Функциональный аспект. Здесь выделяются два момента:
а) смысловая равноправность логических переменных управляющих массивов инверсий и несущественных переменных в следующем фрагменте (22):
. (23)
Это позволяет организовывать сложные функции не только от «штатных» переменных , но и от логических массивов переменных и ;
б) равноправность и «симметричность» вектора значений и вектора существенности конъюнкций , что открывает возможности «масштабирования» (дискриминации) конъюнкции каждым из них и одновременно двумя этими векторами.
Структурный аспект. Здесь возможно двоякое понимание того, для чего в записи (22) предназначаются фрагмент (23), а также охватывающий (внешний) фрагмент
: (24)
а) поскольку во фрагменте операции «» присущи только ему, то вместо каждой из этих операций как технических элементов можно реализовать (23) как одну языковую «единичную» структуру и получить один технический элемент, условно: VVR-элемент [5]. Тогда в (22) выражение будет соотнесено (принадлежать) фрагменту (24) и этот внешний фрагмент может явиться второй языковой единичной структурой для технической реализации, условно: EVR-элемент [5]. Это будет означать, что состав коммуникаций VVR-элементов определят входные линии (логические сигналы) и выходную линию, являющуюся результатом конъюнкции (см. рисунок 1), а состав коммуникаций EVR-элементов определят входные линии , входные линии и входные линии, по которым передаются результаты конъюнкций () (см. рисунок 2);
б) толкование выражения (22) посредством (23) и (24) - это естественное понимание и
традиционное разложение функции по выбранным базисным (характеристическим) сигналам (функциям) с весовыми («спектральными») значениями посредством оператора дизъюнкции: . Такое разложение не может не привести к тривиальным, но наглядным и показательным структурам (см. рисунки 1, 2), аналогичным спектральным формирователям [6], в которых сложный сигнал представляется базисными сигналами , модулированными спектральными значениями , посредством оператора суммирования (см. рисунок 3) .
Между тем, запись (22) есть дизъюнкция () однородных структур:
, (25)
фактически не зависящих от входящих в них операндов , где: - произвольные логические функции, переменные или константы. Причём, придаёт однородность этой форме не объединяющая конъюнкция (), а её внутренние отношения (см. рисунок 4) =, где «» есть операция конъюнкции.
Логическая «среда» контроллера. УЛФ (22) при посредством технической реализации структур VVR- и EVR-элементов (см. рисунки 1, 2) исчерпывающе обеспечивает все требования по распределению логической мощности: а) синтез всего многообразия из функций, то есть все (требуемые) функции, которые возможно получить на данных входах логического устройства (); б) синтез всех из функций, то есть всех функций, которые возможно получить на совокупности ()-го входа ; в) синтез всех из функций и так далее вплоть до формирования ФАЛ, когда у используется только один любой вход из его совокупности входов.
Другими словами, при любой технической реализации контроллера, воплощающей УЛФ, языковая форма УЛФ будет порождать все возможности по распределению логической мощности. УЛФ взяла на себя формирование множества отношений, решающих задачу распределения логической мощности, и этим свела организацию логического контроллера к поиску удачной аппаратной «единичной» структуры, на базе которой могли бы формироваться VVR- и EVR-элементы.
При этом поиск должен привести к созданию наиболее подходящих системных технических элементов контроллера, которые были бы независимы от различных семантически-структурных толкований (1). Здесь системность, несомненно, несёт смысловую нагрузку обеспечения удобства (гибкости, сборки, проектирования) в добавлении новых элементов в форме (1) и тем самым в структурах VVR- и EVR-элементов.
Материальный носитель. В двух-, четырёх- или многорядных микросхемах (для УЛФ) могут быть «выращены» (реализованы) разные структуры VVR- и EVR-элементов, исходя из тривиальных представлений (см. рисунки 1, 2, 4). Однако предварительные экспериментальные оценки показывают, что приемлемое выражение системности микросхем как технических элементов может быть достигнуто при воплощении трёх видов структур, составляющих в некоторой мере типаж элементов (см. рисунки 5А, 5Б, 5В) при обязательном наличии много- или маловходовых схем «И» (, ) и «ИЛИ» () (см. рисунки 5Г, 5Д, 5Е, 5Ж).
Для определенности можно называть любую реализацию типажа (рисунок 5А, 5Б, 5В) VIR-элементами или VIR-набором, а схемы условно именовать: (рисунок 5А), (рисунок 5Б), (рисунок 5В), считая при этом, что VVR -элемент - это всегда системная реализация конъюнкции (23) (см. рисунок 1), а EVR-элемент - системная реализация всей дизъюнктивной формы (22) (см. рисунок 2).
Реализация микросхем для VIR-элементов может быть аналогичной по входам/выходам микросхеме M1647 Super North Bridge (из набора микросхем системной логики ALiMagik 1 для AMD Athlon/Duron), выполненной в 528-контактном корпусе BGA. Такая 528-контактная, например, микросхема означает возможность реализации 132-х конъюнкций от 132-х логических переменных и сопутствующих им 132-х логических массивов переменных и 132-х логических массивов переменных , что обеспечивает возможности по организации переменной логической мощности с быстродействием «жесткой логики». При этом надо подчеркнуть, что «внутри» 528-контактной микросхемы (с конфигурацией «396 входов - 132 выхода») будет всего 132 схемы (по нашему мнению - около 1000 транзисторов), каждая из которых отрабатывает операцию , где - произвольные входные логические сигналы.
Для оценки возможности изготовления однокристальной и в качестве сравнения количества требуемых транзисторов в кристалле можно напомнить, что первая версия процессора Pentium 4 (изготовленного на 200-миллиметровой подложке, содержащей в себе ядро Willamette, созданное на основе 0,18-микронной технологии с алюминиевыми контактными соединениями, расположенными на кристалле площадью около 217 мм2) имела 42 млн. транзисторов, а 64-разрядный серверный процессор Itanium 2 - свыше 200 млн. транзисторов [7, С. 115,180]. Очевидность реализации VIR-элементов по «технологиям» изготовления ПЛМ и ПЛИС [8] можно отдельно даже не выделять.
Оперативное изменение структуры в процессе функционирования контроллера. Как отмечалось, традиционно наличие возможности изменения законов управления означает переменность структуры процесса управления. Для логических контроллеров (ПЛК) переменность структуры управления - это прежде всего возможность их перепрограммирования не в процессе проектирования системы, а непосредственно в процессе её функционирования в зависимости от состояния объекта управления, или состояния его локально-организованной среды, или прочих текущих или совокупных (интегральных) состояний, характерных всему тому, что может сопутствовать и существенно влиять на функционирование сложного объекта. Наиболее проблемный момент перепрограммирования ПЛК возникает тогда, когда заранее не известны совокупности логических функций, которые должны начать отрабатываться ПЛК в зависимости от предикатов состояний (объекта, среды, технических средств и пр.), то есть когда неизвестны либо предикаты, либо логические функции, либо и предикаты и логические функции, которые определяются не столько вопросами текущего управления, осуществляемого ПЛК, скажем, для конкретных контуров управления, сколько общими задачами контроля, учёта и планирования, решаемыми обычно в схемах управления (микроЭВМ координации) более высокого уровня иерархии.
Сама структура УЛФ (22):
предоставляет возможность по организации оперативного управления собой из схем управления более высокого уровня иерархии посредством «регулирования» (определения и подачи) потоков данных: вектора меняющихся значений логической функции, вектора существенности конъюнкций, массива инверсных показателей и массива несущественных переменных .
Однако существенно ограничивающим фактором является время переходных процессов: переход от предыдущих наборов и соответствующих к следующим управляющим наборам и соответствующим . Можно по-разному схемотехнически избавляться от подобных сложностей в конкретных ситуациях. Нам представляется важным наметить решение этого вопроса в системном плане, поскольку он касается и проблематики надежности функционирования приборов управления. Можно предложить следующие суждения. Одно из основных достоинств УЛФ в том, что она, несмотря на возможности оперативного перепрограммирования, реализует «жёсткую логику», обеспечивая тем самым программируемый контроллер максимальной производительностью (быстродействием формирования логических функций) в реальном времени процессов управления. Менять структуру управления действующего фрагмента (прибора, части, схемы) программируемого контроллера, оставаясь в рамках жесткой логики и не искажая (нарушая) текущие процессы формирования (отработки) логических функций, которые в нём протекают, принципиально невозможно. Для этого надо, по меньшей мере, разделить во времени или в пространстве фрагменты ПЛК, предназначенные для отработки и , разделив тем самым потоки и . В частности, при пространственном разделении имеем следующее: когда отрабатывается одним фрагментом ПЛК, формируется структура для посредством для другого идентичного фрагмента ПК; а когда отрабатывается , формируется структура и т.д. Такой «принцип двух плат» требует наличия «системных мультиплексоров», которые бы переключали входные логические сигналы (переменные ) с одной платы на другую в зависимости от готовности структуры логической схемы платы (реализующей УЛФ) для формирования очередных (новых) логических функций. Такое направление реализации локализует «проблему переходных процессов» в требованиях к параметрам соответствующих микросхем «системных мультиплексоров».
В целом, оценка потребностей в реализации различных функций «системного мультиплексора» приводит к естественному обобщению (и упрощению) - к потребности введения микроЭВМ в состав VIR-элементов для решения различных задач по обеспечению интерфейсных функций и режимов, например: 1) интерактивного режима ручного, но оперативного перепрограммирования; 2) для организации оперативного управления, в том числе и перепрограммирования, от верхних уровней иерархии; 3) по взаимодействию с различными частями ПЛК и внешней средой и т.п.
Исследование унифицированной логической формы управления (УЛФ) структурой логических функций позволяет сформулировать некоторые заключения практической направленности.
Во-первых, УЛФ не требует решения достаточно непростых вопросов минимизации логической формы при переходе к технической реализации. Это неозначает то, что проблема игнорируется. Это означает, что для такого представления проблема минимизации попросту не существенна (или не существует).
Во-вторых, переход от конкретной логической формы к процессу управления структурой этой формы расширяет представления о полезности локального управления формой с сохранением некоего логического ядра формируемых функций, например:
,
управление объект производственный
где: .
В-третьих, практическая реализация на дискретных ЭРЭ может оказаться не менее эффективной (гибкой и дешёвой), чем с использованием специальных однокристальных реализаций VIR-элементов. Это показывает, что совсем не обязательно стремиться к бульшему количеству переменных и управляющих массивов. 528-контактный корпус BGA демонстративно показателен, но, скорее всего, далеко не обязателен, хотя идея необходимости создания типажа корпусов элементов с расширяющимися возможностями остаётся актуальной. В этом плане реальнее начать с 64-контактной (двухрядной) микросхемы и такого же разъёма с ориентацией на 16 логических переменных («48 входов - 16 выходов») для .
Выводы
1 Предложенный формальный аппарат синтеза средств переменной логической мощности, обеспечивая возможности изменения структуры системы управления в процессе функционирования в зависимости от текущих потребностей формирования любого заранее заданного подмножества логических функций, арность которых не превышает количества логических входов системы, фактически реализует принцип реконфигурации структуры.
2 Переменная логическая структура и соответствующие возможности формирования произвольных функций достигаются не посредством уникальных схемотехнических решений для каждого конкретного случая, а на формальной основе представления унифицированной логической формы УЛФ (22).
3 Переменность логической структуры управления методически обуславливает максимальную производительность «жёсткой логики».
Литература
1. Раков, В.И. О некоторых принципах формирования структур интегрированных АСУ [Текст]/ В.И. Раков. - Промышленные АСУ и контроллеры, 2007. - № 5. - С. 34-38.
2. Программно-логические контроллеры и программно-технические комплексы отечественного и зарубежного производства. Приборы и средства автоматизации [Текст]: каталог / М.: Научтехлитиздат, 2006. - Т.8. - 260 с.
3. Раков, В.И. Об одном формальном аспекте проблемы обеспечения безопасности жизнедеятельности [Текст]/ В.И. Раков / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2004. - №4. - С. 16-20.
4. Раков, В.И. В вопросу об организации языковых структур управления [Текст] / В.И. Раков. / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2004. - №5. - С. 22-26.
5. Раков, В.И. О структуре устройств формирования логической мощности при распределенном управлении [Текст]/ В.И. Раков / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2004. - №8. - С. 21-28.
6. Френкс, Л. Теория сигналов.[Текст]/ Л. Френкс. - М.: Сов. радио, 1974. - 315 с.
7. Мюллер, С. Модернизация и ремонт ПК. [Текст]/ Мюллер, С. - М.-Спб. -Киев: Изд. Дом «Вильямс», 2005. - 15-е изд. - 1344 с.
8. Мальцев, П.П. ПЛИС - микросхемы будущего [Текст]/ П.П. Мальцев, Н.И. Гарбузов, А.П. Шарапов. - Информационные технологии, 1995. - Нулевой выпуск. - С. 30-34.