Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке новых методов и подходов, основанных на общей формальной технологии (ОФТ), к задачам системного анализа с последующим синтезом различных аналого-цифровых устройств (АЦУ), способных обрабатывать гетерогенные (разнородные) информационные сигналы. Исследуются также вопросы корректного синтеза замкнутых гетерогенных подсистем для таких АЦУ.
Актуальность работы. Обработка информации - основной процесс в промышленных системах управления, автоматизированных информационных и измерительных системах. Характерной чертой таких систем является многообразие обрабатываемых сигналов различной физической природы и формы. В связи с этим в электронной промышленности развивается перспективное направление - разработка многофункциональных программируемых аналого-цифровых систем на кристалле (МПАЦ СНК). МПАЦ СНК обладают рядом преимуществ:
- позволяют выполнить замену части программных операций их аппаратными реализациями, это позволяет увеличить скорость обработки информации и разгрузить центральный процессор;
- обеспечивают большую надежность, так как для некоторых операций возможно несколько реализаций, следовательно, возможна замена неисправных функциональных блоков совокупностью блоков, реализующих те же операции другими методами;
- обладают большей многофункциональностью, поскольку могут иметь перестраиваемую в рабочем режиме архитектуру, что дает возможность настраивать систему на решение новых задач, благодаря чему такие системы оказываются очень полезными в условиях высоких требований к массе и объему аппаратуры;
- благодаря совмещению аналоговой и цифровой частей можно получать однокристальные системы, работающие в самых разнообразных режимах, что позволяет в перспективе отказаться от специализированных схем, заменив их МПАЦ СНК.
Это направление по проектным нормам (менее 90 нм) близко к нанотехнологиям и позволяет строить микроминиатюрные системы с совершенно новыми качествами для совместной обработки гетерогенных сигналов.
Анализ состояния в области создания гетерогенных систем свидетельствует о том, что существующие методы их синтеза, основанные на классическом подходе и использующие в основном два набора гомогенных функциональных блоков – для обработки двоичных цифровых и аналоговых сигналов напряжения, не решают всех связанных с этим проблем в полном объеме, поскольку не учитывают функциональные и схемотехнические возможности, представляемые другими типами сигналов – например, токовыми. Кроме того, теоретические вопросы, связанные с эффективной стыковкой таких сигналов в соответствующих функциональных блоках также рассмотрены недостаточно подробно, поскольку ориентированы в основном на использование аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Отмеченные недостатки привели к тому, что ряд фирм при попытке выхода на рынок МПАЦ СНК потерпел неудачу.
Таким образом, разработка новых, теоретически обоснованных методов системного анализа и синтеза архитектур и схемотехнических решений для МПАЦ СНК, содержащих различные гомогенные и гетерогенные функциональные блоки обработки информации и имеющих максимально широкую функциональность, весьма актуальна и востребована.
Целью диссертационной работы является разработка теоретически обоснованных методов анализа и синтеза гетерогенных систем, подсистем и функциональных блоков обработки информации для АЦУ и многофункциональных программируемых аналого-цифровых систем на кристалле.
Путь к достижению этой цели связан с решением следующих задач:
- анализом существующих фрагментов гомогенных и гетерогенных подсистем АЦУ и МПАЦ СНК, определением их основных общесистемных характеристик и критериев оценки с целью дальнейшей модификации и оптимизации на основе гетерогенных реализаций;
- разработкой новых методов, основанных на ОФТ, для системного анализа и корректного синтеза гетерогенных подсистем и блоков;
- разработкой основ методологии замены существующих подсистем новыми гетерогенными функциональными аналогами с оценкой их параметров по подходящему критерию с целью дальнейшего отбора оптимального варианта;
- проверкой эффективности разработанной методологии на примерах синтеза гетерогенных подсистем коррекции погрешностей смещения нуля непрерывных дифференциальных операционных усилителей (ДОУ) с улучшенными характеристиками.
Методы исследований включают в себя общую теорию систем, теорию общей формальной технологии, элементы теории графов, математической логики, теории вычислений, методы комбинаторики, основы технологии проектирования интегральных микросхем и методы формирования их топологии.
Научная новизна определяется дальнейшим развитием теоретических основ и методов анализа гетерогенных электронных схем на основе формально-технологического подхода и разработкой новой методологии, связанной с синтезом гетерогенных функциональных систем и блоков обработки информации для различных АЦУ и многофункциональных программируемых систем на кристалле.
Научную новизну раскрывают следующие результаты:
-
Разработаны базовые элементы теории гетерогенных функциональных блоков и систем на их основе, отличающиеся их формальным представлением как объектов, обладающих гетерогенными типами входных и выходных сигналов или (и) физических параметров и связанными с этими сигналами (и/или параметрами) функциональностями.
-
Предложен метод синтеза гетерогенных замкнутых подсистем, позволяющий выбирать по критериям функциональной полноты и функциональной замкнутости наиболее эффективные архитектурные решения.
-
Разработана методология поиска альтернативных по отношению к существующим гетерогенных системотехнических решений, отличающаяся решением задачи минимизации площади, занимаемой подсистемой на кристалле, что позволяет получать новые более эффективные решения.
Практическая значимость: постановка задачи соответствует актуальным потребностям электронной промышленности в области разработки МПАЦ СНК и АЦУ. Практическая ценность результатов обусловлена тем, что:
- разработана и апробирована методология замены существующих подсистем обработки информации на новые гетерогенные подсистемы, позволяющие не только проводить требуемую обработку информации, но и расширить функциональные возможности такой обработки;
- предложены и промоделированы промышленные варианты гетерогенных схем коррекции смещения нуля повторителя, неинвертирующего и инвертирующего усилителей.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы были использованы в ООО «АйТи Юниверс», в учебном процессе кафедры «Вычислительная техника» ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет по дисциплинам «Микропроцессорные системы» и «Аналоговые интерфейсы ЭВМ».
Апробация работы проводилась на следующих конференциях: V, VI, VII и VIII Всероссийских межвузовских конференциях «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» 2006 - 2009 г.г., XIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов» (Минск, 2009 г.), X Всероссийской межвузовской конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» 2011 г. и научно-технических семинарах кафедры ВТ в 2006-2010 годах.
Публикации. Материалы диссертационных исследований опубликованы в 16-ти научных трудах, в том числе в 4-х периодических научных журналах из перечня, рекомендованного ВАК, в 11 сборниках трудов конференций (10 статей и тезисы).
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 149 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 104 наименования, из них 38 - на иностранных языках, и 6 приложений.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Базовые элементы теории гетерогенных функциональных блоков и систем на их основе, заключающиеся в формальном представлении функциональных блоков как объектов, обладающих гетерогенными типами входных и выходных сигналов (и/или параметров) и связанными с этими сигналами (параметрами) функциональностями.
-
Метод синтеза гетерогенных замкнутых подсистем, позволяющий выбирать по критериям функциональной полноты и функциональной замкнутости наиболее эффективные архитектурные решения.
-
Методология поиска альтернативных по отношению к существующим гетерогенных системотехнических решений, отличающаяся решением задачи минимизации площади, занимаемой подсистемой на кристалле, что позволяет получать новые более эффективные решения.
