Design Models of Bit-Stream Online-Computers for Sensor Components

Abstract

EN: Context. Currently, distributed real-time control systems need the creation of devices that perform online computing operations close to the sensor. The proposed online-computers of elementary mathematical functions can be used as components for the functional conversion of signals in the form of pulse streams received from measuring sensors with frequency output. Objective. The objective of the study is the development of mathematical, architectural and automata models for the design of bit-stream online-computers of elementary mathematical functions in order to create a unified approach to their design, due to which the accuracy of calculating functions can be increased, functional capabilities expanded, hardware costs reduced, and design efficiency increased. Method. Mathematical models of devices were developed using the method of forming increments of ascending step functions based on inverse functions with minimization of calculation error. Automata models of online-computers based on Moore’s Finite State Machine have been developed, the graph diagrams of which made it possible to ensure the clarity of function implementation algorithms, to increase visibility and invariance of implementation in formal languages of programming and hardware description. Results. The paper presents the results of research, development and practical approbation of design models of bit-stream online-computers of power functions and root extraction function. A generalized architecture of an online-computer was proposed. Conclusions. The considered functional online-computers are effective from the point of view of calculation accuracy, simplicity of technical implementation, and universality of the architecture. UK: Актуальність. В даний час розподілені системи управління реального часу потребують створення пристроїв, які виконують онлайн-обчислювальні операції в оточенні датчика. Запропоновані online-обчислювачі елементарних математичних функцій можуть бути використані як компоненти для функціонального перетворення сигналів у вигляді імпульсних потоків, що надходять від вимірювальних датчиків з частотним виходом. Мета роботи. Розробка математичних, архітектурних та автоматних моделей проєктування біт-потокових онлайн- обчислювачів елементарних математичних функцій з метою створення єдиного підходу до їх проєктування, завдяки якому можливо підвищити точність обчислення функцій, розширити функціональні можливості, зменшити апаратупні витрати та підвищити ефективність проєктування. Метод. Розроблено математичні моделі пристроїв з використанням методу формування приростів ступінчастих функцій на основі обернених функцій з мінімізацією похибки обчислень. Розроблено автоматні моделі онлайн- обчислювачів на основі кінцевого автомата Мура, графові моделі яких дозволили забезпечити чіткість алгоритмів реалізації функцій, підвищити наочність та інваріантність реалізації на формальних мовах програмування та опису апаратури. Результати. У статті наведено результати дослідження, розробки та практичної апробації моделей проєктування біт-потокових онлайн- обчислювачів степеневої функції та функції вилучення кореня. Запропоновано узагальнену архітектуру онлайн- обчислювача. Висновки. Розглянуті функціональні онлайн- обчислювачі ефективні з точки зору точності обчислень, простоти технічної реалізації та універсальності архітектури.