Full Text

Введение. Логические операции [1-3] широко используются при реализации управляющих [4-6] и кодирующих, и других цифровых устройств [7-9]. В программируемых логических устройствах (ПЛИС) типа FPGA (field-programmable gate array) [10-13] логические функции реализуются путем настройки деревьев передающих транзисторов значениями таблиц истинности, поэтому они получили название LUT (Look upTable). Однако ПЛИС другого типа - CPLD (complex programmable logic devices) [14] основаны на логике программируемых матриц, которые были изобретены в начале 70-х годов ХХ века [15-17]. Первые матрицы были однократно программируемыми с так называемыми пережигаемыми (плавкими) перемычками, затем появились электрически перепрограммируемые матрицы [17-19]. Логические матрицы содержат подматрицы «И» и «ИЛИ» и могут быть классифицированы в соответствии с тем, какие подматрицы программируются, а какие фиксированы. Такая классификация программируемых матриц [19] представлена на рис. 1. Рис. 1. Классификация программируемых матриц Таким образом, в случае фиксированной матрицы «И» и программируемой матрицы «ИЛИ» получаем постоянную память (ПЗУ, ROM- read-only memory), для электрически перепрограммируемых устройств - это EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory). Если программируются обе матрицы, получаем ПЛМ - программируемую логическую матрицу (PLA - programmable logic array). В случае программирования только матрицы «И», получаем ПМЛ - программируемую матрицу логики (PAL - programmable array logic). Структура ПЛМ и ПМЛ изображена на рис. 2. а б Рис. 2. Обобщённая структура логической матрицы: а - ПЛМ (PLA); б - ПМЛ(PAL) в ПЛИС типа CPLD; в - структура логики CPLD в Рис. 2. Окончание Однако приведённые структуры не раскрывают деталей программирования логики. Вызывает интерес рассмотрение особенностей программирования логических матриц с целью повышения их отказоустойчивости в специальных приложениях, например в радиационно-стойкой аппаратуре [11, 12]. 1. Принцип программирования логики. Принцип программирования логики, например реализация некоторой конъюнкции, может заключаться в закорачивании либо в незакорачивании передающих МОП-транзисторов (А, В, С, D) по заданным переменным [17-19] (рис. 3, а). Это может быть выполнено однократно - плавкой перемычкой либо другим транзистором, программируемым электрически. Однако возникают проблемы управления выходными транзисторами строк (см. рис. 3, а) при большом числе переменных [20], поэтому используются инверторы в качестве буферных элементов. Кроме того, резисторы реализуются с использованием тех же МОП-транзисторов переменных (рис. 3, б). Программирование по i-й переменной j-й функции, зависящей от одной переменной, с учётом её возможного инверсного значения, может быть представлено следующим образом: (1) а б Рис. 3. Программирование логики: а - с использованием резисторов и с управлением затвором МОП-транзисторов, б - с реализацией резисторов на основе МОП-транзисторов и с буферными инверторами Для функции, содержащей n переменных, получим: (2) Причём для s выполняются следующие условия: для существенной переменной, для несущественной переменной. 3. Отказоустойчивый узел программирования переменной. Для обеспечения отказоустойчивости программируемой логики используем результаты, описанные в [21-24]. Получим выражение, обеспечивающее парирование одного отказа транзистора переменной или транзистора настройки в ДНФ: (3) В КНФ выражение имеет вид: (4) Моделирование отказоустойчивого узла программирования одной переменной без учёта необходимости моделирования инвертора и резистора, реализованного на дополнительном транзисторе, изображено на рис. 4. а б в Рис. 4. Моделирование отказоустойчивого узла программирования одной переменной: а - переменная исключена, на входе 0; б - переменная исключена, на входе 1; в - переменная включена, на входе 0; г - переменная включена, на входе 1 г Рис. 4. Окончание Таким образом, парируется отказ одного транзистора как в блоке переменной, так и в блоке настройки. Для ДНФ парирование r отказов по некоторой i-й переменной описывается выражением: (5) Вероятность безотказной работы для экспоненциальной модели имеет вид: (6) Так, в случае r = 3 парируется отказ любых 3 транзисторов по каждой переменной: (7) Графики изменения вероятностей безотказной работы нерезервированного транзистора , схемы FCT, парирующей один отказ , схемы FCT, парирующей два отказа и схемы FCT, парирующей три отказа изображены на рис. 5. а б Рис. 5. Графики изменения вероятностей безотказной работы нерезервированного транзистора, схемы FCT, парирующей один отказ , схемы FCT, парирующей два отказа и схемы FCT, парирующей три отказа при интенсивности отказов 10 в минус пятой степени 1/ч; а - в диапазоне вероятности от 1 до 0; б - в диапазоне вероятности от 1 до 0,4 Выводы. Таким образом, программирование конъюнкций в логической матрице может выполняться путём включения либо исключения данной переменной, либо её инверсии с помощью транзистора настройки. Для несущественной переменной исключаются и она сама, и её инверсия. При этом в случае истинности конъюнкции (равенства конъюнкции единице) с помощью нагрузочного резистора, которой реализуется на дополнительном передающем транзисторе, и инвертора на выходе матрицы «И» (на выходе инвертора) формируется логический ноль. В случае ложности конъюнкции (равенства конъюнкции нулю) на выходе инвертора формируется единица. Реализация матрицы «ИЛИ» может быть выполнена путём включения или исключения заданных выходов матрицы «И» с помощью транзисторов настройки матрицы «ИЛИ» для получения требуемой ДНФ. Для повышения вероятности безотказной работы логической матрицы возможно использовать транзисторное резервирование. Моделирование подтверждает работоспособность предложенного резервирования, а оценка вероятности безотказной работы доказывает высокую эффективность такой отказоустойчивой матрицы в высоконадёжных приложениях, например в аэрокосмической области, где требуется обеспечить работоспособность в условиях воздействия негативных внешних факторов.

About the authors

S. F Tyurin

Perm National Research Polytechnic University

A. S Prokhorov

JSC «ER-Telecom Holding»

References

Statistics

Views

Abstract - 23

PDF (Russian) - 13

Refbacks

• There are currently no refbacks.