Полный текст

Введение. Самосинхронные цифровые схемы (ССС, апериодические схемы, speed independent, self-timed circuits, delay insensitive, circuits insensetive to delays in gates and wires) [1-6] в качестве одного из основных элементов содержат так называемый Г-триггер (гистерезисный триггер, Г-триггер, или С-элемент Маллера). Г-триггер фиксирует завершение всех входных переходных процессов путем анализа соответствующих индикаторов схемы. В настоящее время активно развивается проблематика отказоустойчивости ССС [7-9], которая наталкивается на определенные трудности при анализе завершения переходного процесса в резервированной ССС. Статья посвящена попытке разработки и исследованию специфического гистерезисного триггера, работающего в дублированной ССС. Принцип работы ССС. Самосинхронная схема (ССС) строится по двухканальному принципу: имеются основной и двойственный каналы (например, одновыходной комбинационной цифровой схемы, реализуется двойственная логическая функция), на которые подаются либо парафазный входной вектор (переменные + их инверсии), либо так называемый спейсер (полностью нулевой или полностью единичный вектор). Выходы значений некоторой логической функции Z-основного и не Z-двойственного каналов подключены к так называемому индикатору (рис. 1). Используется двухфазная дисциплина вычислений. В фазе спейсера (или гашения) индикаторы формируют сигналы ее окончания, например, ноль в случае использование единичного спейсера и элемента 2ИЛИ-НЕ. Далее в рабочей фазе подается входной парафазный вектор, и, когда выходы двух каналов примут взаимно инверсные значения, что означает завершение переходного процесса, то на выходе индикатора будет сформирована единица. Эти сигналы индикаторов и анализируются специальными гистерезисными триггерами (Г-триггерами или элементами Маллера, С-элементами) с целью формирования очередной фазы гашения и передачи результата вычислений в следующий блок. Таким образом, реализуется работа по реальным задержкам элементов и связей. Канал Двойственный канал Выходы предыдущего блока Рис. 1. Самосинхронная схема с индикатором I1 С-элемент Маллера. По существу, это специфический элемент памяти-триггер (flip-flop). Он ожидает завершения переходных процессов на входах ab (когда они оба станут единицами), после чего переходит в состояние Y(t) = 1, из которого возвращается в состояние Y(t) = 0 в том случае, когда оба входа станут нулями (рис. 2). Рис. 2. Таблица переходов-выходов С-элемента на 2 входа ab Это не что иное, как мажоритарная функция или функция голосования по большинству голосов: (1) Преобразуя (1) с помощью двойной инверсии, получим (2) Инверсия мажоритарной функции (1)-(2) - та же функция, но от инверсных переменных, в связи с самодвойственностью (1). Соответствующая КМОП-схема известного гистерезисного триггера (Г-триггера или С-элемент Маллера) изображена на рис. 3. Рис. 3. КМОП-реализация гистерезисного триггера (С элемента) на 2 входа ab Такой элемент b «собирает» сигналы индикаторов I в ССС и имеется в библиотеке элементов самосинхронной схемотехники [6], и именно он является корректным, так как удовлетворяет требованию однокаскадности. Двухканальная самосинхронная схема. В литературе часто декларируется свойство обнаружения константных отказов, но фактически это свойство может быть использовано только при наличии дополнительной аппаратуры (например, фиксатора-счетчика допустимого максимального времени переходного процесса) в активно отказоустойчивой аппаратуре, требующей перерыва в работе для восстановления (и аппаратуры восстановления-реконфигурации и резервного оборудования), что не всегда возможно для так называемых онлайн-задач. В то же время возможности создания пассивно-отказоустойчивых самосинхронных схем не нашли должного отражения в доступных источниках, и можно сделать вывод о том, что теория пассивно-отказоустойчивых самосинхронных схем только формируется. После введения второго канала вычислений той же логической функции Z схема с учетом (см. рис. 1) становится фактически четырехканальной (рис. 4). Канал1 Двойственный канал1 Двойственный канал2 Канал2 Рис. 4. Самосинхронная схема с двумя каналами 1, 2 и двумя индикаторами I1, I2 Но встает проблема анализа завершения переходного процесса в каналах. При допущении только одного отказа в одном из четырех компонентов в составе аппаратуры «канал1, двойственный канал1, канал2, двойственный канал2» либо в одном из двух индикаторов возможно ли использовать только один сигнал завершения переходного процесса? Предложим «слабый» С-элемент на 2 канала ab, не ждущий завершения всех переходных процессов, работающий по принципу «кто вперед» (рис. 5). Рис. 5. Таблица переходов-выходов совсем слабого С-элемента на 2 канала ab Переходы 00 в 11 и другие подобные зарезервированы для случаев маловероятного одновременного изменения входов. Кодированная таблица переходов-выходов слабого С-элемента на 2 канала ab представлена на (рис. 6). Рис. 6. Кодированная таблица переходов-выходов совсем слабого С-элемента на 2 канала ab Минимизация логических функций. Выделим из рис. 5 функцию переходов Y1(t + 1) (рис. 7). Рис. 7. Таблица переходов только Y1(t+1) Для минимизации методом поразрядного сравнения рабочих и запрещенных двоичных кодов по рис. 6 построим таблицу наборов функции Y1(t + 1) (рис. 8). Рис. 8. Таблица минимизации функции Y1(t + 1) (зеленым выделены рабочие (разрешенные, единичные) наборы функции, красным - запрещенные (нулевые)) Получим: (3) Построим таблицу наборов функции Y2(t + 1) (рис. 9). Рис. 9. Таблица переходов только Y2(t + 1) Выполним минимизацию (рис. 10). Рис. 10. Таблица минимизации функции Y1(t + 1) (зеленым выделены рабочие (разрешенные, единичные) наборы функции, красным - запрещенные (нулевые)) Получим: (4) Построим таблицу наборов функции Y2(t + 1) (рис. 11, 12). Рис. 11. Таблица переходов только Y3(t + 1) Рис. 12. Таблица минимизации функции Y1(t + 1) (зеленым выделены рабочие (разрешенные, единичные) наборы функции, красным - запрещенные (нулевые)) Получим: (5) Выводы. Таким образом, необходимо 6 состояний, а функции переходов гистерезисного триггера могут быть реализованы в пределах ограничений [10] - не более 4 транзисторов в цепочку или параллельно, для чего в связи с известными трудностями создания отечественной электронной компонентной базы [11] можно использовать базовые матричные кристаллы [12-14], включающие стандартные ячейки транзисторов. В свою очередь, реализация такого триггера позволит внести определенный вклад в дело создания радиационно-устойчивых цифровых устройств [15, 16], а также в только еще формирующиеся теоретические основы синтеза отказоустойчивых самосинхронных схем (ССС) [17-19]. В дальнейшем целесообразно исследовать вопрос организации смены фаз работы в пассивно-отказоустойчивой ССС в связи с тем, что необходимо согласовать с ними наборы кодов состояний триггера.

Об авторах

А. Н Каменских

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

С. Ф Тюрин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 46

PDF (Russian) - 39

Ссылки

• Ссылки не определены.