авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Структурный синтез автоматов управления системами обработки информации реального времени

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Мухопад Александр Юрьевич

Структурный синтез автоматов управления

системами обработки информации реального времени

Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации

(информатика, вычислительные машины и автоматизация; энергетика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Братск 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО ФАЖТ

«Иркутский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Дунаев М. П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Алпатов Ю. Н.

доктор технических наук, доцент Кузнецов Б.Ф.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»

Защита состоится в 12-00 часов 16 апреля 2010г. на заседании диссертационного совета Д 212.018.01 в ГОУ ВПО «Братский государственный университет» по адресу: 665709, г. Братск Иркутской обл., ул.Макаренко, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Братский государственный университет».

Ваш отзыв на автореферат в 2 экземплярах, заверенный печатью организации, просим выслать в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан 18 февраля 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Игнатьев И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В системах обработки информации реального времени (СРВ) реализация процессов управления с помощью микропроцессоров или микроконтроллеров не только является избыточной, но и приводит к снижению быстродействия на 2 – 3 порядка по сравнению с аналоговой или специальной дискретной реализацией. В специальных микроэлектронных системах управления, реализуемых на базе больших интегральных схем (БИС ПЗУ), программируемых логических матриц (ПЛМ) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), внутренние подсистемы синхронизации и выработки управляющих команд (микропрограммные автоматы – МПА) могут составлять до 30 -50% объема оборудования, и именно эти подсистемы определяют конструктивную сложность, энергопотребление и надежность всей системы управления технологическим процессом. Поэтому разработка новых методов синтеза и структурной организации СРВ и МПА, позволяющих реализовать заданные алгоритмы управления на БИС меньшей сложности, с меньшим энергопотреблением и обеспечивающих более высокий уровень надежности и безопасности, является весьма актуальной как в научном, так и практическом плане. Значимость исследований определяется также тем, что они относятся к числу приоритетных научных направлений, определенных постановлениями Правительства РФ.

Целью работы является:

- совершенствование существующих методов и средств обработки информации с проблемно-ориентированными устройствами управления сложными техническими системами реального времени.

Методы исследования базируются на использовании системного анализа, теории графов, абстрактной и структурной теории автоматов, теории контроля и диагностики. В работе сочетаются формальные и содержательные подходы, а также метод моделирования на ЭВМ.



Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложена методика синтеза МПА, основанная на преобразовании граф-схемы алгоритма с перекоммутацией логических условий (входных переменных МПА);

- предложена структурная организация МПА, в которой за счет последовательной подачи q логических условий с помощью мультиплексора сложность комбинационной схемы для определения кодов состояний автомата снижается в 2q - 1 раз;

- модифицирован известный и предложены новые способы контроля МПА в процессе функционирования и резервирования комбинационной схемы МПА;

- предложена дискретная реализация СРВ для стабилизации мощности лазерного излучения, цифрового адаптивного фильтра и быстродействующих спецпроцессоров криптографической защиты информации (три патента на полезные модели) с новой структурной организацией функциональных преобразователей информации.

Практическая значимость заключается в том, что предложенные в диссертации научные разработки дают возможность проектировать и реализовать на БИС более простые (по сравнению с известными методиками) системы управления мехатроникой, технологическими процессами в машиностроении, приборостроительной и электронной промышленности и в быстродействующих технических СРВ.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы в

виде методики синтеза, обеспечения контролеспособности и повышения надежности

МПА нашли применение при проектировании дискретной системы управления для

стабилизации мощности газового лазера в службе Локомотивного хозяйства Восточно-Сибирской железной дороги ОАО РЖД, а также при проектировании медицинского прибора «Мультимед» в ООО «Байкальский научно-инженерный центр». Спецпроцессоры криптографической защиты информации апробируются соответствующими подразделениями ВСЖД ОАО РЖД. Материалы диссертации и разработанный на их основе программный комплекс с применением Matlab используются в учебном процессе Иркутского государственного университета путей сообщения в разделах курсов « Теория дискретных устройств», «Технические средства реализации информационных процессов», « Проектирование мехатронных модулей».

Достоверность результатов подтверждается:

- результатами сопоставительного анализа с типовыми решениями;

- результатами моделирования и эксперимента на ЭВМ.

Апробация работы проводилась на межвузовской научной конференции с участием Института динамики и теории систем управления (Иркутск, СО РАН, 1996), на III и IV Международных конференциях «Проблемы механики и современных машин» (Улан-Удэ, 2006 и 2009г.г.); XIV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, 2009); XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (Псков, 2009г.); VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2009); III Всероссийской конференции «Развитие науки и высшего образования» (РАЕ, Сочи, 2009); на XIII Международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2009); в Международной научной школе «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (Санкт - Петербург, 2009); на Всероссийской конференции « Актуальные проблемы развития гражданской авиации России» (Иркутск, 2009), а также на научно-технических семинарах Иркутского государственного университета путей сообщения и Братского государственного университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 публикация в зарубежном журнале, 3 параграфа в учебных пособиях с грифом УМО, 5 патентов на полезные модели, 8 работ в едином авторстве. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 40 до 60% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 175 страниц, включая текст, 75 рисунков, 38 таблиц и список литературы из 176 наименований. В приложении – акты о внедрении и краткие описания 5 патентов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, определены их цели и задачи.

В первой главе диссертации приводится анализ публикаций по вопросам проектирования информационно-управляющих систем реального времени и синтеза микропрограммных автоматов (МПА). Рассматривая МПА как систему, в ней выделяются пять подсистем: Ф - функциональная, определяющая формирование команд управления технологическим процессом или технической системой; И – информационная, используемая для хранения кодов состояний; A –адресная, необходимая для преобразования конкатенации кода состояния a(t) и кортежа логических условий 1, 2,…, q в код состояния a(t+1); Л – логическая, формирующая или выбирающая логические условия; У – управляющая, обеспечивающая генерацию импульсов синхронизации переходов в МПА.

Для организации управляющих подсистем в СРВ наибольшее применение нашли автоматы Мура, функционирование которых задается уравнениями (1)

a(t+1) = F1(а(t), 1, 2, …, q) ; A(t) = F2(a(t)); (1)

где a(t) и a(t+1) – настоящее (t) и последующее (t+1) состояние автомата; F1 и F2 - системы булевых функций; A(t) – выходные команды МПА; j{} - входные логические переменные (условия). Одновременное использование конкатенации {}a(t) для определения a(t+1) приводит к необходимости применения комбинационных схем большого объема. Существующие теории минимизации МПА рассчитаны на БИС малой и средней интеграции и малоэффективны при синтезе сложных МПА при ориентации на сверхбольшие интегральные схемы (СБИС): ПЛМ, ПЛИС и микроконтроллеры.

Наиболее сложной является А-подсистема, реализуемая для простых автоматов как комбинационная схема на элементах логики, ПЗУ или ПЛМ, а для сложных автоматов - на ПЛМ или ПЛИС. А-подсистема МПА, реализуемая через ПЗУ, имеет объем V = m2m+q бит, где m -разрядность кода a(t), q – число логических условий. В диссертации предложено классифицировать автоматы на четыре группы по сумме общего числа переменных (m+q) А-подсистемы: сверхпростые (m=3, q5), простые (m=4, q8), средней сложности (m=5, q12) и сложные (m=6, q16).

Простые и сверхпростые автоматы используются для управления аналого-цифровыми и цифровыми таблично - алгоритмическими преобразователями информации как составными частями СРВ. Для управления самими СРВ используются автоматы средней сложности и сложные автоматы в зависимости от количества блоков в них и специфики алгоритма управления. Поэтому в диссертации проблемы анализа и синтеза МПА формулируются применительно к последним двум типам автоматов.

При реализации А- подсистемы на ПЛМ необходимо реализовать систему булевых функций F1 от m+q переменных

y1=R1(xm…x2x1; q… 21)

y2=R2(xm…x2x1; q… 21) (1)

- - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Ym=Rm(xm…x2x1; q… 21)

Сложность реализации F1 на ПЛМ объясняется тем, что число возможных комбинаций K=2m+q на входе схемы F1 для простых автоматов составляет 4096, для средних -128 тыс. и сложных- более 4 млн. Поэтому для сложных и средней сложности автоматов непосредственное «вложение» системы булевых функций R1R2… Rm в ПЛМ не осуществляется, а ставится задача реализации уравнения a(t+1) = F1(a(t), q… 21 ) несколькими комбинационными схемами с меньшим, чем m+q, числом переменных в каждой.

Вопросам проектирования информационно-управляющих систем и, в том числе МПА, посвящены работы В.М.Глушкова, М.А.Гаврилова, А.Д. Закревского, В.Г. Лазарева, И.В. Прангишвили, В.Б. Смолова, В.В.Соловьева, В. В. и Вл. В. Сапожниковых, М.А.Баранова, Ю.Ф.Мухопада, а также E.McCluskey, E.F.Moore, C.H.Mealy, C.N.Liu, J.Hartmaniz и др.

Для сложных СРВ необходимо применять МПА с мегабитными ПЗУ, ПЛМ или ПЛИС большого объема. Широкая номенклатура БИС, ПЛМ, ПЛИС и микроконтроллеров приводит к тому, что выбор «оптимального» набора БИС для реализации МПА с минимальной сложностью, энергопотреблением и максимальной надежностью является наукоемкой задачей. J.Hartanis, А.Д.Закревский, М.А.Баранов, Е.И.Пупырев (1990г.) и др. предлагают два пути снижения сложности F1:

- минимизация булевых функций Ri ( дает эффект снижения затрат ~ 20% для простых автоматов и ~ 10% для автоматов средней сложности),

- переход к параллельно-последовательной декомпозиции через оптимизацию на графах (поиск эквивалентных подграфов, раскраски графов и др.), которые приводят к задаче полного перебора вариантов. Для сложных автоматов эта задача практически не разрешима без специальных эвристических правил, основанных на глубоком изучении специфики конкретных графов. Тем не менее эффект даже для средних автоматов не превосходит 30%.





Более эффективен метод декомпозиции граф-схем алгоритмов (ГСА) (Т.С.Бадмаева, Ю.Ф.Мухопад – 2003 г.). Этот метод позволяет снизить общее число (m+q) переменных для автоматов средней сложности с 17 до 11-12, однако для сложных автоматов имеются ограничения за счет необходимости введения дополнительных переменных при большом числе декомпозируемых частей ГСА.

Для СРВ, работающих в экстремальных условиях в составе особо ответственных систем или в пожаро- и взрывоопасных технологиях, недопустима выдача неправильной команды. Поэтому в МПА встраиваются системы динамического контроля, обеспечивающие фиксацию ошибки переходов a(t)a(t+1) в процессе функционирования, а не при предстартовой тестовой проверке.

Вопросам контроля МПА посвящены работы В.Н.Балакина, В.В.Барашенкова, А.П.Горяшко, А.Е.Коваленко, Л.В.Дербунович, В.В.Сапожникова, С.А.Никищенкова, В.Г.Тоценко, Н.С.Щербакова, Ю.Ф.Мухопада, а также Д.Андерсона, Ш.Графа, М.Гесселя, Р.Кука, Г.Метце, и др.

Для динамического контроля правильности переходов используются коды Хемминга, коды с заданным расстоянием по Хеммингу, коды с дополнительным словом числа единиц в коде a(t), коды с фиксированным числом единиц и др.

Для контроля одиночных ошибок эффективны коды с фиксированным числом единиц, названные mCn (m произвольно расположенных единиц в n-разрядном коде). МПА с кодом mCn исследованы В.В.и Вл.В. Сапожниковыми. Код mCn требует создания весьма сложных схем контроля для n>4. При той же контролеспособности более прост в реализации модифицированный геометрический код (МГК). При использовании МГК исходный двоичный позиционный код (ДПК) преобразуется в код из трехразрядных групп с одной «1» - 001, 010, 100. Как mCn, так и МГК увеличивают разрядность a(t) в 2 - 2,5 раза по сравнению с ДПК, поэтому прямое применение этих методов проблематично для сложных и средней сложности автоматов.

Нерешенными остаются следующие задачи:

- снижение сложности комбинационных схем МПА для СРВ;

- повышение эффективности методов динамического контроля МПА для СРВ.

Для СРВ ограничиваются возможности вариантности структурной организации, т.к. изначально ориентируются на применение СБИС, многомикропроцессорных структур и « универсальных» микроконтроллеров. Необходимы такие структуры СРВ, которые могли бы дать возможность использования схем с наименьшим уровнем интеграции.

Во второй главе подробно рассмотрены автоматы Мура, Мили с памятью на регистрах и счетчиках.

В работе предложена новая методика синтеза МПА, существо которой сводится к преобразованию заданной граф-схемы алгоритма (ГСА) (рис.1а) по следующим правилам:

1. Если в ГСА имеются непосредственные связи типа j i (i j), то между ними ставится пустой оператор, т.е. такой, которому не соответствует выдача команды управления операционным устройством (рис.1 б).

2. Пустой оператор ставится также перед любым оператором j, если к нему идет передача управления от нескольких других операторов.

Для синтеза МПА семантика Ai и j несущественна, если ГСА составлена правильно.

Переход от модифицированной ГСА к графу переходов осуществляется по известной методике, однако после применения пунктов 1, 2 в получившемся графе не будет переходов a(t) a(t+1), учитывающих значения нескольких логических условий, а останутся переходы по или по j или j ( j =1, 2, …, q ). Здесь - безусловный переход. На рис.2 и 3 представлены графы переходов для исходной и модифицированной ГСА.

Как видно из анализа графов, после модификации на любом переходе a(t) a(t+1) можно определить номер логического условия j или значение =1 соответствующего состоянию a(t).

В этом случае аналитическая запись работы модифицированного автомата будет иметь вид (2):

a(t+1) = F1н (a(t), , j) ; A(t) = F2 (a(t)); J = F3 (a(t)) (2)

Здесь J - номер соответствующего условия j при состоянии a(t), F1н - новая система булевых функций, зависящая от кода a(t) и логических значений всего одной переменной и безусловного перехода . После определения номера J в виде кода {Z}выбор нужного значения j может быть осуществлен типовым мультиплексором по адресу {Z}.

 а) б) Граф - схема алгоритма-2

а) б)

Рис.1. Граф - схема алгоритма сложения чисел с плавающей запятой

 Граф автомата Мура Граф нового-5

Рис.2. Граф автомата Мура Рис.3. Граф нового автомата.

Введение М пустых операторов приводит к увеличению числа состояний в графе переходов, но величина m не меняется, если N+M 2m и увеличивается на «1», если условие не выполняется. N – число состояний автомата Мура. Пустому оператору соответствует пропуск такта, поэтому снижается быстродействие МПА в h раз. Здесь h = (N1 +M1) /N1, где M1,N1 -количество пустых и действующих операторов Аi на выделенном пути ГСА с наибольшим значением (N1 + M1). В реальных задачах h 1,25.

Структурная схема МПА для реализации уравнения (2) оригинальна (рис.4). Объем памяти для нового МПА равен Vн = m2m+1. Функциональная подсистема нового автомата остается такой же, как и в автомате Мура.

 Структурная схема нового автомата -6

Рис.4. Структурная схема нового автомата

М – мультиплексор; – признак безусловного перехода;

ОУ – объект управления (операционное устройство);

F3 - комбинационная схема определения адреса {Z} переменной j{}.

МПА, представленный на рис.4, может быть реализован без схемы F3, если выполнить следующее правило: перенумеруем все j { } так, что каждому a(t) будет соответствовать j, номер которого совпадает с номером состояния a(t), если ему не соответствует =1.

В этом случае мультиплексор следует проектировать как специальное устройство или необходимо произвести подачу 1,2,… q на соответствующие входы мультиплексора. В соответствии с графом переходов (рис.3) переменная 1 должна быть подана на 2-й и 7-й информационные входы мультиплексора, переменная 2 - на 5-й и 10-й, 3 - на 14-й и 20-й входы, …, 6 - на 11-й и 15-й входы. Если некоторому a(t) соответствует =1, то выбирается 0 = 0.

В диссертации показано, что затраты элементов на схему F3 и мультиплексор не превосходят затрат на F1н.

Эффективность методики, без учета F3 и мультиплексора, оценивается отношением L=V/Vн. Оценка снижения объема ПЗУ приведена для простых, средних и сложных автоматов: m=4, q=8, L=128; m=5, q=12, L=2048; m=6, q=16, L=32768.

Преимущества данного варианта реализации нового автомата заключаются не только в том, что убирается схема F3, а выходы y1,y2,… ym подаются непосредственно на адресные входы мультиплексора, но также и в том, что нет необходимости формирования для несуществующей схемы F3 импульса синхронизации для А-подсистемы МПА.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.