ПРИМЕНЕНИЕ КОДА ХЭММИНГА В ЗАДАЧЕ ПОВЫШЕНИЯ СБОЕУСТОЙЧИВОСТИ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ
Аннотация
В настоящее время при проектировании интегральных схем разработчикам прихо-
дится учитывать очень большое количество разнородных факторов, которые связаны с
обеспечением необходимых характеристик быстродействия, занимаемой площади, энерго-
эффективности, выходом годных, удобством последующего тестирования, требованиями
к универсальности, автономности, и так далее. Одним из основных факторов является
надежность функционирования при последующей эксплуатации. Этот критерий выходит
на первый план для устройств ответственного применения, а также для устройств, ра-
ботающих при воздействии дестабилизирующих факторов. Для обеспечения повышенной
надежности используют различные методы и подходы на разных уровнях абстракции.
Часть из них могут быть применены на этапе проектирования. Одним из основных мето-
дов для повышения надежности интегральных схем на этапе проектирования – это ис-
пользование богатого инструментария из теории помехоустойчивого кодирования. Тра-
диционная область применения помехоустойчивых кодов – это контроль целостности
хранимой и передаваемой информации. Комбинационные схемы, напротив, изменяют
информацию и не имеют в своём составе запоминающих элементов. Комбинационные
схемы на вентильном уровне реализуют таблицы перекодировок, которые каждому
входному воздействию однозначно ставят в соответствие некоторое выходное знач е-
ние. Тем не менее, применение помехоустойчивых кодов для построения сбоеустойчивых
комбинационных схем оказывается весьма эффективным. Для этого требуется введение
в состав схемы дополнительных комбинационных блоков, которые обеспечивают код и-
рование, декодирование, контроль, а в некоторых случаях и исправление возникающих в
схеме ошибок. В статье исследуется эффективность применения кодов Хэмминга для
задачи построения сбоеустойчивых комбинационных схем. В работе были рассмотрены
две основные модификации кодов Хэмминга для реализации сбоеустойчивых комбинацион-
ных схем. Разработаны средства для автоматизированного синтеза схем функционально-
го контроля на основе данных кодов. Исследована структурная избыточность, а также
надежностные характеристики получаемых схем. Проведено сравнение с традиционными
методами кратного резервирования. Выведены оценочные функции для избыточности и
вероятности пропуска ошибки.
Литература
[Formalization of the task of debugging digital systems projects], Informatsionnye tekhnologii
[Information Technologies], 2014, No. 9, pp. 3-10.
2. Ivannikov A.D., Stempkovskiy A.L. Matematicheskaya model' otladki proektov slozhnykh
tsifrovykh skhem i mikrosistem na osnove predstavleniya poslednikh v vide semeystva
statsionarnykh dinamicheskikh sistem [Mathematical model of debugging projects of complex
digital circuits and microsystems based on the representation of the latter in the form of a family
of stationary dynamic systems], Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i
nanoelektronnykh sistem (MES) [Problems of development of promising micro- and
nanoelectronic systems (MES)], 2014, No. 2, pp. 123-128.
3. Gavrilov S.V., Telpukhov D.V. Automated Evolutionary Design of Fault-Tolerant Logic Circuits,
Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem (MES) [Problems
of development of promising micro- and nanoelectronic systems (MES)], 2019, No. 1, pp. 2-6.
4. Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V., Efanov D.V. Sintez samoproveryaemykh skhem
vstroennogo kontrolya na osnove logicheskogo dopolneniya do ravnovesnogo koda "2 iz 5“
[Synthesis of self-testable integrated control schemes based on the logical complement to the
equilibrium code "2 out of 5“], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroenie
[News of higher educational institutions. Instrumentation], 2021, Vol. 64, No. 3, pp. 163-175.
5. Mitra S., McCluskey E.J. Which Concurrent Error Detection Scheme to Choose?, Proc. International
Test Conference, 2000, pp. 985-994.
6. Gessel' M., Morozov A.V., Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov V.V. Logicheskoe dopolnenie -
novyy metod kontrolya kombinatsionnykh skhem [Logical addition - a new method of control
of combinational circuits], Avtomatika i telemekhanika [Automation and telemechanics], 2003,
No. 1, pp. 167-176.
7. Pivovarov D.V. Postroenie sistem funktsional'nogo kontrolya mnogovykhodnykh
kombinatsionnykh skhem metodom logicheskogo dopolneniya po ravnovesnym kodam [Construction
of systems of functional control of multi-output combinational circuits by the method
of logical addition according to equilibrium codes], Avtomatika na transporte [Automation in
transport], 2018, Vol. 4, No. 1, pp. 131-149.
8. Khetagurov Ya.A., Rudnev Yu.P. Povyshenie nadezhnosti tsifrovykh ustroystv metodami
izbytochnogo kodirovaniya [Improving the reliability of digital devices by redundant coding
methods]. Moscow: Energiya, 1974, 270 p.
9. Touba N.A., McCluskey E.J. Logic Synthesis of Multilevel Circuits with Concurrent Error
Detection, IEEE Trans. CAD, July 1997, Vol. 16, pp. 783-789. DOI: 10.1109/43.644041.
10. Jha N.K., Wang S.J. Design and Synthesis of Self-Checking VLSI circuits, IEEE Transactions
on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, July 1993, Vol. 12, No. 6,
pp. 878-887. DOI: 10.1109/43.229762.
11. Fujiwara E. Code Design for Dependable Systems: Theory and Practical Applications. John
Wiley & Sons, 2006, 720 p.
12. Sogomonyan E.S., Slabakov E.V. Samoproveryaemye ustroystva i otkazoustoychivye sistemy
[Self-testing devices and fault-tolerant systems]. Moscow: Radio i svyaz', 1989, 208 p.
13. Efanov D., Sapozhnikov V., Blyudov A., Sapozhnikov Vl. On the Problem of Selection of Code
with Summation for Combinational Circuit Test Organization, Proceedings of IEEE East-West
Design and Test Symposium, EWDTS 2013, 2013, pp. 6673133.
14. Stempkovskiy A.L., Tel'pukhov D.V., Demeneva A.I., Zhukova T.D. Marshrut proektirovaniya
skhem funktsional'nogo kontrolya kombinatsionnykh ustroystv [The route of designing
schemes of functional control of combinational devices], Vestnik Ryazanskogo
gosudarstvennogo radiotekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Ryazan State Radio Engineering
University], 2018, pp. 92-98.
15. Zhukova T.D. Razrabotka sistemy avtomatizirovannogo proektirovaniya SFK na osnove
metodov izbytochnogo kodirovaniya [Development of a computer-aided design system based
on redundant coding methods], Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- nanoelektronnykh
sistem (MES) [Problems of development of promising micro-nanoelectronic systems (MES)],
2020, pp. 51-57. DOI: 10.31114/2078-7707-2020-4-51-57.
16. Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V., Efanov D.V. Kody Khemminga v sistemakh
funktsional'nogo kontrolya logicheskikh ustroystv [Hamming codes in systems of functional
control of logical devices]. St. Petersburg.: Nauka, 2018, 151 p.
17. Tel'pukhov D.V., Demeneva A.I., Zhukova T.D., Khrushchev N.S. Issledovanie i razrabotka
sistem avtomatizirovannogo proektirovaniya skhem funktsional'nogo kontrolya
kombinatsionnykh logicheskikh ustroystv [Research and development of computer-aided design
systems for functional control circuits of combinational logic devices], Elektronnaya
tekhnika. Seriya 3: Mikroelektronika [Electronic engineering. Series 3: Microelectronics],
2018, No. 1 (169), pp. 15-22.
18. Stempkovsky A.L., Zhukova T.D., Telpukhov D.V. and Gurov S.I. CICADA: A New Tool to Design
Circuits with Correction and Detection Abilities, 2021 International Siberian Conference on Control
and Communications (SIBCON), 2021, pp. 1-5. DOI: 10.1109/SIBCON50419.2021.9438900.
19. Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V., Efanov D.V. Vzveshennyy kod s summirovaniem bez
operatsiy perenosa dlya resheniya zadach tekhnicheskoy diagnostiki diskretnykh sistem
[Weighted code with summation without transfer operations for solving problems of technical
diagnostics of discrete systems], Priborostroenie [Instrumentation], 2018, No. 4.
20. Available at: https://ddd.fit.cvut.cz/www/prj/Benchmarks/ (accessed 16 August 2021).
21. Clifford Wolf, «Yosys Open SYnthesis Suite». Available: http://www.clifford.at/
yosys/about.html.
