Основы самосинхронных электронных схем

ОСНОВЫ
САМОСИНХРОННЫХ
ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Л. П. Плеханов

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

2

Оглавление

Предисловие6

глава 1. введение в самосинхронику12

11Проблемыработыиособенностицифровыхсхем12
12Самосинхронныесхемыиихсвойства15
13ЭкспериментальнаяпроверкауникальныхсвойствСС-схем 18
14Физическийподходкдостижениюсамосинхронности22
15Обиспользуемойтерминологии 23

глава 2. Теоретические основы самосинхронных схем 25

21ПринципыпостроенияиработыСС-схем 25

211Индикация26
212Двухфазнаядисциплина 29
213Обратнаясвязь31

22Самосинхронизирующиесякоды33
23ОсноватеорииСС-схем—модельитеорияМаллера41

231МодельМаллераинезависимостьотзадержек41
232ПрименимостьмоделиМаллерадляэлементовиихсоединений44

24БазовыеэлементыСС-схем45

241ОбщаяструктурабазовыхэлементовдляСС-схем46
242СамосинхронныебазовыеэлементыКМДП-технологии48

25Событийныйифункциональныйподходывсамосинхронике53

251ТипысигналовиинтерфейсСС-схемвфункциональномподходе54

252Индицируемость—необходимоесвойстворазомкнутыхСС-схем 56

253Полнаяичастичнаяиндицируемость58

глава 3. Основы построения самосинхронных схем59

31ПодходыксозданиюСС-схем59

311Методысобытийногоподхода60
312NCL-методология61
313ОсобенностиразработкиСС-схемвфункциональномподходе63

4Оглавление

32СпособыиндикациивСС-схемах 64

321Глобальнаяиндикация65
322Схемыредукции65

33ПостроениекомбинационныхСС-схем72

331Парафазноепреобразование73
332СвязьПФС-преобразованияииндикации75
333СС-секции 77
334ОбщийпорядокпостроениякомбинационныхСС-схем79
335СинтезСС-секций 81

34ПравиламанипулированиясигналамивСС-схемах99

341Контрольныесигналы100
342ПФС-сигналы 100
343Бистабильныесигналы101

35СозданиепоследовательностныхСС-схем102

351Использованиебистабильныхячеек102
352Самосинхронныезапоминающиеячейки103
353Самосинхронныеавтоматы107

36Самосинхронныеконвейеры110
37Проблемазадержектрасспослеразветвлений114

глава 4. Примеры самосинхронных схем119

41Комбинационныесхемы120

411Дешифратор120
412Мультиплексор121
413Демультиплексор122
414Схемаравнозначности 123
415Полусумматор124
416Сумматородноразрядный 124

42Схемыспамятью125

421Индикаторныетриггеры125
422Информационныетриггеры129
423Параллельныерегистры135
424Последовательныерегистры135
425Счетчики 140

43Преобразованиемоносигналоввсамосинхронные142

глава 5. анализ схем на самосинхронность145

51Начальныеиосновныесостояния145
52Дисциплинавходныхнаборов147
53Согласованноезамыкание148

531Константноезамыкание 149

54Событийныеметодыанализа(замкнутыхсхем)151

541Прямойметодподиаграммампереходов(ДП)152
542Методдиаграммизменений157

Оглавление5

55Полнотаанализа160

551Обеспечениеполнотывсобытийномподходе162

56Функциональныйметоданализаразомкнутыхсхем(ФМА)163

561Задачианализаразомкнутыхсхем 165
562Формированиевходныхзначений,обеспечениеполноты166
563Проверкаиндицируемостиэлементов167
564Определениепараметроввзаимодействиясокружением170
565Проверкасостязаний171
566Анализдругихлогическихнеисправностей175

57Иерархическийметоданализа(ИМА)176

571ЗадачиИМА177
572Проверкаправильностисоединенийфрагментов178
573Проверкаиндицируемостисигналов179
574ПроверкасоблюдениядисциплиныБС-сигналов179
575Получениепараметровинтерфейсаглавнойсхемы185

глава 6. автоматизация проектирования сс-схем186

61СистемаФОРСАЖ(группаВИВаршавского)187
62Отдельныепрограммыанализа(ИПИРАН)188
63САПРСС-схемпромышленногоназначенияРОНИС(ИПИРАН)189

Послесловие192
литература195
список сокращений200
словарь терминов 201
Приложение. Решение логических уравнений  
и систем207

П1Одноуравнение 207
П2Системауравненийсоднойнеизвестной 207
П3Системауравненийснесколькиминеизвестными208

Предисловие

Дискретныеэлектронныесхемыотличаютсяогромнымразнообразием,новсеонимогутбытьразделенынадвабольшихкласса:синхронныеиасинхронные (здесьидалеевыделяютсякурсивомтермины,поясняемыелибопрямовтексте,либовглоссариивконцекниги)

Синхронныесхемыпоявилисьи развивалисьпервыми,про
должаягосподствоватьвпромышленностиивнастоящеевремяАсинхронныесхемыимеютрядпреимуществпередсинхроннымииполучилибольшоеразвитиевпоследние2—3десятилетияИхисследованиеипостроениеоформилисьвотдельноенаправлениеэлектроники—асинхроникуПубликациивэтомнаправлениивпоследниегодырастутлавинообразноПосложившейсятрадициивсекомпромиссные(притехилииныхограничениях)исмешанные(синхронно-асинхронные)решенияотносяттакжекасинхронике

Темнеменеевсилупроизводственнойи,какследствие,менталь
нойинерцииасинхронныесхемынедостиглисопоставимогоссинхроннымиуровняпромышленногоразвития

Самосинхронныесхемыотносятсякасинхроннымсхемам(деталисуществующейнеоченьстрогойтерминологииприведенывкнигедалее)Ониреализуют«чистый»,бескомпромиссныйподходвасинхронномпостроениисхемипотомуобладаютсвойствами,недостижимымиприсмешанныхикомпромиссныхподходах

Одниотраслитехникиразвиваютсяэволюционно,последователь
но,благодаряусилияммногихспециалистовРазвитиедругихможноназватьреволюционным,происходящимблагодаряединичным,прорывнымпубликациям,открывающимнеизвестныеранеепути

Развитиесамосинхронныхсхем(первоначальноиониназывалисьпростоасинхронными)относитсякреволюционномутипуОносвязаносразработкамидвухвыдающихсяученых,которыхможносчитатьклассикамивасинхроникеКонечно,ониимелисотрудниковисоавторов,но,несомненно,былицентральнымифигурамивсвоихпрорывныхисследованияхЭтоамериканскийпрофессорДэвидМаллер(DavidЕMuller)ироссийскийпрофессорВикторИльичВаршавский

Вдалекиеуже50-егодыXXвекадискретныесхемыназывались«переключательными»истроилисьнаосновеламповых,транзисторных(транзисторытолькопоявились)идажерелейно-контактныхэлементовХотядляэлементовдискретныхсхемсуществовалииасинхронныепрототипы,практическиесхемыстроилисьсобязательнойсинхронизацией,таккакиныеспособытогданебылиизвестны

Предисловие
7

ДэвидЕМаллер(1924—2008)

Фото1959г(сразрешенияархиваИллинойскогоуниверситета)

Вэтихусловиях30-летнийпрофессорприкладнойматематикиИллинойскогоуниверситета(США)ДМаллерзадалсявопросомобальтернативномспособепостроенияпереключательныхсхемТогдапрактическойпотребностивэтомнебыло,носыгралсвоюрольисследовательскийдухВрезультатев1957годупоявилась«Теорияасинхронныхсхем»[1](опубликованав1959году),ставшаяоднимизфундаментовсовременнойасинхроники

Попрошествиилетможноутверждать,чтоэтодействительновы
дающаяся,классическаяработаПростойистрогийязык,отточенныеформулировкиидоказательства,полнаязавершенностьОткрыта(доказана)возможностьсуществованияасинхронныхсхем,определеныиисследованыихсвойстваиповедение,сформулированыкритерииихраспознаванияНеоставленоникакихнеясностей,навсевозможныетеоретическиевопросыестьответыВсовременнуюасинхроникувошлитермины«теорияМаллера»,«гипотезазадержекМаллера»,«модельМаллера»,«C-элементМаллера»Разработанныйвтеорииспособопределенияотсутствиясостязанийсигналовостаетсяипонынебазовымкритериемдлятакихсхем

Следуетотметить,что«Теорияасинхронныхсхем»—чистома
тематическаяработаВозможно,поэтомуонадолгоевремянебылавостребованавэлектронике

Предисловие

ДМаллеручаствовалводномизпроектовILLIAC—серииЭВМИллинойскогоуниверситетав50-егодыОднакоасинхронныесхемытамнепошли—какиз-заихнеобычности,такиоттого,чтопроизводственнаябазаэкономическинебылаготовадляреализациитакихсхемПервыйфактор,вотличиеотвторого,действуетипосейдень

ВэтойтеорииМаллеропередилсвоевремяВдальнейшемвсвоихисследованияхонперешелкдругимматематическимпроблемамтеорииавтоматов,формальныхязыковииным

Теорияасинхронных(самосинхронных)схем«зависла»надолгие20летПричиназаключаласьвтом,чтоизэтойтеорииникакнеследовалиспособыпостроенияконкретныхсхем,дажепростейших,типасамосинхронногоэлементаИ-НЕилисчетноготриггера

ТакиеспособыбылиразработаныВИВаршавскимссотрудни
камиВначале70-хгодовВаршавскийбылужеизвестнымспециалистомвтеорииавтоматовСтолкнувшисьоднаждыструдностьюформальногосинтеза,казалосьбы,простоготриггера,Варшавскийисотрудникипредпринялиширокийпоисклитературы,впроцессекоторогои«открыли»длясебятеориюМаллераЭтатеориясталаосновойихисследованийиразработоквобластиужеконкретныхсамосинхронныхсхемВитогебылипредложеныметодыцеленаправленногопостроенияпрактическихсхем,названныхсамосинхронными,имножествотиповыхрешений

Результатыэтихработизложенывкнигах[2,3]имногихстатьяхВаршавскийсосвоейгруппойполучилиоколо180авторскихсвидетельствипатентовпосамосинхроннымсхемам,зачтосамруководительбылудостоензвания«ИзобретательСССР»

ПлодотворнаядеятельностьгруппыВаршавского,увы,остано
виласьнаэтапевнедренияГруппавыигралавсесоюзныйконкурсМинистерстваэлектроннойпромышленностинаразработкуиизготовлениесамосинхронныхмикросхем,нопроизошлоэтолетом1991годаПоследовавшиеполитическиеиэкономическиепреобразованиясделалиреализациюпроектаневозможной

ЧерезнекотороевремякостякгруппывоглавесВаршавскимот
былвмеждународныйуниверситетАизу(Япония)Ноитам,всилуупомянутойпромышленнойинерции,неудалосьреализоватькакиелибопроектыконкретныхмикросхем

Вначаленовоговекачленыгруппырассеялисьпоразнымстранамигородам,игруппакакцелоепересталасуществоватьПоследняябольшаяпубликациягруппы—книга[4]

Предисловие9

ВикторИльичВаршавский(1933—2005)

ВРоссиинаданныймоментнаправлениесамосинхронныхсхемразвиваетсяединственнойгруппойспециалистоввсоставеИнститутапроблеминформатикиРАН(ИПИРАН)Этагруппанарубеже80—
90-хгодовсотрудничала(вкачествезаказчика)сгруппойВаршавскогоихорошознакомасовсемиееработамиУсилиягруппыИПИРАНнаправленынапроектированиеконкретныхсамосинхронныхсхем,разработкуметодовипрограммныхсредствихсозданияНасчетугруппыполторадесяткапатентовнасамосинхронныесхемы,публикацииидокладывнаучныхизданияхинаконференцияхСработойгруппыможноознакомитьсянаеесайтеhttp://wwwsamosinhronru(дочернемсайтеИПИРАН)
Внастоящеевремяиз-завсебольшейкоммерциализацииэлектроникисредифирм-изготовителейсталомоднымназыватьсвоиизделиясамосинхронными(втомилииномвариантетермина)сцельюпривлеченияклиентовизаказчиковОценить«самосинхронность»такихизделийнепредставляетсявозможным,таккаксхемыихнепубликуютсяПриводимыежеиногдафрагментысхем,«объясняющие»самосинхронность,недостаточны,посколькуэтосвойствонелокально;болеетого,поройтакиефрагментыпоказываюткакразобратное—невозможностьсамосинхронности

Предисловие

Вмиревыходитогромноеколичествопубликацийпоасинхрон
нымсхемамПодавляющеебольшинствоихнесвязаносасинхронностьюпоМаллеру:главнымпризнакомасинхронностисчитаетсяпростоотсутствиеглобальнойсинхронизацииПризнакомсамосинхронностимногиеавторысчитаютзапрос-ответноевзаимодействиеблоковсхемТакоевзаимодействиеулучшаетнекоторыехарактеристикисхем,нонеявляетсядостаточнымусловиемсамосинхронности

Публикуютсятакжеисследованиясхемсистиннойсамосин
хронностьюЭтоработывруслеМаллера—Варшавского,имеющиеявновыраженныйтеоретическийхарактериотносящиесявосновномктеорииавтоматовисетямПетриРаботыДМаллераигруппыВаршавскоготакжеотносятсякобластитеорииавтоматовИте,идругиеоказалисьслишкомтрудныдляпрактическихразработчиковэлектронныхсхемВрезультатесложиласьситуация,когдаразработчикиэлектроннойаппаратурылибосовсемнезнают,либослабопредставляют,какработаютсамосинхронныесхемыичемониотличаютсякакотсинхронных,такиотдругихасинхронныхсхем

Единственнойметодологией,позволяющейразрабатыватьсамосинхронныесхемы,являетсяметодологияNull Convention 
Logic(NCL)[5]фирмыTheseusResearchIncorporatedNCLметодологияпоявиласьвконце1990-хгодовиизложенабезупоминанияосновополагающихработМаллераиВаршавскогоМетодология,по-видимому,претендующаянановизну,содержитряддалеконеновыхприемовОднаизглавныхееоснов—двухфазнаядисциплина—былапредложенагруппойВаршавскогов[2]за20летдопоявленияNCLВпоследнейпредлагаетсяжесткаяконвейернаяструктурапостроениясхемсзапрос-ответнымвзаимодействием,такжедавноизвестная,иограниченныйнаборбазовыхэлементовСоднойстороны,этопозволилоизбежатьбольшихпроблемпроектирования,но,сдругойстороны,получаемыесхемывесьмадалекиотоптимальностиПоразнымоценкам,имеющимсявлитературе,такиесхемыв2,5—4разаизбыточнеепочислутранзисторовсравнительносдругимивозможнымирешениямиисоответственнонеоптимальныпобыстродействиюиэнергопотреблениюСледуетотметитьтакже,чтофирматолькопропагандируетметодологию,ноизделийпонейневыпускает,заказынапроектированиенепринимаетипрограммныхсредствнепредоставляетБолееподробноNCL-методологиярассмотренадалеевкниге

Предисловие
11

Такимобразом,принемаломчислетеоретическихработпосамосинхроникевесьмавеликдефицитлитературы,доступнойбольшинствуразработчиковсхемисистематическиизлагающейвсеаспектысозданиясамосинхронныхсхем—оттеориидопрактики

Настоящаякнигапредназначенаповозможностизаполнитьэтотпробел

глава 1

введение в самОсинхРОнику

1.1. Проблемы работы и особенности цифровых схем

Отличительныеособенностисамосинхронныхсхем(СС-схем)связаныснадежностьюихфункционированияТермины,относящиесякнадежности,определенывстандарте[6]инижебудутвыделеныкромекурсиважирнымшрифтом

Однаизглавныхпроблемработыцифровыхэлектронныхсхем—возникновениеошибокОшибкивданномслучае—этонесоответствиезначенийсигналоввнутрисхемыинаеевыходахправильнымзначениям,предусмотреннымприихсоздании

Ошибкимогутпорождатьсявнешнимивоздействиямиивнутрен
нимипричинами

Внешниевоздействиясвязаныстакимифакторами,какэлек
тромагнитныенаводки,ударыэнергичныхэлементарныхчастиц,влажность,перегрузкиидругиеподобныеявленияВопросзащитыотвнешнихвоздействийсоставляетотдельноенаправлениеисследованийинеявляетсяпредметомданнойкниги

Внутренниепричиныошибокобусловленыспособомпостроениясхемыиусловиями,вкоторыхонаработаетТакихвнутреннихпричиндве

1Состязаниясигналов(гонки)наэлементах,тетакиеизменениявходовэлементов,которыевызываютошибочныеизмененияихвыходови,какрезультат,выходоввсейсхемы

2Возникновениеотказов схемыОтказыпроисходятприпоте
рефизическойработоспособностивнутреннихструктур,вызваннойусловиямиработы:температурой,напряжениемпитания,атакжестарениемидругимипроцессами

Напримересостязанийможнообъяснитьсинхронныйиасин
хронныйпринципыработысхемСобственно,синхронныйпринципивозниккакспособизбежатьсостязаний

11Проблемыработыиособенностицифровыхсхем
13

Доказано(иэтопрактическиочевидно),чтолюбойлогическийэлемент,имеющийдваилиболеевходов,подверженсостязаниямРассмотримлогическийэлементнарис11,а

Рис. 1.1. Логическийэлемент(а)иэлементсблокирующимсигналомC(б)

Влюбомэлементевсегданайдетсяпаравходов,напримерx1иx2,об
ладающаяследующимсвойством:еслиx1меняетсяпервым,аx2—вторым,товыходyнеменяется;еслижесначаламеняетсяx2,азатемx1
(снекоторойзадержкой),тонавыходеyпоявитсяимпульс,какправило,нежелательныйЭтотэффектисоставляетсущностьгонок

Причинынеодновременного,рассогласованногоизменениясиг
наловизвестны:разброспараметрови,соответственно,задержексхемы,старение,влияниенагрузок,температуры,напряженияпитанияидругихфакторов

Посколькуприпроизвольномпорядкеизмененийвходныхсиг
наловэлементовизбежатьгонокневозможно,единственнымпутемборьбыснимибудетупорядочениеэтихизменений,тевведениедисциплинысигналов

Дисциплинасигналовсостоитвтом,чтовработесхемыилиеечастейчередуютсядвапериода:водномпериодеизменениявходовдопустимы(разрешенныйпериод),авдругом—нет(запрещенныйпериод)

Однимизпростейшихспособоворганизациидисциплиныявляет
сявведениеблокирующегосигнала(рис11,б,сигналC)Разрешенныйизапрещенныйпериодыопределяютсяегозначениями:нарисункеприC=1—запрещенный,приC=0—разрешенныйпериод

Синхронныйпринципреализуетсятем,чтоблокирующийсигналподаетсяоттактовогогенератора,которыйиопределяетобапериодаКакправило,тактовыйгенераторявляетсяобщим(глобальным)длявсейсхемы

Асинхронныйпринципотличаетсяотсинхронноготем,чтолибоблокирующегосигналанетидисциплинаорганизуетсядругимспособом,либо,еслионесть,формируетсялокальноинесвязансглобальнымтактированием