ПРЕДИСЛОВИЕ
В современной автоматике широко применяются дискретные устройства обработки и хранения информации. Техническая реализация таких устройств осуществляется преимущественно наЕ основе полупроводниковой интегральной технологии, позволяющей представить сложные устройства в виде композиции интегральных схем малой и средней степени интеграции или как одну интегральную схему большой степени интеграции.
Процесс проектирования устройств автоматики, выполняющих достаточно сложные функции, условно подразделяют на два крупных последовательных этапа: логическое и техническое проектирование. Логическое проектирование (синтез) начинается с выяснения и описания функционирования устройства и заканчивается нахождением его функциональной схемы, состоящей из логических элементов заданного типа. Техническое проектирование начинается с размещения элементов по конструктивным модулям, платам и заканчивается выработкой технической документации на производство будущего устройства.
Практика создания устройств автоматики на интегральных схемах малой и средней степени интеграции, а также разработки новых типов интегральных схем большой степени интеграции требует применения (и, конечно, развития) формализованных методов логического проектирования, основанных на теории конечных автоматов. Дело в том, что проверка правильности и ^оптимальности устройств, созданных на основе опыта и интуиции "инженера-схёмотехника, затруднена из-за невозможности вое* произведения процесса проектирования. Кроме того, ужесточение -сроков проектирования диктует необходимость использований
&
ЭВМ для автоматизации рутинных процессов логического проектирования, что может быть сделано только с помощью формализованных методов. Тем не менее необходимость использования формализованных методов инженерами-схемотехниками зачастую ставится под сомнение. Ведь не секрет, что многие удачные схемотехнические решения получаются неформализованными,, интуитивными приемами в результате творческой работы инженеров.
По мнению авторов, это сомнение вызвано непониманием роли методов теории конечных автоматов, неверием в возможности таких методов. На наш взгляд, формализованные методы являются полезным средством, инструментом в руках инженера- проектировщика, и умелое использование этого инструмента ничуть не сковывает творческую инициативу инженера, наоборот,, оно позволяет локализовать те задачи, для решения которых необходима именно творческая мысль. Неверие в возможности методов теории конечных автоматов обусловлено определенной неразвитостью практических аспектов самой теории. В данном отношении предстоит, несомненно, еще немалая работа. Вместе с тем, как будет показано на ряде примеров в данной книге, решения, полученные формализованными методами, зачастую не уступают лучшим эвристическим решениям.Одной из основных задач, решаемых при логическом проектировании интегральных схем большой степени интеграции и устройств на интегральных схемах малой и средней степени интеграции наиболее распространенного потенциального типа, является обеспечение независимости работы создаваемого устройства от разброса задержек срабатывания логических элементов, образующих его схему. Эта задача рассматривается в теории асинхронных конечных автоматов как обеспечение безошибочного функционирования проектируемого устройства в условиях состязаний сигналов. В создание этой теории существенный вклад внесли С. Ангер, А. Д. Закревский, С. Колдуэлл, В. Г. Лазарев, Р. Миллер, В. Н. Рогинский, Д. Хаффман, Э. А. Якубайтис [17— 19, 22, 29, 35—38].
В настоящей книге излагаются методы логического проектирования устойчивых к состязаниям быстродействующих дискретных устройств на потенциальных логических элементах. Предложенные методы ориентированы в первую очередь на устройства, реализуемые в виде цифровых интегральных субсистем широкого применения. Характерным отличием излагаемого материала является представление проектируемого устройства в виде композиции управляющего и набора управляемых автоматов, выходы которых соединены со входами управляющего автомата.
Книга ориентирована прежде всего на инженеров. Это предопределило характер изложения материала. От читателя не требуется знания теории конечных автоматов. Вместе с тем предполагается, что читатель знаком с основами булевой алгебры. Все необходимые понятия теории конечных автоматов изложены в первых двух главах. Материал носит конспективный характер и не преследует целью строгость изложения. Лица, желающие углубить свои знания в области асинхронных конечных автоматов, могут ознакомиться с первоисточниками, которые указаны в списке литературы, а также с обзорами [5, 32], в которых приведена довольно полная библиография.
В гл. 3 рассматривается модель устройства, состоящая из управляющего и управляемых автоматов, функционально связанных между собой. Такая модель названа авторами композиционной. Представление устройства в виде композиционной модели позволяет использовать при проектировании типовые схемы. С точки зрения инженерной практики такой подход кажется вполне естественным, так как отражает обычное стремление инженера представить будущее устройства уже в начальной стадии проектирования в виде композиции устройств, известных ему по опыту проектирования. С точки зрения теории конечных автоматов управляемые автоматы выполняют дополнительно функцию памяти проектируемого устройства.
Примеры синтеза обширного класса цифровых субсистем, рассматриваемые в последующих главах, должны, по мнению авторов, помочь читателю освоиться с методикой логического проектирования устойчивых к состязаниям устройств на основе композиционной модели. Для инженеров-схемотехников этот материал может быть полезен и при анализе устройств на интегральных схемах малой и средней степени интеграции, которые в большом объеме приводятся в литературе [2, 3, 21]. Вместе с тем авторы стремились проиллюстрировать тот факт, что с помощью аппарата логического проектирования можно получить схемы, удовлетворяющие требованиям современной интегральной технологии и схемотехники. Для специалистов в области теории конечных автоматов этот материал может быть полезен как набор типовых задач, предназначенных для сравнительной оценки эффективности алгоритмов синтеза автоматов.
Книга адресуется специалистам по автоматике, схемотехнике и интегральным схемам, а также всем лицам, интересующимся логическим проектированием.
Авторы считают приятным долгом выразить благодарность Э. А. Якубайтису за постоянную поддержку и внимание к данной работе, А. Ю. Гобземису, взявшему на себя труд по редактированию книги, и рецензенту Ю. Н. Артюху, способствовавшему улучшению содержания и стиля.
Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 2260Q6„ г. Рига, ул. Академияс, 14, Институт электроники и вычислительной техники АН Латвийской ССР.
Авторы