 |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
Информационные основы контроля работы цифровых автоматов
|
|
Алгоритмы выполнения арифметических операций обеспечат правильный результат только в случае, если машина работает без нарушений. При возникновении какого-либо нарушения нормального функционирования результат будет неверным, однако пользователь об этом не узнает, если не будут предусмотрены меры для создания системы обнаружения возможной ошибки. Следовательно, с одной стороны, разработчиками машины должны быть предусмотрены меры для создания системы обнаружения возможной ошибки, а с другой стороны, должны быть проработаны меры, позволяющие исправить ошибки. Эти функции следует возложить на систему контроля работы цифрового автомата.
Система контроля- совокупность методов и средств, обеспечивающих определение правильности работы автомата в целом или его отдельных узлов, а также автоматическое исправление ошибки.
Ошибки в работе цифрового автомата могут быть вызваны либо выходом из строя какой-то детали, либо отклонением от нормы параметров, например, изменение напряжения питания или воздействием внешних помех. Вызванные этими нарушениями ошибки могут принять постоянный или случайный характер. Постоянные ошибки легче обнаружить и выявить. Случайные ошибки, обусловленные кратковременными изменениями параметров, они наиболее опасны и их труднее обнаружить.
Поэтому система контроля должна строится с таким расчетом, чтобы она позволяла обнаружить и по возможности исправить любые нарушения. При этом надо различать следующие виды ошибок результата:
· возникающие из-за погрешностей в исходных данных;
· обусловленные методическими погрешностями;
· появляющиеся из-за возникновения неисправностей в работе машины.
Первые два вида ошибок не являются объектом для работы системы контроля. Погрешности перевода или представления числовой информации в разрядной сетки автомата приведут к возникновению погрешности в результате решения задачи. Эту погрешность можно заранее рассчитать и, зная её максимальную величину, правильно выбрать длину разрядной сетки машины. Методические погрешности также учитываются предварительно.
Проверка правильности функционирования отдельных устройств машины и выявление неисправностей может осуществляться по двум направлениям:
· профилактический контроль, задача которого – предупреждение появления ошибок в работе;
· оперативный контроль, задача которого – проверка правильности выполнения машиной всех операций.
Решение всех задач контроля становится возможным только при наличии определенной избыточности информации. Избыточность может быть создана либо аппаратными (схемными) средствами, либо логическими или информационными средствами.
К методам логического контроля можно отнести следующие приемы. В ЭВМ первого и второго поколений отсутствие системы оперативного контроля приводило к необходимости осуществления «двойного счета», когда каждая задача решалась дважды, и в случае совпадения ответов принималось решение о правильности функционирования ЭВМ.
Если в процессе решения какой-то задачи вычисляются тригонометрические функции, то для контроля можно использовать известные соотношения между этими функциями, например, 
Если это соотношение выполняется заданной точностью на каждом шаге вычислений, то можно с уверенностью читать, что ЭВМ работает правильно.
Вычисление определенного интеграла с заданным шагом интегрирования можно контролировать сравнением полученных при этом результатов с теми результатами, которые соответствуют более крупному шагу. Такой «сокращенный» алгоритм даст, видимо, более грубые оценки и по существу требует дополнительных затрат машинного времени.
Все рассмотренные примеры свидетельствуют о том, что такие методы контроля позволяют лишь зафиксировать факт появления ошибки, но не определяют место, где произошла эта ошибка. Для оперативного контроля работы ЭВМ определение места, где произошла ошибка, т.е. решение задачи поиска неисправности, является весьма существенным вопросом.
Как уже указывалось, функции контроля можно осуществить при информационной избыточности. Такая возможность появляется при использовании специальных методов кодирования информации. В самом деле, некоторые методы кодирования информации допускают наличие разрешенных и запрещенных комбинаций. В качестве примера можно привести двоично-десятичные системы представления числовой информации (Д-коды). Появление запрещенных комбинаций для подобного представления свидетельствует об ошибке в результатах решения задачи. Такой метод можно использовать для контроля десятичных операций. Однако он является частным примером и не решает общей задачи.
6.2. Основные принципы помехоустойчивого кодирования
Задача кодирования информации представляется как некоторое преобразование числовых данных в заданной системе счисления. В частном случае эта операция может быть сведена к группированию символов (представление в виде триад и тетрад) или представлению в виде символов позиционной системы счисления. Так как любая позиционная система счисления не несет в себе избыточности информации, и все кодовые комбинации являются разрешенными, использовать такие системы для контроля не представляется возможным.
Помехоустойчивые коды – одно из наиболее эффективных средств обеспечения высокой верности передачи дискретной информации. Создана специальная теория помехоустойчивого кодирования, быстро развивающаяся в последнее время.
Бурное развитие теории помехоустойчивого кодирования связано с внедрением автоматизированных систем, у которых обработка принимаемой информации осуществляется без участия человека. Использование для обработки информации электронных цифровых ычислительных машин предъявляет очень высокие требования к верности передачи информации.
Теорема Шеннонадля дискретного канала с помехами утверждает, что вероятность ошибок за счет действия в канале помех может быть обеспечена сколь угодно малой путем выбора соответствующего способа кодирования сигналов. Из этой теоремы вытекает весьма важный вывод о том, что наличие помех не накладывает принципиально ограничений на верность передачи.
Теорема не указывает конкретного способа кодирования, но из нее следует, что при выборе каждого символа кодовой комбинации необходимо стараться, чтобы он нес максимальную информацию. Следовательно, каждый символ должен принимать значения 0 и 1 по возможности с равными вероятностями и каждый выбор должен быть независим от значений предыдущих символов.
При отсутствии статистической взаимосвязи между буквами конструктивные методы построения эффективных кодов были даны впервые К. Шенноном и Н. Фано. Их методики существенно не различаются, поэтому соответствующий код получил название кода Шеннона-Фано.
Код строится следующим образом: буквы алфавита сообщений выписываются в таблицу в порядке убывания вероятностей. Затем они разделяются на две группы так, чтобы суммы вероятностей в каждой из групп были по возможности одинаковы. Всем буквам верхней половины в качестве первого символа приписывается 1, а всем нижним — 0. Каждая из полученных групп, в свою очередь, разбивается на две подгруппы с одинаковыми суммарными вероятностями и т. д. Процесс повторяется до тех пор, пока в каждой подгруппе останется по одной букве.
Рассмотрим алфавит из восьми букв (Таблица 4.1). Ясно, что при обычном (не учитывающем статистических характеристик) кодировании для представления каждой буквы требуется три символа.
Таблица 4.1 - Алфавит из восьми букв
| Буквы | Вероятности | Кодовые комбинации |
| Z1 | 0,22 | |
| Z2 | 0,20 | |
| Z3 | 0,16 | |
| Z4 | 0,16 | |
| Z5 | 0,10 | |
| Z6 | 0,10 | |
| Z7 | 0,04 | |
| Z8 | 0,02 |
Вычислим энтропию набора букв:
и среднее число символов на букву
где п(zi) — число символов в кодовой комбинации, соответствующей букве zi. Значения z и lср не очень различаются по величине.
Рассмотренная методика Шеннона-Фано не всегда приводит к однозначному построению кода. Ведь при разбиении на подгруппы можно сделать большей по вероятности как верхнюю, так и нижнюю подгруппу.
Множество вероятностей в предыдущей таблице можно было разбить иначе (Таблица 4.2).
Таблица 4.2 - Множество вероятностей
| Буквы | Вероятности | Кодовые комбинации |
| Z1 | 0,22 | |
| Z2 | 0,20 | |
| Z3 | 0,16 | |
| Z4 | 0,16 | |
| Z5 | 0,10 | |
| Z6 | 0,10 | |
| Z7 | 0,04 | |
| Z8 | 0,02 |
При этом среднее число символов на букву оказывается равным 2,80. Таким образом, построенный код может оказаться не самым лучшим. При построении эффективных кодов с основанием q>2неопределенность становится еще больше.
От указанного недостатка свободна методика Д. Хаффмена. Она гарантирует однозначное построение кода с наименьшим для данного распределения вероятностей средним числом символов на букву.
Таблица 4.3 – Код Д. Хаффмена
Для двоичного кода методика сводится к следующему. Буквы алфавита сообщений выписываются в основной столбец в порядке убывания вероятностей. Две последние буквы объединяются в одну вспомогательную букву, которой приписывается суммарная вероятность. Вероятности букв, не участвовавших в объединении, и полученная суммарная вероятность снова располагаются в порядке убывания вероятностей в дополнительном столбце, а две последние объединяются. Процесс продолжается до тех пор, пока не получим единственную вспомогательную букву с вероятностью, равной единице.
Для составления кодовой комбинации, соответствующей данному сообщению, необходимо проследить путь перехода сообщений по строкам и столбцам таблицы. Для наглядности строится кодовое дерево. Из точки, соответствующей вероятности 1, направляются две ветви, причем ветви с большей вероятностью присваивается символ 1, а с меньшей — 0. Такое последовательное ветвление продолжаем до тех пор, пока не дойдем до каждой буквы (Рисунок 4.1).
Рисунок 6.1 - Кодовое дерево
Теперь, двигаясь по кодовому дереву сверху вниз, можно записать для каждой буквы соответствующую ей кодовую комбинацию:
| Z1 | Z2 | Z4 | Z5 | Z6 | Z7 | Z8 |
В теореме Шеннона не говорится о том, как нужно строить помехоустойчивые коды. На этот вопрос отвечает теория помехоустойчивого кодирования.
Рассмотрим сущность помехоустойчивого кодирования, а также некоторые теоремы и определения, относящиеся к теории такого кодирования.
Под помехоустойчивыми или корректирующими кодами понимают коды, позволяющие обнаружить и устранить ошибки, происходящие при передаче из-за влияния помех.
Для выяснения идеи помехоустойчивого кодирования рассмотрим двоичный код, нашедший на практике наиболее широкое применение.
Количество разрядов n в кодовой комбинации принято называть длиной или значностью кода. Каждый разряд может принимать значение 0 или 1. Количество единиц в кодовой комбинации называют весом кодовой комбинациии обозначают 
.
Например, кодовая комбинация 100101100 характеризуется значностью n=9 и весом 
=4.
Степень отличия любых двух кодовых комбинаций данного кода характеризуется так называемым расстоянием между кодами d. Оно выражается числом позиций или символов, в которых комбинации отличаются одна от другой. Кодовое расстояние есть минимальное расстояние между кодовым комбинациями данного кода, оно определяется как вес суммы по модулю два кодовых комбинаций. Например, для определения расстояния между комбинациями 100101100 и 110110101 необходимо просуммировать их по модулю два
|
110110101
Полученная в результате суммирования новая кодовая комбинация характеризуется весом =4. Следовательно, расстояние между исходными кодовыми комбинациями d=4.
Ошибки, вследствие воздействия помех, появляются в том, что в одном или нескольких разрядах кодовой комбинации нули переходят в единицы и, наоборот, единицы переходят в нули. В результате создается новая ложная кодовая комбинация.
Если ошибки происходят только в одном разряде кодовой комбинации, то такие ошибки называются однократными. При наличии ошибок в двух, трех и т.д. разрядах ошибки называются двукратными, трехкратными и т.д.
Для указания мест в кодовой комбинации, где имеются искажения символов, используется вектор ошибки 
. Вектор ошибки n-разрядного кода – это n-разрядная комбинация, единицы в которой указывают положение искаженных символов кодовой комбинации. Например, если для пятиразрядного кода вектор ошибки имеет =01100, то это значит, что имеют место ошибки в третьем и четвертом разрядах кодовой комбинации.
Вес вектора ошибки 
характеризует кратность ошибки. Сумма по модулю для искажений кодовой комбинации и вектора ошибки дает исходную неискаженную комбинацию.
Помехоустойчивость кодирования обеспечивается за счет введения избыточности в кодовые комбинации. Это значит, что из n символов кодовой комбинации для передачи информации используется k<n символов. Следовательно, из общего числа 
возможных кодовых комбинаций для передачи информации используется только 
комбинаций. В соответствии с этим все множества возможных кодовых комбинаций делятся на две группы. В первую группу входит множество разрешенных комбинаций. Вторая группа включает в себя множество 
запрещенных комбинаций.
Если на приемной стороне установлено, что принятая комбинация относится к группе разрешенных, то считается, что сигнал пришел без искажений. В противном случае делается вывод, что принятая комбинация искажена. Однако это справедливо лишь для таких помех, когда исключена возможность перехода одних разрешенных комбинаций в другие.
В общем случае каждая из N разрешенных комбинаций может трансформироваться в любую из N0 возможных комбинаций, т.е. всего имеется N*N0 возможных случаев передачи (Рисунок 4.2), из них N случаев безошибочной передачи (на Рисунок 4.2 обозначены жирными линиями), N(N-1) случаев перехода в другие разрешенные комбинации (на Рисунок 4.2обозначены пунктирными линиями) и N(N0- N) случаев перехода в запрещенные комбинации (на Рисунок 4.2 обозначены штрих пунктирными линиями).
Таким образом, не все искажения могут быть обнаружены. Доля обнаруживаемых ошибочных комбинаций составляет
Для использования данного кода в качестве исправляющего, множество запрещенных кодовых комбинаций разбивается на N непересекающихся подмножеств Mk. Каждое из множеств Mk ставится в соответствие одной из разрешенных комбинаций.
Если принятая запрещенная комбинация принадлежит подмножеству Mi, то считается, что передана комбинация Ai (Рисунок 4.2).
Рисунок 6.2 – Схема передачи комбинаций
Ошибка будет исправлена в тех случаях, когда полученная комбинация действительно образовалась из комбинации Ai. Таким образом, ошибка исправляется в 
случаях, равных количеству запрещенных комбинаций. Доля исправляемых ошибочных комбинаций от общего числа обнаруживаемых ошибочных комбинаций составляет
Способ разбиения на подмножества зависит от того, какие ошибки должны исправляться данным кодом.
Дата публикования: 2014-11-18; Прочитано: 786 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!
