Логические риски сбоя в комбинационных схемах

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 15:01, 25 июня 2016.

Риск сбоя - возможность появления на выходе цифрового устройства сигнала, не предусмотренного алгоритмом его работы и могущего привести к ложному срабатыванию.

Понятие риска сбоя

Следует отметить, что риск сбоя представляет собой только возможность ложного срабатывания. Конкретная цепь может давать риск сбоя, а может и не давать, причем даже при наличии риска сбоя может отсутствовать ложное срабатывание.
Появление рисков сбоя связано с инерционностью логических элементов (ЛЭ), благодаря которой при изменении входных сигналов комбинационной схемы (КС) в ней начинается переходный процесс.
Максимальная длительность переходного процесса определяется порядком КС, причем входные сигналы в момент их изменения имеют неопределенное значение (обозначается ´ или 1/2), поэтому при переходном процессе выходные сигналы КС могут вырабатывать ложные сигналы (не соответствующие заданным переключательным функциям), длительность которых определяется разбросом временных задержек последовательно включенных ЛЭ.
Явление неодновременного изменения выходных сигналов КС при одновременном изменении входных называется «состязанием» или «гонкой» сигналов в схеме, которое является причиной появления рисков сбоя.

Виды рисков сбоя

Риски сбоя разделяются на:
Статический риск сбоя - это кратковременные изменения сигнала, который должен был бы оставаться неизменным.
Если сигнал должен был оставаться единичным, то говорят о 1-риске, если нулевым – то о 0-риске.
Динамический риск сбоя - риск сбоя, при котором, согласно логике работы комбинационного узла, состояние выхода должно измениться, но вместо однократного перехода происходят многократные.
При динамических рисках первый и последний переходы всегда совпадают с алгоритмическими, предусмотренными логикой работы схемы. Статический риск такого свойства не имеет и считается более неблагоприятным.
Логический риск сбоя - статические риски сбоя, проявляющиеся при соседней смене наборов, так как могут быть устранены изменением логической структуры, реализующей булеву функцию.
Функциональный риск сбоя - риски сбоя, проявляющиеся при многоместной смене наборов и определяемые характером самой функции. Такие риски сбоя не могут быть устранены изменением логической структуры, реализующей булеву функцию.

Причины появления рисков сбоя

Задержка логической схемы слагается из задержек срабатывания логических элементов и задержек распространения сигналов по цепям связи между ними. Важнейшим параметром, характеризующим инерционность логического элемента, является среднее время задержки выходного сигнала по отношению к входному зд.ср.. Трудоемкость учета задержек зависит от соотношения значений задержек самих логических элементов и задержек в цепи связи св.. Если эти значения близки, то задержки различных трактов схемы можно определить лишь после размещения элементов на поверхности печатной платы или кристалла БИС, когда станут известны фактические длины связей. В сверхбыстродействующих ИС и БИС, построенных на ТТЛШ- и ЭСЛ- элементах, время задержки выполнения логической операции в вентиле (логическом элементе) оценивается единицами или десятыми долями наносекунды. В этом случае не считаться с св. нельзя.

Пример логического риска сбоя

Рассмотрим переход от к для функции , представленной картой Карно (рис. 1).

Рис. 1. Карта Карно для функции

Для нее можно записать

Рис. 2. Схема, реализующая функцию

Устраним риск сбоя, для этого введем дополнительный контур:

Статический риск сбоя, проявляющийся при соседней смене наборов, называется логическим, так как может быть устранен изменением логической структуры, реализующей булеву функцию.

Рис. 3. Логический риск сбоя

Анализ КС на риски сбоя

Широкое распространение получили следующие методы:

  • использование временных диаграмм, в том числе асинхронное моделирование на их основе
  • графический метод Хаффмена
  • использование многозначной логики, для которой, как и для булевой алгебры, справедливы принципы ассоциативности и коммутативности
  • использование двоичной алгебры
  • в последнее время получают развитие методы, основанные на аппарате дифференциальных булевых уравнений

Устранение рисков сбоя

Все методы, разработанные для устранения рисков сбоя в комбинационных схемах, можно объединить в три группы:

Структурные методы направлены на получение необходимых свойств реализации устройства при неизменном алгоритме его работы. Функциональные методы связаны с изменением алгоритма работы, в частности с изменением кодирования состояний входов. Конструктивно-технологические методы ориентированы на получение требуемых ограничений на уровне используемых математических моделей.

Наиболее просто в соответствующей математической модели могут быть применены структурные и функциональные методы, а наиболее сложными методами являются конструктивно-технологические,так как они часто связаны с разработкой принципиально новых видов производства интегральных цифровых схем.

Наиболее универсальными и поэтому широко используемыми методами борьбы с рисками сбоя являются тактирование и стробирование. Суть тактирования заключается в следующем. По всему цифровому устройству разводится единая система тактирующих (синхронизирующих) сигналов, обеспечивающих запись информационных данных в регистры через время, которое превышает самый длинный процесс неопределенности, то есть самую большую задержку во всех трактах схемы. Если же необходимо лишь очистить сигнал от рисков сбоя, а не запомнить его, то используется метод стробирования, реализуемый соответствующим построением комбинационной схемы.

Полезно помнить, что стробирование осуществляется комбинационной схемой и деформирует длительность информационного сигнала, а тактирование осуществляется последовательностной схемой и сдвигает во времени информационный сигнал.

Список источников

  1. http://www.studfiles.ru/ - НИУ "МИЭТ", лекции по схемотехнике ЭВМ
  2. http://studopedia.ru/ - Студопедия
  3. http://3ys.ru/ - Методичкус, "Синтез комбинационных схем"