Modeling of systems and processes Modeling of systems and processes Моделирование систем и процессов 2219-0767 49702 10.12737/2219-0767-2022-15-1-115-124 Физико-математические науки Физико-математические науки Overview of logical bases and microcircuits in the construction of a combination device taking into account reliability Обзор логических базисов и микросхем при построении комбинационного устройства с учётом надёжности Макаренко Филипп Владимирович Makarenko F. V. Ягодкин Александр Сергеевич Yagodkin A. Sergeevich Зольников Константин Владимирович Zolnikov Konstantin Vladimirovich Денисова Ольга Андреевна Denisova Ol'ga Andreevna Полуэктов Александр Владимирович Poluektov Aleksandr Vladimirovich Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова Россия Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov Russian Federation 08 04 2022 08 04 2022 15 1 115 124 15 01 2022 01 03 2022 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/49702/view

РАССМОТРЕНЫ ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ЗАКОНЫ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ, ВКЛЮЧАЯ ПРАВИЛА, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ЭЛЕМЕНТАМ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ И НЕРАВНОЗНАЧНОСТИ. ПРЕДСТАВЛЕНЫ ЛОГИЧЕСКИЕ ВЕНТИЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ НА ПРАКТИКЕ. РЕАЛИЗОВАН ВЕСЬ НАБОР СТАНДАРТНЫХ СХЕМ, В ЧАСТНОСТИ, ЛОБОВОЙ ВАРИАНТ, МИНИМИЗИРОВАННЫЙ, В БАЗИСЕ «ИЛИ–НЕ», В БАЗИСЕ «И–НЕ» НА ОСНОВЕ ИСХОДНОЙ ЛОГИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТИ: ¬(¬(A¬B) × ¬(¬CD) + ¬(¬AB) × ¬(C¬D)) + ¬(¬(AB) × ¬(CD) + ¬(¬A¬B) × ¬(¬C¬D)) . СПРОЕКТИРОВАНО КОМБИНАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ МИКРОСХЕМ К176ЛЕ5. ОТМЕЧЕНО, ЧТО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПОСТАВЛЕННОЙ ФУНКЦИИ ТРЕБУЕТСЯ МИНИМУМ 3 МИКРОСХЕМЫ В БАЗИСЕ ПИРСА, ЧТО НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ОПТИМАЛЬНЫМ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ И МАССОГАБАРИТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ. ОСУЩЕСТВЛЁН ПЕРЕХОД ИЗ МИНИМИЗИРОВАННОГО ВАРИАНТА В БАЗИС «НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ» + «КОНЪЮНКЦИЯ», А ТАКЖЕ, БАЗИС «ЭКВИВАЛЕНЦИЯ» + «ФУНКЦИЯ ПИРСА». ПРЕДСТАВЛЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ ПОИСКА СУЩЕСТВУЮЩИХ МИКРОСХЕМ, РЕАЛИЗУЮЩИХ ФУНКЦИИ «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», «И», «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ–НЕ» И «ИЛИ-НЕ». НАЙДЕНО 4 ГРУППЫ МИКРОСХЕМ, ТАКИХ КАК: МИКРОСХЕМЫ НА БАЗЕ ЛОГИКИ С ЭМИТТЕРНОЙ СВЯЗЬЮ (ECL), НА БАЗЕ ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ (TTL), НА БАЗЕ СЕРИИ КМОП-МИКРОСХЕМ: С НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ 5-15 В, А ТАКЖЕ, С НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ 3-5 В. ПРЕДСТАВЛЕНЫ СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ОПИСАНИЯ КАЖДОЙ ИЗ МИКРОСХЕМ MC10H1XX (СЕРИЯ 1 ГРУППЫ); К155XX, XX74XX (СЕРИИ 2 ГРУППЫ); К561XX, СD40XXXX (СЕРИИ 3 ГРУППЫ); SN74LVCXXX (СЕРИЯ 4 ГРУППЫ). ПРЕДСТАВЛЕНЫ ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ДАННЫХ ГРУПП МИКРОСХЕМ В ОБОИХ БАЗИСАХ. ПРОИЗВЕДЕН СТОИМОСТНОЙ АНАЛИЗ ПРИМЕНЁННЫХ МИКРОСХЕМ. ПРЕДСТАВЛЕН ПОДСЧЁТ КОНЕЧНОЙ СТОИМОСТИ ИЗДЕЛИЙ. СДЕЛАН ВЫВОД О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТОЙ ИЛИ ИНОЙ ГРУППЫ МИКРОСХЕМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПОСТАВЛЕННЫХ НАЧАЛЬНЫХ ТРЕБОВАНИЙ.

The fundamental laws of the positive algebra of logic are considered, including the rules relating to the elements of equivalence and non-equivalence. Logic gates used in practice are presented. The whole set of standard schemes is implemented, in particular, the frontal version, minimized, in the "OR–NOT" basis, in the "AND–NOT" basis based on the initial logical dependence: ¬(¬(A¬B) × ¬(¬CD) + ¬(¬AB) × ¬(C¬D)) + ¬(¬(AB) × ¬(CD) + ¬(¬A¬B) × ¬(¬C¬D)) . A combination device based on K176LE5 chips has been designed. It is noted that the implementation of this function requires at least 3 chips in the Pier basis, which is not optimal in terms of reliability and weight and size indicators. The transition from the minimized variant to the basis of "Non-Equivalence" + "Conjunction", as well as the basis of "Equivalence" + "Pierce function" is carried out. The results of the search for existing chips that implement the functions "Exclusive OR", "AND", "Exclusive OR–NOT" and "OR-NOT" are presented. 4 groups of chips were found, such as: chips based on logic with emitter coupling (ECL), based on transistor-transistor logic (TTL), based on a series of CMOS chips: with a supply voltage of 5-15 V, and also with a supply voltage of 3-5 V. The corresponding descriptions of each of the MC10H1xx chips (group 1 series); K155xx, xx74xx (group 2 series); K561xx, CD40xxxx (group 3 series); SN74LVCxxx (group 4 series) are presented. Implementation options for these groups of chips in both bases are presented. The cost analysis of the applied microcircuits is made. The calculation of the final cost of products is presented. The conclusion is made about the expediency of using one or another group of microcircuits, depending on the initial requirements set.

 Комбинационное устройство Эквиваленция Неравнозначность MC10H1xx К155xx xx74xx К561xx СD40xxxx SN74LVCxxx Combination device Equivalence Exclusive-or MC10H1xx K155xx xx74xx K561xx CD40xxxx SN74LVCxxx

Преснухин, Л.Н. Расчет элементов цифровых устройств / Л.Н. Преснухин, Н.В. Воробьев, А.А. Шишкевич. - М. : Высшая школа, 1991. - 526 с. Presnuhin, L.N. Raschet elementov cifrovyh ustroystv / L.N. Presnuhin, N.V. Vorob'ev, A.A. Shishkevich. - M. : Vysshaya shkola, 1991. - 526 s. Соломатин, Н.М. Логические элементы ЭВМ / Н.М. Соломатин. - М. : Высшая школа, 1990. - 160 с. Solomatin, N.M. Logicheskie elementy EVM / N.M. Solomatin. - M. : Vysshaya shkola, 1990. - 160 s. Методы контроля надежности при разработке микросхем / К.В. Зольников, С.А. Евдокимова, Т.В. Скворцова, А.Е. Гриднев // Моделирование систем и процессов. - 2020. - Т. 13, № 1. - С. 39-45. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-1-39-45. Metody kontrolya nadezhnosti pri razrabotke mikroshem / K.V. Zol'nikov, S.A. Evdokimova, T.V. Skvorcova, A.E. Gridnev // Modelirovanie sistem i processov. - 2020. - T. 13, № 1. - S. 39-45. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-1-39-45. Reconfigurable Boolean logic in memristive crossbar: the principle and implementation / S.Y. Hu, Y. Li, L. Cheng [et al.] // IEEE Electron Device Letters. - 2018. - № 12. - Pp. 1-1. - DOI: 10.1109/LED.2018.2886364 Reconfigurable Boolean logic in memristive crossbar: the principle and implementation / S.Y. Hu, Y. Li, L. Cheng [et al.] // IEEE Electron Device Letters. - 2018. - № 12. - Pp. 1-1. - DOI: 10.1109/LED.2018.2886364 Boolean and sequential logic in a one-memristor-one-resistor (1M1R) structure for in-memory computing / Y. Zhou, Y. Li, N. Duan // Advanced Electronic Materials. - 2018. - Vol. 4. - DOI: 10.1002/aelm.201800229. Boolean and sequential logic in a one-memristor-one-resistor (1M1R) structure for in-memory computing / Y. Zhou, Y. Li, N. Duan // Advanced Electronic Materials. - 2018. - Vol. 4. - DOI: 10.1002/aelm.201800229. Efficient implementation of boolean and full-adder functions with 1T1R RRAMs for beyond von neumann in-memory computing / Z.-R. Wang, Y. Li, Y.-T. Su [et al.] // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2018. - PP. 1-8. - DOI: 10.1109/TED.2018.2866048. Efficient implementation of boolean and full-adder functions with 1T1R RRAMs for beyond von neumann in-memory computing / Z.-R. Wang, Y. Li, Y.-T. Su [et al.] // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2018. - PP. 1-8. - DOI: 10.1109/TED.2018.2866048. Easily cascaded memristor-CMOS hybrid circuit for high-efficiency boolean logic implementation / Z. Dong, D. Qi, Y. He [et al.] // International Journal of Bifurcation and Chaos. - 2018. - Vol. 28. - P. 1850149. - DOI: 10.1142/S0218127418501493. Easily cascaded memristor-CMOS hybrid circuit for high-efficiency boolean logic implementation / Z. Dong, D. Qi, Y. He [et al.] // International Journal of Bifurcation and Chaos. - 2018. - Vol. 28. - P. 1850149. - DOI: 10.1142/S0218127418501493. Змеев, А.А. Оценки взаимосвязи между значимостью команд для реализации НСД к гипервизору через виртуальную машину на основе методов нечеткой логики / А.А. Змеев // Моделирование систем и процессов. - 2020. - Т. 13, № 2. - С. 33-39. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-2-33-39. Zmeev, A.A. Ocenki vzaimosvyazi mezhdu znachimost'yu komand dlya realizacii NSD k gipervizoru cherez virtual'nuyu mashinu na osnove metodov nechetkoy logiki / A.A. Zmeev // Modelirovanie sistem i processov. - 2020. - T. 13, № 2. - S. 33-39. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-2-33-39. Юрьев Н.Ю. Анализ эксперимента по созданию токопроводящих дорожек печатных плат / Н.Ю. Юрьев, В.В. Лавлинский, Н.С. Бокарева // Моделирование систем и процессов. - 2020. - Т. 13, № 2. - С. 77-84. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-2-77-84. Yur'ev N.Yu. Analiz eksperimenta po sozdaniyu tokoprovodyaschih dorozhek pechatnyh plat / N.Yu. Yur'ev, V.V. Lavlinskiy, N.S. Bokareva // Modelirovanie sistem i processov. - 2020. - T. 13, № 2. - S. 77-84. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-2-77-84. Carlet, C. Boolean functions for cryptography and error correcting codes / C. Carlet // Boolean models and methods in mathematics, computer science and engineering. - 2010. - Vol. 2. - 257 p. Carlet, C. Boolean functions for cryptography and error correcting codes / C. Carlet // Boolean models and methods in mathematics, computer science and engineering. - 2010. - Vol. 2. - 257 p. Carlet, C. A larger class of cryptographic Boolean functions via a study of the Maiorana-McFarland construction / C. Carlet // Annual International Cryptology Conference. - 2002. - 549 p. Carlet, C. A larger class of cryptographic Boolean functions via a study of the Maiorana-McFarland construction / C. Carlet // Annual International Cryptology Conference. - 2002. - 549 p. Особенности проектирования базовых элементов микросхем космического назначения / В.К. Зольников, Т.В. Скворцова, И.И. Струков [и др.] // Моделирование систем и процессов. - 2020. - Т. 13, № 3. - С. 66-70. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-3-66-70. Osobennosti proektirovaniya bazovyh elementov mikroshem kosmicheskogo naznacheniya / V.K. Zol'nikov, T.V. Skvorcova, I.I. Strukov [i dr.] // Modelirovanie sistem i processov. - 2020. - T. 13, № 3. - S. 66-70. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-3-66-70. Зольников В.К. Моделирование работоспособности микросхем на различных иерархических уровнях описания в САПР / В.К. Зольников, А.Л. Савченко, А.Ю. Кулай // Моделирование систем и процессов. - 2019. - Т. 12, № 1. - С. 30-39. - DOI: 10.12737/article_5d639c80dafac1.08243981. Zol'nikov V.K. Modelirovanie rabotosposobnosti mikroshem na razlichnyh ierarhicheskih urovnyah opisaniya v SAPR / V.K. Zol'nikov, A.L. Savchenko, A.Yu. Kulay // Modelirovanie sistem i processov. - 2019. - T. 12, № 1. - S. 30-39. - DOI: 10.12737/article_5d639c80dafac1.08243981. Cryptographic Boolean functions: one output, many design criteria / S. Picek, D. Jakobovic, J.F. Miller [et al.] // Applied Soft Computing. - 2016. - Vol. 40. - P. 635. - DOI: 10.1016/j.asoc.2015.10.066. Cryptographic Boolean functions: one output, many design criteria / S. Picek, D. Jakobovic, J.F. Miller [et al.] // Applied Soft Computing. - 2016. - Vol. 40. - P. 635. - DOI: 10.1016/j.asoc.2015.10.066. Анализ качества проектирования блоков ОЗУ в составе микропроцессорных систем с обеспечением минимальной сбоеустойчивости / В.К. Зольников, Ю.А. Чевычелов, В.В. Лавлинский [и др.] // Моделирование систем и процессов. - 2019. - Т. 12, № 4. - С. 47-55. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-3-66-70. Analiz kachestva proektirovaniya blokov OZU v sostave mikroprocessornyh sistem s obespecheniem minimal'noy sboeustoychivosti / V.K. Zol'nikov, Yu.A. Chevychelov, V.V. Lavlinskiy [i dr.] // Modelirovanie sistem i processov. - 2019. - T. 12, № 4. - S. 47-55. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-3-66-70. Гречаный С.В. Методы обеспечения стойкости к ТЗЧ для управляющей логики и статической памяти микропроцессора при проектировании / С.В. Гречаный, К.А. Чубур // Моделирование систем и процессов. - 2019. - Т. 12, № 4. - С. 17-24. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-12-4-17-24. Grechanyy S.V. Metody obespecheniya stoykosti k TZCh dlya upravlyayuschey logiki i staticheskoy pamyati mikroprocessora pri proektirovanii / S.V. Grechanyy, K.A. Chubur // Modelirovanie sistem i processov. - 2019. - T. 12, № 4. - S. 17-24. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-12-4-17-24. Построение интеллектуальных систем управления информационными процессами в условиях неопределенности / Ю.Ю. Громов, В.Е. Дидрих, И.В. Дидрих, А.Ю. Гречушкина // Моделирование систем и процессов. - 2018. - Т. 11, № 1. - С. 10-14. - DOI: 10.12737/article_5b574c7c299958.66418026. Postroenie intellektual'nyh sistem upravleniya informacionnymi processami v usloviyah neopredelennosti / Yu.Yu. Gromov, V.E. Didrih, I.V. Didrih, A.Yu. Grechushkina // Modelirovanie sistem i processov. - 2018. - T. 11, № 1. - S. 10-14. - DOI: 10.12737/article_5b574c7c299958.66418026. Анализ проектирования блоков RISC-процессора с учетом сбоеустойчивости / В.К. Зольников, А.С. Ягодкин, В.И. Анциферова [и др.] // Моделирование систем и процессов. - 2019. - Т. 12, № 4. - С. 56-65. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-12-4-56-65. Analiz proektirovaniya blokov RISC-processora s uchetom sboeustoychivosti / V.K. Zol'nikov, A.S. Yagodkin, V.I. Anciferova [i dr.] // Modelirovanie sistem i processov. - 2019. - T. 12, № 4. - S. 56-65. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-12-4-56-65. Zhang, W.G. Improving the lower bound on the maximum nonlinearity of 1-resilient Boolean functions and designing functions satisfying all cryptographic criteria / W.G. Zhang, P. Enes // Information Sciences. - 2017. - Vol. 376. - C. 21. - DOI: 10.1016/j.ins.2016.10.001. Zhang, W.G. Improving the lower bound on the maximum nonlinearity of 1-resilient Boolean functions and designing functions satisfying all cryptographic criteria / W.G. Zhang, P. Enes // Information Sciences. - 2017. - Vol. 376. - C. 21. - DOI: 10.1016/j.ins.2016.10.001. Создание базиса для микросхем сбора и обработки данных / В.А. Скляр, А.В. Ачкасов, К.В. Зольников [и др.] // Моделирование систем и процессов. - 2018. - Т. 11, № 2. - С. 66-71. - DOI: 10.12737/article_5b57795062f199.54387613. Sozdanie bazisa dlya mikroshem sbora i obrabotki dannyh / V.A. Sklyar, A.V. Achkasov, K.V. Zol'nikov [i dr.] // Modelirovanie sistem i processov. - 2018. - T. 11, № 2. - S. 66-71. - DOI: 10.12737/article_5b57795062f199.54387613. Создание схемотехнического и конструктивно-технологического базиса микросхем специального назначения / В.К. Зольников, В.П. Крюков, А.Ю. Кулай [и др.] // Моделирование систем и процессов. - 2017. - Т. 10, № 1. - С. 27-29. - DOI: 10.12737/article_5926f7b182b2f7.65479593. Sozdanie shemotehnicheskogo i konstruktivno-tehnologicheskogo bazisa mikroshem special'nogo naznacheniya / V.K. Zol'nikov, V.P. Kryukov, A.Yu. Kulay [i dr.] // Modelirovanie sistem i processov. - 2017. - T. 10, № 1. - S. 27-29. - DOI: 10.12737/article_5926f7b182b2f7.65479593. Tang, D. Highly nonlinear Boolean functions with optimal algebraic immunity and good behavior against fast algebraic attacks / D. Tang, C. Carlet, X.H. Tang // IEEE Transactions on Information Theory. - 2013. - Vol. 59. - Pp. 653-664. - DOI: 10.1109/TIT.2012.2217476. Tang, D. Highly nonlinear Boolean functions with optimal algebraic immunity and good behavior against fast algebraic attacks / D. Tang, C. Carlet, X.H. Tang // IEEE Transactions on Information Theory. - 2013. - Vol. 59. - Pp. 653-664. - DOI: 10.1109/TIT.2012.2217476. Схемотехнический базис и проверка микросхем на работоспособность / В.К. Зольников, С.А. Евдокимова, А.В. Фомичев [и др.] // Моделирование систем и процессов. - 2018. - Т. 11, № 4. - С. 25-30. - DOI: 10.12737/article_5c79642c158bc0.44957273. Shemotehnicheskiy bazis i proverka mikroshem na rabotosposobnost' / V.K. Zol'nikov, S.A. Evdokimova, A.V. Fomichev [i dr.] // Modelirovanie sistem i processov. - 2018. - T. 11, № 4. - S. 25-30. - DOI: 10.12737/article_5c79642c158bc0.44957273. Условия эксплуатации нового поколения микросхем специального назначения / В.К. Зольников, В.П. Крюков, А.Ю. Кулай [и др.] // Моделирование систем и процессов. - 2017. - Т. 10, № 1. - С. 23-26. - DOI: 10.12737/article_5926f7b17e1be3.07188434. Usloviya ekspluatacii novogo pokoleniya mikroshem special'nogo naznacheniya / V.K. Zol'nikov, V.P. Kryukov, A.Yu. Kulay [i dr.] // Modelirovanie sistem i processov. - 2017. - T. 10, № 1. - S. 23-26. - DOI: 10.12737/article_5926f7b17e1be3.07188434. Шагурин, И.И. Транзисторно-транзисторные логические схемы / И.И. Шагурин. - М.: 1974. - 158 с. Shagurin, I.I. Tranzistorno-tranzistornye logicheskie shemy / I.I. Shagurin. - M.: 1974. - 158 s. Юдина, Н.Ю. Анализ факторов, оказывающих влияние на надежность структурных элементов сложных вычислительных систем / Н.Ю. Юдина, А.Н. Ковалев // Моделирование систем и процессов. - 2017. - Т. 10, № 3. - С. 86-93. - DOI: 10.12737/article_5a2928416cdb36.94937249. Yudina, N.Yu. Analiz faktorov, okazyvayuschih vliyanie na nadezhnost' strukturnyh elementov slozhnyh vychislitel'nyh sistem / N.Yu. Yudina, A.N. Kovalev // Modelirovanie sistem i processov. - 2017. - T. 10, № 3. - S. 86-93. - DOI: 10.12737/article_5a2928416cdb36.94937249. Проектирование интерфейсов сбоеустойчивых микросхем / В.К. Зольников, Н.В. Мозговой, С.В. Гречаный [и др.] // Моделирование систем и процессов. - 2020. - Т. 13, № 1. - С. 17-24. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-1-17-24. Proektirovanie interfeysov sboeustoychivyh mikroshem / V.K. Zol'nikov, N.V. Mozgovoy, S.V. Grechanyy [i dr.] // Modelirovanie sistem i processov. - 2020. - T. 13, № 1. - S. 17-24. - DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-1-17-24.