Ikke-algoritmiske metoder til digital modellering. Introduktion

9. Digital videoovervågning Hidtil har de fleste af de emner, der diskuteres i denne bog, været relateret til analoge videosignaler. De fleste moderne videoovervågningssystemer bruger stadig analoge kameraer, selvom et stigende antal producenter tilbyder

2.2. Ikke-algoritmiske metoder

digital modellering.

Hastigheden til at løse en række komplekse problemer ved hjælp af en programalgoritmisk metode på en digital computer til generelle formål er utilstrækkelig og opfylder ikke behovene for computerstøttet design (CAD) ingeniørsystemer. En af disse klasser af problemer, der er meget brugt i ingeniørpraksis, når man studerer dynamikken (transiente processer) i komplekse automatiseringssystemer, er systemer af højordens ikke-lineære differentialligninger i almindelige derivater. For at fremskynde løsningen af ​​disse problemer kan CAD-software- og hardwaresystemer ud over den primære (førende) digitale computer til generelle formål omfatte GVM'er, der er problemorienterede til løsning af ikke-lineære differentialligninger. De er organiseret på basis af digital matematisk modellering ved hjælp af en ikke-algoritmisk metode. Sidstnævnte giver dig mulighed for at øge produktiviteten af ​​CAD på grund af den iboende parallelitet i computerprocessen, og den diskrete (digitale) metode til at repræsentere matematiske størrelser giver dig mulighed for at opnå behandlingsnøjagtighed ikke værre end i en digital computer. Disse GVM'er bruger to digitale modelleringsmetoder:

1. Finite-difference modellering;

2. Udledningsmodellering.

Den første metode, der bruges i GVM'er, såsom digitale differentialanalysatorer (DDA'er) og digitale integrationsmaskiner (DIM'er), er den velkendte metode til omtrentlige (trinvise) endelige forskelsberegninger. Digitale driftsenheder i GVM, bygget på digitale kredsløb, behandler forholdsvis små diskrete trin af matematiske mængder, der transmitteres langs kommunikationslinjer mellem driftsenheder. Matematiske input- og outputstørrelser er repræsenteret, lagret og inkrementeret i digitale n-bit-koder i op/ned-tællere eller akkumulatorregistre.

Forøgelser af alle mængder er normalt kodet i én lavordensenhed: D:=1ml. R. Dette svarer til kvantisering efter niveau af alle forarbejdede mængder med et konstant kvantiseringstrin D=1. Som følge heraf er stigningshastigheden for alle maskinmængder begrænset: |dS/dx|£1.

Tegn på enkeltbit-stigninger kodes ved hjælp af tegnkodningsmetoden på to-tråds kommunikationslinjer mellem driftsenheder:

https://pandia.ru/text/78/244/images/image002_51.gif" width="476" height="64 src=">,

hvor DSi=yiDx er inkrementet af integralet i det i-te integrationstrin, og den i-te ordinat af subintegralfunktionen y(x) – yi beregnes ved at akkumulere dets inkrementer:

https://pandia.ru/text/78/244/images/image004_39.gif" width="208" height="56 src=">

med introduktionen af ​​en konstant normaliseringskoefficient kn = 2-n dannes inkrementer ved udgangene af integratorerne sekventielt og behandles også sekventielt i de følgende integratorer. En undtagelse er integrationen af ​​summen af ​​flere integrandfunktioner

https://pandia.ru/text/78/244/images/image006_34.gif" width="239" height="56 src=">

Derefter, langs adskillige m inputlinier, kan de lte trin ankomme synkront til et eller andet jte trin. Til sekventiel tilføjelse er de fordelt inden for et trin ved hjælp af forsinkelseslinjer, hvilket øger klokfrekvensen for den inputakkumulerende adderer med m gange. Derfor er antallet af summerbare integrandfunktioner normalt begrænset til to: m=2.

Den strukturelle organisering af den digitale integrator-adder er meget enkel. Den er konstrueret i form af en seriel forbindelse af følgende funktionelle enheder:

· 2OR kredsløb med forsinkelseslinje tз=0,5t ved en af ​​indgangene

· input akkumulerende adderer af inkrementer af integrand funktioner, som akkumulerer deres n-bit ordinater i henhold til input inkrementer:

https://pandia.ru/text/78/244/images/image008_28.gif" width="411" height="194 src=">

Når Dх:=(10) transmitteres koden yk uden ændringer, og når Dх:=(01) danner outputtet en kode invers til indgangskoden yk.

· Integral output-inkrementgenerator: DSi:= overløbsenhed Si, der konverterer overløbstegnet til en bipolær inkrementkode (det implementeres enklest, hvis de negative akkumulerede tal Si er repræsenteret i en modificeret kode: direkte, invers eller komplementær). Det tilsvarende blokdiagram for den digitale integrator er vist i fig. 9.14 (s.260) i lærebogen. I digitale modelkredsløb bruges følgende symbol for en digital adderintegrator:

"Zn." angiver inversionsflaget (-), hvis det er påkrævet. En vigtig fordel ved denne metode til finit-difference digital modellering er, at den samme digitale integrator, uden at ændre sine kredsløb, bruges til at udføre de lineære og ikke-lineære operationer, der er nødvendige for at løse almindelige differentialligninger. Dette forklares ved, at når man programmerer CDA og CIM, konverteres de oprindelige ligninger i derivater til ligninger i differentialer. Lad os se på de enkleste digitale modelprogrammer:

1. gange variablen x med konstanten k:

Går vi videre til differentialerne dS=кdx, vil vi sørge for, at denne operation udføres af en integrator med dens tilsvarende startindstilling:

3. Multiplikation S=xy, eller i differentialer dS=xdy+ydx.

4.2. trigonometriske funktioner, for eksempel y=sinx, som er en løsning til en andenordens differentialligning (siden ), eller i differentialer

I betragtning af, at skabelsen af ​​disse problemorienterede computere kræver betydelige ekstra omkostninger, når man konstruerer tekniske CAD-værktøjer, bruges der ofte en enklere metode til at organisere dem ved at kombinere masseproducerede digitale computere til generelle formål og elektroniske analoge computere (AVM'er) bygget på operationelle forstærkere til et computerkompleks. Den digitale computer og den digitale computer kombineres ved hjælp af en standardkonverterings- og interfaceenhed (CTD), der hovedsageligt består af en ADC og en DAC. Et komplekst problem, der skal løses, er rationelt opdelt i 2 dele mellem analoge og digitale processorer, når komplekset programmeres. Desuden er den analoge del oftest problemorienteret til at løse differentialligninger og bruges i den generelle beregningsproces som en hurtig subrutine.

2.3 Arkitektur af hybride computersystemer (HCC).

2.3.1. strukturen af ​​det analog-til-digitale computerkompleks (ADCC)

GVK eller ATsVK er et computerkompleks bestående af en digital computer og en automatisk computer til generelle formål, kombineret ved hjælp af en UPS, og som i den digitale del indeholder yderligere software til automatisering af programmeringen af ​​den analoge del, styring af udvekslingen af ​​information mellem den analoge del og digitale dele, overvågning og test af den analoge del, automatisering af input-output procedurer.

Lad os overveje blokdiagrammet for en ADCC med den enkleste UPS, bygget på enkeltkanals switchede ADC'er og DAC'er. For at skabe forudsætningerne for automatisering af AVM-programmering under styring af en digital computer, introduceres følgende ekstra blokke som en del af AVM-hardwaren:

1. Manuelt justerbare variable modstande (potentiometre) ved indgangene på operationsforstærkere i et sæt driftsenheder (NOB), som du kender fra laboratoriearbejde på TAU, erstattes med digitalt styrede modstande (DCR), som bruges som DAC integreret kredsløb;

3. Automatisk tilslutning af betjeningsenheder i overensstemmelse med det analoge modelkredsløb tegnet i den digitale computer (afsnit 2.1) udføres af et automatisk koblingskredsløb (ASC) ved hjælp af den binære koblingsvektor af SAC-tasterne, dannet i den digitale computer og gemt under løsningen af ​​problemet i konf(RN) i UPS.

AVM-driftstilstande: forberedelse, opstart, stop, tilbagevenden til den oprindelige tilstand, output af resultater til analoge perifere enheder (kortoptagere, to-koordinerede tablet-optageenheder - DRP) indstilles fra computersiden gennem UPS-kontrolenheden ( UPS BU).

UPS-kontrolenheden udfører også gensidig synkronisering af driften af ​​den digitale computer og den automatiske computer: den transmitterer eksterne afbrydelsessignaler fra den analoge model til de digitale programmer på den digitale computer, under styring af digitale delprogrammer synkroniserer den polling af punkter i den analoge model, konverteringen af ​​spændinger på disse punkter til digitale koder og transmissionen af ​​sidstnævnte gennem BSK'en og kanalens input-output til RAM'en på den digitale computer; eller på lignende måde omvendt konvertering af digitale koder til elektriske spændinger og forsyning af sidstnævnte til de nødvendige punkter ved indgangene til driftsenhederne i den analoge model. Dette princip for funktionel organisering af interaktion mellem de digitale og analoge dele understøttes i hardware af UPS-blokke: ADC og DAC, AM og ADM - analog multiplexer og demultiplexer, ML - input og output analoge hukommelsesblokke bygget på en række lignende lagersampling kredsløb (SSC). Indgangene på indgangen SVX (til venstre) er forbundet til de nødvendige punkter i det analoge modelkredsløb (udgange fra de tilsvarende driftsblokke). På de nødvendige diskrete tidspunkter, under styring af en digital computer, tages individuelle prøveordinater af analoge signaler (elektriske spændinger) fra den analoge model og lagres i det midlertidige lagersystem. Derefter bliver SVR'ens udgange pollet af AM-multiplekseren, og deres udgangsspændinger konverteres af ADC'en til digitale koder, som i den direkte adgangstilstand som en blok af tal (lineært array) skrives til den digitale computers OP.

Under invers konvertering er SVX-udgangene fra den anden gruppe af den analoge ML-udgangshukommelse (til højre) forbundet, under styring af den digitale computer, til de nødvendige indgange på betjeningsenhederne i den analoge model og SVX-indgangene er forbundet til udgangene på den analoge demultiplekser, hvis indgang forsynes med udgangsspændingen fra DAC'en. I den direkte adgangstilstand læses en blok af tal fra OP'en på den digitale computer. Hvert af numrene omdannes til en elektrisk spænding i DAC'en, som under styring af den digitale computer ved hjælp af en kørende ADM optages til opbevaring i et af de midlertidige lagerhuse. Det resulterende sæt af flere spændinger lagres i flere midlertidige lagringssystemer i et tidsinterval, der er angivet af det digitale computerprogram (for eksempel under løsning af et problem i den analoge del) og behandles af analoge betjeningsenheder.

2.3.2. Metoder til at organisere analoge -

digital computing.

Princippet om vekslende driftstilstande for digitale computere og automatiserede computere, hvilket reducerer kontrolsystemets kompleksitet.

ATsVK bruges til analog-digital modellering af komplekse automationssystemer, der indeholder digitale styrecomputere, samt til at accelerere løsningen af ​​komplekse matematiske problemer, der kræver for stort forbrug af hukommelsesressourcer og computerens computertid. I det første tilfælde simuleres kontrolalgoritmer programmatisk på en digital computer, og en analog matematisk model af kontrolobjektet programmeres i den automatiske computer, og ACVK bruges som et kompleks til fejlfinding og verifikation af kontrolalgoritmer, under hensyntagen til ikke-linearitet og dynamik af kontrolobjektet, som er meget vanskelige at tage højde for, når man udvikler algoritmer, hvis ikke konstant løser objektets differentialligninger for at bestemme dets reaktion på hver ny kontrolhandling.

I det andet tilfælde, for eksempel, når man løser differentialligninger, opdeles det generelle besværlige problem med omtrentlige beregninger i to dele, idet man sædvanligvis placerer beregningsintensive beregninger i den analoge del, for hvilken en fejl på 0,1...1 % er tilladt.

I henhold til princippet om den ovennævnte opdeling af opgaven i to dele og metoden til at organisere interaktionen mellem AVM og den digitale computer, er moderne digitale computere opdelt i 4 klasser af analog-digital computing

Klasser 1,2,3 kan implementeres på grundlag af den overvejede strukturelle organisation af ADCC med en forenklet UPS bygget på enkeltkanals ADC'er og DAC'er.

Klasse 1 er den enkleste med hensyn til at organisere interaktionen mellem AVM og den digitale computer. De digitale og analoge dele fungerer på forskellige tidspunkter, og derfor er der ingen høje krav til synkronisering af driften af ​​AVM og den digitale computer og hastigheden af ​​den digitale computer og UPS.

Klasse 2 kræver en særlig organisering af alternerende driftstilstande for AVM, DVM og UPS i hver cyklus af beregninger og interaktion

Da AC og CC ikke fungerer samtidigt, er der ingen problemer med deres synkronisering, og der stilles ingen høje krav til hastigheden på UPS'en og den digitale computer. Klasser af problemer, der skal løses: optimering af analoge modelparametre, parametrisk identifikation, modellering af tilfældige processer ved hjælp af Monte Carlo-metoden, analog-digital modellering af automatiske styresystemer ikke i realtid, integralligninger.

Klasse 3 kræver en anden organisation af alternerende driftstilstande for AVM, TsVM og UPS.

I fase A udføres 2 delopgaver af en kompleks opgave, der er kompatible i tid, samtidigt i AC og CC. I CC i fase B modtages diskrete værdier af funktionsargumenter oftest fra AC og lagres, derefter i fase A beregnes ordinaterne af komplekse funktioner ud fra dem og forberedes til AC, som i næste fase B overføres til AC, hvor de lagres i analoge hukommelser ( SVH), og derefter bruges i næste fase A i analoge beregninger osv. Klasser af problemer, der skal løses: iterative beregninger, løsning af almindelige difurer med givne randbetingelser , dynamiske problemer med ren forsinkelse af argumenter, integralligninger, partielle differentialligninger. I klasse 3 er der ingen høje krav til hastigheden af ​​den digitale computer og den digitale computer, men der kræves præcis synkronisering af driften af ​​digital computer og digital computer i fase B, da der på grund af stop af den digitale processor, asynkron styring af dataoverførsel er umulig, og synkron transmission af datablokke udføres under kontrol af direkte adgangscontrolleren til hukommelsen (KPDP) gennem den digitale computer input/output kanal.

Klasse 4 er oftest analog-digital modellering af digitale automatiske styresystemer i realtid til kontrol og fejlretning af styre digitale computerprogrammer i dynamik. Det er det mest komplekse med hensyn til at organisere interaktionen og synkroniseringen af ​​driften af ​​AVM og den digitale computer, da her fase A og B kombineres, er der en konstant gensidig udveksling af data under beregningsprocessen, og derfor er brugen af en digital computer og UPS med maksimal hastighed er påkrævet.

UPS'ens strukturelle organisation, angivet ovenfor og egnet til klasse 1,2,3, er ikke anvendelig i klasse 4. Sidstnævnte klasse kræver en flerkanalsorganisation af ADC og DAC uden multipleksing med yderligere inkludering af parallelle bufferregistre ved indgangen og udgangen af ​​BSC-filen, der udveksles med OP'en af ​​den digitale computer i direkte adgangstilstand. Indholdet af hvert register konverteres enten af ​​separate parallelforbundne DAC'er, når data overføres til AVM'en, eller genereres af separate parallelforbundne ADC'er, når data overføres fra AVM'en til den digitale computer.

2.3.3 Funktioner i ACVK-softwaren.

For at automatisere AVM-programmering ved hjælp af en digital computer og fuldautomatisere den analog-digitale computerproces, er traditionel digital computersoftware til generelle formål (se fig. 13.2 s. 398 i lærebogen) suppleret med følgende softwaremoduler:

1. Behandlingsprogrammerne omfatter yderligere oversættere fra specielle sprog for analog-digital modellering, for eksempel Fortran-IV, suppleret med subrutiner i udvidet Assembly-sprog indeholdende specielle analog-digitale kommandoer, for eksempel til styring af den analoge del ved hjælp af en digital computerprogram, organisering af dataoverførsel mellem digitale frekvenser og AC, behandling af afbrydelser af centrale frekvensprogrammer initialiseret af den analoge del; der oprettes et analog-digitalt kompileringssystem;

2. Arbejds-, fejlfindings- og vedligeholdelsesprogrammerne inkluderer en udvekslingsdriver mellem maskinen til styring af den analoge del som en perifer processor, grafiske visningsprogrammer, registrering og analyse af resultater;

3. Biblioteket af anvendte programmer omfatter programmer til beregning af funktioner og standard matematiske analog-digitale programmer;

4. UPS-tests og -tests af AVM-driftsenheder er inkluderet i de diagnostiske vedligeholdelsesprogrammer;

5. En hel række af yderligere kontrolmoduler er introduceret i OS kontrolprogrammerne:

Automatiseringssystem til analog programmering (SAAP), bestående af leksikalsk analysator; parser(kontrol af overensstemmelsen af ​​det analoge program, der er indtastet i det algoritmiske sprog, med reglerne for optagelse af syntaks); blokdiagram generatorer(sammensætning og kodning af kredsløb af analoge modeller ved hjælp af metoden til at reducere rækkefølge og implicitte funktioner, som i afsnit 2.1); blok af beregningsprogrammer(skalering af den analoge model som i paragraf 2.1, digital softwaremodellering af den analoge del på en digital computer med en enkelt beregning for at beregne de forventede maksimale værdier af variable og tydeliggøre skaleringen af ​​den analoge model, samt oprette en fil til statisk og dynamisk kontrol af den analoge del efter dens programmering); output præsentationsprogrammer(visning og plotter af den analoge models syntetiserede struktur, kontroludskrift af analoge programkoder, skaleringsfaktorer, statiske og dynamiske kontrolfiler);

· Tjeneste til synkronisering og interaktion af automatiserede computere og digitale computere (implementering af alternerende driftstilstande);

· Service til behandling af interrupts initialiseret af den analoge del;

· Program til styring af dataudveksling mellem AVM og digital computer;

· Program til styring af indlæsning af analoge modelkredsløbskoder i SAC (i RN);

· Program til styring af den statiske og dynamiske kontroltilstand (fejlretning af det analoge program indlæst i AVM).

Baseret på resultaterne af automatisering af analog-digital programmering på den magnetiske disk på den digitale værtscomputer, ud over traditionelle digitale filer, oprettes følgende yderligere datafiler, brugt af de ovennævnte ekstra moduler i ACVK-softwaren: analog blokfil, skiftefil (til SAC), statisk kontrolfil, dynamisk kontrolfil, forberedelsesfil til analoge funktionelle konvertere, bibliotek af plug-in standard analog-til-digitale programmer.

2.3.4. Sprog af analog-digital modellering.

Den overvejede arkitektur af den digitale computer giver dig mulighed for kun at beskrive og indtaste analog-digitale programmer i den digitale værtscomputer i algoritmiske sprog på højt niveau. Til dette formål suppleres traditionelle digitale programmeringssprog med specielle operatører til beskrivelse af et analogt modelleringsobjekt, organisering af dataoverførsel mellem AC og DC, styring af den analoge del ved hjælp af et digitalt computerprogram, behandling af afbrydelser fra den analoge del, indstilling parametrene for den analoge model, overvågning af den analoge del, indstilling af serviceoplysninger osv. P.

Der bruges universelle sprog, oversat ved kompilering (Fortran IV) eller tolkning (BASIC, Gibas, Focal, HOI), suppleret med specielle subrutiner i Assembly, normalt kaldet af Call...-operatøren, der angiver identifikatoren for den ønskede subrutine.

For at øge hastigheden af ​​driften af ​​CAAP beskrives den normalt og bruger specialiserede analog-digitale modelleringssprog ved indgangen: CSSL, HLS, SL – 1, APSE, og til intern fortolkning Poliz-sproget (omvendt polsk) notation).

Følgende analog-digitale makroinstruktioner kan indtastes i universelle kompilerede sprog:

1. SPOT AA x– indstil potentiometeret (DCC) i den analoge del med adresse AA til den position (modstandsværdi), der svarer til den digitale kodeværdi, der er gemt i den digitale computer OP på adressen x;

2. MLWJ AA x– aflæs den analoge værdi ved udgangen af ​​betjeningsenheden i AC med adresse AA, udsæt den for analog-til-digital konvertering, og skriv den resulterende digitale kode i den digitale computer OP på adressen x. Interaktionen mellem den analoge del og den digitale del kan beskrives som et procedurekald:

Kald JSDA AA x, hvor JSDA er den tilsvarende identifikator for en plug-in-subrutine i Assembly-sprog, for eksempel en installationsprocedure - indstil værdien x fra DAC-udgangen til adresse AA i den analoge del.

Derfor er det meget vigtigt at forstå, hvordan typen af ​​parallelitet af det problem, der løses, påvirker den måde, parallelcomputeren er organiseret på.

3.1.1 Naturlig parallelitet

selvstændige opgaver.

Det observeres, hvis der er en strøm af ikke-relaterede opgaver i flyet. I dette tilfælde opnås det relativt let at øge produktiviteten ved at indføre i den "grovkornede" BC ensemble uafhængigt fungerende processorer forbundet til interfaces af multi-modul OP og initialisering af input/output processorer (I/O).

Antallet af OP-moduler er m>n+p for at sikre muligheden for parallel adgang til hukommelse for alle processorer og alle PVV'er og for at øge computerens fejltolerance. Backup (m-n-p) OP-moduler er nødvendige for hurtig retablering i tilfælde af et fungerende modulfejl og til lagring i dem af SSP for processorer og processer ved programkontrolpunkter, der er nødvendige for genstart i tilfælde af en processor- eller OP-modulfejl.

Der skabes mulighed for, at hver af opgaverne, der løses, midlertidigt kan kombinere parret: Pi+OPj som en selvstændigt fungerende computer. Tidligere fungerede det samme OP-modul parvis: PVVk + OPj, og i OPj blev programmet og data indtastet i inputbufferen. Ved afslutningen af ​​behandlingen organiseres og udfyldes en outputbuffer i OPj, og derefter indsættes OPj-modulet i OPj+PVVr-parret til udveksling med den perifere enhed.

Hovedopgaven med at organisere computerprocesser, løst af "dispatcher"-systemprogrammet, er den optimale fordeling af opgaver mellem parallelle processorer i henhold til kriteriet om at maksimere deres belastning eller minimere deres nedetid. I denne forstand er det optimalt asynkron princippet om at indlæse opgaver i processorer uden at vente på, at opgaver skal behandles i andre travle processorer.

Hvis en pakke af inputopgaver akkumuleret over et bestemt tidsinterval er lagret i VRAM'en, kommer problemet med optimal asynkron planlægning til at skabe en optimal tidsplan for, hvornår opgaver lanceres på forskellige processorer. De vigtigste inputdata, der kræves til dette, er et sæt af kendte forventede beregningsmæssige behandlingstider for alle opgaver i den akkumulerede batch, som normalt er angivet i kontrolkortene for deres opgaver.

På trods af opgavernes uafhængige karakter i helheden af ​​deres asynkrone computerprocesser, er konflikter mellem dem for delte computerressourcer mulige:

1) Tjenester af et fælles multisystem-operativsystem, f.eks. behandling af I/O-afbrydelser eller opkald til et fælles driftssikkerheds-operativsystem under fejl og genstarter;

(О–) – ®О-Д – ændring af tegn på D.

Med en operation i lag I kunne to operationer hver i lag II og III udføres parallelt, hvis ALU'en havde et tilsvarende overskud af operationsblokke.

Paralleliteten af ​​operationer diskuteret ovenfor ved løsning af differentialligninger og ved behandling af matricer tilhører den almindelige klasse, da den samme operation gentages mange gange over forskellige data. Det sidste eksempel på en andengradsligning har uregelmæssig parallelitet af operationer, når forskellige typer operationer kan udføres samtidigt på forskellige data.

Som vist ovenfor er det velegnet til at bruge regelmæssig parallelitet af operationer og samtidig forbedre ydeevnen matrix organisation Luftfartøj med generel kontrol.

I det generelle tilfælde af uregelmæssig parallelitet af operationer overvejes en mere egnet måde at forbedre ydeevnen på streaming organisation Computere og fly. I streaming-computere, i stedet for den traditionelle von Neumann-programstyring af computerprocessen i overensstemmelse med rækkefølgen af ​​kommandoer bestemt af algoritmen, bruges det omvendte princip for programstyring i henhold til graden af ​​parathed af operanderne eller datastrømmen (operandflow), bestemt ikke af algoritmen, men af ​​operandgrafen (dataoverførselsgraf ).

Hvis der er et tilstrækkeligt overskud af behandlingsenheder i en parallel processor eller et ensemble af redundante mikroprocessorer i et computersystem, så vil de parallelle operationer, hvis operander blev udarbejdet af tidligere beregninger, naturligt og automatisk (uden speciel planlægning og startplanlægning) blive udført samtidigt henrettet.

Beregningsprocessen begynder med de operationer, hvis operander er de originale data, for eksempel i det første lag af GPA'en af ​​en andengradsligning udføres tre operationer samtidigt, og derefter udvikler den sig, efterhånden som operanderne er klar. Efter dette kaldes multiplikationskommandoen, derefter subtraktion og kontrol af den logiske betingelse, derefter makrooperatoren (Ö) og først derefter - to kommandoer på samme tid: addition og subtraktion, og efter dem - to identiske divisionskommandoer.

Den tekniske implementering af floworganisationen af ​​fly er mulig på tre måder:

1) Oprettelse af specielle streaming-mikroprocessorer, som tilhører klassen af ​​specialiserede og vil blive diskuteret i det næste semester;

2) Særlig tilrettelæggelse af computerprocessen og ændring af maskinsprog på lavt niveau i multi-mikroprocessorensemblecomputere bygget på standard von Neumann mikroprocessorer;

3) Oprettelse af processorer med et overskud af samme type driftsenheder og tilføjelse af operativsystemer ved hjælp af en stream-metode til at organisere computerprocessen (implementeret i den indenlandske stream-processor EC2703 og Elbrus-2-supercomputeren).

Problemet med digital modellering af radiosignaler, radiointerferens og tilfældige processer er formuleret som problemet med at finde algoritmer (så enkle som muligt), der gør det muligt at opnå diskrete implementeringer (udvalgte funktioner) af de simulerede processer på en digital computer. Dette er et uafhængigt og ret komplekst problem med at syntetisere diskrete tilfældige processer, der simulerer kontinuerlige processer med givne statistiske karakteristika. Det løses ved at finde lineære og ikke-lineære transformationer, der er praktiske til implementering på en digital computer, ved hjælp af hvilke det er muligt at transformere uafhængige ensartet eller normalfordelte tilfældige tal genereret af en tilfældig talsensor til tilfældige sekvenser med de nødvendige statistiske egenskaber .

Problemet med digital modellering af radiosystemer er formuleret som problemet med at udvikle algoritmer, der baseret på givne karakteristika ved systemer, for eksempel overførselsfunktioner og ikke-linearitetskarakteristika for individuelle links, gør det muligt nøjagtigt eller med en acceptabel fejl at konvertere diskrete implementeringer af inputeffekter på en computer til diskrete implementeringer af de tilsvarende outputeffekter af de simulerede systemer. Disse algoritmer kaldes digitale systemmodeller.

Nogle funktioner ved digital modellering af radiosystemer og den her anvendte modelleringstilgang bør forklares.

Udviklingen af ​​modelleringsteori generelt, og digital modellering i særdeleshed, er bestemt af graden af ​​matematisk beskrivelse af fænomener og processer, der forekommer i forskellige grene af videnskab og teknologi. I modsætning til nogle andre anvendelsesområder for digital modellering, såsom modellering af industrielle processer eller processer i biologiske systemer, hvor den matematiske beskrivelse af fænomener ofte er en meget kompleks opgave, er den matematiske beskrivelse af radiosystemers funktion ganske veludviklet.

Faktisk er hovedformålet med radiosystemer transmission, modtagelse og behandling af information indeholdt i signaler. Fra et informationssynspunkt kan radiosystemer betragtes som specialiserede computere (normalt analoge med meget høj hastighed), som nøjagtigt eller tilnærmelsesvis implementerer forudbestemte driftsalgoritmer (se om dette emne). De operationer, der er inkluderet i disse algoritmer, såsom modulering, filtrering, forstærkning, frekvenskonvertering, detektion, begrænsning, akkumulering, sporing osv. muliggør som regel en relativt simpel matematisk formulering.

Den matematiske beskrivelse er reduceret til oversættelsen af ​​et kendt program for drift af et radiosystem, formuleret i almindeligt radioteknisk sprog, til matematikkens sprog, hvor f.eks. filtrering er glidende integration, akkumulering - summering, amplitudedetektion - kuvertudtrækning osv. Som resultat heraf en matematisk model af radiosystemet. En digital model af systemet opnås på andet trin, når der, baseret på den matematiske model, udvikles en diskret algoritme til processen med at fungere på modelleringsobjektet, beregnet til implementering på en digital computer.

Implementeringen af ​​en digital model af et radiosystem på en digital computer betyder i det væsentlige udskiftning af en specialiseret computer, som er dette radiosystem, med en universel digital computer.

Tilgangen til at modellere radiosystemer som at erstatte en computer med en anden er det såkaldte funktionelle princip for modellering, hvorefter en model anses for at være ækvivalent med originalen, hvis den med tilstrækkelig nøjagtighed kun gengiver originalens funktion, f.eks. algoritme til at konvertere indgangssignaler til udgangssignaler fra en radiomodtager. Samtidig er modellen og originalen generelt ikke ens, da under modelleringen udelades detaljer, der er ubetydelige fra et informationssynspunkt, forbundet med for eksempel en specifik materiel udførelsesform af det modellerede system. Denne tilgang til modellering er passende i en række problemer, for eksempel ved valg af principper for konstruktion af radiosystemer på designstadiet, ved vurdering af støjimmuniteten af ​​signalbehandlingskredsløb (algoritmer), ved vurdering af effektiviteten af ​​interferens og i andre undersøgelser.

Selvfølgelig er der problemer, hvor det funktionelle princip ikke er praktisk til at løse ved hjælp af modelleringsmetoden, for eksempel når man studerer indflydelsen af ​​parametrene for virkelige elementer (elektrovakuum og halvlederenheder, induktanser, kapacitanser, modstande osv.) udgør en given radioenhed (enhed), på dens karakteristika: overførselsfunktioner, stabilitet, linearitet, dynamisk rækkevidde osv. I disse tilfælde skal du flytte til niveauet for mere detaljeret modellering. Denne tilgang til modellering i udenlandsk litteratur kaldes brugen af ​​digitale computere til analyse og syntese af kredsløb. Disse digitale modelleringsmetoder diskuteres ikke i denne monografi.

Den præsenterer digitale modelleringsmetoder baseret på viden om mere generaliserede karakteristika ved systemer end karakteristikaene af deres simpleste elementer. Som sådanne generaliserede karakteristika anvendes algoritmer til drift af systemer, som følger af deres funktionelle formål, overførselsfunktioner eller impulstransiente karakteristika for lineære dynamiske links, ikke-linearitetskarakteristika for ikke-lineære blokke, der danner systemet, dvs. modellering udføres på niveau med funktionelle snarere end kredsløbsdiagrammer af systemer.

Typisk kan simulerede radiosystemer repræsenteres som en kombination af kun to hovedtyper af links - lineære inertielle links (forstærkere, filtre, sporingssystemer osv.) og ikke-lineære inerti-fri links (begrænsere, detektorer, logiske blokke osv.) . Fra disse to typer funktionelle enheder bygges radiosystemer af enhver kompleksitet ved at øge blokdiagrammet og variere karakteristika for forbindelserne. Algoritmer til modellering af sådanne funktionelle systemer er ikke svære at finde, hvis man kender algoritmerne til modellering af individuelle dele af systemerne.

Problemet med matematisk beskrivelse af funktionen af ​​radiosystemforbindelser har ikke en unik løsning. For eksempel kan lineær filtrering beskrives som en proces med ændring af amplituderne og faserne af inputpåvirkningens harmoniske (Ferrier-metoden) og som en glidende integration af inputprocessen med en vis vægt (Duhamel-integralmetoden. Til gengæld forskellige digitale modeller kan svare til den samme matematiske model, for eksempel kan den kontinuerlige filtreringsproces, specificeret i form af Duhamel-integralet, repræsenteres i diskret form som en glidende summering og som en beregningsproces i overensstemmelse med den tilbagevendende differensligning I forbindelse med dette er hovedretningen i udviklingen af ​​metoder til digital modellering af radiosystemer ikke så meget den matematiske beskrivelse og skabelse af deres digitale modeller generelt, hvor mange der finder tilsvarende digitale modeller og vælger blandt dem den mest bekvemme til implementering på en digital computer, altså den mest effektive set ud fra det valgte effektivitetskriterium.

Som et sådant kriterium anvendes kriteriet om minimale beregningsomkostninger (minimumsvolumen og tid for beregninger) for en given modelleringsnøjagtighed i det følgende.

Bogen beskriver forskellige metoder til at reducere beregningsomkostninger. De vigtigste er følgende.

1. Brug af økonomiske tilbagevendende (Markov) algoritmer ved modellering af signaler, støj og systemers funktionsprocesser, ifølge hvilke den næste tilstand af et modelleringsobjekt let kan findes ved at kende en eller flere af dets tidligere tilstande. (Denne metode har en ret bred vifte af applikationer, da mange processer i radiosystemer enten er strengt eller tilnærmelsesvis markovske.)

2. Anvendelse af envelope-metoden for at udelukke højfrekvente komponenter af bærefrekvensen fra overvejelse.

3. Ækvivalente transformationer af funktionsdiagrammer over systemer for at opnå funktionelt lignende systemer, der er lettere at modellere.

4. Multi-skala modellering (ved hjælp af et lille prøvetagningstrin til hurtigt skiftende processer og et stort prøvetagningstrin til langsomt skiftende processer ved modellering af systemer, hvor processer samtidig forekommer i forskellige dele af frekvensområdet) og variabel skala modellering (ved hjælp af en variabel prøveudtagningstrin).

Brugen af ​​disse metoder bringer digital og analog modellering tættere på i hastighed. I andre aspekter kan digitale og analoge simuleringer af radiosystemer have forskellige effektiviteter, bestemt af fordele og ulemper ved digitale og analoge computere.

Men hvor det er påkrævet at have et universelt apparat til modellering af en række systemer: diskrete automater, kontinuerlige og diskrete dynamiske systemer (lineære og ikke-lineære med konstante, variable, klumpede og distribuerede parametre), køsystemer osv., hvor høj nøjagtighed , udviklet logik, tilstedeværelsen af ​​et effektivt hukommelsessystem, et stort dynamisk område af værdier, digital modellering har betydelige fordele i forhold til analog.

Ulemperne ved digital modellering på nuværende tidspunkt omfatter: relativt lav hastighed, et ufuldkomment menneske-maskine kommunikationssystem (utilstrækkelig visuel registrering af resultater, vanskeligheder med at ændre parametrene og strukturen af ​​det simulerede system i processen med at løse problemet), de høje omkostninger af en times computertid. Der er dog grund til at tro, at i fremtiden, efterhånden som elektronisk digital computerteknologi og metoder til dens matematiske understøttelse forbedres, vil disse mangler blive elimineret. Nogle yderligere fordele og ulemper ved digital modellering er noteret under præsentationen af ​​materialet.

Analog modellering er enklere, i nogle tilfælde bedre end digital modellering i ydeevne, mere visuel og mere økonomisk rentabel, men den har lav nøjagtighed, et relativt lille dynamisk område og er ikke så universelt. Denne type modellering bruges som bekendt mest effektivt i studiet af kontinuerlige dynamiske systemer beskrevet af almindelige differentialligninger.

Ulemperne ved analog modellering kan kompenseres for i kombinerede analog-digitale modeller.

Denne bog vil kun fokusere på digital modellering, men nogle af de metoder, der diskuteres i den, kan bruges i analog såvel som analog-til-digital modellering, for eksempel formningsfiltermetoden ved modellering af tilfældige signaler.

Fremover vil man i stedet for begrebet "digital modellering" som regel bruge begrebet "simulering".

Da bogen omhandler metoder til matematisk modellering, er der "meget matematik" i den. Men for at forstå materialet kræves læseren ikke så meget viden om matematik i dens strenge klassiske forstand, men snarere viden om "radiomatematik", i S. M. Rytovs terminologi, og "kredsløbsmatematik", dvs. Woodwards terminologi, såvel som spørgsmål om den anvendte teori om tilfældige processer og statistisk radioteknik i volumen af ​​de tilsvarende bogkapitler. Derudover kræves det, at læseren kender nogle af det grundlæggende i det matematiske apparat i teorien om diskrete systemer, især de grundlæggende egenskaber ved transformationer, digitale computeregenskaber og programmeringsprincipper.

Bogen giver ikke blokdiagrammer over mulige programmer til implementering af modelleringsalgoritmer på en digital computer. Algoritmerne er givet i formelform. For at forklare formelalgoritmerne er der givet overførselsfunktioner og blokdiagrammer af diskrete filtre, der udfører operationer på input numeriske sekvenser i nøje overensstemmelse med de foreslåede algoritmer.

Begrebet logisk modellering Logisk modellering forstås som en komplet og nøjagtig softwaregengivelse af et digitalt kredsløbs opførsel i henhold til dets funktionelle og/eller strukturelle beskrivelse og givne sæt af inputsignaler. Ved manuel design er modellen repræsenteret af et fungerende layout eller prototype (prototype). I computerstøttet design erstattes det nuværende layout af en simuleringsmodel (software) af projektet, og fuldskala- eller fysiske eksperimenter erstattes af model(maskine). Det er nemt at foretage eventuelle ændringer i modellen og dermed forbedre projektet, indtil det når den ønskede kvalitet.

Problemer løst ved metoden til logisk modellering 1. Hovedopgaven for logisk modellering er at kontrollere, at et digitalt kredsløb fungerer korrekt, før dets faktiske (fysiske) implementering 2. Undersøgelse af kredsløbets timing-karakteristika - hastighed, udførelsestid for operationer , maksimale tælle- eller skiftefrekvenser. Registrer løbsforhold og styrtrisiko. Forsinkelser. 3. Kontrol af timing forhold - forudindstillet tid og holde tid, minimum signal varighed. 4.Udvikling af kontrol- og diagnostiske tests. Fejlmodellering. 5. Sammenligning af alternative kredsløbsløsninger og valg af den bedst egnede. "Alternativernes tyranni." Op til 70 % af tiden med at arbejde på et projekt bruges på dets verifikation

Problemer løst ved den logiske modelleringsmetode 6. Overvågning af komponenters output til den tilladte belastning. 7. Overvågning af kredsløbskomponenter for tilladt effekttab. 8. Identifikation af afinstallerbare elementer ved hjælp af nulstillings- eller initialiseringssignaler. 9. Udførelse af statistiske vurderinger, for eksempel bestemmelse af procentdelen af ​​udbyttet af egnede kredsløb, hvilket ikke kan udføres på enkelte prototyper. 10. Udførelse af klimatiske, oftest temperatur, tests.

Logisk modelleringsprocessimulering udføres på samme måde som manuel kredsløbsverifikation. Mens han eksperimenterer med et fungerende layout, indstiller ingeniøren spændingsniveauerne ved kredsløbsindgangene og observerer udgangssignalerne på oscilloskopskærmen. I tilfælde af logisk modellering simulerer han disse handlinger ved hjælp af et specielt program kaldet en modeler (simulator, imitator). Forskellen er, at rigtige, fysiske signaler erstattes af softwaregenererede signaler, og de observeres ikke på et oscilloskop, men på en monitorskærm.

Processen med logisk modellering Fra et databehandlingssynspunkt kommer modellering ned på tre hovedprocesser: Udarbejdelse af en beskrivelse af det simulerede kredsløb i et bestemt sprog (LOO - objektbeskrivelsessprog) og indtastning af det i en computer. Beskrivelsen kan specificeres i form af et diagram, en liste over komponenter og forbindelser (NetList), i form af en tabelpræsentation eller i form af et tilstandsdiagram over målgruppen. Styring af beskrivelsen (f.eks. søgning efter flydende input, shorted output, duplikerede navne) og oversættelse af den til objektkode. ERC kontrolprogram - Kontrol af elektriske regler. Udførelse af eksperimenter med en softwaremodel, der simulerer driften af ​​kredsløbet. Før simuleringen påbegyndes, angives sæt af inputsignaler, kredsløbets begyndelsestilstand, kontrolpunkter til observation og den endelige simuleringstid.

Grafisk repræsentation af den logiske modelleringsprocessen Input af en kredsløbsbeskrivelse NetList Biblioteker af grafiske beskrivelser af komponenter Automatisk generering af en kredsløbsmodel Biblioteker af matematiske modeller af atomvåbenkomponenter Designer & Y=A og B; KredsløbsmodelModellerproceduremain Simuleringsværktøjer Indgangssignaldiagrammer Kredsløbets begyndelsestilstand Udgangsstyring Særlige forhold Simuleringsmetode Simuleringsresultater Driftsprogram NPO M1 – deltaprincip T M2 – deltaprincip Z min typisk maks. fejltemperatur Kompilering af simulering Linker Linker

Modeller af digitale signaler Rækken af ​​problemer, der løses af den logiske modelleringsmetode, bestemmes primært af antallet af skelnelige tilstande, som et digitalt signal kan tage. Hver stat er forbundet med sit eget individuelle symbol, og deres kombination udgør modelleringsalfabetet. Det enkleste alfabet - binært, brugt i gamle AFM, indeholdt et bitsæt (0, 1). Da ethvert signal i dette tilfælde kun kan tage to værdier (0 og 1), måtte ændringen i det logiske niveau betragtes som øjeblikkelig. Reelt signal Tærskel Binær tilnærmelse Hændelse - øjeblikkelig kobling Fordel - økonomisk. Giver dig mulighed for kun at løse én hovedmodelleringsopgave - kontrol af kredsløbets funktion

Modeller af digitale signaler Med ternær modellering (0, 1, X) kan koblingssignalet afbildes mere realistisk, for eksempel 0X1 eller 1X0. En sådan registrering betyder, at når et elements tilstand ændrede sig, havde dets udgangssignal i nogen tid (mens en stigning eller et fald blev dannet) en ubestemt værdi. 0 1 X Switching 0X1 Switching 1X0 0 1 X 0X1 Active-HDL 8.1 X – ukendt værdi Det trecifrede alfabet (0,1,X) bruges i PML-sproget (CAD PCAD 4.5) X er tildelt signalet på output af LE under den forbigående proces. X tildeles triggerudgangene, efter at forbudte kombinationer af signaler er tilført dens indgange X er tildelt triggerudgangene i begyndelsen af ​​simuleringen, når dens tilstand er ukendt

Modeller af digitale signaler Når man modellerer komponenter med dynamiske input (flip-flops, tællere, registre, hukommelse), er det meget praktisk at registrere de øjeblikke, hvor signaler skifter i den ene eller den anden retning. Til dette formål tilføjes yderligere to værdier til modelleringsalfabetet: eller/eller R (fra ordet Rise - front) - skifter signalet op; eller \ eller F (fra ordet Fald - fald) - slår signalet ned. CAD OrCAD 9.1 (PSpice-projekter) bruger et sekscifret alfabet (0,1,X,R,F,Z)

Modeller af digitale signaler For at modellere busstrukturer indføres en anden Z-tilstand i alfabetet af tilladte signalværdier, det vil sige en tilstand med høj impedans ved udgangen, når den faktisk er isoleret fra belastningen: (0,1,X, R,F,Z). Det firecifrede alfabet (0,1,X,Z) er meget almindeligt. Det bruges i sådanne hardwarebeskrivelsessprog som Verilog, ABEL, AHDL (Altera), DSL (DesignLab). Alfabetet med fire tegn kaldes ofte for FPGA-syntese-alfabetet.

Modeller af digitale signaler For en mere nøjagtig repræsentation af signaler (mere passende modellering) kan du bruge to hovedteknikker: Udvid modelleringsalfabetet (vi har allerede gjort dette); Introducer begrebet logisk signalstyrke (styrkeniveau). Som et eksempel kan du betragte det udvidede modelleringsalfabet for VHDL-sprogtypebitten er (0,1); - grundlæggende, indbygget signaltype. Alfabet (0,1) type std_ulogic er (U,X,0,1,Z,W,L,H,-); - udvidet signaltype. Alfabet (U,X,0,1,Z,W,L,H,-) Den udvidede signaltype er placeret i en separat pakke std_logic_1164, placeret i ieee biblioteket. Derfor, for at inkludere denne type signaler i modellen, skal du placere linjerne foran den:

Modeller af digitale signaler Sprog VHDL Alfabet (U,X,0,1,Z,W,L,H,-) U – fra ordet Uinitialiseret – bogstaveligt talt “ikke initialiseret” Det betyder, at signalet i programmet ikke blev tildelt evt. værdier overhovedet; giver kontrol over korrektheden af ​​initialisering - - ligegyldig tilstand (Dont Care) Dette betyder, at signalet kan tage en hvilken som helst af de tilladte værdier, hvilket ikke vil påvirke driften af ​​kredsløbet. I bøger og opslagsbøger er den ligegyldige tilstand ofte betegnet med symbolerne "d" eller "*". JK flip-flop R C J K Q NQ Reset 1 * * * 0 1 Når du syntetiserer en CA i forbudte tilstande, kan du i stedet for "*" sætte 0 eller 1 og få forskellige kredsløbsløsninger. I CAD overlades valget af en specifik værdi til compileren for at optimere den designede enhed. Eksempel. DSL-sprog i CAD DesignLab 8. I udtrykket Y =.X.; PLSyn-kompileren vil som standard indstille Y = 0;

Digitale signalmodeller Active-HDL 8.1 Grafisk repræsentation af digitale signalværdier. Begreberne stærke (kraft) og svage (svage) signaler X – tvinge ukendt 0 – tvinge nul 1 – tvinge én W – svag ukendt L - svag nul (svagt nul) H - svag én (svag én) Der dannes et svagt signal fra kilder kaldet drivere. De har høj udgangsimpedans sammenlignet med stærke signalkilder. For eksempel et åbent solfanger- eller emitterkredsløb.

Modeller af digitale signaler SDRZ 0S0D0R0Z0 1S1D1R1Z1 XSXDXRXZX Lad os vende tilbage til begrebet logisk signalstyrke (styrkeniveau). Vi ved allerede, at udvidelse af mulighederne for modellering og forøgelse af dens tilstrækkelighed ikke kun kan opnås ved at øge modelleringsalfabetet, men også ved at introducere konceptet "niveau af logisk signalstyrke". Denne idé blev først implementeret i PML-sproget i PCAD 4.5-pakken. Eksempel: Verilog-sproget har kun et 4-cifret modelleringsalfabet (0,1,X,Z), men samtidig 8 logiske styrkeværdier. Logisk styrke S > D > R > Z D>R>Z">

Modeller af logiske elementer Ved konstruktion af modeller af logiske elementer kan følgende egenskaber tages i betragtning: den funktion, der udføres; signaludbredelsesforsinkelse; belastningskapacitet; svartærskler; varighed af fronter; tilfældig spredning af forsinkelser; temperaturændringer i parametre (for eksempel tidsforsinkelser, niveauer af logisk nul og et osv.). Bemærk, at jo højere betydningen af ​​modelleringsalfabetet er, og jo flere egenskaber der tages i betragtning i modellen, jo flere ressourcer (processortid og hukommelse) kræves der for at køre modellen. Af denne grund, i moderne modelleringssystemer, overstiger antallet af tilladte værdier af et digitalt signal normalt ikke 4..9, og af de mulige egenskaber modelleres som regel kun funktion, tidsforsinkelse og belastningskapacitet.

Boolske modeller Boolske portmodeller arbejder med det binære alfabet (0,1) og kan implementeres som: en logisk ligning, en sandhedstabel eller et algoritmeblokdiagram IN1 IN2 UD1 & AND2 IN1 IN2 UD1 & AND2 IN1 IN2 UD1 & AND2 F1 F2 Y1 Flowkredsbeskrivelse: Y1 = A & B; (PCAD 4.5, PML-sprog) Y1 = A * B; (DesignLab 8, DSL-sprog) Y1

PROCEDURE AND2 (INDGANG IN1, IN2 ; OUTPUT UD1); TRUTH_TABLE IN2, IN1::OUT1; 1, 1:: 1; END TRUTH_TABLE; ENDAND2; Booleske modeller IN1 IN2 OUT1 & AND2 IN1 IN2 OUT1 & AND2 IN1 IN2 OUT1 & AND2 F1 F2 Y1 IN1IN2OUT Algoritmisk beskrivelse Tabelbeskrivelse Sprog DSL Start Slut IN1=0 IN2=0 OUT1=0OUT1=1 Ja Nej Ja Nej

Boolske modeller Typisk bruges boolske modeller til synkron ur-for-cyklus modellering (delta T-princippet) uden at tage hensyn til forsinkelser. Dette er den mest primitive modellering. Dens største fordel er enkelhed og effektivitet. I boolsk modellering er tiden opdelt i urcyklusser (t-princippet). Varigheden af ​​cyklussen vælges således, at der inden for en cyklus intet signal skifter mere end én gang. Den faktiske kobling overføres til begyndelsen af ​​den cyklus, inden for hvilken den fandt sted. Skift anses for øjeblikkelig. Signaludbredelsesforsinkelsen fra indgang F1 (eller F2) til udgang Y1 modelleres ikke, da begge koblinger overføres til begyndelsen af ​​uret T2 (eller T4) og bliver samtidige. Modeltid F1 F2 Y1 Ur Reelt signal Boolsk model T0T1 T2 T3T4T5T6 Risiko for fejl Øjeblikkelig "Needle"-hændelse Fejl

Boolske modeller Typisk svarer en clock-cyklus til et sæt inputsignaler og behandles i en cyklus af modellereren. For hver cyklus tilføjes en enhed til modeltidstælleren, det vil sige, at modeltiden går frem med urcyklusser i overensstemmelse med udtrykket: T:=T+1. I et rigtigt kredsløb kan der på grund af overlapningen af ​​fronterne af signalerne F1 og F2 forekomme en kort impuls ved udgangen af ​​element 2I - en risiko for fejl (cyklus T6). Booleske modeller er ikke i stand til at forudsige udseendet af sådanne nåle, som er meget farlige for driften af ​​digitalt udstyr. Boolsk modellering løser kun én hovedopgave ved enhver modellering - at kontrollere, at digitalt udstyr fungerer korrekt

Ternære modeller Ternære modeller simulerer, i modsætning til de boolske, forekomsten af ​​forbigående processer, når signalniveauer ændres. I ternær modellering er et slag opdelt i to halvslag. I løbet af den første halvcyklus antager koblingssignalet værdien X (ændres), og i den anden halvcyklus når det en ny værdi. Ternære modeller bruger et trecifret alfabet (0,1,X)

Ternære modeller Modeltid F1 F2 Y1 Reelt signal Fejlrisiko 0 1 X Fejlrisikomodel Ternær model 1 X X Sæt kryds T6 Halvcyklus af usikkerhed Halvcyklus af sikkerhed IN1 IN2 OUT1 & AND2 IN1 IN2 OUT1 & AND2 IN1 IN2 OUT1 & AND2 F1 F2 Y1 IN1IN2OUT IN1IN2OUT1 0X0 X00 1XX X1X XXX M2 M3 1X0 0X1 0X0 sandhedstabel for element 2I til logik med tre værdier

Ternære modeller Risikoen for fejl er angivet ved identiske signalværdier ved tilstødende clock-cyklusser og X-værdien ved halv-cyklus af usikkerhed mellem dem. 0011XX Risiko for fejl Ternær modellering afspejler kun kendsgerningen om signalomskiftning og specificerer ikke, hvor længe omskiftningen varede, og hvor præcist inden for urcyklussen den fandt sted. Med andre ord er varigheden af ​​X-tilstanden i ternær modellering altid lig med en halv cyklus og er på ingen måde relateret til den reelle signalomskiftningstid.

Multiværdimodeller Multiværdimodeller gør det muligt mere præcist at beskrive virkelige elementers adfærd, men sammenlignet med ternære modeller indeholder de ikke noget grundlæggende nyt. Til sammenligning kan du overveje sandhedstabellerne for element 2I for binær, ternær og femcifret modellering. OUT1 IN2 01X IN X X0XXXX 0 X X 0 XX IN1 IN2 OUT1 & AND2 IN1 IN2 OUT1 & AND2 IN1 IN2 OUT1 & AND2 F1 F2 Y1 X ? IN1 IN2 OUT1 & AND2 ? IN1 IN2 OUT1 & AND2 M2M3 M5

Modeller af logiske elementer, der tager højde for forsinkelser Disse modeller simulerer, i modsætning til ternære modeller, eksplicit forsinkelser. For at vise forsinkelsen skal du angive den sande position af koblingssignalet på tidsaksen. Modellering af forsinkelser med en metode med uret til fremrykning af modeltiden (delta T-princippet). For at afspejle forsinkelsen er det nødvendigt at øge tidsopløsningen, det vil sige opdele uret i mindre tidsenheder, kaldet kvanter (mikrocykler) eller trin. For eksempel kaldes en cyklus i PCAD-pakken CYCLE, og en kvante kaldes STEP. 1 A Y A Y Kvantecyklus tз = 8 kvanter Forsinkelse er repræsenteret som et heltal - antallet af kvanter

Modeller af logiske elementer, der tager højde for forsinkelser. I modeller, der tager hensyn til tз, er cyklussen eksplicit skåret i kvanter. Desuden bør kvanteværdien være en lille del af forsinkelsen, for eksempel 1ns. Simuleringsprogrammets driftscyklus er nu ikke bundet til en clock-cyklus, men til et kvante. Derfor, for at simulere driften af ​​kredsløbet i løbet af en clock-cyklus, bliver modelbyggeren nødt til at udføre en meget større mængde arbejde, nemlig lige så mange cykler, som der er placeret kvanter på clock-cykluslængden. Nu, med kvantepræcision, kan du angive tidspunkterne for ægte skift ved indgangene og udgangene og også beregne udbredelsesforsinkelsen ved hjælp af et heltal af kvanter. Det eneste, der er tilbage, er at modellere det. Den klassiske model af et logisk element, der tager hensyn til forsinkelse, indeholder to blokke. Den første implementerer logik (funktion), den anden implementerer ren forsinkelse. φ tз = 0 B A C YсYс Y Logisk blok Forsinkelsesblok Yс (fra ordet synkron) reagerer øjeblikkeligt på ændringer i inputsignaler Dynamisk model i PSpice-projekter

Modeller af logiske elementer, der tager hensyn til forsinkelser AYсYс Logisk blok LOGICEXP PINDLY Counter tз Container Yc Container Y Y NextCurrent Gemmer den fremtidige værdi Gemmer den aktuelle værdi Forsinkelsesblok Mulig implementering af en forsinkelsesblok til ur-for-cyklus modellering Forsinkelsestælleren arbejder til subtraktion. Når Yc-udgangen skiftes synkront, skrives den nye værdi til beholderen med fremtidige værdier, og forsinkelsen, med hvilken den nye Yc-værdi skal vises ved Y-udgangen, indtastes i tælleren tз.

Modeller af logiske elementer, der tager højde for forsinkelser I processen med at fremrykke modeltiden (tquanta = tquanta + 1), falder forsinkelsen i tælleren tз, men "smelter" ikke til nul. Den fremtidige outputværdi bliver den aktuelle værdi, hvilket betyder, at indholdet af den venstre beholder skal omskrives til den højre. Modellering af forsinkelser med en hændelsesbaseret mekanisme til fremrykning af modeltid (delta Z-princippet). Vi overvejede muligheden, når forsinkelsen er modelleret inde i hvert logisk element. Denne løsning fører til betydelige udgifter til instrumentelle computerressourcer. En anden mulighed for at modellere en reel forsinkelse er at planlægge en ny hændelse ved udgangen og beregne tidspunktet for dens forekomst t(Y) ifølge en simpel regel: t(Y) = t(Yс) + tз Men t(Yс) er den aktuelle modeltid t (aktuel) Dette betyder, at du for enhver hændelse (skift) kan planlægge tidspunktet for forekomsten af ​​en fremtidig hændelse som t(fremtidig) = t(aktuel) + t(forsinkelser)

Modeller af logiske elementer under hensyntagen til forsinkelser Den beregnede hændelse placeres af modellereren i køen af ​​fremtidige OBS hændelser, som er sorteret i kronologisk rækkefølge. Som du kan se, overføres alt arbejdet med at simulere forsinkelser til modellereren, som kun skal angive forsinkelsesværdien i forhold til den aktuelle modeltid. Bemærk, at det ikke længere er nødvendigt at afrunde det til et helt antal kvanter. Dette gøres meget elegant i VHDL: Y