Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,829

Мухопад Ю.Ф., Мухопад А.Ю.

Для высоконадежных и быстродействующих информационных систем (ИУС) реального времени наиболее сложным блоком является подсистема управления. Несмотря на наличие интегрального базиса в виде БИС ПЗУ, ПЛМ, логики и микроконтроллеров, организация средств управления для сложных систем автоматизации становится проблематичной при ориентации на классические структуры автоматов. Для микропрограммных (МПА) автоматов Мура правила функционирования задаются в виде:

f f (1)

где a(t), a(t+1) - настоящее (t) и последующее (t+1) состояние автомата,

f - входные логические      условия,

A(t) - A1, A2,..., Ak выходные команды МПА.

F1 и F2 - системы булевых функций переходов и выходов МПА. Правила перехода от исходного граф-схемы алгоритма управления (ГСА) к графам и таблицам соответствующим уравнениям (1) приведены в [1].

При реализации наиболее сложным в МПА является адресная подсистема, реализующая систему булевых функций F1.Если рассматривать все комбинации, то объем памяти для реализации      F1 определяется в виде V(F1)=m2m+q, где m - разрядность кода представления a(t) и a(t+1). Для простых МПА (m≤5, q≤5) объем ПЗУ не превосходит 5 килобит, для (m=5, q=10) - 160 кб, а для (m=6, q=16) -24 мегабита.

Для снижения сложности F1 переходят на реализацию с помощью программных логических матриц (ПЛМ) или логических интегральных схем (ПЛИС) с использованием наукоемких средств минимизации булевых функций [5, 6]. Однако уже при m=5, q=10 эффект от минимизации не превосходит 20% и близок к единицам % для сложных автоматов. Вторым способом структурной оптимизации ПЗУ является использование метода декомпозиции, т.е. представление сложных автоматов комплексом более простых МПА [1, 6]. Однако правило декомпозиции находится эвристически на основе семантического анализа графа переходов. В работе [4] дана формализованная процедура декомпозиции с использованием метода  дихотомий.

В работах [1, 2] приведена новая методика синтеза сложных МПА, основанная на преобразовании заданной граф-схемы алгоритма (ГСА): после каждого логического оператора αi  вставляется пустой оператор действия Ak+i, если выход этого αi соединяется со следующим αj без промежуточного оператора Ap (p Î 1, 2, ..., k). Вводится также пустой оператор перед тем αi на который осуществляется передача управления от нескольких операторов действия. Модифицированный ГСА позволяет получить граф (или таблицу) переходов в котором имеют место два типа связей       a(t) с a(t+1): безусловные β и условные по единственному αj , номер которого (j) полностью определяется кодом a(t).

Формальное описание нового МПА задается уравнением:

fff(2)

где j -  номер α.

Разрядность (r) кода z1, z2,..., zp представления j определяется r=log2q. Структурная схема МПА, соответствующая уравнениям (2) приведена в [1, 4]. Как следует из (2) новая система булевых функций (F1H) адресной части МПА не зависит     от числа (q) логических условий, поэтому             V(F1H)=m*2m+2 . Для случая (m=5, q=10) получим L=V(F1)/V(F1H)  равную 256, а для (m=6, q=16) величина L = 214 ≈ 16 тыс.

Модификация ГСА не нарушает правил но реализация осуществляется на структуре МПА со снижением объема памяти адресной части в сотни и тысячи раз. Заметим, что новая структура МПА [3] окажется эффективной и при реализации на ПЛМ или ПЛИС, т.к. число входных переменных для F1H , всегда равно (m+2), а для практических даже самых сложных ГСА величина m+2≤8. Для ИУС, не связанных с обработкой информации в реальном времени (химико-технологические процессы, мехатроника среднего быстродействия и др.), вместо аппаратной реализации МПА на ПЗУ, ПЛМ и плис переходят к программной реализации на микроконтроллерах [7]. Для классической  структуры с (m+q) ≥ 12 это проблематично, но для новой структуры МПА, использующей (m+q)≤8 реализация на 8-ми разрядных микроконтроллерах осуществляется методом прямого считывания [1].

Таким образом, новая методика синтеза МПА является определенным «прорывом» в задаче построения высоконадежных быстродействующих средств управления для сложных технических систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  • 1.  Мухопад Ю.Ф. Теория дискретных устройств. Иркутск, ИрГУПС, 2009. - 149 с.
  • 2.  Мухопад А.Ю., Мухопад Ю.Ф. Методика синтеза сложных автоматов. Новосибирск: Научн. вестн. НГТУ, вып. 1 (34), 2009. с 219-222.
  • 3.  Мухопад А.Ю., Мухопад Ю.Ф. Микропрограммный автомат. Патент РФ полезн. модель   № 064785 от 15.12.2008
  • 4.  Мухопад Ю.Ф., Бадмаева Т.С. Синтез автоматов по декомпозированной схеме алгоритма. // Информационные системы контроля и управления на транспорте. Иркутск: ИрИИТ, 2002. с 14-25.
  • 5.  Рыцар Б.Е., Кметь А.Б. Новый метод синтеза цифровых устройств на ПЛМ. Кибернетика и системный анализ. 2003, № 2. с. 63-89.
  • 6.  Соловьев В.В., Климович А. Логическое проектирование цифровых систем на ПЛИС. М.: ГЛ - Телеком, 2008. - 375 с.
  • 7.  Уилмсхерст Т. Разработка встроенных систем на микроконтроллерах PIC. М.: МК - Пресс, 2008. - 543 с.