Высоконадежные счетчики с предсказанием состояний

№ 5’2016
PDF версия
В статье рассматриваются варианты структур счетчиков, высокая надежность работы которых достигается за счет предсказания последующих состояний.

Высоконадежные последовательностные узлы, в том числе счетчики, имеют широкую область применения в различных цифровых устройствах. В [1–3] описаны методы проектирования счетчиков с самовосстановлением. Однако в процессе восстановления рабочего режима счетчиков с недвоичным модулем может, на определенном интервале времени, нарушиться естественный порядок смены состояний, как показано на примере счетчика с модулем 5 (рис. 1).

Нарушение естественного порядка смены состояний на примере счетчика с модулем 5

Рис. 1. Нарушение естественного порядка смены состояний на примере счетчика с модулем 5

В других вариантах счетчиков вхождение в рабочий режим может потребовать нескольких тактов (рис. 2).

Несколько тактов вхождения в рабочий режим

Рис. 2. Несколько тактов вхождения в рабочий режим

В случае двоичных счетчиков воздействие различного рода помех способно привести к сбоям в их функционировании, которые носят характер пропуска состояний, так как количество возможных состояний двоичного счетчика совпадает с числом рабочих (рис. 3).

Сбои в функционировании при работе двоичных счетчиков

Рис. 3. Сбои в функционировании при работе двоичных счетчиков

В верхней строке показана последовательность смены состояний суммирующего двоичного счетчика с модулем 2М в отсутствие сбоев. В нижних строках приведен вариант сбоя, заключающийся в переходе из состояния «1» в состояние «К», минуя промежуточные. В дальнейшем работа счетчика восстановится, но функционирование системы, в состав которой он входит, может нарушиться. Для счетчиков с недвоичным модулем возможны как сбои в виде пропуска состояний, так и переходы в нерабочие.

В [4] описан способ построения высоконадежного двоичного счетчика, осуществляемый путем резервирования системы. Однако возможны и другие подходы для решения данной задачи.

Основная идея их реализации основана на том, что состояния счетчика детерминированы, то есть последовательность их смены заранее известна. Так, когда речь идет о суммирующем двоичном счетчике, то, если он в текущем такте находился в состоянии М, значит, в следующем оно должно смениться состоянием М+1 и т. д. Это позволяет предсказать состояние счетчика в следующем такте и сравнить его с тем, в которое он перейдет после поступления очередного тактирующего импульса. Их совпадение является признаком нормального функционирования системы. Если же совпадения нет (в работе счетчика произошел сбой), то счетчик должен быть принудительно установлен в требуемое заранее известное рабочее состояние. Обобщенная функциональная схема таких счетчиков представлена на рис. 4.

Функциональная схема счетчика с предсказанием состояний

Рис. 4. Функциональная схема счетчика с предсказанием состояний

В состав системы входит счетчик СЧ с требуемым модулем счета и алгоритмом смены состояний, узел предсказания состояний УПС и схема сравнения кодов — ССК. По входу РЕ счетчик может быть принудительно установлен в состояние, определяемое кодовой комбинацией, присутствующей на информационном входе D.

Временные диаграммы работы суммирующего счетчика с предсказанием состояний приведены на рис. 5.

Временные диаграммы работы счетчика с предсказанием состояний

Рис. 5. Временные диаграммы работы счетчика с предсказанием состояний

В исходном состоянии счетчик находится в состоянии N, и на выходе УПС формируется код следующего состояния — N+1. Работа схемы сравнения кодов при этом заблокирована низким уровнем входного сигнала. По положительному фронту входного импульса счетчик СЧ меняет свое состояние с N на N+1. Выходной код устройства предсказания (УПС) при этом сохраняется, а ССК разблокируется. Поскольку в этом случае коды с выходов счетчика и УПС совпадают, то сигнал на выходе ССК также будет нулевым. При низком уровне входного сигнала состояние СЧ сохраняется, а на выходе УПС появится следующее (предсказанное) состояние. Работа ССК на этом интервале времени будет заблокирована. В следующем такте в отсутствие сбоя счетчик перейдет в состояние N+2, затем на выходе ССК появится код N+3 и т. д.

Если по положительному фронту входного импульса СЧ перейдет в состояние N±K, не соответствующее предсказанному, то на выходе ССК появится единичный сигнал, под действием которого в счетчик СЧ будет принудительно занесено требуемое (следующее рабочее) состояние. Ложных комбинаций на выходе такого устройства при появлении сбоя не возникает, так как выходной сигнал снимается с узла предсказания состояний.

Один из вариантов реализации суммирующего двоичного счетчика с предсказанием состояний представлен на рис. 6.

Структура двоичного счетчика с предсказанием состояний

Рис. 6. Структура двоичного счетчика с предсказанием состояний

Устройство включает суммирующий двоичный счетчик СЧ с асинхронной предустановкой по входу РЕ и синхронизацией по положительному фронту входного импульса, сумматор СМ, параллельный регистр-защелку РГ, синхронизируемый по отрицательному потенциалу, цифровой компаратор К и ключ Кл, выполненный на элементе «И», формирующий сигнал предустановки РЕ только при наличии сигналов высокого уровня на обоих его входах.

Временные диаграммы работы счетчика в отсутствие сбоя приведены на рис. 7. В текущем такте по положительному фронту входного импульса на выходе счетчика сформируется код числа N, который поступит на сумматор и на один из входов компаратора. Сумматор прибавит к коду счетчика единицу, и на его выходах появится код N+1. Поскольку к началу такта в регистре зафиксировано предшествующее состояние N, то на входы компаратора будут поступать одинаковые коды и на его выходе сформируется нулевой сигнал, который через ключ Кл заблокирует работу входа предустановки РЕ счетчика СЧ. С выхода системы будет сниматься код числа N.

Временные диаграммы работы счетчика в отсутствие сбоев

Рис. 7. Временные диаграммы работы счетчика в отсутствие сбоев

По нулевому уровню входного сигнала код N+1 с выхода сумматора запишется в регистр РГ и поступит на выход. Из-за неравенства кодов на входах компаратора на его выходе появится единичный сигнал, однако нулевым уровнем входного сигнала запись данных с выхода регистра в счетчик будет заблокирована ключом Кл. Положительный фронт следующего входного импульса вызовет переход счетчика в состояние N+1, формирование на выходе сумматора кода N+2, и т. д.

Работа счетчика при возникновении сбоя представлена временными диаграммами на рис. 8.

Временные диаграммы работы счетчика при возникновении сбоя

Рис. 8. Временные диаграммы работы счетчика при возникновении сбоя

Если по положительному фронту второго тактирующего импульса счетчик перейдет в состояние N±K вместо N+1, то на выходе компаратора появится единичный сигнал. Так как при этом ключ Кл будет открыт высоким уровнем тактирующего импульса, то сигнал такого же уровня сформируется и на входе предустановки РЕ счетчика СЧ. Это вызовет его переход в состояние N+1, определяемое кодом числа, записанного в регистр РГ в предыдущем такте, и появление на выходе сумматора СМ кода N+2. После записи в разряды счетчика требуемого в данном такте состояния, на выходе компаратора сформируется нулевой сигнал, что приведет к блокировке входа предустановки и восстановлению правильного режима работы всей системы. В таком устройстве самовосстановление происходит сразу же после возникновения сбоя, что в дальнейшем сохраняет требуемую последовательность смены выходных состояний счетчика.

Данный подход может быть использован и для реализации высоконадежных вычитающих счетчиков. Для этого потребуется в качестве СЧ использовать вычитающий счетчик и в каждом такте из кода, формируемого счетчиком, вычитать единицу.

Модифицированный вариант суммирующего двоичного счетчика с предсказанием состояний (рис. 9) вместо сумматора содержит постоянное запоминающее устройство ПЗУ, в которое по адресу, совпадающему с кодом выходного состояния счетчика, записан код его следующего состояния (табл. 1).

Вариант суммирующего двоичного счетчика с предсказанием состояний

Рис. 9. Вариант суммирующего двоичного счетчика с предсказанием состояний

Таблица 1. Коды, записываемые в ПЗУ для реализации суммирующего двоичного счетчика

Адрес

0

1

2…

М–2

М–1

Вых. код

1

2

3…

М–1

0

Временные диаграммы работы такого устройства в отсутствие и при возникновении сбоя аналогичны приведенным на рис. 7 и 8.

Еще один вариант аналогичного счетчика с модулем М представлен на рис. 10. Его отличие заключается в том, что в соответствующие ячейки ПЗУ заносятся данные о текущем и последующем состояниях счетчика, которые коммутируются на выход запоминающего устройства уровнем входного сигнала (табл. 2). Его единичное значение вызывает появление кода текущего состояния, а нулевое — последующего. Для этого ПЗУ условно разбивается на два банка, и по соответствующему адресному входу входным сигналом производится их переключение. Временные диаграммы функционирования такого устройства приведены на рис. 11.

Вариант суммирующего двоичного счетчика с предсказанием состояний

Рис. 10. Вариант суммирующего двоичного счетчика с предсказанием состояний

Временные диаграммы работы суммирующего двоичного счетчика с предсказанием состояний

Рис. 11. Временные диаграммы работы суммирующего двоичного счетчика с предсказанием состояний

Таблица 2. Коды состояний, записываемые в ПЗУ для реализации суммирующего двоичного счетчика

Адрес

0

1

N

M–1

Вх.

1

0

1

0

1

0

1

0

Вых. ПЗУ

1

2

2

3

N+1

N+2

0

1

При поступлении положительного фронта входного сигнала счетчик СЧ устанавливается в состояние N и на выходе ПЗУ также формируется код числа N, который в предыдущем такте был записан в регистр РГ. По нулевому уровню входного сигнала на выходах ПЗУ и регистра защелки РГ появятся коды N+1, и сигнал на выходе компаратора К останется нулевым.

С приходом следующего положительного фронта счетчик перейдет в состояние N+1. В течение высокого уровня входного сигнала на выходе ПЗУ будет поддерживаться код N+1, и этот же код будет сниматься с выходов регистра. При нулевом уровне входного сигнала состояния выходов ПЗУ и РГ изменятся одновременно и сигнал на входе предустановки РЕ сохранится нулевым.

В случае возникновения сбоя счетчик СЧ по фронту входного сигнала перейдет из состояния N+1 не в N+2, а в N±К, на выходе ПЗУ появится аналогичная кодовая комбинация, а с выхода регистра РГ будет сниматься зафиксированный в предыдущем такте код N+2. На входы компаратора поступят разные сигналы, что приведет к формированию на его выходе положительного импульса, по которому произойдет запись в разряды счетчика СЧ требуемой в данном такте рабочей комбинации N+2.

Метод предсказания состояний может быть использован и при построении высоконадежных счетчиков с недвоичными модулями. В [1–3] описаны структуры недвоичных счетчиков с самовосстановлением (рис. 12, 13).

Структура счетчика с анализатором состояний

Рис. 12. Структура счетчика с анализатором состояний

Вариант счетчика с использованием ПЗУ

Рис. 13. Вариант счетчика с использованием ПЗУ

В первом варианте используется анализатор состояний (А), формирующий определенный сигнал при появлении сбоя. Под действием этого сигнала, поступающего на вход предустановки РЕ счетчика, в его разряды записывается одна из рабочих комбинаций состояний разрядов. Далее процесс работы счетчика продолжается.

В схеме на рис. 13 в качестве счетчика используется параллельный регистр и постоянное запоминающее устройство, в которое по адресу, определяемому текущим состоянием, записывается код следующего. По адресам, соответствующим сбойным комбинациям, заносится код одного из правильных состояний. Такие устройства восстанавливают свою работу в следующем такте после возникновения сбоя.

Однако их общим недостатком является нарушение процесса смены состояний счетчика, связанное с пропуском нескольких тактов правильной работы, так как в общем случае восстановление происходит не в комбинацию, следующую за тактом после возникновения сбоя. Кроме того, подобные устройства несвободны от сбоев, связанных с пропусками состояний.

Модифицированный вариант счетчика со структурой, приведенной на рис. 12, в котором реализован метод предсказания состояний, представлен на рис. 14.

Вариант счетчика с произвольным модулем и предсказанием состояний

Рис. 14. Вариант счетчика с произвольным модулем и предсказанием состояний

Здесь используется дополнительный параллельный регистр-защелка РГ, синхронизируемый нулевым потенциалом, и постоянное запоминающее устройство ПЗУ. Высоким уровнем входного импульса в регистр заносится текущее состояние счетчика К1, при этом из ПЗУ выбирается код следующего состояния К2 и поступает на информационные входы счетчика D. В рабочем режиме сигнал на выходе анализатора равен нулю и записи данных в разряды счетчика не происходит.

Временные диаграммы его работы показаны на рис. 15.

Временные диаграммы работы счетчика с произвольным модулем и предсказанием состояний

Рис. 15. Временные диаграммы работы счетчика с произвольным модулем и предсказанием состояний

При возникновении нерабочей комбинации либо сбоя К* на выходе анализатора появится единичный сигнал, в счетчик будет занесена следующая правильная комбинация К4, считываемая в этом такте из ПЗУ, и функционирование системы восстановится без пропуска рабочих состояний.

Литература
  1. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника / Учеб. пособие для вузов. 2‑е изд., перераб. и доп. СПб: БХВ‑Петербург, 2005.
  2. Лехин С. Н. Схемотехника ЭВМ. СПб: БХВ‑Петербург, 2010.
  3. Лехин С. Н. Построение высоконадежных последовательностных устройств с использованием программируемых структур. Вестник ПсковГУ. Серия «Экономические и технические науки». Вып. 4. Псков, 2014.
  4. Лехин. С. Н. Двоичные счетчики повышенной надежности // Компоненты и технологии. 2014. № 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *