CC BY
58
УДК 681.5.013
ВТ. Манжула
МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ СТРУКТУРНОПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА НЕИЗБЫТОЧНЫХ СМЕШАННЫХ
-
Предложена концептуальная модель обработки информации функциональноархитектурного подхода с учетом включения процедуры исключения структурной избы, -ции и функциональная модель подхода синтеза неизбыточных функциональных и электрических принципиальных схем смешанных (аналоговых) СФ-блоков. Рассмотрена реализация
- .
Синтез; сложный функциональный блок; концептуальная модель; функциональная модель; SADT-диаграмма.
V.G. Manzhula
MODELS, METHODS AND ALGORITHMS STRUCTURAL PARAMETRIC SYNTHESIS IRREDUNDANT MIXED SF UNITS
In work the functional model of architectural level of process of processing of the information and functional model of the approach of synthesis of irredundant functional and electric circuit diagrams of the mixed (analog) difficult functional blocks are offered conceptual model of processing of the information of the is functional-architectural approach taking into account inclusion of procedure of an exception of structural redundancy. Realization of element of difficult functional block on the basis of principle integration is considered
Synthesis; the difficult functional block; cconceptual model; functional model; SADT diagram.
Интерес к смешанным (AMS) СФ-блокам в последнее время растет, и работа в этой области сталкивается со значительными проблемами при проектировании,
[1],
проектирования в аналоговой и цифровой областях, что значительно увеличивает риск и стоимость проектирования.
Смешанное проектирование повсеместно использует стиль проектирования схем «снизу-вверх», при этом оказывается, что в сложных проектах наибольшее влияние на характеристики оказывает уровень архитектуры системы, а стиль про-« - »
структуры и ее оптимизации. Продолжительные расчеты всего чипа ограничивают возможности по верификации, что приводит к повторным проектным итерациям. Большая часть ошибок появляется в момент объединения блоков, а не внутри от, -
. , , -
править, так как для этого требуется перепроектирование отдельных блоков. Стадии проекта часто требуют строго последовательного выполнения, в результате
стиль проектирования «снизу-вверх» требует слишком много времени.
« - ». -
кой стиль придает гораздо большее значение архитектуре на системном уровне и стадии исследования структуры проекта, с использованием для обширной оптимизации проекта таких средств, как Matlab, Simulink и моделирования с помощью
Verilog-AMS, VHDL-AMS. Данные средства обеспечивают большую возможность применения методов повторного использования, формализуют общение между , .
Для решения задач разбиения и совместного проектирования такие производители, как Aldec, Cadence, Mentor Graphics, Synopsys, LSI Logic, NEC, Tera Systems, Synplicity, Celoxica, Xilinx MicroBlaze [2] на системном уровне используют подход функционально-архитектурного синтеза [3]. В таком подходе модель системы одновременно описывается на двух равноценных уровнях: функциональном
- сеть приложений системы, разделённых на ряд функциональных задач, которые могут моделироваться с помощью различных вычислительных моделей таких, как дискретные события, конечные автоматы или потоки данных; архитектурном -сеть коммуникаций, основных IP-блоков.
Такой подход подразумевает следующую методологию синтеза. Вначале строятся явные отображения между двумя представлениями системы: функциональном и архитектурном, а потом на них накладывают разбиение, сделанное для вычислительных задач и коммуникаций. Полученную гибридную модель модели, -ной архитектуры в качестве средства реализации конечного продукта.
Однако указанный подход не исключает возможности получения финального продукта с излишне сложной структурой, при этом целесообразным является введение дополнительной процедуры контроля структурной и параметрической избыточности проектируемых систем. Особенно актуальным является введение данной процедуры при проектировании аналоговых и смешанных СФ-блоков, так как используемые этапы проектирования в этом случае имеют очень низкий уровень .
Этапы обработки информации функционально-архитектурного подхода, модернизированного с учетом включения процедур анализа и исключения структурной и параметрической избыточности, представлены на рис. 1 [4]. Введение процедуры анализа структурной избыточности позволит оценить возможность упрощения структуры и определить варианты предполагаемой структуры, а процедура анализа допустимости позволит выявить и исключить неработоспособные упро-. -рования целесообразным является разработка процедуры одновременного исключения структурной и параметрической избыточности.
На рис. 2 представлена функциональная модель процесса обработки информации при синтезе неизбыточных структур архитектурного уровня концептуальной модели на основе SADT-диаграммы [5].
В качестве примера рассмотрим синтез структуры СФ-блока системы автономного энергоснабжения потребителя (П) с динамическим распределением ограниченного энергоресурса. Выбор структуры, параметров и закона управления, ис-
( ), -
, , .
Сокращение потребного запаса энергии, достигаемое в результате секциони-
, ,
чем выше степень дробления ИП на секции и чем больше в нем линий, сообщающих секции с потребителем. Однако это, в свою очередь, обусловливает его ус, , . -ные обстоятельства обусловливают актуальность решения задачи выявления
, -
щих избыточностью [6].
8G
Рис. 1. Концептуальная модель неизбыточного функционально-архитектурного подхода системного проектирования
Рис. 2. Функциональная модель обработки информации при синтезе неизбыточн ых струк тур
Таким образом, неизвестными решаемой задачи являются: число п секций ИП и линий связи между секциями и магистралями (структура ИП). Выбор значений перечисленных неизвестных должен обеспечивать совместное выполнение .
, -
кой качества ИП.
Показателем качества ИП, подлежащим минимизации, целесообразно считать остаток запаса ресурса в ИП в конечный момент времени. Кроме того, необходимо снизить число подключений секций ИП к магистралям и отключений от них, иными словами, ограничить число переключений (смен значений) функции управления Щ). Данное требование отражает стремление косвенно ограничить вероятность отказов в работе системы, обусловленных указанными переключениями.
Структура решения рассматриваемой задачи определяется набором Б номеров активных компонент ^ХО. Учитывая, что каждой компоненте wk(t), к^ Б соответствует линия, связывающая ьую секцию ИП с магистралью (значения у однозначно определяются значением к), набор Б определяет перечень линий, используемых в ИП. Перечень линий связи одновременно определяет и число используемых секций, т.е. определяет структуру ИП.
Для решения задачи синтеза ИП предлагается выявить множество всех структур решений рассматриваемой задачи при известной стоимости каждого эле. -ло минимально взвешенного сравнения сложности структур, в котором весовым коэффициентом сложности ьго элемента структуры является его стоимость.
В результате сложность структуры Б решения рассматриваемой задачи оценивается критерием качества Ь= ^(у;), равным суммарной стоимости линий
ИП со структурой Б. Кроме критерия Ь при выборе предпочтительной перестраиваемой структуры часто учитывают минимально возможный остаток Ме ресурса
в ИП как еще один критерий оптимизации [7].
В качестве формализованного правила выбора предпочтительных вариантов при наличии векторного критерия качества (Ь, Ме) будем использовать
правило выбора Парето. В соответствии с ним структура а лучше, чем структура Ь, если а лучше Ь хотя бы по одному критерию и не хуже по другому, т.е., если
Ь(а) < Ь(Ь) и Ме (а) < Ме (Ь) или Ь(а) < Ь(Ь) и Ме (а) < Ме (Ь). Структура а строго лучше структуры Ь по критериям Ме и Ь одновременно, если Ь(а) < Ь(Ь) и Ме (а) < Ме (Ь).
, Ь, М е , -
лять, используя следующий алгоритм [8]:
♦ Последовательно увеличиваем на единицу число секций п, начиная с п=1 до п*.
♦ Для каждого значения п генерируем множество ^п структур ИП с п сек-
, ( ),
, ( ).
♦ ^ п выделяем его подмножество од допустимых структур.
♦
ИП для каждой структуры из ОД .
♦ В множество Q° включаем такие и только такие структуры S0 из Q||,
для которых среди найденных допустимых структур, соответствующих
n, -
, S0 M , L .
Из Q° исключаем все ранее включенные в нее структуры S*, для которых
в ОД , , S*,
критериям Ме, L одновременно.
В результате выполнения представленных действий формируется множество Q ° искомых структур Парето - оптимальных по показателям Me, L.
На основе предложенных концептуальной и функциональной моделей обработки информации при синтезе СФ-блоков разработано программное обеспечение MatLab,
электропитания автономного объекта с динамическим распределением ограниченного энергоресурса оптимальных по критериям стоимости соединительной магистрали и минимального остатка энергоресурса.
function result = struct_sintez(max_sections,magistrales) omega_o = {}; index = 1;
for n = 1:max_sections
% Сгенерировать множество структур omega с n секциями и m % магистралями
for counter = 0:(2A(magistrales*n)) binary = dec2bin(counter); while length(binary) < magistrales*n binary = ['0' binary]; end
matrix = zeros(magistrales,n); for i=1:magistrales for j=1:n
matrix(i,j) = (binary(n*(i-1)+j) == '1'); end end
omega_o{index} = matrix; index = index + 1; end end
%
omega_true = {}; index = 1;
for i = 1:length(omega_o) matrix = omega_o{i}; flag = 1;
[height width] = size(matrix);
% Магистраль может быть подключена только к одному источнику for j = 1:height
if(length(find(matrix(j,:) == 1)) ~= 1) flag = 0; break; end end
8З
В качестве формализованного правила выбора предпочтительных вариантов, при наличии векторного критерия качества, в программе используется правило .
Современные аналоговые СФ-блоки РЭА характеризуются многообразием
, -ния [9]. Проектирование функциональной схемы конечного устройства (системы ), , -мы функционирования без использования системного подхода затруднительно ввиду многообразия факторов, влияющих на финальный состав функциональной и принципиальной схем СФ-блока.
Решение данной задачи синтеза возможно реализовать при помощи подхода, основанного на последовательном использовании операций редуцирования и агрегирования (рис. 3). Снижение сложности решения исходной задачи предлагается осуществить за счет редукции, при этом начальная задача разбивается на подзада-, . предлагается использовать как на этапе синтеза функциональной схемы, так и на
( ).
На этапе редукции генерируются решения функциональных подсхем, соответствующих различным режимам и, в свою очередь, различным алгоритмам .
, - . , -
циональная схема СФ-блока, избыточность которой минимизирована за счет интеграции отдельных элементов функциональных подсхем.
Рис. 3. Функциональная модель подхода синтеза неизбыточных функциональных и электрических принципиальных схем СФ-блоков РЭА
На этапе синтеза принципиальной схемы СФ-блока в соответствие каждому элементу синтезированной неизбыточной функциональной схемы предлагается вариант ее схемотехнической реализации, как правило, в виде 1Р-модуля. На этапе агрегации, за счет использования принципа схемотехнической интеграции, отдельные схемные блоки объединяются в виде единого схемотехнического решения, выполняющего задачи нескольких функциональных элементов. Данный подход позволяет получить схемотехнические решения, имеющие меньшее количество элементов и, как правило, обладающие параметрами, превосходящими простую совокупность элементов неинтегрированных принципиальных схем.
В качестве примера рассмотрим варианты схемотехнической реализации
( ),
микросхеме управления (ИМУ) импульсным источником вторичного электропитания [9]. Проходная характеристика синтезируемого устройства представлена на рис. 4. Вид данной зависимости обусловлен возможностью функционирования ИМУ в трех основных алгоритмах (режим запуска - участок 0-И2; режим стабилизации выходного напряжения - участок И2-И3; режим защиты от перегрузок - участок из-ик). При переходе из режима стабилизации в режим защиты происходит изменение знака обратной связи. Условием перехода является превышение напряжения и величины и, ПРИ этом зависимость иос(ир) становится обратно.
иос
и„
и*
и* и, ик ир
Рис. 4. Зависимость выходного напряжения ФСОС от входного
На рис. 5 элемент ФСОС реализован на основе неинвертирующего усилителя (УТ1-УТ11, Ш, К2, И5, II), инвертирующего решающего усилителя (УТ12-УТ20, 12-14, И3.И4) и ограничителя (УТ21-УТ23, 15).
Данный ФСОС реализует зависимость И^ДИр) (рис. 4). На участке от нуля до величины И2 инвертирующий и неинвертирующий усилители находятся в режиме ограничения. На участке И2-Из инвертирующий усилитель находится в ли, - . и3-и
оба усилителя работают в линейном режиме. При напряжении Ир, превышающем значение И, инвертирующий, а затем и неинвертирующий усилители перейдут в .
Коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей определяются следующими соотношениями:
R^ R, I. N Su SQ S7
K =—, K = —-K, K =—^-------------------------------, N =-И = -^, (1)
R3 УН R3 !.+ К 2 ^ ^ ^
где И3 =И1 =И2; Б1 - площадь эмиттерного перехода ьго транзистора. Значения напряжений Их и И2 можно найти из выражений:
Ux = Ц - IlKNR6, Ц = Uз - hRэ.
(2)
Элемент ФСОС, реализованный на основе принципа схемотехнической интеграции, представлен на рис. 6. В данной схеме инвертирующий, неинвертирующий усилители и ограничитель выполнены в виде единого неразделимого схемного блока, реализующего зависимость и0с= (рис. 4).
Рис. 5. Принципиальная схема ФСОС
Рис. 6. Схемотехнически интегрированный ФСОС
Коэффициенты передачи для участков и2-и3 и и3-ик при условии 12 = 13, И5 = И6, И: = И2 определяются соотношениями
R« ( R4 ^ Л,
к =-*- 1 + -^ 5 к =-*-
г 2R1 Ч ^ У ^4 ’ ,с К
Значения напряжений Uz, Ux и U0 определяются соотношениями
U = U - /, R, U = /2 R5
z on 1 р x 2 5
r4
1+-4- , Uo =
! R5 ,
/ , R, s5
+ / R.
2S
(4)
Из рассмотрения схемотехнических решений элемента ФСОС (рис. 5, 6) следует, что применение принципа схемотехнической интеграции позволило более чем в 2 раза сократить количество активных элементов, а также снизить суммарный потребляемый ток примерно в 3 раза.
, , функциональных и принципиальных схем на основе разработанных концептуальных и функциональных моделей позволяют проектировать решения, использующие меньшее число активных и пассивных элементов интегральных схем, обладающие низким токопотреблением и повышенной функциональной надежностью.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Chang H. SoC Design Methodologies, Winning the SoC Revolution: Experiences in Real Designing. - Boston: Kluwer Academic Publishers. - 2003. - P. 329.
2. Немудрое BA., Мартин Г. Системы на кристалле. Проектирование и развитие. - М.: Техносфера, 2004. - 216 с.
3. Krolikoski S., Schirrmeister F., Salefski B., Rowson J., Martin G. Methodology and Technology for Virtual Component Driven Hardware/Software Co-Design on the System Level. - Orlando Florida: ISCAS, 1999. - P. 941.
4. . .
// -
мационные технологии. - 2010. - № 3 (41). - С. 36-40.
5. . ., . .
// . - 2010.
- № 8. - С. 91-92.
6. . .
// . .
. - 2010. - 2. - . 43-49.
7. Манжула ВТ. Синтез неизбыточных структур систем управления на основе минимально факторного анализа. - Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ, 2010. - 104 с.
8. . . -
// -
. - 2010. - 5. - . 175-177.
9. . . - -
, . - .: -
знания, 2008. - 140 с.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор СТ. Крутчинский. Манжула Владимир Гавриилович
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.
E-mail: [email protected].
346500, . , . , 147.
.: 8636224595.
Начальник Информационно-технического центра ЮРГУЭС; доцент.
Manzhula Vladimir Gavriilovich
The South Russian State University of Economy and Service.
E-mail: [email protected].
147, Shevchenko's Street, Shakhty, 346500, Russia.
Phone: 8636224595.
The Chief of Information Centre-Technical; Associate Professor.
