразователя с использованием весовых суммирующих и вычитающих входов реверсивных счетчиков. Вариант проиллюстрирован оригинальным устройством, реализующим дробно-рациональное выражение, аппроксимирующее функцию с использованием следующего приближения

N = N

1 ^ вых

Динамические характеристики структур и параметры отказоустойчивости приведенных функциональных преобразователей, как и для множитель-но-делительных устройств, определяются типом используемой ЗОС.

В четвертой главе предложены инвариантные описания процессов потоковых следящих преобразований, приведены и исследованы их алгоритмические реализации.

Входные данные для работы таких алгоритмов представляются в кодовой форме. Основу вычислительного процесса составляют: квантование (представление кода в виде потока информационных квантов, количество ко-

торых за период процесса соответствует обрабатываемому коду), относительная развертка (коду ставится в соответствие относительная за период работы длительность некоторого действующего значения, например, равного единице) и организация параллельно-последовательной обработки полученных потоков информационных квантов.

Для обеспечения непрерывного получения результата множительно-делительной операции преобразование входных данных и текущих состояний выполняется в следящем потоковом режиме. В обработку поступают входные данные в кодовом представлении N1, N2, N3 и начальное неопределенное значение выходного кода Ывых. Эти коды попарно образуют положительную и отрицательную ветви процесса.

Операция деления выполняется структурно, образуя равновесную систему, причем некоторые параметры системы характеризуют результаты вычислений, выполняющихся в режиме слежения. Процесс, постоянно стремится к некоторому равновесному состоянию, определяемому его структурой, и в любой момент развития процесса, обеспечивает движение к результату и возвращение к нему после каких-либо нарушений.

Отказоустойчивость алгоритма достигается за счет организации отрицательной обратной связи, которая обеспечивает отслеживание входных воздействий. Сказанное проиллюстрировано результатами моделирования, приведенными на рис. 2.

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 36 37 39 41 43 45 47 49 51

Рис. 2. Графики переходных процессов при возникновении ошибки

Графики получены для следующих исходных данных 0.8, ©2 — 0.4 ; 2: Ывх = 20, 0] = 0.5, ©2 = 0.25. На рисунке показан процесс достижения установившегося режима за 10 тактов, а также отработка частичных однократных сбоев на 19 такте (М^ = 25), 26 такте (0| = 0) и 35 такте (®2 = 0.8).

В главе также предложена обобщенная схема организации процесса вычисления нелинейных дробно-рациональных функций, реализация которо-

го рассмотрена на примере непрерывного потокового косинусного преобразования. На примере синусного преобразования показана возможность организации параллельно-последовательной обработки потоков.

И, наконец, сформулированы основные положения инженерной методики организации процессов отказоустойчивой обработки потоковой информации, включающие в себя этапы проектирования процессов и оценки их характеристик с использованием аппарата разностных уравнений и систем, а также особенности исследований процессов путем проведения модельных экспериментов. Предложены критерии выбора вариантов реализации процессов в электронном базисе на основе аппаратных, программных и программно-аппаратных средств с ориентацией на современную элементную базу -микросхемы программируемой логики и системы на кристалле.

Приложения содержат результаты моделирования проектируемых устройств в системе MAX+PLUS. В первом приложении приводится библиотека линейных решающих элементов, основанных на использовании традиционных цифровых узлов. Второе приложение содержит описания и результаты моделирования множительно-делительных устройств с различными запоминающими обратными связями. В третьем - показаны модели устройств для получения функциональных зависимостей.

В четвертом приложении предложено устройство измерения температурных полей, осуществляющее измерение средней температуры в непрерывном режиме на основе метода одновременного считывания потоков информативных широтно-импульсных сигналов с п измерительных каналов.

Сигналы 0| в устройстве разрядностью к суммируются в процессе их параллельного заполнения импульсами опорной частоты и усредняются по времени и по количеству рабочих каналов за счет организации следящей частотно-импульсной системы с запоминающей обратной связью. Эта система обеспечивает учет предыдущих измерений с блокировкой каналов прямой и

обратной связи в периоды неисправности отдельных датчиков определяющиеся параметром S, i-oro датчика. На выходе устройства в конце j периода формируется код

где b - масштабный коэффициент.

В приложении также приведены результаты испытаний предложенного устройства для следящего измерения температуры, реализованного в однока-нальном варианте на базе микросхемы Асех ЕР1К500С208 с использованием датчика с ШИМ-выходом ТМР04 Analog Devices. Это устройство внедрено при модернизации системы термостатирования переносного анализатора активности холинэстераз крови человека «Гранат-3» - «Март» и при разработке терморегулятора переносного вибротермостата ВП-П «Термшейк-Мобил».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Исследован подход к повышению отказоустойчивости вычислений за счет интеграции свойств отказоустойчивых форм представления информации, структурной организации вычислений с использованием компенсационных методов, соответствующей интегральной элементной базы.

2. Предложены способы построения отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования потоков информационных квантов, которые легли в основу создания оригинальных устройств потоковой обработки: четырех множительно-делительных с различными динамическими характеристиками, двух нелинейных устройств аппроксимирующего типа и преобразователя на основе обратной функции, в совокупности представляющих функционально полный базис для построения различных отказоустойчивых преобразователей.

3. Получены оригинальные технические решения, направленные на улучшение динамических характеристик отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования, которые реализованы за счет запоминающих обратных связей: линейной, гиперболической и разрядно-взвешенной, исследовано влияние запоминающих обратных связей на динамические свойства устройств линейного и нелинейного преобразования потоков информационных квантов, выявлены области их эффективного использования. Предложенные технические решения запатентованы применительно к базисным устройствам.

4. Проведен анализ характеристик информационных процессов, протекающих в разработанных устройствах следящего преобразования потоков информационных квантов. В результате подтверждена их отказоустойчивость, оценены характеристики; предложена и применена методика алгоритмизации инвариантных к базе последующей реализации процессов; предложены и апробированы методики оценки характеристик результирующих процессов; рассмотрены варианты альтернативной реализации алгоритмов потоковой обработки на примере оригинальных комплексов программ потокового отказоустойчивого непрерывного множительно-делительного и функционального преобразования.

5. Разработана инженерная методика проектирования процессов следящего преобразования потоков информационных квантов, определены направления реализации с ориентацией на микроэлектронную элементную базу, выработаны рекомендации по выбору конкретных вариантов организации вычислителей в микроэлектронном базисе для различных целей применения.

6. Проведено компьютерное моделирование, выполнены натурные эксперименты, в ходе которых рассмотрены варианты реализации устройств предлагаемого класса на микросхемах программируемой логики, и в ходе исследования практически подтверждены основные аналитические выводы по их характеристикам.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1 Пат №2097829 Российская Федерация, МПК6 G 06 G 7/62 Множительно-делительное устройство / Сафьянников Н М, Буренева О И - № 2097829, заявл

04 05 95, опубл 27 11 97, Бюл №33 - 5 с ил

2 Пат №2141721 Российская Федерация, МПК6 G Об Б 7/544, Н 03 М 7/04 Кодирующий времяимпульсный преобразователь / Сафьянников Н М , Буренева О И - № 98114411, заявл 16 07 98, опубл 20 11 99, Бюл №32 - 5 с ил

3 Пат №2207529 Российская Федерация, МПК7 G 01 К 7/32 Цифровой термометр / Сафьянников НМ , Буренева О И - № 2002115531, заявл 10 0602, опубл 270603,Бюл №18 -6с ил

4 Пат №2210102 Российская Федерация, МПК7 G 06 Б 7/68 Множительно-делительное устройство / Сафьянников НМ, Буренева О И - № 2002104141, за-явл 14 02 02, опубл 10 08 03, Бюл №22 - 9 с ил

5 Пат №2212637 Российская Федерация, МПК7 G 01 К 7/32 Цифровой термометр / Сафьянников Н М , Буренева О И , Бондаренко П Н - № 2002119072, заявл 15 07 02, опубл 20 09 03, Бюл №26 - 7 с ил

6 Пат №2222042 Российская Федерация, МПК7 G 06 Б 7/62 Множительно-делительное усгрожлво/ Сафьянников НМ, Буренева О И - № 2002105225, за-явл 26 02 02, опубл 20 01 04, Бюл №2 20 с ил

7 Пат №2237920 Российская Федерация, МПК7 G 06 Б 17/10, Н 03 К 7/08 Устройство для функционального преобразования ШИМ-сигналов / Сафьянников Н М, БуреневаОИ -№2003109214, заявл 01 0403, опубл 10 1004,Бюл №28 -6с ил

8 Пат №2240652 Российская Федерация, МПК7 Н 03 М 5/08, G 06 Б 17/17 Устройство для функционального преобразования широтно-импульсных сигналов / БуреневаОИ, Сафьянников НМ - № 2003105449, заявл 25 02 03, опубл 20 11 04, Бюл №32 - 9 с ил

9 Свидетельство № 2002610827 об официальной регистрации программы для ЭВМ Комплекс программ потокового отказоустойчивого непрерывного множи-тельно-дели тельного преобразования / Сафьянников НМ, Буренева О И - заявл

05 04 02, опубл 27 05 02 - 1 с

10 Свидетельство № 2002611384 об официальной регистрации программы для ЭВМ Комплекс программ потокового отказоустойчивого непрерывного функционального преобразования / Сафьянников Н М, Буренева О И - заявл 02 07 02, опубл 14 08 02 - 1 с

11 Сафьянников, НМ Повышение точности и быстродействия импульсно-цифровых устройств следящего типа с помощью запоминающей обратной связи [Текст] / Н М Сафьянников, О И Буренева // Изв ТЭТУ / СПбТЭТУ - 1996 - Вып 500 Структуры и математическое обеспечение специализированных средств - С 157-161

12 Сафьянников, Н М Отказоустойчивые алгоритмы преобразования времяим-пульсных сигналов [Текст] / Н М Сафьянников, О И Буренева // Радиоэлектроника и информатика -2000 -№2(11) -С 45-49

13 Буренева, О И Реализация процессов следящего преобразования динамических информационных квантовых потоков [Текст] / О И Буренева // Вестник молодых ученых Сер Технические науки -2003 -№2 -С 17-28

14 Сафьянников, Н М Использование запоминающей обратной связи при построении отказоустойчивых цифровых квадратичных преобразователей импульсных сигналов [Текст] / Н М Сафьянников, О И Буренева, П Н Бондаренко // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2003 - Вып 4, Сер «Информатика, управление и компьютерные технологии» - С 7-11

15 Сафьянников, НМ Цифровая отказоустойчивая обработка сигналов нелинейных датчиков с импульсными выходами [Текст] /НМ Сафьянников, О И Буренева // Приборы и системы - 2004 - №7 - С 47-51

16 Бондаренко, П Н Семейство анализаторов состояния рельсового транспорта дчя организации информационной технологии непрерывного контроля [Текст] / П Н Бондаренко, О И Буренева, АХМурсаев, Ю С Ромен // В1СНИК Схщноукрашського нацюнального университету имени Володимира Даля - Лу-ганськ, 2004 - № 8(78) - С 229 - 233

17 Сафьянников, Н М Генетические алгоритмы функционального преобразования для отказоустойчивых следящих систем [Текст] /НМСафьянников, О И Буренева // Междунар конф по мягким вычислениям и измерениям сб докладов, С-Пб, 25-28 мая 1999 г-СПб, 1999 -С 282-285

18 Сафьянников, НМ Отказоустойчивые измерительно-вычислительные алгоритмы для обработки времяимпульсных сигналов [Текст] / Н М Сафьянников, О И Буренева // Теория и техника передачи, приема и обработки информации сб науч тр по материалам 4-й Междунар конф, г Харьков, 28 - 30 сент 1998 г -Харьков ХТУРЭ, 1998 -С 47-48

19 Буренева, О И Отказоустойчивые функциональные преобразователи для следящих систем управления [Текст] / О И Буренева // Управление в технических системах материалы науч -техн конф, г Ковров, 20 - 22 окт 1998 г - Ковров КГТА, 1998 -С 187-188

20 Сафьянников, Н М Отказоустойчивые элементы и устройства для преобразования импульсных потоков [Текст] / Н М Сафьянников, О И Буренева // Управление в технических системах сб науч трудов Ш-й Междунар науч -техн конф , г Ковров, 13 - 15 окт 2000 г - Ковров КГТА, 2000 - С 103-105

21 Буренева, О И Организация процессов следящего преобразования динамических квантовых потоков [Текст] / О И Буренева // Теория и техника передачи, приема и обработки информации сб науч тр по материалам 6-й Междунар конф , г Харьков, 17 - 19 сент 2000 г - Харьков ХТУРЭ, 2000 - С 402 - 404

22 Bureneva О I Toxicological analyzer of human blood cholmesterases activity controlling state of persons working with organophosphorus toxic substances (Токсикологический анализатор активности холинэстераз крови человека для контроля состояния здоровья лиц, работающих с фосфорно-органическими отравляющими веществами) [Текст] /01 Bureneva, Р V Knyazev, N L Ronjina, N М Safyanmkov // Instrumentation in ecology and human safety Proceedings of the International Conference -St Petersburg, 2004 -P 127

23 Сафьянников, НМ Надежностно-ориентированная технология потоковой организации вычислительных процессов [Текст] / Н М Сафьянников, О И Буренева // Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий материалы междунар конф и Российской науч школы Часть 1 -М Радио и связь, 2004 -С 71-74

Подписано в печать 20 04 05 Формат 60*84 1Д6 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 26

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С-Петербург, ул Проф Попова, 5

оме-оs.-/s

19 Ii,Vf №

94Í

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЩИЙ АНАЛИЗ РЕАЛИЗАЦИЙ ПРОЦЕССОВ СЛЕДЯЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ДИНАМИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ.

1.1 Обоснование направления исследований.

1.2 Структурная организация устройств с реализацией процессов следящего преобразования динамических квантовых информационных потоков.

1.3 Алгоритмическая организация процессов следящего преобразования динамических квантовых информационных потоков.

1.4 Надежность и помехоустойчивость при реализации процессов следящего преобразования информационных потоков.

1.5 Выводы.!.

2 УСТРОЙСТВА СЛЕДЯЩЕГО ЛИНЕЙНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОТОКОВ ИНФОРМАЦИОННЫХ КВАНТОВ.

2.1 Множительно-делительное устройство с линейной запоминающей обратной связью и фиксированным периодом работы.

2.2 Множительно-делительное устройство с гиперболической запоминающей обратной связью и фиксированным периодом работы.

2.3 Множительно-делительное устройство с разрядно-взвешенной запоминающей обратной связью и фиксированным периодом работы.

2.4 Множительно-делительное устройство с линейной ЗОС и переменным периодом работы.

2.5 Выводы.

3 УСТРОЙСТВА СЛЕДЯЩЕГО НЕЛИНЕЙНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОТОКОВ ИНФОРМАЦИОННЫХ КВАНТОВ.

3.1 Устройство для реализации степенных зависимостей с запоминающими обратными связями.

3.2 Устройство для реализации функции извлечения квадратного корня.

3.3 Многофункциональный преобразователь.

3.4 Устройство для реализации косинусного преобразования.

3.5 Выводы.

4 ПРОЦЕССЫ ПОТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ.

4.1 Схемы процессов потокового множительного и множительно-делительного преобразования.

4.2 Алгоритмы линейных потоковых преобразований кодовой информации.

4.3 Схемы процессов нелинейного потокового преобразования.

4.4 Инженерная методика построения и реализации процессов следящего преобразования потоков информационных квантов.

3.5 Выводы.

Информационные процессы, происходящие в природе и технических системах, имеют непрерывно-дискретный характер. При анализе информационных процессов в зависимости от уровня и цели рассмотрения одна и та же система может проявляться как непрерывная и как дискретная [26]. Представляется целесообразным выполнять организацию вычислительных процессов адекватно информационным процессам анализируемых систем.

Если выполняется непрерывный анализ, то желательно применять и соответствующие преобразования: непрерывный прием потока данных, непрерывная обработка информационных элементов потока по мере их поступления, непрерывное формирование результата в процессе обработки. Для решения подобных задач, прежде всего, необходима организация процессов следящего преобразования. При этом также требуется создание элементов и устройств, ориентированных на потоковую обработку информации. Эти элементы и устройства могут быть реализованы на существующей элементной базе вычислительной техники.

В последнее время исследуется организация информационных процессов на квантовом, молекулярном, клеточном уровнях, где уже сами элементы являются носителями непрерывных процессов. Для таких элементов использование процессов непрерывного преобразования представляется естественным.

Информационные потоки формируются из элементарных информационных единиц, которые в зависимости от базовой реализации могут иметь различную материальную сущность. При использовании современной цифровой элементной базы в качестве элементарных информационных единиц -информационных квантов - Moiyr выступать импульсы частотных потоков.

Процессы следящего преобразования информации реализуются в различных системах: в робототехнике, при распознавании образов, при автоматизации непрерывных производственных процессов, при управлении подвижными объектами, при измерениях плавно изменяющихся физических величин и так далее.

Непрерывная информация, поступающая от датчиков для дальнейшей обработки, во многих случаях представлена в аналоговой форме. В качестве носителей аналоговой информации могут выступать электрические, оптические, пневматические, биологические и другие сигналы. При этом информация связывается с такими параметрами сигналов как амплитуда, фаза, частота. Соответственно носителям существуют классы аналоговых вычислительных устройств. Наибольшее распространение получили электрические сигналы, на работу с которыми ориентированы аналоговые вычислительные машины. В аналоговых элементах информация непосредственно связана с энергией сигналов, что приводит к ряду ограничений по точности представления информации, а так же возникает зависимость характеристик процессов вычисления от неблагоприятных внешних условий.

Выполнение непрерывных вычислений с использованием цифровых элементов традиционно основано на применении аппарата непрерывно-логических функций и сопряжено с рядом трудностей. Использование непрерывных функций для цифровых переменных требует значительных временных затрат, связанных с реализацией вычислений на основе логических формул, структура которых сложнее, чем структура дискретных булевых функций. Кроме того, на этапе технического проектирования гибридных непрерывно-логических систем возникают трудности, связанные с отсутствием элементной базы на уровне интегральных схем, реализующих операции непрерывных логических функций. Частично эти проблемы решаются, как показано в [80], реализацией гибридных непрерывно-логических устройств на базе стандартных элементов аналого-цифровой техники: ключах, коммутаторах и конъюнкторах. При этом, основной объем логических преобразований переходит с аналоговых устройств на цифровые, реализующие кодовые преобразования в двоичной логике.

Наряду с непрерывной и дискретной логикой известна гибридная, в которой часть переменных является непрерывными, а часть дискретными. В этом случае сохраняются определения основных логических операций (минимум, максимум, инверсия), однако значения логических функций могут быть как непрерывными, так и дискретными.

Учитывая, что в большинстве случаев требуется представлять результаты обработки информации в цифровой двоичной форме, необходимо согласовать непрерывность сигналов, поступающих от первичных источников информации, с дискретной формой результата. Решение этой задачи связано с построением гибридных устройств, обеспечивающих непрерывную обработку непрерывно-дискретной потоковой информации. При этом выполнение операций над потоками данных не связывается с дискретными параметрами (мгновенными значениями) [33].

Среди электрических форм представления информации промежуточное положение между аналоговой (непрерывной) и цифровой (дискретной) занимают импульсные формы, в которых информация может связываться с амплитудой, частотой, скважностью или относительной длительностью, фазой, спектральным составом. В случае использования времяимпульсной формы, информационную функцию выполняют временные характеристики прямоугольных единичных импульсов. Например, в широтно-импульсных модулированных сигналах (ШИМ-сигналах) информативным параметром является относительная длительность импульсов при постоянном периоде их следования, в числоимпульсных последовательностях — фиксированное количество импульсов произвольной длительности за некоторое время. При этом в ШИМ-сигналах и числоимпульсных последовательностях значения амплитуды импульсов не несет информационной нагрузки.

Использование импульсной формы позволяет реализовывать потоковые способы передачи и обработки информации, которые характеризуются:

-возможностью реализации следящих режимов за счет использования методов малых приращений и последовательной обработки потоков по мере поступления одиночных импульсов;

- высокой помехоустойчивостью, обусловленной непозиционностью и весовой равнозначностью одиночных импульсов.

С точки зрения технических средств, обеспечивающих работу с импульсной формой представления информации, можно выделить следующие преимущества:

- большое число информативных параметров;

- легкое выделение полезного сигнала на фоне помех;

- снижение потребляемой мощности источника сигнала за счет пауз между сигналами при сохранении достаточной мощности импульса;

- легкая настраиваемость на тактируемые, циклические процессы;

- разгрузка каналов передачи сигналов при компоновке на одной линии в режиме разделения времени импульсов от различных источников к одному приемнику [73, 74, 91].

В системах автоматического управления и информационно-измерительных системах и устройствах функциональное преобразование является широко распространенной задачей. Это связано с необходимостью выполнять масштабирование сигналов, линеаризацию, формировать нелинейные функции управления, осуществлять переход к различным параметрам при косвенных измерениях и так далее.

В вычислительных системах и устройствах функциональное преобразование так же в ряде случаев реализуется автономно, например, выполнение множительно-делительных операций, тригонометрических преобразований и других. Существуют подходы, когда функциональные преобразования входят структурным компонентом в создаваемые вычислительные системы и устройства [35].

Таким образом, реализация функционального преобразования во многом определяет характеристики систем и устройств обработки информации.

Форма представления сигналов, снимаемых с датчиков или используемых для передачи управляющих сообщений, а также при обмене информацией между структурными компонентами вычислительной среды, организация измерительно-вычислительного канала и реализуемый способ вычислительных преобразований должны учитываться при построении функциональных преобразователей (ФП). Сказанное относится и к устройствам, обрабатывающим информацию, представленную в импульсной форме. При этом большой интерес представляют ФП, работающие с времяимпульсными сигналами. Эти устройства могут быть реализованы на базе аналоговых и (или) цифровых элементов, а так же с использованием микроЭВМ.

Начало разработки и внедрения устройств, преобразующих информацию, представленную с помощью временных интервалов и напряжений, с использованием аналоговой элементной базы относится к 60-ым годам [66]. Несложное преобразование временных интервалов в цифровую величину путем их заполнения импульсами опорной частоты, явилось предпосылкой развития цифровых времяимпульсных устройств (ВИУ) [65], ориентированных на использование узлов общего применения: счетчиков, двоичных умножителей, регистров. Однако, развитие цифровых ВИУ с применением схем малой и средней степени интеграции сдерживалось значительной трудоемкостью изготовления и малой гибкостью результирующих схем. Появившиеся в 80-е годы программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика и базовые матричные кристаллы [22, 72] могли бы снизить стоимость и сроки проектирования на их основе полузаказных БИС/СБИС, но необходимость использования промышленного оборудования при программировании связей в БМК, аппаратная избыточность и невозможность гибкой реконфигурации явились сдерживающими факторами в развитии ВИУ на их базе.

Появление в настоящее время БИС/СБИС с возможностью стирания старой конфигурации и записью новой [67, 70] позволяет говорить об актуальности дальнейшего развития цифровых структур, ориентированных на потоковые преобразования. В этом случае, проектирование устройств заключается в разработке различных конфигураций, ориентированных на конкретные вычисления, и их оперативной реализации на соответствующей аппаратной базе [90]. Наблюдающееся увеличение степени интеграции схем с программированием конфигурации улучшает многие показатели проектируемой аппаратуры: уменьшает стоимость изготовления, потребляемую мощность, габариты и одновременно увеличивает производительность и надежность систем на их основе. Этот аспект позволяет прогнозировать возрастающий интерес к устройствам с реализацией процессов потоковой обработки информационных квантов [21].

В отдельных случаях, не требующих высокого быстродействия, обработка потоков ШИМ-сигналов, числоимпульсных последовательностей и кодов может выполняться алгоритмически с реализацией этих алгоритмов на микроЭВМ, в том числе в системах на кристалле. Актуальность подобного похода подтверждается появлением микроконтроллеров, имеющих возможность настройки некоторых входных линий на прием или выдачу ШИМ-сигналов. При алгоритмической реализации потоковых преобразований вре-мяимпульсных и частотно-импульсных последовательностей сохраняются особенности функционирования присущие аппаратным преобразователям.

Кроме того, интерес к таким алгоритмам связан с реализацией потокового метода вычислений, заключающегося в развертке кодовой информации во времени с одновременным параллельно-последовательным выполнением преобразований над кодами и полученными потоками сигналов в соответствии с требуемой функцией.

Устройства рассматриваемого типа могут применяться на этапе первичной обработки потоковой информации, в частности при выполнении алгебраического и функционального преобразования в косвенных измерениях, линеаризации и масштабировании сигналов от датчиков, осуществлении типовых процедур статистической обработки измеряемой информации. Необходимость активизации работ по созданию потоковых преобразователей сигналов связана и с появлением в последнее время большого числа датчиков с выходными сигналами, представленными в виде потоков широтно-импульсных и частотно-импульсных сигналов (например, датчики температуры, ускорений и др.) [94, 95, 96], а также с применением в качестве промежуточной формы представления измеряемой аналоговой величины временных интервалов (интегрирующие аналого-цифровые преобразователи, Д-Е модуляторы). Разработка устройств, выполняющих обработку информации, которая представлена широтно-импульсной и кодовой формой и импульсными последовательностями одновременно с кодовым представлением результатов, составит проблемно-ориентированную базу для средств сопряжения объектов измерения и управления с ЭВМ.

Под способом преобразования разнородных сигналов подразумеваются последовательность и (или) комбинация преобразований форм сигналов с реализацией вычислительных операторов [61]. Среди возможных способов можно выделить:

- предварительное преобразование всех сигналов в кодовую форму с последующим цифровым вычислением требуемых функций;

- раздельную обработку составляющих с различной формой представления с приведением к кодовой форме на результирующем этапе;

-параллельно-последовательную комбинированную обработку с промежуточным параметрическим преобразованием сигналов [77].

Каждый из перечисленных способов может реализовываться как путем прямого, так и компенсационного преобразования. Причем последнее позволяет выполнять следящие преобразования, опираясь на структурные методы вычислений, характеризующееся малыми аппаратными затратами и высокой точностью.

Важной характеристикой устройств рассматриваемого класса является надежность их функционирования, связанная с возможностью компенсации помех и стремлением к нейтрализации внутренних аппаратных сбоев. Естественным путем обеспечения выбранной концепции надежности устройств в совокупности с формой и способом обработки времяимпульсных сигналов является реализация адаптивных следящих режимов.

Целью работы является развитие и исследование основных принципов построения отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования потоков информационных квантов для реализации преобразователей в микроэлектронном базисе, а так же создание подходов к построению инвариантных к базе реализации процессов следящего преобразования, которые могут быть применены для развития вычислительных процессов в нанотех-нологиях.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач: -выделение и анализ особенностей существующих структур времяимпульсных и частотно-импульсных устройств, реализованных на различной элементной базе, определение возможности использования примененных в них методов для организации непрерывной следящей обработки импульсных потоков;

- построение обобщенной структурной схемы устройств преобразования потоков единичных импульсов компенсационного типа, разработка в соответствии с этой схемой конкретных преобразователей;

-анализ и исследование свойств полученных преобразователей, разработка методов улучшения их характеристик;

-построение обобщенных описаний инвариантных к базе реализации процессов следящего преобразования потоков информационных квантов и разработка соответствующих им алгоритмов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ ШИМ-сигнал - широтно-импульсно модулированный сигнал ФП - функциональный преобразователь ВИУ - времяимпульсные устройства ЛРЭ - линейный решающий элемент

МП - микропроцессор

МДУ - множительно-делительное устройство ЗОС - запоминающая обратная связь ПР - потоковая развертка ОР - относительная развертка ПУ - потоковое умножение

4.5 Выводы

1. Предложены подходы к организации отказоустойчивых процессов преобразования потоков информационных квантов, инвариантных к базе реализации и обладающих устойчивостью к внешним помехам и нарушениям в работе отдельных ветвей процессов.

2. Разработаны схемы процессов потокового множительного и множи-тельно-делительного преобразования, которые представлены в виде оригинальных алгоритмов преобразований, а их программная реализация защищена свидетельством о государственной регистрации программ Роспатента.

3. Выполнен анализ и моделирование динамических характеристик процессов линейных потоковых преобразований, благодаря чему подтверждены выводы относительно их отказоустойчивости и оценены метрологические возможности.

4. В качестве нелинейного отказоустойчивого процесса предложена обобщенная структурная схема дробно-рационального преобразования. Варианты конкретных функций реализованы программно и защищены свидетельством о государственной регистрации программы Роспатента. Показан подход к организации параллельно-последовательных потоковых процессов.

5. Разработана инженерная методика организации процессов отказоустойчивой обработки потоковой информации и рассмотрены варианты их реализации в микроэлектронном базисе.

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью диссертационной работы являлось развитие и исследование основных принципов построения отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования потоков информационных квантов, а так же создание подходов к построению инвариантных к базе реализации процессов следящего преобразования. При выполнении диссертационной работы получены следующие научные результаты.

1. Проведен анализ различных подходов к обеспечению отказоустойчивости вычислений и на основе их интеграции за счет использования:

- отказоустойчивых форм представления информации,

- структурной организации вычислений с использованием компенсационных методов,

- соответствующей интегральной элементной базы, определена обобщенная структурная схема устройств с реализацией процессов следящего преобразования потоков информационных квантов.

2. Предложены способы построения отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования потоков информационных квантов, которые легли в основу создания оригинальных устройств потоковой обработки: четырех множительно-делительных с различными динамическими характеристиками, двух нелинейных устройств аппроксимирующего типа и преобразователя на основе обратной функции, в совокупности представляющих функционально полный базис для построения различных отказоустойчивых преобразователей.

3. Получены оригинальные технические решения, направленные на улучшение динамических характеристик отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования, которые реализованы за счет запоминающих обратных связей: линейной, гиперболической и разрядно-взвешенной, исследовано влияние запоминающих обратных связей на динамические свойства устройств линейного и нелинейного преобразования потоков информационных квантов, выявлены области их эффективного использования. Предложенные технические решения запатентованы применительно к базисным устройствам.

4. Проведен анализ характеристик информационных процессов, протекающих в разработанных устройствах следящего преобразования потоков информационных квантов. В результате подтверждена их отказоустойчивость, оценены характеристики; предложена и применена методика алгоритмизации инвариантных к базе последующей реализации процессов; предложены и апробированы методики оценки характеристик результирующих процессов; рассмотрены варианты альтернативной реализации алгоритмов потоковой обработки на примере оригинальных комплексов программ потокового отказоустойчивого непрерывного множительно-делительного и функционального преобразования.

5. Разработана инженерная методика проектирования процессов следящего преобразования потоков информационных квантов, определены направления реализации с ориентацией на микроэлектронную элементную базу, выработаны рекомендации по выбору конкретных вариантов организации вычислителей в микроэлектронном базисе для различных целей применения.

6. Проведено компьютерное моделирование и выполнены натурные эксперименты, в ходе которых рассмотрены варианты реализации устройств предлагаемого класса на микросхемах программируемой логики, и в ходе исследования практически подтверждены основные аналитические выводы по их характеристикам.

1. Абрамов, Г.Н. Рециркулярные преобразователи время-код и код-время Текст. / Г.Н.Абрамов. - Тольятти: Довгань Изд. Дом, 1995. - 143 е.: ил.

2. А.С. 788128 СССР МКИ3 G 06 G 7/161, G06J 3/00. Множительно-делительное устройство / Герасимов И.В., Сафьянников Н.М. заявл. 12.10.1977; опубл. 10.11.1980. -Бюл.№ 46.

3. Баранов, JI.A. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления Текст. / Л.А.Баранов. М.: Энергоатомиздат, 1990. -303, 1. е.: ил.

4. Барлоу, Р. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность Текст. / Р.Барлоу, Ф.Прошан; пер. с англ. И.А.Ушакова. М.: Наука, 1984. -327 е.: ил.

5. Барис, Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами Текст. / Дж. Барис; пер. с англ. В.А. Исаакяна; под ред. Б.Н. Файзулаева. М: Мир, 1990.-237, 1. е.: ил.

6. Башарьяр А. Разработка и исследование цифро-импульсных преобразователей с дробно-рациональными функциональными характеристиками Текст. : авто-реф. дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н.: 05.13.05/ Башарьяр Азизулла — СПб.: СПбГЭТУ, 1994.-16 с.

7. Буренева, О.И. Отказоустойчивые функциональные преобразователи для следящих систем управления Текст. / О.И.Буренева // Управление в технических системах: материалы науч.-техн. конф., г. Ковров, 20 — 22 окт. 1998 г. — Ковров: КГТА, 1998.-С. 187- 188.

8. Буренева, О.И. Цифровые следящие отказоустойчивые устройства преобразования импульсных потоков Текст. / О.И.Буренева // Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона: тез. докл. 2-ого Политехи, симпозиума. - СПб.: СПбГТУ, 2002. - С. 36 - 37.

9. Величкин, А.И. Теория дискретной передачи непрерывных сообщений Текст. / А.И.Величкин. М.: Советское радио, 1970. - 214 с.

10. Вероятностные методы в вычислительной технике: учеб. пособие для вузов по спец. «Электрон, вычисл. машины» Текст. / А.В. Крайников [и др.]; под ред.

11. A.Н.Лебедева и Е.А.Чернявского.-М.: Высш. шк., 1986.-312 е.: ил.

12. Виноградов, В.И. Информационно-вычислительные системы: Распределенные ♦ модульные системы автоматизации Текст. / В.И.Виноградов. 2-е изд., перераб. и доп. М.:Энергоатомиздат, 1986. - 335, 1. е.: ил.

13. Воронцов, В.А. Анализ возможностей использования корректирующих кодов для повышения помехоустойчивости разнесенного приема данных Текст. /

14. B.А.Воронцов // Приборы и системы. 2003. - №9. - С. 44 - 50.

15. Гаврилов, С.В. Анализ помехоустойчивости цифровых схем на основе логических импликаций Текст. / С.В.Гаврилов, А.А.Глебов, А.Л.Стемпковский // Изв. Вузов. Электроника. 2002. - №5. - С. 60 - 67.

16. Герасимов, И.В. Квантовый объект информации Текст. / И.В.Герасимов, Н.М. Сафьянников // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2001. - Вып. 1; Сер. «Информатика, управление и компьютерные технологии». - С. 19-22.

17. Грушвицкий, Р.И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики Текст. / Р.И.Грушвицкий, А.Х. Мурсаев, Е.П. Угрюмов. СПб.: БХВ-Петербург, 2002.-312 с.

18. Гутников, B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах Текст. / В.С.Гутников. 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат, 1988. -303 е.: ил.24.