Основы самосинхронных электронных схем
Покупка
Тематика:
Схемотехника. Общие вопросы
Издательство:
Лаборатория знаний
Автор:
Плеханов Леонид Петрович
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 211
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-00101-760-8
Артикул: 621006.02.99
В монографии подробно представлены начальные понятия, принципы работы, свойства, поведение и построение самосинхронных схем. Приведены примеры комбинационных и последовательностных схем, а также результаты экспериментальной проверки их уникальных свойств. Изложение ведется с позиций нового, функционального, подхода, основанного на исследовании логических функций, описывающих элементы схем, без привлечения методов теории автоматов. Аналогов данного подхода ни в отечественной, ни в зарубежной литературе не отмечено.
Для специалистов по дискретной электронике, аспирантов и студентов этого направления. Может также использоваться как для начального ознакомления, так и для учебного процесса.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 11.04.01: Радиотехника
- 11.04.03: Конструирование и технология электронных средств
- 11.04.04: Электроника и наноэлектроника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Л. П. Плеханов ОСНОВЫ САМОСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ 3-е издание, электронное Москва Лаборатория знаний 2020
УДК 621.38 ББК 32.844 П38 Плеханов Л. П. П38 Основы самосинхронных электронных схем / Л. П. Плеханов. — 3-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 211 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный. ISBN 978-5-00101-760-8 В монографии подробно представлены начальные понятия, принципы работы, свойства, поведение и построение самосинхронных схем. Приведены примеры комбинационных и последовательностных схем, а также результаты экспериментальной проверки их уникальных свойств. Изложение ведется с позиций нового, функционального, подхода, основанного на исследовании логических функций, описывающих элементы схем, без привлечения методов теории автоматов. Аналогов данного подхода ни в отечественной, ни в зарубежной литературе не отмечено. Для специалистов по дискретной электронике, аспирантов и студентов этого направления. Может также использоваться как для начального ознакомления, так и для учебного процесса. УДК 621.38 ББК 32.844 Деривативное издание на основе печатного аналога: Основы самосинхронных электронных схем / Л. П. Плеханов. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 208 с. : ил. — ISBN 978-5-9963-1504-8. В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации ISBN 978-5-00101-760-8 c ○Лаборатория знаний, 2015
Оглавление Предисловие 6 Глава 1. Введение в самосинхронику 12 1.1. Проблемы работы и особенности цифровых схем12 1.2. Самосинхронные схемы и их свойства15 1.3. Экспериментальная проверка уникальных свойств СС-схем 18 1.4. Физический подход к достижению самосинхронности 22 1.5. Об используемой терминологии 23 Глава 2. Теоретические основы самосинхронных схем 25 2.1. Принципы построения и работы СС-схем 25 2.1.1. Индикация 26 2.1.2. Двухфазная дисциплина 29 2.1.3. Обратная связь31 2.2. Самосинхронизирующиеся коды33 2.3. Основа теории СС-схем — модель и теория Маллера41 2.3.1. Модель Маллера и независимость от задержек41 2.3.2. Применимость модели Маллера для элементов и их соединений 44 2.4. Базовые элементы СС-схем45 2.4.1. Общая структура базовых элементов для СС-схем46 2.4.2. Самосинхронные базовые элементы КМДП-технологии 48 2.5. Событийный и функциональный подходы в самосинхронике53 2.5.1. Типы сигналов и интерфейс СС-схем в функциональном подходе54 2.5.2. Индицируемость — необходимое свойство разомкнутых СС-схем 56 2.5.3. Полная и частичная индицируемость58 Глава 3. Основы построения самосинхронных схем59 3.1. Подходы к созданию СС-схем59 3.1.1. Методы событийного подхода60 3.1.2. NCL-методология61 3.1.3. Особенности разработки СС-схем в функциональном подходе63
4 Оглавление 3.2. Способы индикации в СС-схемах 64 3.2.1. Глобальная индикация65 3.2.2. Схемы редукции65 3.3. Построение комбинационных СС-схем 72 3.3.1. Парафазное преобразование 73 3.3.2. Связь ПФС-преобразования и индикации75 3.3.3. СС-секции 77 3.3.4. Общий порядок построения комбинационных СС-схем 79 3.3.5. Синтез СС-секций 81 3.4. Правила манипулирования сигналами в СС-схемах99 3.4.1. Контрольные сигналы100 3.4.2. ПФС-сигналы 100 3.4.3. Бистабильные сигналы 101 3.5. Создание последовательностных СС-схем 102 3.5.1. Использование бистабильных ячеек 102 3.5.2. Самосинхронные запоминающие ячейки 103 3.5.3. Самосинхронные автоматы107 3.6. Самосинхронные конвейеры 110 3.7. Проблема задержек трасс после разветвлений 114 Глава 4. Примеры самосинхронных схем 119 4.1. Комбинационные схемы 120 4.1.1. Дешифратор120 4.1.2. Мультиплексор 121 4.1.3. Демультиплексор122 4.1.4. Схема равнозначности 123 4.1.5. Полусумматор124 4.1.6. Сумматор одноразрядный 124 4.2. Схемы с памятью 125 4.2.1. Индикаторные триггеры 125 4.2.2. Информационные триггеры129 4.2.3. Параллельные регистры135 4.2.4. Последовательные регистры135 4.2.5. Счетчики 140 4.3. Преобразование моносигналов в самосинхронные 142 Глава 5. Анализ схем на самосинхронность145 5.1. Начальные и основные состояния 145 5.2. Дисциплина входных наборов147 5.3. Согласованное замыкание 148 5.3.1. Константное замыкание 149 5.4. Событийные методы анализа (замкнутых схем) 151 5.4.1. Прямой метод по диаграммам переходов (ДП)152 5.4.2. Метод диаграмм изменений 157
Оглавление 5 5.5. Полнота анализа160 5.5.1. Обеспечение полноты в событийном подходе162 5.6. Функциональный метод анализа разомкнутых схем (ФМА)163 5.6.1. Задачи анализа разомкнутых схем 165 5.6.2. Формирование входных значений, обеспечение полноты 166 5.6.3. Проверка индицируемости элементов 167 5.6.4. Определение параметров взаимодействия с окружением170 5.6.5. Проверка состязаний 171 5.6.6. Анализ других логических неисправностей 175 5.7. Иерархический метод анализа (ИМА) 176 5.7.1. Задачи ИМА177 5.7.2. Проверка правильности соединений фрагментов178 5.7.3. Проверка индицируемости сигналов179 5.7.4. Проверка соблюдения дисциплины БС-сигналов 179 5.7.5. Получение параметров интерфейса главной схемы185 Глава 6. Автоматизация проектирования сс-схем 186 6.1. Система ФОРСАЖ (группа В. И. Варшавского)187 6.2. Отдельные программы анализа (ИПИРАН)188 6.3. САПР СС-схем промышленного назначения РОНИС (ИПИРАН)189 Послесловие 192 Литература195 Список сокращений200 Словарь терминов 201 Приложение. Решение логических уравнений и систем207 П. 1. Одно уравнение 207 П. 2. Система уравнений с одной неизвестной 207 П. 3. Система уравнений с несколькими неизвестными 208
Предисловие Дискретные электронные схемы отличаются огромным разнообразием, но все они могут быть разделены на два больших класса: синхронные и асинхронные (здесь и далее выделяются курсивом термины, поясняемые либо прямо в тексте, либо в глоссарии в конце книги). Синхронные схемы появились и развивались первыми, продолжая господствовать в промышленности и в настоящее время. Асинхронные схемы имеют ряд преимуществ перед синхронными и получили большое развитие в последние 2—3 десятилетия. Их исследование и построение оформились в отдельное направление электроники — асинхронику. Публикации в этом направлении в последние годы растут лавинообразно. По сложившейся традиции все компромиссные (при тех или иных ограничениях) и смешанные (синхронно-асинхронные) решения относят также к асинхронике. Тем не менее в силу производственной и, как следствие, ментальной инерции асинхронные схемы не достигли сопоставимого с синхронными уровня промышленного развития. Самосинхронные схемы относятся к асинхронным схемам (детали существующей не очень строгой терминологии приведены в книге далее). Они реализуют «чистый», бескомпромиссный подход в асинхронном построении схем и потому обладают свойствами, недостижимыми при смешанных и компромиссных подходах. Одни отрасли техники развиваются эволюционно, последовательно, благодаря усилиям многих специалистов. Развитие других можно назвать революционным, происходящим благодаря единичным, прорывным публикациям, открывающим неизвестные ранее пути. Развитие самосинхронных схем (первоначально и они назывались просто асинхронными) относится к революционному типу. Оно связано с разработками двух выдающихся ученых, которых можно считать классиками в асинхронике. Конечно, они имели сотрудников и соавторов, но, несомненно, были центральными фигурами в своих прорывных исследованиях. Это американский профессор Дэвид Маллер (David Е. Muller) и российский профессор Виктор Ильич Варшавский. В далекие уже 50-е годы XX века дискретные схемы назывались «переключательными» и строились на основе ламповых, транзисторных (транзисторы только появились) и даже релейно-контактных элементов. Хотя для элементов дискретных схем существовали и асинхронные прототипы, практические схемы строились с обязательной синхронизацией, так как иные способы тогда не были известны.
Предисловие 7 Дэвид Е. Маллер (1924—2008). Фото 1959 г. (с разрешения архива Иллинойского университета) В этих условиях 30-летний профессор прикладной математики Иллинойского университета (США) Д. Маллер задался вопросом об альтернативном способе построения переключательных схем. Тогда практической потребности в этом не было, но сыграл свою роль исследовательский дух. В результате в 1957 году появилась «Теория асинхронных схем» [1] (опубликована в 1959 году), ставшая одним из фундаментов современной асинхроники. По прошествии лет можно утверждать, что это действительно выдающаяся, классическая работа. Простой и строгий язык, отточенные формулировки и доказательства, полная завершенность. Открыта (доказана) возможность существования асинхронных схем, определены и исследованы их свойства и поведение, сформулированы критерии их распознавания. Не оставлено никаких неясностей, на все возможные теоретические вопросы есть ответы. В современную асинхронику вошли термины «теория Маллера», «гипотеза задержек Маллера», «модель Маллера», «C-элемент Маллера». Разработанный в теории способ определения отсутствия состязаний сигналов остается и поныне базовым критерием для таких схем. Следует отметить, что «Теория асинхронных схем» — чисто математическая работа. Возможно, поэтому она долгое время не была востребована в электронике.
8 Предисловие Д. Маллер участвовал в одном из проектов ILLIAC — серии ЭВМ Иллинойского университета в 50-е годы. Однако асинхронные схемы там не пошли — как из-за их необычности, так и оттого, что производственная база экономически не была готова для реализации таких схем. Первый фактор, в отличие от второго, действует и по сей день. В этой теории Маллер опередил свое время. В дальнейшем в своих исследованиях он перешел к другим математическим проблемам теории автоматов, формальных языков и иным. Теория асинхронных (самосинхронных) схем «зависла» на долгие 20 лет. Причина заключалась в том, что из этой теории никак не следовали способы построения конкретных схем, даже простейших, типа самосинхронного элемента И-НЕ или счетного триггера. Такие способы были разработаны В. И. Варшавским с сотрудниками. В начале 70-х годов Варшавский был уже известным специалистом в теории автоматов. Столкнувшись однажды с трудностью формального синтеза, казалось бы, простого триггера, Варшавский и сотрудники предприняли широкий поиск литературы, в процессе которого и «открыли» для себя теорию Маллера. Эта теория стала основой их исследований и разработок в области уже конкретных самосинхронных схем. В итоге были предложены методы целенаправленного построения практических схем, названных самосинхронными, и множество типовых решений. Результаты этих работ изложены в книгах [2, 3] и многих статьях. Варшавский со своей группой получили около 180 авторских свидетельств и патентов по самосинхронным схемам, за что сам руководитель был удостоен звания «Изобретатель СССР». Плодотворная деятельность группы Варшавского, увы, остановилась на этапе внедрения. Группа выиграла всесоюзный конкурс Министерства электронной промышленности на разработку и изготовление самосинхронных микросхем, но произошло это летом 1991 года. Последовавшие политические и экономические преобразования сделали реализацию проекта невозможной. Через некоторое время костяк группы во главе с Варшавским отбыл в международный университет Аизу (Япония). Но и там, в силу упомянутой промышленной инерции, не удалось реализовать какиелибо проекты конкретных микросхем. В начале нового века члены группы рассеялись по разным странам и городам, и группа как целое перестала существовать. Последняя большая публикация группы — книга [4].
Предисловие 9 Виктор Ильич Варшавский (1933—2005) В России на данный момент направление самосинхронных схем развивается единственной группой специалистов в составе Института проблем информатики РАН (ИПИРАН). Эта группа на рубеже 80— 90-х годов сотрудничала (в качестве заказчика) с группой Варшавского и хорошо знакома со всеми ее работами. Усилия группы ИПИРАН направлены на проектирование конкретных самосинхронных схем, разработку методов и программных средств их создания. На счету группы полтора десятка патентов на самосинхронные схемы, публикации и доклады в научных изданиях и на конференциях. С работой группы можно ознакомиться на ее сайте http://www.samosinhron.ru (дочернем сайте ИПИРАН). В настоящее время из-за все большей коммерциализации электроники среди фирм-изготовителей стало модным называть свои изделия самосинхронными (в том или ином варианте термина) с целью привлечения клиентов и заказчиков. Оценить «самосинхронность» таких изделий не представляется возможным, так как схемы их не публикуются. Приводимые же иногда фрагменты схем, «объясняющие» самосинхронность, недостаточны, поскольку это свойство нелокально; более того, порой такие фрагменты показывают как раз обратное — невозможность самосинхронности.
10 Предисловие В мире выходит огромное количество публикаций по асинхронным схемам. Подавляющее большинство их не связано с асинхронностью по Маллеру: главным признаком асинхронности считается просто отсутствие глобальной синхронизации. Признаком самосинхронности многие авторы считают запрос-ответное взаимодействие блоков схем. Такое взаимодействие улучшает некоторые характеристики схем, но не является достаточным условием самосинхронности. Публикуются также исследования схем с истинной самосинхронностью. Это работы в русле Маллера—Варшавского, имеющие явно выраженный теоретический характер и относящиеся в основном к теории автоматов и сетям Петри. Работы Д. Маллера и группы Варшавского также относятся к области теории автоматов. И те, и другие оказались слишком трудны для практических разработчиков электронных схем. В результате сложилась ситуация, когда разработчики электронной аппаратуры либо совсем не знают, либо слабо представляют, как работают самосинхронные схемы и чем они отличаются как от синхронных, так и от других асинхронных схем. Единственной методологией, позволяющей разрабатывать самосинхронные схемы, является методология Null Convention Logic (NCL) [5] фирмы Theseus Research Incorporated. NCLметодология появилась в конце 1990-х годов и изложена без упоминания основополагающих работ Маллера и Варшавского. Методология, по-видимому, претендующая на новизну, содержит ряд далеко не новых приемов. Одна из главных ее основ — двухфазная дисциплина — была предложена группой Варшавского в [2] за 20 лет до появления NCL. В последней предлагается жесткая конвейерная структура построения схем с запрос-ответным взаимодействием, также давно известная, и ограниченный набор базовых элементов. С одной стороны, это позволило избежать больших проблем проектирования, но, с другой стороны, получаемые схемы весьма далеки от оптимальности. По разным оценкам, имеющимся в литературе, такие схемы в 2,5—4 раза избыточнее по числу транзисторов сравнительно с другими возможными решениями и соответственно неоптимальны по быстродействию и энергопотреблению. Следует отметить также, что фирма только пропагандирует методологию, но изделий по ней не выпускает, заказы на проектирование не принимает и программных средств не предоставляет. Более подробно NCL-методология рассмотрена далее в книге.