В КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМАХ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УСТРАНЕНИЮ РИСКОВ СБОЯ

Все методы, разработанные для устранения рисков сбоя в комбинационных схемах, можно объединить в три группы: структурные, функциональные и конструктивно-технологические.

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 простыми для соответствующей математической модели являются структурные и функциональные методы, а наиболее сложными конструктивно-технологические, так как они часто связаны с разработкой принципиально новых видов производства интегральных цифровых схем.

 

 

Причиной риска сбоя может быть неправильно спроектированная схема. Примером такой схемы является генератор двухфазной системы синхронизации (рис. 2, а). Здесь комбинационная схема представлена двумя вентилями И, на выходах которых реализуются уравнения: Задержка переключения триггера в данном случае приводит к появлению статических рисков сбоя S ₀ на выходе при переходе с набора на набор и на выходе при переходе с набора на набор .Устранить эти сбои можно двумя схемотехническими (структурными) методами.

Рис. 2.

На рис.2, б комбинационная схема выполнена на вентилях ИЛИ. Из соответствующих временных диаграмм видно, что в данной схеме риски сбоя не появляются. Выходные сигналы и при необходимости можно изменить их инвертированием. На рис. 2, в оставлены вентили И, а D - триггер заменен на JK -триггер, срабатывающий по переходу 10 на его тактовом входе. Из соответствующих временных диаграмм видно, что и в данной схеме будут отсутствовать риски сбоя.

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.

Достоинством тактирования и стробирования является то, что разработчику не требуется вникать в специфику протекания переходных процессов, в характер возникающих гоночных ситуаций, не нужно знать минимального значения задержки и т. д. Все, что должен знать разработчик, - это максимально возможную задержку самого длинного тракта логической схемы, а это легко вычисляется по паспортным данным используемых элементов.

Рис. 3.

На рис 3, а приведена схема преобразователя однофазного сигнала в четырехфазный сигнал. Комбинационной схемой здесь является дешифратор с активным нулем на его выходах. Входными переменными для дешифратора являются выходы триггеров двухразрядного счетчика с последовательным переносом.

Как видно из временных диаграмм (рис. 3, б), на выходах y ₀и y ₂дешифратора имеет место статический риск сбоя S ₁. Использование синхронного двухразрядного счетчика не устранит риск сбоя, а в лучшем случае уменьшит длительность паразитных сигналов.

Рис. 4.

На рис. 4 показано использование метода стробирования, причем здесь в качестве стробирующего сигнала применяется тактовый сигнал, а на рис. 5 - метода тактирования для устранения рисков сбоя. Полезно помнить, что стробирование осуществляется комбинационной схемой и деформирует длительность информационного сигнала, а тактирование осуществляется последовательностной схемой и сдвигает во времени информационный сигнал.

Рис. 5.

Рис. 6.

Пример функционального метода устранения рисков сбоя приведен на рис. 6. Здесь используется принцип изменения кодирования последовательных состояний входов комбинационной схемы. В схеме рис. 6, а счетчик изменяет свои состояния не в естественной двоичной последовательности 0 - 1- 2 - 3, а в последовательности 0 - 1 - 3 - 2, когда в каждом такте свое состояние изменяет только один разряд счетчика (здесь используется двухразрядный счетчик Джонсона - сдвиговый регистр с одной перекрестной связью). Из рис. 6, б видно, что в данном случае риски сбоя на выходах дешифратора отсутствуют.

Растет интерес к еще одному методу борьбы с гонками - построению самосинхронизирующихся схем [3]. 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, играющий в каком-то смысле роль “асинхронного синхросигнала”. Это направление рассматривается как весьма перспективное для построения БИС и особенно сверхБИС, где применение обычной синхронизации встречает ряд трудностей. Однако в схемах и микросхемах малой степени интеграции и традиционной технологии это направление пока не находит применения как ввиду сложности построения такого рода схем, так и удвоения аппаратурных затрат.

К конструктивно-технологическому методу можно отнести метод борьбы с влиянием входных гонок на уровне одного логического элемента, основанный исключительно на совершенствовании технологии изготовления логических элементов и их конструктивного исполнения, которые в совокупности должны обеспечить минимальные разбросы задержки распространения сигналов в элементе по логически одинаковым цепям. В частности, использование интегральной технологии производства ИС, позволяющей получать весьма малые относительные вариации различных параметров, дает возможность считать, что гонки по входу практически не влияют на устойчивость цифровых устройств, проектируемых на любой серии логических ИС.

 

Полезно придерживаться также следующих рекомендаций:

- соблюдайте требования технических условий (ТУ) на ИС;

- тщательно проектируйте аппаратуру, уделяя особое внимание рациональной разводке печатных плат;

- обеспечивайте режимы эксплуатации, не изменяющие задержки распространения сигналов (стабилизация источников питания, термостатирование, буферизация нагрузок и др.).