Формирование синхроимпульсов. 
Системы автоматического управления: бортовые цифровые вычислительные системы

В основе формирования синхроимпульсов лежит частота задающего генератора, которая поступает на счетчик и после дешифратора, подключенного к выходам счетчика, запускает и сбрасывает триггеры — формирователи синхроимпульсов, обеспечивая требуемую фазу и длительность синхроимпульсов (см. рис. 3.3).

Рис. 3.3. Формирование синхроимпульсов на основе счетчика (сдвигового регистра).

В некоторых формирователях вместо счетчика и дешифратора используют просто сдвиговый регистр, снимая сигналы, запускающие и сбрасывающие триггеры-формирователи с разных разрядов регистра.

Принципиальным отличием цифровых вычислителей от счетно-решающих аналоговых устройств является дискретный принцип переработки информации, при котором изменение состояния элементов памяти (триггеров) происходит в строго определенный дискрет времени, фиксируемый специально формируемым синхронизирующим сигналом (синхроимпульсом), только при наличии которого происходит изменение состояния элемента памяти [ 1 ].

Любая операция в процессоре БЦВМ состоит из нескольких тактов (элементарных дискретов времени), внутри которых может быть один или несколько синхроимпульсов. Для формирования этих синхроимпульсов, поступающих на цифровое устройство с определенным периодом (тактом), служат специальные устройства — формирователи синхроимпульсов (ФСИ).

Длительность такта выбирается таким образом, чтобы за время между синхроимпульсами была полностью завершена логическая обработка данных. Например, два числа, хранимые в регистрах на входе сумматора, прошли через его логические элементы и сформировали на выходе сумматора достоверный результат (сумму, разность или произведение), который будет зафиксирован в регистре результата по соответствующему более позднему синхроимпульсу. Если частота следования синхроимпульсов выбрана чрезмерно высокой, то к моменту записи результата его формирование логическими элементам, имеющими конечное быстродействие, может не закончиться и в регистр результата будет занесен недостоверный результат.

Расчет времени прохождения электрического сигнала (логического уровня) через цифровые элементы ведется по специально разрабатываемым методикам, учитывающим нормативное быстродействие элементов, заданное в их технических условиях для определенных номиналов питания и температур, а также электрофизические параметры конструкции, в которую собраны элементы.

К параметрам конструкции относя паразитные емкости монтажа печатных плат микросборок и блоков, а также длины и взаимное расположение проводников печатных плат и межблочных связей (фактически волновое сопротивление).

Положение усугубляется тем, что на этапе разработки структуры цифрового устройства (узла, блока, процессора) неизвестны достоверные электрофизические параметры конструкции, разработка которой ведется на основе схемы электрической (СхЭ), создаваемой по структурным схемам.

В то же время вся временная диаграмма обработки данных, т. е. частота, состав и фазовые соотношения синхроимпульсов определяются именно на этапе разработки структуры, являясь ее неотъемлемой частью. Ошибки при выборе состава синхроимпульсов, их частот и фазовых соотношений приводят в итоге к созданию неработоспособного устройства, которое, прекрасно работая на этапе макетирования, оказывается неработоспособным в штатном исполнении конструкции при незначительных изменениях напряжения питания или температуры окружающей среды.

На основании опыта многих поколений разработчиков бортовой аппаратуры в НПОА был сформирован принцип «Расчет по наихудшему случаю». Этот принцип требует, чтобы на бумаге, т. е. при разработке структуры и расчете времен устройство работало при самом неблагоприятном сочетании температур (как плюсовых, так и минусовых), отклонений напряжения питания и разбросе параметров конструкции. Этот принцип является очень жестким и требует высокой квалификации разработчиков структуры, которые, кроме глубокого понимания принципов логической обработки и передачи информации, должны в совершенстве знать и понимать электрофизику работы комплектующих элементов (интегральных микросхем и БИС) и прогнозировать электрофизические характеристики основных элементов конструкции (узлов, блоков и приборов). В связи с этим становится понятной важность создания унифицированных конструктивных решений. Удачным примером решения этой задачи унификации конструкции является создание унифицированного конструктива цифровых вычислительных средств (УКЦВС) [5].

Было создано два поколения типовых конструкций — УКЦВС 1 и УКЦВС2, соответственно использующих тонкопленочные и толстопленочные микросборки. Все основные параметры конструкции были зафиксированы нормативными документами — стандартами предприятия и отрасли (СТП и ОСТ).

В первую очередь унификация решила задачу подготовки производства на заводах-изготовителях отрасли, т. е. создания условий для реализации одного из основополагающих принципов обеспечения надежности, а именно хорошей технологической оснащенности и культуры производства.

Одновременно была решена и задача расчета временных параметров работы цифровых устройств (микросборок, блоков, приборов), так как в самом начале проектирования — на этапе разработки структуры — формировалась не абстрактная логическая реализация, а структура, полностью привязанная к элементной базе и соответствующему уровню конструкции (микросборке, блоку, прибору) по компоновке и выводам, что дало возможность достаточно достоверно проводить расчет быстродействия работы устройства соответствующего уровня и задать требуемые параметры синхроимпульсов, обеспечивающие работу аппаратуры при наихудшем сочетании параметров.

Можно отметить, что разработка с использованием этого принципа стала с середины прошлого века краеугольным камнем в разработках бортовой аппаратуры НПОА.

Рассмотрим формирователи синхроимпульсов первого поколения.

Основу логических блоков первых БЦВМ составляли динамические триггеры (см. рис. 3.4), являющиеся транзисторными усилителями, к базе транзисторов которых помимо резисторного делителя, задающего рабочую точку, была подключена LC-цепь как элемент памяти.

При подаче мощного импульса питающего напряжения в коллекторную цепь транзистора происходит передача состояния элемента памяти на прямой и инверсный выходы усилителя. Эти сигналы, пройдя дальнейшую логическую обработку на диодно-резисторной логике, фиксируются в элементах памяти триггеров следующего слоя. Таким образом, логическая обработка ведется только в момент действия импульса питания, который и был тактовым (синхронизирующим), что исключает «сквозной перенос» сигналов в счетчиках и сдвиговых регистрах.

Рис. 3.4. Динамический триггер.

Для формирования тактовых импульсов использовался кварцевый задающий генератор (КЗГ) с делителем частоты, дающий определяемую выбранным номиналом кварца частоту 256 КГц, удобную для деления.

Сигнал с выхода КЗГ, пройдя усилители (см. рис. 3.5), поступал на блоки в виде импульсов отрицательной полярности длительностью в 2 мкс с периодом 3,90 625 мкс. Длительности импульса питания в 2 мкс было достаточно для проведения логической обработки и запоминания в следующем слое триггеров, так как блоки были достаточно компактны, а диоды и резисторы практически не вносили задержек.

Рис. 3.5. Формирователь тактовых импульсов с единым КЗГ.

При этом переработка информации велась в строго определенные дискреты длительностью в 2 мкс, отстоящие друг от друга примерно на 4 мкс, что позволяло строить достаточно сложные цифровые устройства, включая счетчики — основу устройств управления первых БЦВМ.

Формирователь, реализованный на основе единого КЗГ, успешно выполнял свою задачу, обеспечивая 3 канала БЦВМ синхронными и синфазными тактовыми импульсами, так как разбежка сигналов на усилителях не превышала единиц наносекунд. Этого было достаточно для правильной работы схем мажоритации. Однако наличие единого генератора не отвечало формальным требованиям надежности — сохранения работоспособности при одной возможной неисправности (ОВН). Решения этой проблемы длительное время найти не удавалось, тем более, что такое построение оказалось допустимым для практических применений, так как в силу малости аппаратных затрат вероятность отказа КЗГ была невелика и соответствовала требованиям к надежности первых САУ. Была предпринята попытка, используя известные решения [41, сделать генератор j Проектирование аппаратуры систем автоматического управления.

I_для работы в экстремальных условиях_I.

резервированным путем связи колебательных контуров генераторов. Однако проверки работоспособности в диапазоне температур и питающих напряжений выявили существенную нестабильность запуска такого генератора и эти решения применения не получили.

Для следующего поколения БЦВС, реализованного на интегральных микросхемах, со статическими триггерами в основе, потребовалась многостробовая синхронизация, при которой в одном такте использовались по меньшей мере 2 синхросигнала для исключения сквозных переносов в счетчиках и сдвиговых регистрах [5].

В их основе также использовался единый КЗ Г, дающий частоту на формирователи синхроимпульсов (ФСИ) всех устройств и каналов. Для синхронизации и фазирования ФСИ формировался фазирующий (запускающий) ФСИ стартовый сигнал, который формировался в ДУКе следующим образом (см. рис. 3.6, 3.7).

Рис. 3.6. Формирование фазирующих сигналов.

Рис. 3.7. ФСИ на сдвиговом регистре с внешним фазированием.

Частота КЗГ поступала на счетчик, к выходам которого был подключен дешифратор, запускающий и сбрасывающий выходные триггеры, сигналы с которых поступали на соответствующие ФСИ, реализованные на основе сдвиговых регистров. Используя разные разряды регистра, можно было получить несколько синхроимпульсов с нужными фазовыми соотношениями. На рис. 3.7 приведена схема формирования фазирующих сигналов и ФСИ на основе сдвигового регистра, на вход которого подается высокая частота (не мене 512 МГц), а фазирующие (запускающие) сигналы и сами синхроимпульсы формируются на триггерах, запускаемых и сбрасываемых разрядами счетчика. На рис. 3.8 приведена схема ФСИ с резервированием задающих генераторов.

Рис. 3.8. Резервированный ФСИ.

ФСИ содержит три задающих генератора (ЗГ1-ЗГЗ), которые в ФСИ системного модуля кварцевые, а в остальных модулях управляются кодом. Фазировку каналов ФСИ между собой обеспечивают три блока фазирования, подключенные частотными входами к своим генераторам, а фазирующим выходом — к фазирующим входам двух других блоков.

Такое построение формирователей синхроимпульсов обеспечивало работу цифровых узлов, реализованных на статических триггерах, и требуемый уровень синхронности и синфазности работы разных каналов БЦВМ, но проблема обеспечения работоспособности системы при ОВН оставалась, и требовались новые решения при сохранении достигнутых положительных результатов. Такие решения были найдены при создании БЦВС на базе ЦВМ7 [8].

В основе этих решений было применение резервированных формирователей синхроимпульсов с использованием хорошо знакомого принципа мажоритации сигналов. Структурная схема резервированного ФСИ приведена на рис. 3.8. Основная идея заключена в том, что используются три независимых задающих генератора (ЗГ1, ЗГ2 и ЗГЗ), каждый из которых подключен к входу своего блока фазирования (БФ1, БФ2 и БФЗ), которые обеспечивают взаимную фазировку начала формирования сихроимпульсов такта, а также формирование этого набора синхроимпульсов. Каждый синхроимпульс дополнительно проходит через мажоритарный элемент (МЭ).

При необходимости иметь выходы на несколько дополнительных устройств в формирователь можно было установить дополнительные мажоритарные элементы.

Основной принцип взаимного фазирования заключается в следующем. После начала работы задающего генератора его частота поступает на сдвиговый регистр (СД) и счетчик (Сч) блока фазирования. После нескольких периодов высокой частоты сигнал с выхода дешифратора (Дш), подключенного к выходам счетчика, запускает триггер останова (ТгО), сигнал с которого, поступая на запрещающий вход элемента И, останавливает прохождение частоты на сдвиговый регистр и формирование синхроимпульсов приостанавливается. Сигнал с выхода триггера останова поступает также на первый вход фазирующего мажоритара (ФМ) своего блока и на выход блока фазирования. Этот выход подключен к фазирующим входам двух других блоков фазирования. В каждом блоке входящие сигналы фазирования проходят привязку к частоте своего задающего генератора на триггерах привязки Тг-1 и Тг-2, а затем поступают на второй и третий входы ФМ, сигнал с выхода которого запускает триггер пуска (Тгп), который сбрасывает триггер останова. После чего восстанавливается поступление частоты задающего генератора на счетчик и сдвиговый регистр, в результате чего возобновляется формирование синхроимпульсов выходными триггерами (ф), каждый из которых запускается и сбрасывается соответствующим разрядом сдвигового регистра. Таким образом, происходит как бы «притормаживание» блока, опережающего по фазе два других, на время до подхода еще одного сигнала фазирования из других блоков. Появление двух сигналов фазирования происходит одновременно во всех блоках, в которых с точностью до периода высокой частоты начинают синфазно формироваться синхроимпульсы нового такта.

Структура блока фазирования приведена на рис. 3.9, а на рис. 3.10 приведен перестраиваемый задающий генератор.

Рис. 3.9. Блок фазирования ФСИ.

Рис. 3.10. Перестраиваемый ЗГ.

Такое построение ФСИ решает проблему ОВН задающего генератора, но выдвигает свою новую проблему, которая связана с тем, что введение приостанова не позволяет к великому ужасу программистов гарантировать длительность любого такта, случайно выбранного во времени. Длительность такта оценивается только статистически на интервале работы продолжительностью в несколько секунд, что позволяет оценить только среднее быстродействие процессора и производительность.

Однако это полностью исключает использование тактовой частоты для формирования (счета) реального времени, для чего требуется независимый датчик времени.

Решение задачи сохранения работоспособности системы при изменении параметров БИС от накопленной дозы ионизирующего излучения, старения или изменения температуры окружающей среды привели к появлению достаточно революционного для традиционной реализации ФСИ решения.

В состав вычислительных модулей и модулей связи магистрально-модульных БЦВС были введены генераторы с перестраиваемой по командам системного модуля частотой [9], что позволяло по результатам тестовых проверок модуля установить на каждом интервале частоту, соответствующую текущему быстродействию БИС модуля.

На рис. 3.10 приведена структура перестраиваемого задающего генератора, который содержит несколько последовательно соединенных инверторов (ИНВ), подключенных выходами к входам мультиплексора (МП), выход которого является выходом генератора и подключен к счетному входу счетчика частоты (C4F) и входу первого инвертора, образуя тем самым кольцевой генератор. Для задания номинала частоты и ее поддержания служат регистр кода частоты и счетчик кода частоты, в которые записывается код требуемой частоты. Формируемая частота поступает на счетчик частоты, подключенный выходами к первым входам схемы сравнения (СС), инкрементный и декрементный выходы которой подключены к одноименным входам счетчика кода частоты. В случае отклонения частоты, подсчитанной счетчиком частоты, стробированным входным сигналом кварцевого задающего генератора, от кода, записанного в регистр кода частоты, подключенного ко вторым входам схемы сравнения. СС в зависимости от знака разности формирует или сигнал инкрементации, или сигнал декрементации. По этим сигналам счетчик кода частоты или увеличивает, или уменьшат код, поступающий на управляющие входы мультиплексора. Мультиплексор в соответствии с новым кодом изменяет номер подключаемого инвертора, меняя тем самым длину кольца и, следовательно, время прохождения сигнала по кольцу, т. е. выходную частоту.

Перестройка частоты позволяет с одной стороны повысить надежность работы в полях ионизирующего излучения, а с другой стороны — поднять производительность при появлении запасов по быстродействию в БИС, что является достаточно реальным, так как применяемые для повышения радиационной стойкости БИС технологические решения приводят к некоторому увеличению быстродействия на начальном участке времени набора дозы.

Можно отметить, что решения по управлению частотой оказались применимы также для управления номиналом питания ИВЭП [11] и напряжением выходного преобразователя «код — напряжение» при переходе в их реализации от аналогового контура стабилизации выходного напряжения к цифровому управлению.