Нечипоренко Ольга Володимирівна. Синтез спеціалізованих цифрових пристроїв за умовою надійності на основі систем числення з постійною кількістю одиниць

Краткое описание

Нечипоренко Ольга Володимирівна. Синтез спеціалізованих цифрових пристроїв за умовою надійності на основі систем числення з постійною кількістю одиниць: дис... канд. техн. наук: 05.13.05 / НАН України; Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова. - К., 2005

Нечипоренко Ольга Володимирівна. СИНТЕЗ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ ЦИФРОВИХ ПРИСТРОЇВ ЗА УМОВОЮ НАДІЙНОСТІ НА ОСНОВІ СИСТЕМ ЧИСЛЕННЯ З ПОСТІЙНОЮ КІЛЬКІСТЮ ОДИНИЦЬ. Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 «Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування». Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, Київ, 2005.
У дисертаційній роботі пропонується новий підхід до рішення проблеми забезпечення надійності функціонування цифрових пристроїв і систем управління, який полягає в сумісному використовуванні надлишкового кодування інформації і апаратної надлишковості реалізації схемотехніки. Робота присвячена синтезу спеціалізованих цифрових пристроїв за умовою надійності на основі систем числення з постійною кількістю одиниць; розвитку методів синтезу надлишкових кодів і аналізу їх властивостей, щодо виявлення і виправлення помилок; розвитку прикладної теорії цифрових апаратів, що самоперевіряються.
Запропоновано: узагальнений показник вірогідності безвідмовної роботи спеціалізованих цифрових пристроїв; системи числення з постійною кількістю одиниць; характеристики для оцінки властивостей систем числення з постійною кількістю одиниць.
Розроблено: метод синтезу арифметичних кодів; математичний апарат розрахунку характеристик синтезованих систем числення з постійною кількістю одиниць; алгоритми кодування, декодування і виявлення помилок виконання арифметичних операцій; математичні моделі та схемотехнічні рішення реалізації даних алгоритмів; метод синтезу структур суматорів для запропонованих систем числення.
Результати обчислювального експерименту показали перевагу двійково-четвіркової системи числення з постійною кількістю одиниць. За даними моделювання вірогідність безвідмовної роботи спеціалізованих обчислювальних систем і систем управління на основі 2r систем числення при r=4 дозволило збільшити вірогідність безвідмовної роботи на 14%. Практичне впровадження основних результатів дослідження підтвердило теоретичний розрахунок збільшення вірогідності безвідмовної роботи (НВК «Фотоприлад», м. Черкаси; КРУ Приватбанк, м. Кіровоград; ПФ «Родень», м. Черкаси).

У дисертаційній роботі вирішена задача синтезу спеціалізованих цифрових пристроїв на основі систем числення з постійною кількістю одиниць, що забезпечують надійне функціонування спеціалізованих обчислювальних систем і систем управління.
До основних результатів роботи відносяться наступні.

Одержаний узагальнений показник вірогідності безвідмовної роботи спеціалізованих цифрових пристроїв, що враховує інформаційну надлишковість систем числення, складність реалізації, якість контролю і вплив статико-динамічного режиму функціонування. Даний показник дозволив формалізувати задачу наукових досліджень і визначити шляхи досягнення максимальної вірогідності безвідмовної роботи спеціалізованих цифрових пристроїв. Зменшити інтенсивність відмов і збоїв можна за рахунок зменшення кількості перемикань логічних елементів, а отже, збільшити різницю між вірогідністю нуля і одиниці в розряді коду, зменшити складність цифрових пристроїв і пристроїв контролю інформації, зменшити вплив збоїв на вірогідність безвідмовної роботи за рахунок збільшення контролюючих можливостей кодів і систем числення.
На основі дослідження кодів, що коректують помилки, одержані системи числення з постійною кількістю одиниць, що дозволяють гарантовано знайти однократні помилки при передачі, зберіганні і обробці інформації. На основі дослідження різноманіття одержаних кодів і систем числення були визначені і доведені математичні залежності для дослідження 2r кодів і 2r систем числення: визначення потужності розрядного коду, визначення складності виявлення помилок, визначення вагових розрядів синтезованих систем числення. Розроблені 2r системи числення мають значну несиметрію нулів і одиниць в розряді коду, що підвищує вірогідність безвідмовної роботи апаратних засобів.
Розроблений новий метод синтезу арифметичних кодів, який дозволяє одержувати системи числення, що забезпечують гарантоване виявлення помилок заданої кратності. В основу методу покладені операції заміщення цифри коду її двійковим представленням. Зроблено висновок про те, що будь-який код, синтезований запропонованим методом, має одновимірний ваговий ряд, що є необхідною умовою для його розгляду як системи числення.
На основі синтезу систем числення з постійною кількістю одиниць одержані алгоритми кодування, декодування і виявлення помилок. Розроблені в загальному вигляді математичні моделі пристроїв, що реалізують дані алгоритми. Основною перевагою даних моделей є їх універсальність і адаптуємість до будь-якої системи числення з постійною кількістю одиниць. Доведені аналітичні залежності визначення складності математичних моделей пристроїв кодування, декодування і виявлення помилок, що дозволяють на етапі формального синтезу визначити інформаційну і апаратну надлишковість запропонованих пристроїв. Пристрої контролю інформації в 2r системах числення забезпечують виявлення помилок непарної кратності. Складність запропонованих пристроїв контролю інформації на порядок нижче складності аналогічних пристроїв, призначених для виявлення однократних помилок.
На основі досліджень вагових коефіцієнтів систем числення з постійною кількістю одиниць були розроблені алгоритми для виконання операцій додавання і прискореного множення. Одержані аналітичні залежності для визначення складності комбінаційних суматорів. Запропонований ряд рішень схемотехніки синтезу цифрових пристроїв на основі комбінаційних схем, тригерів і регістрів зсуву. Дані схемні рішення є оптимальними за складністю і швидкодією при реалізації 2r кодів і 2r систем числення. Запропоновані основні дискретні пристрої мають вбудовані засоби контролю, що дозволяє поєднати процеси обробки інформації і її контролю. Під час переходу пам'яті на функціонування в 2r системах числення може бути досягнуте значне збільшення її місткості за рахунок використання розроблених математичних моделей регістрів і елементарних автоматів пам'яті з вбудованими схемами контролю помилок, що володіють найменшою складністю за решти рівних умов.
Розроблений метод синтезу структур суматорів для 2r систем числення, що дозволяє одержати мінімальну диз'юнктивно-нормальну форму математичної моделі, що виключає етап мінімізації логічних функцій. Даний метод спрощує процедуру синтезу суматорів для вибраної 2r системи числення.
На основі дослідження синтезованих моделей пристроїв одержані аналітичні залежності для розрахунку складності їх реалізації. Вони послужили основою для проведення обчислювального експерименту по моделюванню вірогідності безвідмовної роботи спеціалізованих обчислювальних систем. Результати експерименту показали перевагу двійково-четвіркової системи числення з постійною кількістю одиниць. За розрахунковими даними вірогідність безвідмовної роботи спеціалізованих обчислювальних систем і систем управління на основі 2r систем числення при r=4 дозволило збільшити вірогідність безвідмовної роботи на 14%. Практичне впровадження основних результатів дослідження підтвердило теоретичний розрахунок збільшення вірогідності безвідмовної роботи (НВК «Фотоприлад», м. Черкаси; КРУ Приватбанк, м. Кіровоград; ПФ «Родень», м. Черкаси).