Функциональный метод анализа рисков сбоя в комбинационных схемах

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 18:28, 19 мая 2016.

Одной из важнейших задач, которые стоят перед инженером при проектировании цифровой аппаратуры с использованием принципов комплексной миниатюризации, является задача обеспечения функциональной устойчивости при влиянии конструктивно-технологических факторов и дестабилизирующих воздействий внешней среды. В схемотехническом плане проблема функциональной устойчивости может быть сведена к устранению опасных состязаний (гонок) сигналов устройства. Эффект состязаний сигналов, приводящий к неустойчивой работе цифрового устройства, известен давно. Пример такого рода - эффект “дребезга” контактов реле, кнопок и других контактных переключающих устройств. Проблема гонок в цифровой схемотехнике очень серьезная, требует от разработчика цифровой аппаратуры определенных знаний и опыта при устранении проблемы.

Определения

TemplateDifinitionIcon.svg Определение «Определение - Риск сбоя »

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

TemplateDifinitionIcon.svg Определение «Определение - Функциональная устойчивость »

определяется стабильностью реализации цифровым устройством заданного алгоритма работы при наличии разброса задержек выполнения операций в логических элементах, задержек сигналов в линиях связи и электромагнитных наводок паразитных сигналов. Синоним "функциональной устойчивости" - алгоритмическая устойчивость.

TemplateDifinitionIcon.svg Определение «Определение - Состязания (гонки) сигналов »

процесс распространения сигналов в различных цепях цифрового устройства при существовании разбросов временных задержек этих цепей.

TemplateDifinitionIcon.svg Определение «Определение - Большая интегральная схема (БИС) »

до 10 тыс. элементов в кристалле.

TemplateDifinitionIcon.svg Определение «Определение - Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) »

более 10 тыс. элементов в кристалле.

Методы анализа рисков сбоя

Все существующие методы, направленные на устранение рисков сбоя в комбинационных схемах можно разделить на три группы:

  • Структурные (направлены на получение необходимых свойств реализации устройства при неизменном алгоритме его работы)
  • Функциональные (связаны с изменением алгоритма работы, в то числе и с изменением кодирования состояний входов, и при отказе должны предусматривать возможность перепрограммирования работы схемы)
  • Конструктивно-технологические (ориентированы на получение требуемых ограничений на уровне используемых математических моделей)

Наиболее просто 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.

Примеры функционального метода анализа рисков

Метод соседнего кодирования входных наборов

В данном методе используется принцип изменения кодирования последовательных состояний входов комбинационной схемы.
Рис.1.Устранение рисков сбоя методом соседнего кодирования входных наборов: а - схема; б - временные диаграммы
В схеме рис.1(а), счетчик изменяет свои состояния не в естественной двоичной последовательности 0-1-2-3, а в последовательности 0-1-3-2, тогда получается, что в каждом такте свое состояние изменяет только один разряд счетчика. Из рис.1(б) видно, что в данном случае риски сбоя на выходах дешифратора отсутствуют.

Построение самосинхронных схем

В самосинхронной схеме каждый комбинационный блок сам синхронизирует свою работу с соседними блоками за счет отслеживания момента окончания вычислений. Как только блок заканчивает вычисления, он вырабатывает сигнал, по которому начинает работать следующий блок, а на вход этого блока могут поступать новые данные. Таким образом, обеспечивается логическое упорядочивание событий в схеме. Рабочие узлы в этом случае строятся непротивогоночными, но они дополняются специальными схемами, которые обнаруживают факт окончания переходных процессов и вырабатывают разрешающий сигнал для следующих схем.

К достоинствам самосинхронных схем можно отнести меньшее потребление энергии, низкий уровень перекрестных наводок и электромагнитного излучения, большую стойкость к технологическому разбросу параметров элементов, температуры и напряжения питания. Но проектировать самосинхронные схемы сложнее, чем другие.

Данный метод рассматривается как весьма перспективный для построения БИС и особенно СБИС, где применение обычной синхронизации встречает ряд трудностей. Однако в схемах и микросхемах малой степени интеграции и традиционной технологии этот метод пока не находит применения из-за сложности построения такого рода схем, и из-за удвоения аппаратурных затрат.