53

1. Введение

Интересы России требуют преодоления сложившегося в последние пятнадцать лет однобокого развития экономики с акцентом на сырьевые отрасли производства. Неотъемлемой чертой развитых государств является способность к разработке и производству изделий высоких технологий, среди которых одно из ведущих мест занимает электронная аппаратура. Успех электроники в значительной мере определяет технологический прогресс многих отраслей промышленности.

Не имея возможности проектировать и производить современные электронные устройства и системы, Россия в ближайшее время может утратить потенциал в обеспечении обороны страны, потерять свои позиции в экспорте оружия, лишиться возможности разрабатывать и выпускать аппаратуру систем безопасности, борьбы с терроризмом, в еще большей степени отстанет от мирового технологического уровня в ведущих отраслях промышленности и обеспечения жизнедеятельности общества.

В последнее время, после длительного застоя в России наметилось некоторое оживление как исследований, так и практических разработок в области электронных систем обработки информации самого разного назначения, в том числе и цифровых устройств.

Высокий уровень развития системы образования и качественные показатели обучения стоят в одном ряду с важнейшими факторами, обеспечивающими устойчивое и поступательное социально-экономическое развитие страны, её конкурентоспособность и безопасность в современном мире. Создание и применение новых знаний в реальной жизни становятся основным источником роста национальной экономики и благосостояния российского народа.

Обработка цифровой информации традиционно выполняется двумя путями: программно или аппаратно.

Первый вариант связан с универсальным компьютером фон Неймана и представляет собой последовательное во времени выполнение простых операций. Каждая такая операция выполняется по определённой команде, а совокупность команд образует программу для решения конкретной задачи. Последовательное выполнение большого числа элементарных операций при таком подходе занимает достаточно большое время, что не всегда допустимо.

При аппаратном способе обработки цифровой информации также выполняется множество отдельных простых операций. Но для этого применяются соответствующие функциональные блоки, соединяемые между собой в виде определённых структур (цифровые логические схемы). Обработка информации реализуется за счёт продвижения данных и их преобразования от входов к выходам схемы. В этом случае достигается высокая степень параллелизма и возможность получения результата в реальном масштабе времени. Однако, следует заметить, что при таком подходе состав аппаратных средств тесно связан с решаемой задачей. Изменение или усложнение задачи ведёт к изменению состава компонентов и способов их соединения.

Всё многообразие цифровых логических схем принято делить на две большие группы: комбинационные логические схемы (КЛС) и автоматы с памятью, как правило, имеющие конечное число состояний (АП).

В настоящее время известно множество методов синтеза КЛС. В начале такие устройства реализовывались релейно-контактными схемами, затем – схемами на бесконтактных логических элементах (ламповых, магнитных, магнитополупроводниковых и полупроводниковых). На этом этапе получили широкое распространение алгебраические методы в классе дизъюнктивных нормальных форм. Дело в том, что как контактные, так и первые бесконтактные электронные логические схемы реализовали классический базис «И», «ИЛИ» и «НЕ», а дизъюнктивные нормальные формы представляют логические функции именно в этом базисе. Алгебраический метод синтеза логических схем включают следующие этапы:

1. Формальное описание поведения КЛС посредством таблицы истинности;

2. Получение совершенных дизъюнктивных нормальных форм (СДНФ) для всех собственных функций КЛС;

3. Минимизация СДНФ с использованием аналитических (Квайна-Мак-Класки) или графических (карт Карно, диаграмм Вейча) методов;

4. Переход с помощью формальной процедуры от системы минимизированных формул к графическому изображению схемы на элементах И», «ИЛИ» и «НЕ».

При большом числе входов (более 5-6) выполнение этих операций становится затруднительным даже для одной логической функции.

Позже на смену контактным и бесконтактным элементам «И», «ИЛИ» и «НЕ» пришли интегральные логические схемы, которые в одном кристалле полупроводника реализуют сложную логическую структуру. Базисом интегральных схем стали функции Шеффера («И-НЕ»), Пирса («ИЛИ-НЕ») и логическая функция «И-ИЛИ-НЕ». Некоторые из изменённых методов по-прежнему используют минимизацию дизъюнктивных нормальных форм с последующим преобразованием найденных минимальных формул в логические формулы в базисе «И-НЕ» либо «ИЛИ-НЕ». Другие методы используют представление собственных функций синтезируемой схемы в виде совершенных нормальных форм в указанных базисах и минимизацию в этих базисах.

Постоянное увеличение сложности задач, которые возлагаются на устройства обработки дискретной информации, повышение требований к их надёжности и быстродействию обуславливает постоянное увеличение степени интеграции логических элементов. К числу таких элементов относятся прежде всего современные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Благодаря применению программируемых структур стало возможным создание на одном кристалле функциональных устройств различного назначения и оперативного изменения конфигурации без извлечения микросхемы из устройства.

Методы, разработанные для синтеза КЛС из элементов низкого уровня интеграции, оказываются непригодными для синтеза схем из СИС и БИС. В связи с этим возникает задача разработки методов синтеза логических схем, инвариантных к используемой элементной базе.

Следует заметить, что разработка устройств с использованием программируемых БИС невозможна без применения средств и систем автоматизированного проектирования (САПР). «Ручная» разработка устройств, содержащих сотни и тысячи вентилей является весьма трудоёмкой и занимает достаточно длительное время. Особо значимыми становятся процедуры отладки и верификации проектных решений.

Подавляющее большинство методов логического синтеза имеют привязку к конкретному базису, кроме того, использование этих методов затруднительно в задачах с большой размерностью.

Можно предложить следующий алгоритм структурного синтеза КЛС, который реализуется в пять этапов:

1) формальное описание синтезируемого устройства;

2) декомпозиция комбинационного устройства;

3) детализация схемы;

4) покрытие;

5) структурная оптимизация.

Предлагаемая методика инвариантна по отношению к логическому базису, а разработанная САПР Decomposer (текущая версия), позволяет синтезировать комбинационные схемы, описываемые системами шестнадцати БФУ, зависящих от шестнадцати входных переменными (16 входов, 16 выходов).