Transport automation research Transport automation research Автоматика на транспорте 2412-9186 64983 10.20295/2412-9186-2023-9-02-205-221 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЕПРИГОДНЫЕ СИСТЕМЫ TECHNICAL DIAGNOSTICS AND CONTROLLABLE SYSTEMS ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЕПРИГОДНЫЕ СИСТЕМЫ Self-Dual Functional Gates for the Synthesis of Controllable Digital Systems Самодвойственные функциональные элементы для синтеза контролепригодных цифровых систем Ефанов Дмитрий Викторович Efanov Dmitriy Viktorovich TrES-4b@yandex.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Погодина Татьяна Сергеевна Pogodina Tat'yana Sergeevna pogodina-ts@mail.ru Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Россия Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University Russian Federation Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Санкт-Петербург Россия Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University Saint-Petersburg Russian Federation Российский университет транспорта (МИИТ) Москва Россия Russian University of Transport (MIIT) Moscow Russian Federation Ташкентский государственный транспортный университет Ташкент Узбекистан Tashkent State Transport University Tashkent Uzbekistan Институт проблем транспорта им. Н. С. Соломенко Российской Академии наук Россия Institute of Transport Problems named after N. S. Solomenko of the Russian Academy of Sciences Russian Federation Российский университет транспорта (МИИТ) Москва Россия Russian University of Transport (MIIT) Moscow Russian Federation 13 06 2023 13 06 2023 9 2 205 221 12 06 2023 https://atjournal.ru/en/nauka/article/64983/view

Рассмотрены все самодвойственные аналоги элементарных функциональных элементов, использование которых позволяет синтезировать самодвойственные схемные реализации произвольных булевых функций. При этом может быть применено два способа синтеза, каждый из которых основан на том свойстве, что любую булеву функцию можно преобразовать в самодвойственную с использованием одной дополнительной переменной. Первый состоит в замене в структуре устройства всех несамодвойственных функциональных элементов самодвойственными аналогами. Второй состоит в получении самодвойственной функции по исходной формуле. В работе проведено моделирование самодвойственных функциональных элементов в импульсном режиме работы. Показано, что все самодвойственные функциональные элементы, кроме элементов, реализующих функции равнозначности и неравнозначности (сложения по модулю два), являются полностью самопроверяемыми относительно одиночных константных неисправностей при контроле вычислений на основе принадлежности формируемых функций классу самодвойственных булевых функций. Элементы же, реализующие упомянутые функции, требуется дополнительно контролировать. Для них неисправности не тестируются, поскольку происходят при одновременном искажении сигналов на обеих комбинациях в паре. Эту особенность данных самодвойственных функциональных элементов следует учитывать при разработке контролепригодных самопроверяемых цифровых вычислительных устройств и систем. В статье приводится пример применения способов построения самодвойственных схемных реализаций. Полученные результаты могут быть использованы при синтезе контролепригодных самодвойственных вычислительных устройств и систем.

All self-dual analogs of elementary functional gates have been considered, the use of which allows for the synthesis of self-dual circuit implementations of arbitrary Boolean functions. In this case, two synthesis methods can be used, each one based on the property of any Boolean function to be transformed into a self-dual function using one additional variable. The first method involves replacing all non-self-dual functional gates in the device structure with self-dual analogs. The second one involves obtaining a self-dual function from the original formula. The study conducted modeling of self-dual functional gates in pulse mode of operation. It has been shown that all self-dual functional gates, except for those implementing equivalence and nonequivalence functions (modulo-2 addition), are fully self-checkable with respect to stuck-at faults when checking computations based on the belonging of the generated functions to the class of self-dual Boolean functions. However, the gates that implement the mentioned functions require additional monitoring. For them, error masking occurs due to the simultaneous distortion of signals on both combinations in a pair. This feature of these self-dual functional gates should be taken into account when developing controllable self-checking digital computing devices and systems. The article provides an example of using methods for constructing self-dual circuit implementations. The obtained results can be used in the synthesis of controllable self-dual computing devices and systems.

 самодвойственная булева функция контроль вычислений контролепригодное устройство контроль самодвойственности самопроверяемая схема self-dual Boolean function calculation checking controllable device selfduality testing self-checking circuit

Стемпковский А. Л. Методы проектирования помехозащищенных комбинационных КМОП-схем, обеспечивающие автоматическое исправление ошибок / А. Л. Стемпковский, С. В. Гаврилов, С. И. Гуров и др. // Информационные технологии. - 2017. - Т. 23. - № 10. - С. 728-735. Stempkovskiy A. L. Metody proektirovaniya pomehozaschischennyh kombinacionnyh KMOP-shem, obespechivayuschie avtomaticheskoe ispravlenie oshibok / A. L. Stempkovskiy, S. V. Gavrilov, S. I. Gurov i dr. // Informacionnye tehnologii. - 2017. - T. 23. - № 10. - S. 728-735. Бестемьянов П. Ф. Методы обеспечения безопасности аппаратных средств микропроцессорных систем управления движением поездов / П. Ф. Бестемьянов // Электротехника. - 2020. - № 9. - С. 2-8. Bestem'yanov P. F. Metody obespecheniya bezopasnosti apparatnyh sredstv mikroprocessornyh sistem upravleniya dvizheniem poezdov / P. F. Bestem'yanov // Elektrotehnika. - 2020. - № 9. - S. 2-8. Тельпухов Д. В. Алгоритм логического синтеза сбоеустойчивых схем в технологическом базисе / Д. В. Тельпухов, В. В. Надоленко // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). - 2021. - № 4. - С. 52-58. - DOI: 10.31114/2078-7707-2021-4-52-58. Tel'puhov D. V. Algoritm logicheskogo sinteza sboeustoychivyh shem v tehnologicheskom bazise / D. V. Tel'puhov, V. V. Nadolenko // Problemy razrabotki perspektivnyh mikro- i nanoelektronnyh sistem (MES). - 2021. - № 4. - S. 52-58. - DOI: 10.31114/2078-7707-2021-4-52-58. Lala P. K. An Introduction to Logic Circuit Testing / P. K. Lala. - Morgan & Claypool, Texas A&M University-Texarkana, 2009. - 99 p. - DOI: 10.2200/S00149ED1V01Y200808DCS017. Lala P. K. An Introduction to Logic Circuit Testing / P. K. Lala. - Morgan & Claypool, Texas A&M University-Texarkana, 2009. - 99 p. - DOI: 10.2200/S00149ED1V01Y200808DCS017. Дрозд А. В. Рабочее диагностирование безопасных информационно-управляющих систем / А. В. Дрозд, В. С. Харченко, С. Г. Антощук и др.; под ред. А. В. Дрозда и В. С. Харченко. - Харьков: Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «ХАИ», 2012. - 614 с. Drozd A. V. Rabochee diagnostirovanie bezopasnyh informacionno-upravlyayuschih sistem / A. V. Drozd, V. S. Harchenko, S. G. Antoschuk i dr.; pod red. A. V. Drozda i V. S. Harchenko. - Har'kov: Nacional'nyy aerokosmicheskiy universitet im. N. E. Zhukovskogo «HAI», 2012. - 614 s. Dubrova E. Fault-Tolerant Design / E. Dubrova. - Springer Science + Business Media New York 2013, 2013, XV + 185 p. - DOI: 10.1007/978-1-4614-2113-9. Dubrova E. Fault-Tolerant Design / E. Dubrova. - Springer Science + Business Media New York 2013, 2013, XV + 185 p. - DOI: 10.1007/978-1-4614-2113-9. Ярмолик В. Н. Контроль и диагностика вычислительных систем / В. Н. Ярмолик. - Минск: Бестпринт, 2019. - 387 с. Yarmolik V. N. Kontrol' i diagnostika vychislitel'nyh sistem / V. N. Yarmolik. - Minsk: Bestprint, 2019. - 387 s. Согомонян Е. С. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы / Е. С. Согомонян, Е. В. Слабаков. - М.: Радио и связь, 1989. - 208 с. Sogomonyan E. S. Samoproveryaemye ustroystva i otkazoustoychivye sistemy / E. S. Sogomonyan, E. V. Slabakov. - M.: Radio i svyaz', 1989. - 208 s. Сапожников В. В. Основы теории надежности и технической диагностики / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Ефанов. - СПб.: Лань, 2019. - 588 с. Sapozhnikov V. V. Osnovy teorii nadezhnosti i tehnicheskoy diagnostiki / V. V. Sapozhnikov, Vl. V. Sapozhnikov, D. V. Efanov. - SPb.: Lan', 2019. - 588 s. Lala P. K. Self-Checking and Fault-Tolerant Digital Design / P. K. Lala. - San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 2001. - 216 p. Lala P. K. Self-Checking and Fault-Tolerant Digital Design / P. K. Lala. - San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 2001. - 216 p. Göessel M. New Methods of Concurrent Checking: Edition 1 / M. Göessel, V. Ocheretny, E. Sogomonyan et al. - Dordrecht: Springer Science + Business Media B. V., 2008. - 184 p. Göessel M. New Methods of Concurrent Checking: Edition 1 / M. Göessel, V. Ocheretny, E. Sogomonyan et al. - Dordrecht: Springer Science + Business Media B. V., 2008. - 184 p. Reynolds D. Optimal NOR Networks for Self-Dual Functions of Four Variables / D. Reyn-olds, G. Metze. - Technical Report, Illinois University, Urbana-Champaign, Coordinated Science Lab., May 1976, 19 p. Reynolds D. Optimal NOR Networks for Self-Dual Functions of Four Variables / D. Reyn-olds, G. Metze. - Technical Report, Illinois University, Urbana-Champaign, Coordinated Science Lab., May 1976, 19 p. Reynolds D. A. The Design of Alternating Logic Systems with Fault Detection Capabilities / D. A. Reynolds. - M. S. Thesis Illinois University, Urbana-Champaign, Coordinated Sci-ence Lab., August 1976. Reynolds D. A. The Design of Alternating Logic Systems with Fault Detection Capabilities / D. A. Reynolds. - M. S. Thesis Illinois University, Urbana-Champaign, Coordinated Sci-ence Lab., August 1976. Reynolds D. A. Fault Detection Capabilities of Alternating Logic / D. A. Reynolds, G. Meize // IEEE Transactions on Computers. - 1978. - Vol. C-27. - Iss. 12. - Pp. 1093-1098. - DOI: 10.1109/TC.1978.1675011. Reynolds D. A. Fault Detection Capabilities of Alternating Logic / D. A. Reynolds, G. Meize // IEEE Transactions on Computers. - 1978. - Vol. C-27. - Iss. 12. - Pp. 1093-1098. - DOI: 10.1109/TC.1978.1675011. Biernat J. Self-Dual Modules in Design of Dependable Digital Devices / J. Biernat // Interna-tional Conference on Dependability of Computer Systems, 25-27 May 2006, Szklarska Poreba, Poland. - DOI: 10.1109/DEPCOS-RELCOMEX.2006.50. Biernat J. Self-Dual Modules in Design of Dependable Digital Devices / J. Biernat // Interna-tional Conference on Dependability of Computer Systems, 25-27 May 2006, Szklarska Poreba, Poland. - DOI: 10.1109/DEPCOS-RELCOMEX.2006.50. Rai S. DiSCERN: Distilling Standard-Cells for Emerging Reconfigurable Nanotechnologies / S. Rai, M. Raitza, S. S. Sahoo et al. // Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE), 09-13 March 2020, Grenoble, France. - DOI: 10.23919/DATE48585.2020.9116216. Rai S. DiSCERN: Distilling Standard-Cells for Emerging Reconfigurable Nanotechnologies / S. Rai, M. Raitza, S. S. Sahoo et al. // Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE), 09-13 March 2020, Grenoble, France. - DOI: 10.23919/DATE48585.2020.9116216. Аксенова Г. П. Восстановление в дублированных устройствах методом инвертирования данных / Г. П. Аксенова // Автоматика и телемеханика. - 1987. - № 10. - С. 144-153. Aksenova G. P. Vosstanovlenie v dublirovannyh ustroystvah metodom invertirovaniya dannyh / G. P. Aksenova // Avtomatika i telemehanika. - 1987. - № 10. - S. 144-153. Saposhnikov Vl. V. Self-Dual Parity Checking - a New Method for on Line Testing / Vl. V. Saposhnikov, A. Dmitriev, M. Goessel et al. // Proceedings of 14th IEEE VLSI Test Symposium, USA, Princeton, 1996. - Pp. 162-168. Saposhnikov Vl. V. Self-Dual Parity Checking - a New Method for on Line Testing / Vl. V. Saposhnikov, A. Dmitriev, M. Goessel et al. // Proceedings of 14th IEEE VLSI Test Symposium, USA, Princeton, 1996. - Pp. 162-168. Гессель М. Самотестируемая структура для функционального обнаружения отказов в комбинационных схемах / М. Гессель, А. В. Дмитриев, В. В. Сапожников и др. // Автоматика и телемеханика. - 1999. - № 11. - С. 162-174. Gessel' M. Samotestiruemaya struktura dlya funkcional'nogo obnaruzheniya otkazov v kombinacionnyh shemah / M. Gessel', A. V. Dmitriev, V. V. Sapozhnikov i dr. // Avtomatika i telemehanika. - 1999. - № 11. - S. 162-174. Saposhnikov Vl. V. Experimental Results for Self-Dual Multi-Output Combinational Circuits / Vl. V. Saposhnikov, V. Moshanin, V. V. Saposhnikov et al. // Journal of Electronic Testing: Theory and Applications. - 1999. - Vol. 14. - Iss. 3. - Pp. 295-300. - DOI: 10.1023/A:1008370405607. Saposhnikov Vl. V. Experimental Results for Self-Dual Multi-Output Combinational Circuits / Vl. V. Saposhnikov, V. Moshanin, V. V. Saposhnikov et al. // Journal of Electronic Testing: Theory and Applications. - 1999. - Vol. 14. - Iss. 3. - Pp. 295-300. - DOI: 10.1023/A:1008370405607. Гессель М. Обнаружение неисправностей в комбинационных схемах с помощью самодвойственного контроля / М. Гессель, А. В. Дмитриев, В. В. Сапожников и др. // Автоматика и телемеханика. - 2000. - № 7. - С. 140-149. Gessel' M. Obnaruzhenie neispravnostey v kombinacionnyh shemah s pomosch'yu samodvoystvennogo kontrolya / M. Gessel', A. V. Dmitriev, V. V. Sapozhnikov i dr. // Avtomatika i telemehanika. - 2000. - № 7. - S. 140-149. Сапожников В. В. О синтезе самодвойственных логических схем с памятью / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Р. Ш. Валиев // Электронное моделирование. - 2004. - Т. 26. - № 2. - С. 39-56. Sapozhnikov V. V. O sinteze samodvoystvennyh logicheskih shem s pamyat'yu / V. V. Sapozhnikov, Vl. V. Sapozhnikov, R. Sh. Valiev // Elektronnoe modelirovanie. - 2004. - T. 26. - № 2. - S. 39-56. Сапожников В. В. Самодвойственные дискретные устройства / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, М. Гессель. - СПб.: Энергоатомиздат (Санкт-Петербургское отделение), 2001. - 331 с. Sapozhnikov V. V. Samodvoystvennye diskretnye ustroystva / V. V. Sapozhnikov, Vl. V. Sapozhnikov, M. Gessel'. - SPb.: Energoatomizdat (Sankt-Peterburgskoe otdelenie), 2001. - 331 s. Сапожников В. В. Синтез самодвойственных дискретных систем / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Р. Ш. Валиев. - СПб.: Элмор, 2006. - 220 с. Sapozhnikov V. V. Sintez samodvoystvennyh diskretnyh sistem / V. V. Sapozhnikov, Vl. V. Sapozhnikov, R. Sh. Valiev. - SPb.: Elmor, 2006. - 220 s. Ефанов Д. В. Обнаружение неисправностей в комбинационных схемах на основе самодвойственного дополнения до равновесных кодов / Д. В. Ефанов, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников и др. // Труды Института системного программирования РАН. - 2019. - Т. 31. - № 1. - С. 115-132. - DOI: 10.15514/ISPRAS-2019-31(1)-8. Efanov D. V. Obnaruzhenie neispravnostey v kombinacionnyh shemah na osnove samodvoystvennogo dopolneniya do ravnovesnyh kodov / D. V. Efanov, V. V. Sapozhnikov, Vl. V. Sapozhnikov i dr. // Trudy Instituta sistemnogo programmirovaniya RAN. - 2019. - T. 31. - № 1. - S. 115-132. - DOI: 10.15514/ISPRAS-2019-31(1)-8. Efanov D. Self-Dual Complement Method up to Constant-Weight Codes for Arrangement of Combinational Logical Circuits Concurrent Error-Detection Systems / D. Efanov, V. Sapozhnikov, Vl. Sapozhnikov et al. // Proceedings of 17th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2019), Batumi, Georgia, September 13-16, 2019, pp. 136-143. - DOI: 10.1109/EWDTS.2019.8884398. Efanov D. Self-Dual Complement Method up to Constant-Weight Codes for Arrangement of Combinational Logical Circuits Concurrent Error-Detection Systems / D. Efanov, V. Sapozhnikov, Vl. Sapozhnikov et al. // Proceedings of 17th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2019), Batumi, Georgia, September 13-16, 2019, pp. 136-143. - DOI: 10.1109/EWDTS.2019.8884398. Ефанов Д. В. Самодвойственный контроль комбинационных схем с применением кодов Хэмминга / Д. В. Ефанов, Т. С. Погодина // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). - 2022. - № 3. - С. 113-122. - DOI: 10.31114/2078-7707-2022-3-113-122. Efanov D. V. Samodvoystvennyy kontrol' kombinacionnyh shem s primeneniem kodov Hemminga / D. V. Efanov, T. S. Pogodina // Problemy razrabotki perspektivnyh mikro- i nanoelektronnyh sistem (MES). - 2022. - № 3. - S. 113-122. - DOI: 10.31114/2078-7707-2022-3-113-122. Efanov D. V. Self-Dual Digital Devices with Calculations Testing by Modified Hamming Code / D. V. Efanov, T. S. Pogodina // IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 24-27 January 2023, St. Petersburg, Russia. - Pp. 72-77. Efanov D. V. Self-Dual Digital Devices with Calculations Testing by Modified Hamming Code / D. V. Efanov, T. S. Pogodina // IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 24-27 January 2023, St. Petersburg, Russia. - Pp. 72-77. Ефанов Д. В. Построение самопроверяемых цифровых устройств на основе модифицированных кодов Хэмминга с контролем самодвойственности вычисляемых функций / Д. В. Ефанов, Т. С. Погодина // Автоматика на транспорте. - 2023. - Т. 9. - № 1. - С. 99-123. - DOI: 10.20295/2412-9186-2023-9-01-99-123. Efanov D. V. Postroenie samoproveryaemyh cifrovyh ustroystv na osnove modificirovannyh kodov Hemminga s kontrolem samodvoystvennosti vychislyaemyh funkciy / D. V. Efanov, T. S. Pogodina // Avtomatika na transporte. - 2023. - T. 9. - № 1. - S. 99-123. - DOI: 10.20295/2412-9186-2023-9-01-99-123. Ефанов Д. В. Исследование свойств самодвойственных комбинационных устройств с контролем вычислений на основе кодов Хэмминга / Д. В. Ефанов, Т. С. Погодина // Информатика и автоматизация. - 2023. - Т. 22. - № 2. - C. 349-392. - DOI: 10.15622/ia.22.2.5. Efanov D. V. Issledovanie svoystv samodvoystvennyh kombinacionnyh ustroystv s kontrolem vychisleniy na osnove kodov Hemminga / D. V. Efanov, T. S. Pogodina // Informatika i avtomatizaciya. - 2023. - T. 22. - № 2. - C. 349-392. - DOI: 10.15622/ia.22.2.5. Chen Y. The Circuit Design of Voltage-controlled Color Changing Lamp Based on Multisim / Y. Chen, M. Zhang, J. Hao // 2020 IEEE International Conference on Power, Intelligent Computing and Systems (ICPICS), 28-30 July 2020, Shenyang, China. - DOI: 10.1109/ICPICS50287.2020.9202148. Chen Y. The Circuit Design of Voltage-controlled Color Changing Lamp Based on Multisim / Y. Chen, M. Zhang, J. Hao // 2020 IEEE International Conference on Power, Intelligent Computing and Systems (ICPICS), 28-30 July 2020, Shenyang, China. - DOI: 10.1109/ICPICS50287.2020.9202148. Пархоменко П. П. Основы технической диагностики (оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства) / П. П. Пархоменко, Е. С. Согомонян. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 320 с. Parhomenko P. P. Osnovy tehnicheskoy diagnostiki (optimizaciya algoritmov diagnostirovaniya, apparaturnye sredstva) / P. P. Parhomenko, E. S. Sogomonyan. - M.: Energoatomizdat, 1981. - 320 s. Микони С. В. Общие диагностические базы знаний вычислительных систем / С. В. Микони. - СПб.: Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации, 1992. - 234 с. Mikoni S. V. Obschie diagnosticheskie bazy znaniy vychislitel'nyh sistem / S. V. Mikoni. - SPb.: Sankt-Peterburgskiy institut informatiki i avtomatizacii, 1992. - 234 s.