Отказоустойчивые устройства с реализацией процессов следящего преобразования потоков информационных квантов

Информационные процессы, происходящие в природе и технических системах, имеют непрерывно-дискретный характер. При анализе информационных процессов в зависимости от уровня и цели рассмотрения одна и та же система может проявляться как непрерывная и как дискретная [26]. Представляется целесообразным выполнять организацию вычислительных процессов адекватно информационным процессам анализируемых систем.

Если выполняется непрерывный анализ, то желательно применять и соответствующие преобразования: непрерывный прием потока данных, непрерывная обработка информационных элементов потока по мере их поступления, непрерывное формирование результата в процессе обработки. Для решения подобных задач, прежде всего, необходима организация процессов следящего преобразования. При этом также требуется создание элементов и устройств, ориентированных на потоковую обработку информации. Эти элементы и устройства могут быть реализованы на существующей элементной базе вычислительной техники.

В последнее время исследуется организация информационных процессов на квантовом, молекулярном, клеточном уровнях, где уже сами элементы являются носителями непрерывных процессов. Для таких элементов использование процессов непрерывного преобразования представляется естественным.

Информационные потоки формируются из элементарных информационных единиц, которые в зависимости от базовой реализации могут иметь различную материальную сущность. При использовании современной цифровой элементной базы в качестве элементарных информационных единицинформационных квантов — Moiyr выступать импульсы частотных потоков.

Процессы следящего преобразования информации реализуются в различных системах: в робототехнике, при распознавании образов, при автоматизации непрерывных производственных процессов, при управлении подвижными объектами, при измерениях плавно изменяющихся физических величин и так далее.

Непрерывная информация, поступающая от датчиков для дальнейшей обработки, во многих случаях представлена в аналоговой форме. В качестве носителей аналоговой информации могут выступать электрические, оптические, пневматические, биологические и другие сигналы. При этом информация связывается с такими параметрами сигналов как амплитуда, фаза, частота. Соответственно носителям существуют классы аналоговых вычислительных устройств. Наибольшее распространение получили электрические сигналы, на работу с которыми ориентированы аналоговые вычислительные машины. В аналоговых элементах информация непосредственно связана с энергией сигналов, что приводит к ряду ограничений по точности представления информации, а так же возникает зависимость характеристик процессов вычисления от неблагоприятных внешних условий.

Выполнение непрерывных вычислений с использованием цифровых элементов традиционно основано на применении аппарата непрерывно-логических функций и сопряжено с рядом трудностей. Использование непрерывных функций для цифровых переменных требует значительных временных затрат, связанных с реализацией вычислений на основе логических формул, структура которых сложнее, чем структура дискретных булевых функций. Кроме того, на этапе технического проектирования гибридных непрерывно-логических систем возникают трудности, связанные с отсутствием элементной базы на уровне интегральных схем, реализующих операции непрерывных логических функций. Частично эти проблемы решаются, как показано в [80], реализацией гибридных непрерывно-логических устройств на базе стандартных элементов аналого-цифровой техники: ключах, коммутаторах и конъюнкторах. При этом, основной объем логических преобразований переходит с аналоговых устройств на цифровые, реализующие кодовые преобразования в двоичной логике.

Наряду с непрерывной и дискретной логикой известна гибридная, в которой часть переменных является непрерывными, а часть дискретными. В этом случае сохраняются определения основных логических операций (минимум, максимум, инверсия), однако значения логических функций могут быть как непрерывными, так и дискретными.

Учитывая, что в большинстве случаев требуется представлять результаты обработки информации в цифровой двоичной форме, необходимо согласовать непрерывность сигналов, поступающих от первичных источников информации, с дискретной формой результата. Решение этой задачи связано с построением гибридных устройств, обеспечивающих непрерывную обработку непрерывно-дискретной потоковой информации. При этом выполнение операций над потоками данных не связывается с дискретными параметрами (мгновенными значениями) [33].

Среди электрических форм представления информации промежуточное положение между аналоговой (непрерывной) и цифровой (дискретной) занимают импульсные формы, в которых информация может связываться с амплитудой, частотой, скважностью или относительной длительностью, фазой, спектральным составом. В случае использования времяимпульсной формы, информационную функцию выполняют временные характеристики прямоугольных единичных импульсов. Например, в широтно-импульсных модулированных сигналах (ШИМ-сигналах) информативным параметром является относительная длительность импульсов при постоянном периоде их следования, в числоимпульсных последовательностях — фиксированное количество импульсов произвольной длительности за некоторое время. При этом в ШИМ-сигналах и числоимпульсных последовательностях значения амплитуды импульсов не несет информационной нагрузки.

Использование импульсной формы позволяет реализовывать потоковые способы передачи и обработки информации, которые характеризуются:

— возможностью реализации следящих режимов за счет использования методов малых приращений и последовательной обработки потоков по мере поступления одиночных импульсов;

— высокой помехоустойчивостью, обусловленной непозиционностью и весовой равнозначностью одиночных импульсов.

С точки зрения технических средств, обеспечивающих работу с импульсной формой представления информации, можно выделить следующие преимущества:

— большое число информативных параметров;

— легкое выделение полезного сигнала на фоне помех;

— снижение потребляемой мощности источника сигнала за счет пауз между сигналами при сохранении достаточной мощности импульса;

— легкая настраиваемость на тактируемые, циклические процессы;

— разгрузка каналов передачи сигналов при компоновке на одной линии в режиме разделения времени импульсов от различных источников к одному приемнику [73, 74, 91].

В системах автоматического управления и информационно-измерительных системах и устройствах функциональное преобразование является широко распространенной задачей. Это связано с необходимостью выполнять масштабирование сигналов, линеаризацию, формировать нелинейные функции управления, осуществлять переход к различным параметрам при косвенных измерениях и так далее.

В вычислительных системах и устройствах функциональное преобразование так же в ряде случаев реализуется автономно, например, выполнение множительно-делительных операций, тригонометрических преобразований и других. Существуют подходы, когда функциональные преобразования входят структурным компонентом в создаваемые вычислительные системы и устройства [35].

Таким образом, реализация функционального преобразования во многом определяет характеристики систем и устройств обработки информации.

Форма представления сигналов, снимаемых с датчиков или используемых для передачи управляющих сообщений, а также при обмене информацией между структурными компонентами вычислительной среды, организация измерительно-вычислительного канала и реализуемый способ вычислительных преобразований должны учитываться при построении функциональных преобразователей (ФП). Сказанное относится и к устройствам, обрабатывающим информацию, представленную в импульсной форме. При этом большой интерес представляют ФП, работающие с времяимпульсными сигналами. Эти устройства могут быть реализованы на базе аналоговых и (или) цифровых элементов, а так же с использованием микроЭВМ.

Начало разработки и внедрения устройств, преобразующих информацию, представленную с помощью временных интервалов и напряжений, с использованием аналоговой элементной базы относится к 60-ым годам [66]. Несложное преобразование временных интервалов в цифровую величину путем их заполнения импульсами опорной частоты, явилось предпосылкой развития цифровых времяимпульсных устройств (ВИУ) [65], ориентированных на использование узлов общего применения: счетчиков, двоичных умножителей, регистров. Однако, развитие цифровых ВИУ с применением схем малой и средней степени интеграции сдерживалось значительной трудоемкостью изготовления и малой гибкостью результирующих схем. Появившиеся в 80-е годы программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика и базовые матричные кристаллы [22, 72] могли бы снизить стоимость и сроки проектирования на их основе полузаказных БИС/СБИС, но необходимость использования промышленного оборудования при программировании связей в БМК, аппаратная избыточность и невозможность гибкой реконфигурации явились сдерживающими факторами в развитии ВИУ на их базе.

Появление в настоящее время БИС/СБИС с возможностью стирания старой конфигурации и записью новой [67, 70] позволяет говорить об актуальности дальнейшего развития цифровых структур, ориентированных на потоковые преобразования. В этом случае, проектирование устройств заключается в разработке различных конфигураций, ориентированных на конкретные вычисления, и их оперативной реализации на соответствующей аппаратной базе [90]. Наблюдающееся увеличение степени интеграции схем с программированием конфигурации улучшает многие показатели проектируемой аппаратуры: уменьшает стоимость изготовления, потребляемую мощность, габариты и одновременно увеличивает производительность и надежность систем на их основе. Этот аспект позволяет прогнозировать возрастающий интерес к устройствам с реализацией процессов потоковой обработки информационных квантов [21].

В отдельных случаях, не требующих высокого быстродействия, обработка потоков ШИМ-сигналов, числоимпульсных последовательностей и кодов может выполняться алгоритмически с реализацией этих алгоритмов на микроЭВМ, в том числе в системах на кристалле. Актуальность подобного похода подтверждается появлением микроконтроллеров, имеющих возможность настройки некоторых входных линий на прием или выдачу ШИМ-сигналов. При алгоритмической реализации потоковых преобразований вре-мяимпульсных и частотно-импульсных последовательностей сохраняются особенности функционирования присущие аппаратным преобразователям.

Кроме того, интерес к таким алгоритмам связан с реализацией потокового метода вычислений, заключающегося в развертке кодовой информации во времени с одновременным параллельно-последовательным выполнением преобразований над кодами и полученными потоками сигналов в соответствии с требуемой функцией.

Устройства рассматриваемого типа могут применяться на этапе первичной обработки потоковой информации, в частности при выполнении алгебраического и функционального преобразования в косвенных измерениях, линеаризации и масштабировании сигналов от датчиков, осуществлении типовых процедур статистической обработки измеряемой информации. Необходимость активизации работ по созданию потоковых преобразователей сигналов связана и с появлением в последнее время большого числа датчиков с выходными сигналами, представленными в виде потоков широтно-импульсных и частотно-импульсных сигналов (например, датчики температуры, ускорений и др.) [94, 95, 96], а также с применением в качестве промежуточной формы представления измеряемой аналоговой величины временных интервалов (интегрирующие аналого-цифровые преобразователи, Д-Е модуляторы). Разработка устройств, выполняющих обработку информации, которая представлена широтно-импульсной и кодовой формой и импульсными последовательностями одновременно с кодовым представлением результатов, составит проблемно-ориентированную базу для средств сопряжения объектов измерения и управления с ЭВМ.

Под способом преобразования разнородных сигналов подразумеваются последовательность и (или) комбинация преобразований форм сигналов с реализацией вычислительных операторов [61]. Среди возможных способов можно выделить:

— предварительное преобразование всех сигналов в кодовую форму с последующим цифровым вычислением требуемых функций;

— раздельную обработку составляющих с различной формой представления с приведением к кодовой форме на результирующем этапе;

— параллельно-последовательную комбинированную обработку с промежуточным параметрическим преобразованием сигналов [77].

Каждый из перечисленных способов может реализовываться как путем прямого, так и компенсационного преобразования. Причем последнее позволяет выполнять следящие преобразования, опираясь на структурные методы вычислений, характеризующееся малыми аппаратными затратами и высокой точностью.

Важной характеристикой устройств рассматриваемого класса является надежность их функционирования, связанная с возможностью компенсации помех и стремлением к нейтрализации внутренних аппаратных сбоев. Естественным путем обеспечения выбранной концепции надежности устройств в совокупности с формой и способом обработки времяимпульсных сигналов является реализация адаптивных следящих режимов.

Целью работы является развитие и исследование основных принципов построения отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования потоков информационных квантов для реализации преобразователей в микроэлектронном базисе, а так же создание подходов к построению инвариантных к базе реализации процессов следящего преобразования, которые могут быть применены для развития вычислительных процессов в нанотех-нологиях.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач: -выделение и анализ особенностей существующих структур времяимпульсных и частотно-импульсных устройств, реализованных на различной элементной базе, определение возможности использования примененных в них методов для организации непрерывной следящей обработки импульсных потоков;

— построение обобщенной структурной схемы устройств преобразования потоков единичных импульсов компенсационного типа, разработка в соответствии с этой схемой конкретных преобразователей;

— анализ и исследование свойств полученных преобразователей, разработка методов улучшения их характеристик;

— построение обобщенных описаний инвариантных к базе реализации процессов следящего преобразования потоков информационных квантов и разработка соответствующих им алгоритмов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ ШИМ-сигнал — широтно-импульсно модулированный сигнал ФП — функциональный преобразователь ВИУ — времяимпульсные устройства ЛРЭ — линейный решающий элемент.

МП — микропроцессор

МДУ — множительно-делительное устройство ЗОС — запоминающая обратная связь ПР — потоковая развертка ОР — относительная развертка ПУ — потоковое умножение.

4.5 Выводы.

1. Предложены подходы к организации отказоустойчивых процессов преобразования потоков информационных квантов, инвариантных к базе реализации и обладающих устойчивостью к внешним помехам и нарушениям в работе отдельных ветвей процессов.

2. Разработаны схемы процессов потокового множительного и множи-тельно-делительного преобразования, которые представлены в виде оригинальных алгоритмов преобразований, а их программная реализация защищена свидетельством о государственной регистрации программ Роспатента.

3. Выполнен анализ и моделирование динамических характеристик процессов линейных потоковых преобразований, благодаря чему подтверждены выводы относительно их отказоустойчивости и оценены метрологические возможности.

4. В качестве нелинейного отказоустойчивого процесса предложена обобщенная структурная схема дробно-рационального преобразования. Варианты конкретных функций реализованы программно и защищены свидетельством о государственной регистрации программы Роспатента. Показан подход к организации параллельно-последовательных потоковых процессов.

5. Разработана инженерная методика организации процессов отказоустойчивой обработки потоковой информации и рассмотрены варианты их реализации в микроэлектронном базисе.

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Целью диссертационной работы являлось развитие и исследование основных принципов построения отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования потоков информационных квантов, а так же создание подходов к построению инвариантных к базе реализации процессов следящего преобразования. При выполнении диссертационной работы получены следующие научные результаты.

1. Проведен анализ различных подходов к обеспечению отказоустойчивости вычислений и на основе их интеграции за счет использования:

— отказоустойчивых форм представления информации,.

— структурной организации вычислений с использованием компенсационных методов,.

— соответствующей интегральной элементной базы, определена обобщенная структурная схема устройств с реализацией процессов следящего преобразования потоков информационных квантов.

2. Предложены способы построения отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования потоков информационных квантов, которые легли в основу создания оригинальных устройств потоковой обработки: четырех множительно-делительных с различными динамическими характеристиками, двух нелинейных устройств аппроксимирующего типа и преобразователя на основе обратной функции, в совокупности представляющих функционально полный базис для построения различных отказоустойчивых преобразователей.

3. Получены оригинальные технические решения, направленные на улучшение динамических характеристик отказоустойчивых устройств непрерывного следящего преобразования, которые реализованы за счет запоминающих обратных связей: линейной, гиперболической и разрядно-взвешенной, исследовано влияние запоминающих обратных связей на динамические свойства устройств линейного и нелинейного преобразования потоков информационных квантов, выявлены области их эффективного использования. Предложенные технические решения запатентованы применительно к базисным устройствам.

4. Проведен анализ характеристик информационных процессов, протекающих в разработанных устройствах следящего преобразования потоков информационных квантов. В результате подтверждена их отказоустойчивость, оценены характеристикипредложена и применена методика алгоритмизации инвариантных к базе последующей реализации процессовпредложены и апробированы методики оценки характеристик результирующих процессоврассмотрены варианты альтернативной реализации алгоритмов потоковой обработки на примере оригинальных комплексов программ потокового отказоустойчивого непрерывного множительно-делительного и функционального преобразования.

5. Разработана инженерная методика проектирования процессов следящего преобразования потоков информационных квантов, определены направления реализации с ориентацией на микроэлектронную элементную базу, выработаны рекомендации по выбору конкретных вариантов организации вычислителей в микроэлектронном базисе для различных целей применения.

6. Проведено компьютерное моделирование и выполнены натурные эксперименты, в ходе которых рассмотрены варианты реализации устройств предлагаемого класса на микросхемах программируемой логики, и в ходе исследования практически подтверждены основные аналитические выводы по их характеристикам.