Содержание к диссертации
Введение
1 Исследование процесса упорядочения в информационно-управляющих системах 14
1.1 Условия функционирования устройств упорядочения 14
1.2 Характеристики входных информационных потоков 15
1.3 Классификация алгоритмов выполнения функции упорядочения 17
1.4 Обоснование способа реализации устройств упорядочения 18
1.5 Постановка задачи 23
2 Математические модели устройств упорядочения .25
2.1 Основные понятия и определения 25
2.2 Способы упорядочения 29
2.3 Функция упорядочения 32
2.4 Математическая модель признаковых базовых устройств упорядочения 38
2.4.1 Функция упорядочения F 38
2.4.1.1 Устройства упорядочения типа «переменная-переменная» 39
2.4.1.2 Устройства упорядочения типа «переменная-группа» 42
2.4.2 Функция упорядочения F п 43
2.4.2.1 Устройства упорядочения признакового типа «переменная-переменная» 43
2.4.3 Функция упорядочения FA 45
2.4.4 Функция упорядочения FAn 45
2.5 Математическая модель позиционных базовых устройств упорядочения 46
2.5.1 Матричная модель 46
2.5.2 Основные термины и определения 48
2.5.3 Операции над матрицей 49
2.5.3.1 Определение вектора занятости z матрицы Мдля функций упорядочения F', F* 49
2.5.3.2 Определение вектора занятости z матрицы Мдля функций упорядочения F*n 50
2.5.3.3 Сравнение столбцов Xj и Xj 50
2.5.3.4 Определение вектора занятости z матрицы Мдля функций упорядочения F я 51
2.5.3.5 Попарное «исключающее ИЛИ» соседних элементов вектора m с записью результата ву+1 элемент 51
2.5.3.6 Попарное «исключающее ИЛИ» соседних элементов вектора m с записью результата ву-1 элемент 52
2.5.3.7 Определение неординарности столбца m матрицы М 52
2.5.3.8 Определение вектора неординарности к матрицы М 55
2.5.3.9 Сдвиг столбцов матрицы М, соответствующих нулевым элементам вектора z, влево 56
2.5.3.10 Сдвиг столбцов матрицы М, соответствующих нулевым элементам вектора z, вправо 56
2.5.3.11 Сдвиг столбцов матрицы М, соответствующих ненулевым элементам вектора z, влево 57
2.5.3.12 Сдвиг столбцов матрицы М, соответствующих ненулевым элементам вектора z, вправо 57
2.5.3.13 Сдвиг всех столбцов матрицы Мвправо 57
2.5.3.14 Замена столбца матрицы М 58
2.5.3.15 Определение вектора занятости g столбца m 59
2.5.3.16 Замена элемента столбца а 59
2.5.3.17 Формирование ординарного столбца те 60
2.5.3.18 Формирование остаточного столбца тост 61
2.5.3.19 Разложение столбца m 61
2.5.4 Условия логической схемы алгоритма 61
2.5.5 Модели позиционных базовых устройств упорядочения 62
2.5.5.1 Функции упорядочения F, F 62
2.5.5.2 Функция упорядочения F'п 63
2.5.5.3 Функция упорядочения F п 65
2.5.5.4 Функция упорядочения FA 66
2.5.5.5 Функция упорядочения FAn 68
2.6 Основные результаты 68
3 Структурный синтез устройств упорядочения 70
3.1 Выбор архитектуры базовых устройств упорядочения 70
3.2 Структурный синтез признаковых базовых устройств упорядочения 71
3.2.1 Методика синтеза 71
3.2.2 Синтез признаковых базовых устройств упорядочения 76
3.2.2.1 Функция упорядочения F* 76
3.2.2.1.1 Базовые устройства упорядочения типа «переменная-переменная»76
3.2.2.1.2 Базовые устройства упорядочения типа «переменная-группа» 77
3.2.2.2 Функция упорядочения F*n 77
3.2.2.3 Функция упорядочения FA. Синтез базовых устройств упорядочения типа «переменная-переменная» 79
3.2.2.4 Функция упорядочения FAn 80
3.3 Структурный синтез позиционных базовых устройств упорядочения 81
3.3.1 Методика синтеза 81
3.3.1.1 Абстрактный синтез 82
3.3.1.2 Структурный синтез 84
3.3.2 Синтез позиционных БУУ 88
3.3.2.1 Функции упорядочения F', F* 88
3.3.2.1.1 Абстрактный синтез 88
3.3.2.1.2 Структурный синтез 89
3.2.2.2 Функция упорядочения F'п 91
3.3.2.2.1 Абстрактный синтез 91
3.3.2.2.2 Структурный синтез 92
3.2.2.3 Функция упорядочения F*n 94
3.3.2.3.1 Абстрактный синтез 95
3.3.2.3.2 Структурный синтез 96
3.2.2.4 Функция упорядочения F*n 98
3.3.2.4 Функция упорядочения FA 99
3.3.2.4.1 Абстрактный синтез 99
3.3.2.4.2 Структурный синтез 101
3.4 Структурный синтез комбинированных базовых устройств упорядочения 106
3.5 Организация взаимодействия устройства упорядочения с несколькими обслуживающими приборами 106
3.6 Основные результаты 107
4 Сравнительный анализ типовых структур базовых устройств упорядочения и исследование разработанных устройств упорядочения на моделях и макетах 108
4.1 Сравнительный анализ структур по основным показателям 108
4.1.1 Количество функциональных элементов 108
4.1.2 Количество элементов памяти, необходимых для задания приоритета 109
4.1.3 Количество мест в очереди 110
4.1.4 Механизм смены приоритетов 111
4.1.5. Быстродействие 113
4.1.6. Обработка неординарного информационного потока 114
4.1.7. Технологичность производства 115
4.1.8 Обобщенный сравнительный анализ 116
4.2 Исследование свойств устройств упорядочения на моделях 119
4.2.1 Цель моделирования 119
4.2.2 Методика моделирования 119
4.2.3 Средства моделирования 120
4.2.4 Исходные данные для моделирования 121
4.2.5 Результаты моделирования 121
4.3 Экспериментальное исследование устройств упорядочения на макетах 125
4.3.1 Цель исследования 125
4.3.2 Методика исследования 126
4.3.3 Исходные данные 126
4.3.4 Результаты исследования 126
4.4 Основные результаты 128
Заключение 132
Список литературы 134
Приложения 141
- Характеристики входных информационных потоков
- Функция упорядочения
- Структурный синтез признаковых базовых устройств упорядочения
- Исследование свойств устройств упорядочения на моделях
Характеристики входных информационных потоков
Входные информационные потоки в ИУС представляют собой последовательности требований, формируемые источниками информации. Так как требования поступают в случайные моменты времени, то информационные потоки носят случайный характер.
Каждый отдельно взятый ИП формирует ординарный поток требований - вероятность поступления двух требований за малый промежуток времени стремится к нулю. Однако, в силу независимости ИК велика вероятность одновременного поступления двух и более требований по нескольким ИК. Это означает, что суммарный поток требований не ординарен.
Интенсивность потоков требований в ИУС является непостоянной величиной: X,- T const [42]. Так как ИТ не зависимы и \ Theorist, то интенсивность различна между каналами: А, )у.
В ИУС различные параметры объекта управления могут обладать разным динамическим диапазоном, требовать разной точности измерения и соответственно различной разрядности кода. Поэтому сообщения, формируемые в ПСД для разных ИК, также различны. Это означает неоднородность суммарного потока требований.
В теории массового обслуживания определено несколько основных дисциплин обслуживания: FIFO (First In First Out), LIFO (Last In First Out), SIRO (Service In Random Order) [63]. В большинстве случаев в ИУС и ВС выполняется упорядочение требований по времени - порядок передачи требований в ВУ определяется лишь временем их поступления - дисциплина FIFO (First In First Out) [64, 65]. Однако в целом ряде случаев требуется первоочередное обслуживание отдельно взятых источников информации, например, каналов измерения основных технологических параметров, а также параметров, от которых зависит безопасность объекта управления. В этом случае используется приоритетная дисциплина обслуживания, и порядок передачи сообщений на обслуживание осуществляется в соответствии с назначенными приоритетами. Возможны варианты, когда есть группы равноправных каналов, например группа измерительных каналов от одной подсистемы. В этом случае производится групповое назначение приоритетов, т.е. группы каналов будут упорядочены по приоритетам, а внутри групп каналы будут упорядочены по времени. Таким образом, существуют отношения приоритетов между информационными потоками.
Существуют системы, в которых важность измерения какого-либо параметра или группы параметров по отношению к другим не постоянна, а является функцией времени, загрузки системы, каких-то внешних факторов или каких-либо других обстоятельств. В качестве примера можно взять АСУ ТП. В случае выхода какого-либо параметра технологического процесса в зону предельных значений измерение этого параметра должно производиться с максимальной достоверностью и частотой, гарантирующей своевременную доставку информации об изменении значения параметра. Применительно к устройству упорядочения это означает, что, во-первых, вероятность потери требования (отказа в обслуживании) должна быть сведена к нулю, во-вторых -требование, поступившее по этому каналу должно обслуживаться в первую очередь. Т.е. должен быть изменен приоритет данного канала на высший. Повышение приоритета канала может потребоваться, когда его требования длительное время не могут получить обслуживание по причине постоянного присутствия в очереди других требований с более высоким приоритетом. Отсюда следует необходимость перераспределения приоритетов в процессе работы системы - динамической смены приоритетов.
Большое значение для упорядочения имеет свойство замкнутости системы, в которой выполняется упорядочение. В замкнутых системах источник требований, будучи поставленным на обслуживание, перестает формировать новые требования. В разомкнутых системах источник формирует новое требование независимо от того, обслужено ли предыдущее. Примером замкнутой системы могут послужить измерительные преобразователи с выходом готовности, системы с разделяемым между несколькими устройствами общим ресурсом - многопроцессорные системы с общей памятью, АТС. Примером разомкнутой системы служит измерительная подсистема, снабженная буфером для данных, которая на каждый байт данных выдает требование. В соответствии с этим длина очереди, требуемая для обслуживания потока требований, различна. В первом случае она равна единице, во втором случае - определяется из статистических характеристик источника требований и устройства обслуживания.
Таким образом, при упорядочении осуществляется преобразование множества независимых информационных потоков интенсивности Л, в множество упорядоченных между собой информационных потоков интенсивности у или в один поток с интенсивностью \. Входные информационные потоки, поступающие в ИУС, зависят от типа информационной системы.
Таким образом, входные потоки в ИУС обладают рядом свойств:— случайный характер;— различная по каналам интенсивность - в общем случае Л, т у;— высокая интенсивность \ каждого из них - порядка 2 107 требований в секунду;— меняющаяся во времени интенсивность - Л, Theorist;— неординарность суммарного входного потока;— приоритетные отношения между потоками;— жесткое аппаратное разделение информационных каналов.— динамическая смена параметров упорядочения (уровней приоритетов).
Интенсивность суммарного входного потока УУ равна сумме интенсивностей составляющих его потоков:
Свойства входных информационных потоков, перечисленные в предыдущем параграфе, определяют требования к параметрам и алгоритму выполнения функции упорядочения:— количество обслуживаемых источников требований - от 2 до 100;— количество обслуживающих приборов - от 1 до 100;— время постановки требований при наличии свободных мест в очереди - не более 50 не;
Функция упорядочения
Обозначим набор входных сигналов УУ {xh х2, ... , хп) через X, набор выходных сигналов У У {у і, у2, ... , у„] через Y. У У может быть представлено в виде абстрактного автомата, который выполняет преобразование последовательности входных векторов X в последовательность выходных векторов 7-рис. 2.5.
С учетом (2.1) входной вектор может быть представлен в виде а,={х]а\х2а2 ,...,хпа "}, выходной вектор - в виде bl={ylfi",y2fil ,...,y„fim}. Набор {au,a2l,...,ani} соответствует единственному символу я, из входного алфавита А={а1г а2, ..., ап). Входной алфавит А образован индексами требований, подлежащих упорядочению. Набор {/?„,#,,,-,/?„,,} соответствует единственному символу bi из выходного алфавита B={bi, b2, ..., b„}. Выходной алфавит В образован индексами требований, над которыми уже выполнено упорядочение. Существует однозначное отображение входного алфавита на выходной (соответствие символов выходного алфавита символам входного алфавита):
В качестве математической модели, описывающей упорядочение, предлагается функция упорядочения F. Область определения функции упорядочения (ФУ) составляет множество входных векторов A = {ah а2, ..., ап}, область значений ФУ составляет множество выходных векторов B={bj, Ъ2, ...,
Все поступающие на вход УУ символы имеют признак времени t. Обозначим через t/ момент поступления символа я/, через t2 - момент поступления символа а2, через /, - момент поступления символа щ. Для УУ, выполняющего бесприоритетное упорядочение, справедливо следующее условие:тогда бесприоритетную ФУ в общем виде можно представить как
При приоритетном упорядочении все поступающие на вход УУ символы имеют признак приоритета Р. Обозначим через Р} признак приоритета, соответствующий символу aj, через Р2 - признак приоритета, соответствующий символу а2, через Pt - признак приоритета, соответствующий символу щ. Чем больше значение Р, тем выше уровень приоритета. Для УУ, выполняющего приоритетное упорядочение, справедливо следующее условие:
В общем случае УУ состоит из базового устройства упорядочения (БУУ), выполняющего непосредственно упорядочение, и вспомогательных устройств CD, DC, NO, выполняющих кодирование, декодирование индексов требований и преобразование неординарного потока в ординарный рис. 2.6 а). Существует несколько вариантов структурного построения УУ, отличающихся друг от друга наличием вышеперечисленных вспомогательных устройств. Наличие вспомогательных устройств зависит от свойств входных потоков и функциональных возможностей БУУ (применяемый в БУУ код и способность обрабатывать неординарный информационный поток). В случае полнофункционального БУУ вспомогательные устройства отсутствуют -рис. 2.6 б).
Вспомогательное устройство CD выполняет преобразование распределительного кода в двоичный код на все сочетания. Вспомогательное устройство DC выполняет преобразование двоичного кода на все сочетания в распределительный. Оба устройства подробно рассмотрены. Устройство N0 служит для преобразования неординарного потока требований в ординарный (преобразование алфавита АА в алфавит А ) и может быть выполнено с помощью ФУ Ґ".
Далее в работе рассматривается ФУ, выполняемая БУУ.Как было отмечено ранее, алгоритм и параметры упорядочения зависят от типа входного потока, способа кодирования индекса требования и дисциплины обслуживания. В связи с этим можно выделить несколько основных разновидностей ФУ:— F - функция бесприоритетного упорядочения потока требований, представленных в двоичном коде;— F n - функция приоритетного упорядочения потока требований, представленных в двоичном коде;— F- функция бесприоритетного упорядочения ординарного потока требований, представленных в распределительном коде;— Fn - функция приоритетного упорядочения ординарного потока требований, представленных в распределительном коде;— Ґ" - функция бесприоритетного упорядочения неординарного потока требований, представленных в распределительном коде;— F n — функция приоритетного упорядочения неординарного потока требований, представленных в распределительном коде;
Состав входного алфавита БУУ зависит от типа входного потока, способа кодирования индекса требования и наличия признака приоритета в индексе. Последнее касается только индексов, представленных двоичным кодом. В ИУС возможны четыре комбинации указанных параметров и четыре соответствующих им входных алфавита:— ординарный поток, двоичный код индекса, отсутствие признака приоритета - алфавит A ={aj , а2 , .... ап };— ординарный поток, двоичный код индекса, наличие признака приоритета - алфавите Я={Й пі, а т , а пп}\— ординарный поток, распределительный код индекса - алфавит А ={а; , а2 , ..., ап };— неординарный поток, распределительный код индекса - алфавит
Символы алфавита А представлены двоичным кодом. Каждому элементу алфавита А соответствует кодовая комбинация двоичного кода на все сочетания. Так, при разрядности кода п=2а0 =00; а! =01; а2 =10; аз =11; Символ алфавита А соответствует одному индексу требования. Количество элементов алфавита равно числу кодовых комбинаций двоичного кода:
Символы алфавита А п представлены также двоичным кодом. Каждый символ имеет два поля - поле идентификатора источника разрядностью п и поле приоритета разрядностью т. Количество элементов алфавита равно числу кодовых комбинаций поля идентификатора и вычисляется по формуле (2.7).
Поле идентификатора источника совпадает с кодом символа алфавита А . Поле приоритета содержит двоичный код приоритета для даннного требования и при написании отделяется точкой. Так, если разрядность поля идентификатора п=3, разрядность поля приоритета т=2, и распределение приоритетов таково, что элемент апз обладает наивысшим уровнем приоритета «3», элемент ап7 - уровнем приоритета «2», элементы аш, аП2, апз - уровнем приоритета «1», элементы аПо, ап5, аПб- низшим уровнем приоритета «О», тоа 777=711.10; Символ алфавита А п соответствует одному индексу требования. Символы алфавита А представлены распределительным кодом. Каждому элементу алфавита А соответствует кодовая комбинация распределительного кода. Так, при разрядности кода п=3а3 =100; Количество элементов алфавита равно числу разрядов распределительного кода плюс один:
Структурный синтез признаковых базовых устройств упорядочения
Устройства, построенные по принципам однородных вычислительных сред, представляют собой сеть функциональных элементов (ФЭ), связанных с входами, выходами устройства и между собой. Обработка информации производится в результате выполнения логических преобразований функциональными элементами и перемещения информации между ними. Существует два основных способа синтеза сети ФЭ: композиция и декомпозиция [90, 91]. В первом способе предусматривается создание сети на основе готовых ФЭ, имеющих формальное описание, путем соединения их доступными способами. При этом используемый набор ФЭ должен обладать функциональной полнотой, т.е. конечная функция должна быть реализуема при помощи комбинации функций, выполняемых ФЭ. Во втором способе конечная функция, реализуемая сетью, разбивается на ряд более мелких, достаточно простых в реализации функций, после чего выполняется синтез ФЭ, реализующих полученные функции, и синтез связей, обеспечивающих объединение ФЭ для выполнения конечной функции. В общем случае ФЭ могут быть одинаковыми или различными. Для целей проектирования устройств с однородной структурой важно, чтобы набор ФЭ был минимальным.
Модель признаковых БУУ представляет собой совокупность элементарных ФВС и ФУ, объединенных операциями логического умножения и суперпозиции. Рассматривая модель признаковых БУУ применительно к синтезу сети ФЭ, элементарным ФВС и ФУ можно поставить в соответствие ФЭ сети. Таким образом, для признаковых БУУ существует формальное
Предлагаемая методика структурного синтеза признаковых БУУ включает в себя два этапа: синтез ФЭ и синтез структуры сети. Синтез ФЭ состоит в переходе от временной булевой функции к автоматному описанию. Синтез сети заключается в определении связей между полученными ФЭ.
Синтез ФЭНа этапе синтеза ФЭ выполняется синтез автомата, выполняющего элементарную ФВС или ФУ. Синтез производится классическими методами синтеза автоматов или методами синтеза схем на обратных связях [29 - 35] на основе аналитического описания соответствующих ФВС или ФУ, выведенного в главе 2.Синтез структуры сети БУУПп
Синтез структуры сети состоит в том, чтобы создать необходимые связи между ФЭ и дополнительные элементы, обеспечивающие их взаимодействие. В способе временного сравнения «переменная-переменная» каждый выход БУУ реализует операцию пересечения элементарных функций упорядочения. Структурная схема БУУ приведена на рис. 3.2.
Связи между ФЭ и входами БУУ обеспечиваются при помощи блока коммутации (БК). Операция пересечения ФУ выполняется в блоке логического умножения (БЛУ).
Рассмотрим алгоритм формирования связей в БК. Для символического обозначения элементарных ФЭ, подключенных к входам БУУ, будем использовать набор вертикальных линий и пары точек, лежащие на горизонтальных линиях. Каждая вертикальная линия соответствует входу БУУ, каждая пара точек соответствует двум входам отдельного ФЭ - рис. 3.3.
Для выполнения условия (2.3) должна быть упорядочена каждая пара входных переменных х-Xj, i=l..n, j=l..n, іф]. В соответствии с предлагаемым алгоритмом ФЭ объединяются в группы. Количество ФЭ S в группе определяется выражением:где т - номер группы, т=1..п-1
В группе №1 первый ФЭ подключается к паре хг х2, второй - к паре хг х3 и т.д. до пары Х]- хп. Во группе №2 первый ФЭ подключается к паре х2- х3, второй - к паре х2- х4 и т.д. до пары х2- х„. В последней группе единственный ФЭ подключается к паре х„_/- хп.
Рассмотрим формирование выходных сигналов в БЛУ. В соответствии с (2.17) сигнал на каждом из выходов БУУ является логическим произведением всех одноименных ФВС. Применительно к структуре БУУ это означает логическое перемножение одноименных (соответствующих одному и тому же входу БУУ) выходов ФЭ, составляющих БУУ. Например, выход у} есть логическое «И» цепей ул, у12, ..., yi(n-i), которые соответствуют входам ФЭ, подключенным к входу X] БУУ - рис. 3.4.
Синтез структуры сети БУУПГВ способе временного сравнения «переменная-группа» на выходах БУУ реализуется суперпозиция элементарных функций временного сравнения. Сеть ФЭ имеет вид матрицы. Соединения между ФЭ формируются, исходя из модели данного типа БУУ. При этом на вход х; каждого ФЭ j -го столбца подается сигнал с ФЭу -го столбца той же строки; на вход х2 каждого ФЭ j Для аппаратной реализации логической суммы сигналов с выходов всех ФЭ j -го столбца введем термин «шина запрета». Логическое суммирование аппаратно может быть реализовано на одном многовходовом конъюнкторе -рис. 3.6 а), на цепочке последовательно включенных ЛЭ «ИЛИ» - рис. 3.6 в), каскадным включением ЛЭ «ИЛИ» - рис. 3.6 б).
Каскадное включение ЛЭ «ИЛИ» соответствует переводу логической суммы в скобочную форму. Так при п - 6 двухкаскадное включение ЛЭ, показанное на рис. 3.6 в), соответствует выражению:
Реализация /7-входового конъюнктора по первому варианту при п 10 представляет определенные трудности. Поэтому более предпочтительно использование второго варианта, основанного на каскадном включении ЛЭ. Достоинством третьего варианта является то, что он позволяет разместить ЛЭ, образующие шину запрета, непосредственно в ФЭ. При этом снижается количество типов элементов, используемых для построения сети, и повышается однородность структуры.
Модель признакового БУУПп, выполняющего элементарную F (модель ФЭ) задается системой уравнений:[У2=/Ї(х2 хі) Функциональная схема ФЭ, синтезированного по схеме с обратными связями на элементах запрета приведена на рис. 3.7.
Синтез структуры сетиФункциональные схемы БУУПп выполняющего F , с параметрами {п, q) равными (5, 5), (10, 10) и (30, 30), приведены в приложении 2. Функциональные схемы созданы в САПР «ALTERA».
Исследование свойств устройств упорядочения на моделях
Целью моделирования является определение свойств и характеристик разработанных устройств упорядочения. Важнейшими характеристиками БУУ являются временные параметры, аппаратные затраты, стоимость.
Моделирование позволяет наглядно показать работу устройств при различных внешних условиях, определить пригодность той или иной элементной базы для их реализации.
Моделирование включает в себя следующие этапы: — ввод логической схемы в систему проектирования логических схем при помощи текстового или графического редактора; — функциональный анализ - моделирование работы схемы при помощи «волнового» редактора путем построения временных диаграмм работы устройства; — временной анализ - оценка задержек в логической схеме по временным диаграммам и таблицам задержек, создаваемым САПР; определение максимальной тактовой частоты для схем, содержащих триггеры, при помощи встроенных средств САПР; — определение аппаратных затрат и возможных вариантов размещения логических схем в микросхемах при помощи встроенных средств САПР. Данная методика позволяет оценить реальные характеристики исследуемых цифровых устройств при использовании конкретной элементной базы. Моделирование БУУ проводилось с применением системы проектирования программного обеспечения для программируемых логических интегральных схем MAX+PLUS II фирмы «ALTERA», занимающей лидирующее положение на рынке микросхем программируемой логики. MAX+PLUS II - это интегрированный пакет проектирования логических схем, который включает в себя все компоненты, необходимые в процессе проектирования: — текстовый и графический редакторы для ввода логических схем, причем текстовый редактор имеет средства описания алгоритмов, аналогичные средствам языков программирования высокого уровня; — логический синтезатор, позволяющий вводить логические схемы в виде логических выражений; — волновой редактор для построения временных диаграмм работы логических схем; — редактор топологии микросхем, позволяющий производить размещение элементов логической схемы и выводов в кристалле «вручную»; — временной анализатор для оценки временных параметров схем; — программатор микросхем ПЛИС. Выбор данной САПР для моделирования БУУ обусловлен тем, что она имеет развитые средства для построения временных диаграмм и оценки быстродействия логических схем. Кроме того, фирма «ALTERA» предоставляет широкий ассортимент ПЛИС по архитектуре, быстродействию, логической емкости, стоимости, типам корпусов. Это дает хорошие возможности для оптимального выбора микросхем с целью практической реализации различных по разрядности и быстродействию устройств.
БУУпрПп н - бесприоритетное для неординарного входного потока БУУП03д н - бесприоритетное для неординарного входного потока БУУпрПп + БУУП03д - бесприоритетное для неординарного входного потока
Для получения объективных данных и оценки изменения параметров исследуемых устройств в функции количества источников требований п, работа каждого устройства моделируется при п = 5, 10, 30. Длина очереди равна числу источников требований (разрядности БУУ): q = п. С целью получения оценочных значений быстродействия и аппаратных затрат при больших п отдельные типы БУУ промоделированы с параметрами п = 100, q = 30.В процессе моделирования получены следующие результаты. Функциональный анализ всех разработанных устройств доказал их работоспособность. Временной анализ показал стабильно высокое быстродействие синтезированных устройств. Максимальная частота приема требований достигает 113 106 треб/с, средняя равна 80 106 треб/с. Размещение БУУ в ПЛИС ALTERA семейства АСЕХ показало, что большинство синтезированных устройств можно реализовать на одном кристалле стоимостью от $1,2 до $27. Результаты моделирования представлены в табл. 4.8-4.10. Данные по максимальной интенсивности поступления требований, выраженные в млн. треб/с, приведены в табл. 4.8.
Из таблицы можно видеть, что самым высоким быстродействием обладают БУУП03Д. Максимальная частота поступления требований для них составляет 113 106 треб/с. Также высоким и стабильным быстродействием обладают признаковые устройства типа «переменная-переменная», для которых максимальная частота поступления требований равна 111 106 треб/с. Частота приема требований в признаковых БУУ типа «переменная-группа» и позиционных с распределительным кодом ниже и находится в диапазоне от 45 106 до 80 106 треб/с. Быстродействие комбинированных БУУ лежит в пределах от 15 106 до 63 10 треб/с. Это подтверждает соотношения по быстродействию между БУУ, полученные теоретически. Однако для большинства БУУ максимальная частота поступления требований оказалась ниже расчетной. Кроме того, для всех БУУ быстродействие снижается с увеличением разрядности. Это объясняется следующими фактами. В сравнительном анализе при подсчете быстродействия не учитывалась задержка на элементах ввода-вывода. Структура БУУ ориентирована на реализацию в базисе специализированных однородных сред, в то время как архитектура ПЛИС является универсальной и не обеспечивает оптимальное использование ресурсов при построении БУУ. Это проявляется в том, что логические ячейки ПЛИС имеют комбинационную схему малой разрядности и сравнительно слабую схему соединений между ячейками, в то время как ФЭ содержат большое число входов. Поэтому для реализации сложных логических функций с большим числом переменных в ПЛИС производится объединение ячеек; при этом возрастает число логических уровней и увеличивается длина соединений. При увеличении разрядности БУУ существенно возрастает количество и протяженность соединений между логическими ячейками, что также приводит к увеличению задержек. Таким образом, логическая схема, получаемая в ПЛИС при построении БУУ, имеет высокое число логических уровней и большую протяженность соединений, что вносит большие задержки в пути распространения сигналов и снижает быстродействие.
Данные по аппаратным затратам в функции количества источников требований приведены в табл. 4.9. В качестве меры аппаратных затрат используется количество логических ячеек (ЛЯ) ПЛИС «ALTERA», необходимых для построения БУУ.
