عدم الاستقرار (الإلكترونيات)

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

الشكل 1. توضيح لحالة عدم الاستقرار في جهاز التزامن ، حيث تنتقل البيانات بين نطاقات الساعة. في أسوأ الحالات، وبحسب التوقيت، قد تنتشر حالة عدم الاستقرار عند النقطة D s إلى النقطة D out، ومن ثم عبر المنطق التالي إلى أجزاء أخرى من النظام، مما يتسبب في سلوك غير محدد وغير متسق.

شبه الاستقرار هو قدرة النظام الإلكتروني الرقمي على البقاء لفترة غير محدودة في حالة توازن غير مستقر أو حالة شبه مستقرة . [ 1 ] في دوائر المنطق الرقمي ، يجب أن تكون الإشارة الرقمية ضمن حدود معينة من الجهد أو التيار لتمثيل مستوى منطقي "0" أو "1" لضمان التشغيل الصحيح للدائرة؛ فإذا كانت الإشارة ضمن نطاق وسيط محظور، فقد يتسبب ذلك في خلل في البوابات المنطقية التي تُطبق عليها. في حالات شبه الاستقرار، قد تعجز الدائرة عن الاستقرار في مستوى منطقي "0" أو "1" خلال الوقت اللازم لتشغيلها بشكل صحيح. ونتيجة لذلك، قد تتصرف الدائرة بطرق غير متوقعة، مما قد يؤدي إلى فشل النظام، والذي يُشار إليه أحيانًا باسم "خلل". [ 2 ] يُعدّ شبه الاستقرار مثالًا على مفارقة حمار بوريدان .

تُعدّ حالات شبه الاستقرار سمةً أساسيةً للأنظمة الرقمية غير المتزامنة ، وللأنظمة التي تحتوي على أكثر من نطاق زمني مستقل . في الأنظمة غير المتزامنة ذاتية التوقيت ، تُصمّم دوائر التحكم بحيث لا يستمر النظام في العمل إلا بعد زوال حالة شبه الاستقرار، وبالتالي تُعتبر هذه الحالة طبيعية وليست خطأً. [ 3 ] أما في الأنظمة المتزامنة ذات المدخلات غير المتزامنة، فتُصمّم دوائر التزامن بحيث يكون احتمال فشل التزامن ضئيلاً إلى حدٍّ مقبول. [ 4 ] ويمكن تجنّب حالات شبه الاستقرار في الأنظمة المتزامنة تمامًا عند استيفاء متطلبات وقت إعداد المدخلات ووقت تثبيتها على القلابات.

مثال

الشكل 2. مثال على مزلاج NOR للضبط وإعادة الضبط

يمكن إيجاد مثال بسيط على حالة عدم الاستقرار في دارة SR NOR ، حيث تكون مدخلات الضبط وإعادة الضبط صحيحة (R=1 و S=1)، ثم تتحول إلى خاطئة (R=0 و S=0) في نفس الوقت تقريبًا. تكون قيمتا المخرجين Q و Q في البداية عند الصفر نتيجةً لتأثير مدخلات الضبط وإعادة الضبط المتزامنة. بعد أن تتحول كلتا المدخلتين إلى خاطئة، ستستقر الدارة (في النهاية) في إحدى حالتين مستقرتين، إحداهما تكون فيها Q و Q صحيحة، والأخرى خاطئة. تعتمد الحالة النهائية على أي من R أو S يعود إلى الصفر أولًا، زمنيًا، ولكن إذا تحولت كلتاهما في نفس الوقت تقريبًا، فقد تستغرق حالة عدم الاستقرار الناتجة، مع مستويات خرج متوسطة أو متذبذبة، وقتًا طويلًا جدًا للوصول إلى حالة مستقرة.

المحكمون

في الإلكترونيات، تُعرف الدائرة المُحكِّمة بأنها دائرة مصممة لتحديد أي من الإشارات المتعددة تصل أولاً. تُستخدم الدوائر المُحكِّمة في الدوائر غير المتزامنة لترتيب العمليات الحسابية على الموارد المشتركة، وذلك لمنع حدوث عمليات خاطئة متزامنة. كما تُستخدم الدوائر المُحكِّمة على مداخل الأنظمة المتزامنة تمامًا، وكذلك بين نطاقات التوقيت، كمزامنات لإشارات الإدخال. على الرغم من قدرتها على تقليل احتمالية حدوث حالة عدم الاستقرار إلى أدنى حد، إلا أن جميع الدوائر المُحكِّمة تحتوي على حالات عدم استقرار، وهي حالات لا مفر منها عند حدود مناطق فضاء حالة الإدخال ، مما يؤدي إلى مخرجات مختلفة. [ 5 ]

الدوائر المتزامنة

الشكل 3. يعمل مسجل الإزاحة ذو الأربع بتات هذا كمزامِن. عندما تنتقل بيانات الإدخال غير المتزامنة (data0) عبر كل مرحلة من مراحل القلاب، يقل احتمال بقائها في حالة شبه مستقرة بشكل كبير، حيث تتوفر دورة ساعة كاملة تقريبًا خلال كل مرحلة لمعالجة أي حالة شبه مستقرة محتملة من المرحلة السابقة.

تُتيح تقنيات تصميم الدوائر المتزامنة إنشاء دوائر رقمية مقاومة لأنماط الفشل التي قد تنجم عن عدم الاستقرار. يُعرَّف نطاق الساعة بأنه مجموعة من القلابات ذات ساعة مشتركة. يمكن لهذه البنى أن تُشكِّل دائرة مضمونة خالية من عدم الاستقرار (أقل من تردد ساعة أقصى معين، وفوقه يحدث عدم الاستقرار أولًا، ثم الفشل التام)، بافتراض انحراف منخفض لتردد الساعة المشترك. مع ذلك، حتى في هذه الحالة، إذا كان النظام يعتمد على أي مدخلات مستمرة، فمن المرجح أن تكون هذه المدخلات عرضة لحالات عدم الاستقرار. [ 6 ]

تُستخدم دوائر التزامن لتقليل احتمالية حدوث حالة عدم استقرار عند استقبال إشارة دخل غير متزامنة أو عند نقل الإشارات بين نطاقات تردد مختلفة. قد تتخذ دوائر التزامن شكل سلسلة من قلابات D (مثل مسجل الإزاحة في الشكل 3). [ 7 ] على الرغم من أن كل مرحلة من مراحل القلاب تُضيف دورة ساعة إضافية من زمن الاستجابة إلى تدفق بيانات الدخل، إلا أن كل مرحلة تُتيح فرصة لمعالجة حالة عدم الاستقرار. يمكن تصميم هذه الدوائر لتقليل حالة عدم الاستقرار إلى مستوى مقبول.

يمكن استخدام مُشغّلات شميت لتقليل احتمالية حدوث حالة شبه مستقرة، ولكن كما أوضح الباحث تشاني عام ١٩٧٩، حتى مُشغّلات شميت قد تصبح شبه مستقرة. وقد جادل كذلك بأنه من غير الممكن إزالة احتمالية حدوث حالة شبه مستقرة تمامًا من المدخلات غير المتزامنة خلال فترة زمنية محدودة، وأن "هناك قدرًا كبيرًا من الأدلة النظرية والتجريبية على وجود منطقة سلوك شاذ لكل جهاز له حالتان مستقرتان". في مواجهة هذه الحتمية، لا يمكن للأجهزة إلا تقليل احتمالية حدوث حالة شبه مستقرة، ويمكن للأنظمة محاولة التعامل بسلاسة مع أحداث الحالة شبه المستقرة العرضية. [ ٨ ]

أنماط الفشل

على الرغم من أن حالة عدم الاستقرار مفهومة جيداً وأن التقنيات المعمارية للتحكم فيها معروفة، إلا أنها لا تزال تشكل نمط فشل في المعدات.

تتمتع أعطال أجهزة الحاسوب والأجهزة الرقمية الخطيرة الناتجة عن حالة عدم الاستقرار بتاريخ اجتماعي مثير للاهتمام. فقد رفض العديد من المهندسين تصديق أن جهازًا ثنائي الاستقرار يمكن أن يدخل في حالة ليست صحيحة ولا خاطئة ، وأن يكون لديه احتمال إيجابي للبقاء في هذه الحالة لفترة زمنية محددة، وإن كان هذا الاحتمال يتناقص أُسّيًا مع مرور الوقت. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] ومع ذلك، فإن حالة عدم الاستقرار هي نتيجة حتمية لأي محاولة لتحويل مجال متصل إلى مجال منفصل. عند الحدود في المجال المتصل بين المناطق التي تُقابل مخرجات منفصلة مختلفة، تُقابل النقاط المتقاربة بشكل عشوائي في المجال المتصل مخرجات مختلفة، مما يجعل تحديد المخرج المناسب عملية صعبة وربما طويلة. [ 14 ] إذا وصلت مدخلات المُحكِّم أو القلاب بشكل متزامن تقريبًا، فمن المرجح أن تمر الدائرة بنقطة عدم استقرار. لا تزال ظاهرة عدم الاستقرار غير مفهومة جيدًا في بعض الأوساط، وقد اقترح العديد من المهندسين دوائر خاصة بهم يُزعم أنها تحل هذه المشكلة أو تحجبها؛ وعادةً ما تنقل هذه الدوائر ببساطة حدوث عدم الاستقرار من مكان إلى آخر. [ 15 ] غالبًا ما تُختبر الرقائق التي تستخدم مصادر تردد متعددة باستخدام ساعات اختبار ذات علاقات طور ثابتة، وليس الساعات المستقلة التي تتداخل فيما بينها والتي ستُختبر أثناء التشغيل. وهذا عادةً ما يمنع بشكل صريح ظهور أو الإبلاغ عن نمط فشل عدم الاستقرار الذي سيحدث في الواقع. غالبًا ما يستخدم الاختبار الصحيح لعدم الاستقرار ساعات بترددات مختلفة قليلاً مع ضمان التشغيل الصحيح للدائرة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ توماس ج. تشاني وتشارلز إي. مولنار (أبريل 1973). "السلوك الشاذ لدوائر التزامن والتحكيم" (ملف PDF) . معاملات IEEE في الحوسبة . C-22 (4): 421-422 . doi : 10.1109/TC.1973.223730 . ISSN 0018-9340 . S2CID 12594672 .  
  2. ↑ تشاني، توماس ج. "عملي على كل ما هو غير مستقر أو أنا وخللي" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 8 ديسمبر 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 نوفمبر 2015 .
  3. ↑ جون بينبريدج (2002). الربط البيني غير المتزامن لأنظمة على رقاقة . سبرينغر. ص 18. ISBN  978-1-85233-598-4.
  4. ↑ تشاني، توماس ج. ""إعادة طبع للمذكرة الفنية رقم 10، "ظاهرة الخلل" (1966)"" .جامعة واشنطن في سانت لويس
  5. ↑ ريتشارد ف. تيندر (2009). تصميم وتحليل الآلات التسلسلية غير المتزامنة: تطوير شامل لتصميم وتحليل آلات وأنظمة الحالة المستقلة عن الساعة . دار مورغان وكلايبول للنشر. ص 165. ISBN  978-1-59829-689-1.
  6. ^ كليمان، ل. كانتوني، أ. "السلوك المتبدل في الأنظمة الرقمية" ديسمبر 1987". تصميم واختبار أجهزة الكمبيوتر في IEEE . 4 (6): 4– 19. doi : 10.1109/MDT.1987.295189 . S2CID 1895434 . 
  7. ↑ APDahlen (19-10-2023). "تنفيذ مُزامِن حدود الساعة في Verilog" . منتدى DigiKey لحلول المكونات الإلكترونية والهندسية . مؤرشف من الأصل بتاريخ 05-12-2023 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17-02-2024 .
  8. ↑ تشاني، توماس (1979). "تعليقات على "ملاحظة حول خلل في جهاز التزامن أو جهاز التعشيق"". IEEE Transactions on Computers . C-28 (10): 802–804 . doi : 10.1109/TC.1979.1675252 . ISSN 0018-9340 . 
  9. ↑ هاريس، سارة؛ هاريس، ديفيد (2015). التصميم الرقمي وهندسة الحاسوب: إصدار ARM . مورغان كوفمان. الصفحات 151-153 . ISBN  978-0128009116.
  10. ↑ جينوسار، ران (2011). "الاستقرار شبه المستقر والمزامنات: دليل تعليمي" (ملف PDF) . مركز أبحاث أنظمة VLSI . قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب، معهد التخنيون - معهد إسرائيل للتكنولوجيا، حيفا.، ص 4-6
  11. ↑ زانثوبولوس، ثوسيديدس (2009). التوقيت في أنظمة VLSI الحديثة . سبرينغر للعلوم والأعمال. ص 196. ISBN  978-1441902610.، ص 196، 200، معادلة 6-29
  12. ↑ "مقدمة في علم الاستقرار غير المستقر" (ملف PDF) . مذكرة تطبيقية AN-219 . شركة فيليبس لأشباه الموصلات. 1989. تاريخ الاسترجاع: 20 يناير 2017 .
  13. ↑ أرورا، موهيت (2011). فن هندسة الأجهزة: أساليب وتقنيات تصميم الدوائر الرقمية . سبرينغر للعلوم والأعمال. ISBN 978-1461403975.، ص 4-5، معادلة 1-1
  14. ↑ ليزلي لامبورت (فبراير 2012) [ديسمبر 1984]. "مبدأ بوريدان" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 يوليو 2010 .
  15. ↑ ران جينوسار. " أربعة عشر طريقة لخداع جهاز المزامنة الخاص بك " ASYNC 2003.