Properties Investigation of Self-Dual Combinational Devices with Calculation Control Based on Hamming Codes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A new approach to the synthesis of self-checking devices is considered, based on the control of calculations in testing objects using Hamming codes, the check bits of which are described by self-dual functions. In this case, the structure operates in a pulsed mode, which is actually based on the introduction of temporal redundancy when building a self-checking device. This, unfortunately, leads to some decrease in performance, however, it significantly improves the characteristics of controllability, which is especially important for devices and systems of critical use, the input data for which does not change so often. A brief review of methods for constructing built-in control circuits based on the self-duality property of calculated functions is given. The basic structures of the organization of built-in control circuits are given. The proposed ways of developing the theory of synthesis of built-in control circuits are based on checking whether or not the calculated functions belong to a class of self-dual Boolean functions. All possible values of the number of data bits for Hamming codes have been established. They will have the property of the self-duality of functions describing control bits. En-coders of such Hamming codes will be self-dual devices. Since the functions of the check bits of Hamming codes are linear, in order for them to be self-dual, it is necessary that an odd number of arguments be used in each of them. It is proved that the number of bits of code words of Hamming codes with self-dual check functions is equal to n=3+4l, l∈N0. The results of the simulations self-dual devices with built-in control circuits along two diagnostic parameters in the Multisim environment are presented. A method is proposed for modification of the structure of calculation control along two diagnostic parameters, which allows to use any linear block code (not necessarily Hamming code). It is based on retrofitting the encoder with a device for converting functions into self-dual ones. In fact, this is a code modification device. It is proved that to obtain a modified Hamming code with self-dual control functions for n≠3+4l, l∈N0; cases, it is enough to add modulo M=2 the non-self-dual control function with the function of the high data bit.

About the authors

D. V Efanov

Russian University of Transport

Email: TrES-4b@yandex.ru
Obraztsova St. 9/9

T. S Pogodina

Russian University of Transport

Email: pogodina-ts@mail.ru
Obraztsova St. 9/9

References

  1. Ubar R., Raik J., Vierhaus H. Design and Test Technology for Dependable Systems-on-Chip (Premier Reference Source). Information Science Reference. 2011. 578 p.
  2. Дрозд А.В., Харченко В.С., Антощук С.Г., Дрозд Ю.В., Дрозд М.А., Сулима Ю.Ю. Рабочее диагностирование безопасных информационно-управляющих систем. Под ред. Дрозда А.В. и Харченко В.С. Харьков: Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2012. 614 с.
  3. Dubrova E. Fault-Tolerant Design. Springer Science+Business Media New York. 2013. 185 p. doi: 10.1007/978-1-4614-2113-9.
  4. Hahanov V. Cyber Physical Computing for IoT-driven Services. New York, Springer International Publishing AG, 2018. 279 p.
  5. Ярмолик В.Н. Контроль и диагностика вычислительных систем. Минск: «Бестпринт», 2019. 387 с.
  6. Согомонян Е.С., Слабаков Е.В. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы. М.: Радио и связь. 1989. 208 с.
  7. Mitra S., McCluskey E. Which Concurrent Error Detection Scheme to Сhoose? // Proceedings of International Test Conference. 2000. pp. 985-994. doi: 10.1109/TEST.2000.894311.
  8. Гаврилов М.А., Остиану В.М., Потехин А.И. Надежность дискретных систем // Итоги науки и техники. Серия «Теория вероятностей. Математическая статистика. Теоретическая кибернетика». 1969, 1970. C. 7-104.
  9. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Ефанов Д.В. Теория синтеза самопроверяемых цифровых систем на основе кодов с суммированием. Санкт-Петербург: «Лань», 2021. 580 с.
  10. Багхдади А.А.А., Хаханов В.И., Литвинова Е.И. Методы анализа и диагностирования цифровых устройств (аналитический обзор) // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. 2014. № 166. С. 59-74.
  11. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Ефанов Д.В. Основы теории надежности и технической диагностики. Санкт-Петербург: Издательство «Лань», 2019. 588 с.
  12. Hamming R. Error Detecting and Correcting Codes // Bell System Technical Journal. 1950. vol. 29 (2). pp. 147-160. doi: 10.1002/j.1538-7305.1950.tb00463.x.
  13. Яблонский С.В. Введение в дискретную математику. Под ред. В.А. Садовничева. М.: «Высшая школа», 2003. 384 с.
  14. Reynolds D. Meize G. Fault Detection Capabilities of Alternating Logic // IEEE Transactions on Computers. 1978. vol. C-27(12). pp. 1093-1098. doi: 10.1109/TC.1978.1675011.
  15. Гессель М., Морозов А.А., Сапожников В.В., Сапожников Вл.В. Построение самопроверяемых комбинационных схем на основе свойств самодвойственных функций // Автоматика и телемеханика. 2000. № 2. С. 151-163.
  16. Takeda K., Tohma J. Logic Design of Fault-Tolerant Arithmetic Units Based on the Data Complementation Strategy // 10th International Symposium on Fault-Tolerant Computing (FTCS’10). 1980. p. 348.
  17. Biernat J. Self-Dual Modules in Design of Dependable Digital Devices // International Conference on Dependability of Computer Systems. 2006. doi: 10.1109/DEPCOS-RELCOMEX.2006.50.
  18. Rai S., Raitza M., Sahoo S., Kumar A. DiSCERN: Distilling Standard-Cells for Emerging Reconfigurable Nanotechnologies // Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE). 2020. doi: 10.23919/DATE48585.2020.9116216.
  19. Аксенова Г.П. Восстановление в дублированных устройствах методом инвертирования данных // Автоматика и телемеханика. 1987. № 10. С. 144-153.
  20. Гессель М., Мошанин В.И., Сапожников В.В, Сапожников Вл.В. Обнаружение неисправностей в самопроверяемых комбинационных схемах с использованием свойств самодвойственных функций // Автоматика и телемеханика. 1997. № 12. С. 193-200.
  21. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Гессель М. Самодвойственные дискретные устройства. СПб: Энергоатомиздат, 2001. 331 с.
  22. Sentovich E., Singh K., Moon C., Savoj H., Brayton R., Sangiovanni-Vincentelli A. Sequential Circuit Design Using Synthesis and Optimization // Proceedings IEEE International Conference on Computer Design: VLSI in Computers & Processors. 1992. pp. 328-333. doi: 10.1109/ICCD.1992.276282.
  23. Sentovich E., Singh K., Lavagno L., Moon C., Murgai R., Saldanha A., Savoj H., Stephan P., Brayton R., Sangiovanni-Vincentelli A. SIS: A System for Sequential Circuit Synthesis // Electronics Research Laboratory, Department of Electrical Engineering and Computer Science. 1992. 45 p.
  24. Efanov D., Sapozhnikov V., Sapozhnikov Vl., Osadchy G., Pivovarov D. Self-Dual Complement Method up to Constant-Weight Codes for Arrangement of Combinational Logical Circuits Concurrent Error-Detection Systems // Proceedings of 17th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2019). 2019. pp. 136-143. doi: 10.1109/EWDTS.2019.8884398.
  25. Carter W., Duke K., Schneider P. Self-Checking Error Checker for Two-Rail Coded Data // United States Patent Office. 1968. no. 747533. 10 p.
  26. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В. Самопроверяемый компаратор с дополнительным импульсным входом // Автоматика и телемеханика. 1997. no. 6. С. 200-208.
  27. Saposhnikov Vl.V., Dmitriev A., Goessel M., Saposhnikov V.V. Self-Dual Parity Checking a New Method for on Line Testing // Proceedings of 14th IEEE VLSI Test Symposium. 1996. pp. 162-168. doi: 10.1109/VTEST.1996.510852.
  28. Гессель М., Дмитриев А.В., Сапожников В.В, Сапожников Вл.В. Самотестируемая структура для функционального обнаружения отказов в комбинационных схемах // Автоматика и телемеханика. 1999. № 11. С. 162-174.
  29. Гессель М., Морозов А.В., Сапожников В.В., Сапожников Вл.В. Логическое дополнение новый метод контроля комбинационных схем // Автоматика и телемеханика. 2003. № 1. С. 167-176.
  30. Пивоваров Д.В. Построение систем функционального контроля многовыходных комбинационных схем методом логического дополнения по равновесным кодам // Автоматика на транспорте. 2018. Т. 4. № 1. С. 131-149.
  31. Пашуков А.В. Применение взвешенных кодов с суммированием при синтезе схем встроенного контроля по методу логического дополнения // Автоматика на транспорте. 2022. Т. 8. № 1. С. 101-114. doi: 10.20295/2412-9186-2022-8-01-101-114.
  32. Аксёнова Г.П. Метод синтеза схем встроенного контроля для автоматов с памятью // Автоматика и телемеханика. 1973. № 2. С. 109-116.
  33. Гессель М., Дмитриев А.В., Сапожников В.В, Сапожников Вл.В. Обнаружение неисправностей в комбинационных схемах с помощью самодвойственного контроля // Автоматика и телемеханика. 2000. № 7. С. 140-149.
  34. Saposhnikov Vl., Moshanin V., Saposhnikov V., Goessel M. Experimental Results for Self-Dual Multi-Output Combinational Circuits // Journal of Electronic Testing: Theory and Applications. 1999. vol. 14(3). pp. 295-300. doi: 10.1023/A:1008370405607.
  35. Гессель М., Дмитриев А.В., Сапожников В.В, Сапожников Вл.В. Исследование свойств самодвойственных самопроверяемых многотактных схем // Автоматика и телемеханика. 2001. № 4. С. 148-159.
  36. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Валиев Р.Ш. Синтез самодвойственных дискретных систем. СПб: Элмор, 2006. 220 с.
  37. Göessel M., Ocheretny V., Sogomonyan E., Marienfeld D. New Methods of Concurrent Checking. Frontiers in Electronic Testing, Springer. 2008. vol. 42. 184 p.
  38. Тельпухов Д.В., Жукова Т.Д., Деменева А.И., Гуров С.И. Схема функционального контроля для комбинационных схем на основе R-кода // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2018. № 4. С. 98-104. doi: 10.31114/2078-7707-2018-4-98-104.
  39. Стемпковский А.Л., Тельпухов Д.В., Жукова Т.Д., Деменева А.И., Надоленко В.В., Гуров С.И. Синтез схемы функционального контроля на основе спектрального R-кода с разбиением выходов на группы // Микроэлектроника. 2019. Т. 48. № 4. С. 284-294. doi: 10.1134/S0544126919040094.
  40. Стемпковский А.Л., Тельпухов Д.В., Гуров С.И., Жукова Т.Д., Щелоков А.Н., Новиков А.Д. Синтез СФК на основе LDPC кода с использованием мажоритарного декодирования // Известия ЮФУ. Технические науки. 2019. № 4(206). С. 195-206. doi: 10.23683/2311-3103-2019-4-195-206.
  41. Абдуллаев Р.Б. Синтез полностью самопроверяемых схем встроенного контроля на основе полиномиальных кодов для комбинационных логических устройств // Автоматика на транспорте. 2021. Т. 7. № 3. С. 452-476. doi: 10.20295/2412-9186-2021-7-3-452-476.
  42. Berger J.M. A Note on Error Detection Codes for Asymmetric Channels // Information and Control. 1961. vol. 4(1). pp. 68-73. doi: 10.1016/S0019-9958(61)80037-5.
  43. Piestrak S.J. Design of Self-Testing Checkers for Unidirectional Error Detecting Codes. Wrocław: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocłavskiej, 1995. 111 p.
  44. Drozd O., Antoniuk V., Nikul V., Drozd M. Hidden Faults in FPGA-Built Digital Components of Safety-Related Systems // Proceedings of the 14th International Conference “TCSET’2018. 2018. pp. 805-809. doi: 10.1109/TCSET.2018.8336320.
  45. Drozd O., Rucinski A., Zascholkin K., Martynyuk O., Drozd J. Resilient Development of Models and Methods in Computing Space // Proceedings of 19th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2021). 2021. pp. 70-75. doi: 10.1109/EWDTS52692.2021.9581002.
  46. Сапожников Вл.В. Синтез систем управления движением поездов на железнодорожных станциях с исключением опасных отказов. М.: Наука, 2021. 229 с.
  47. Tshagharyan G., Harutyunyan G., Shoukourian S., Zorian Y. Experimental Study on Hamming and Hsiao Codes in the Context of Embedded Applications // Proceedings of 15th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2017). 2017. pp. 25-28. doi: 10.1109/EWDTS.2017.8110065.
  48. Тельпухов Д.В., Жукова Т.Д., Щелоков А.Н., Кретинина П.Д. Применение кода Хэмминга в задаче повышения сбоеустойчивости комбинационных схем // Известия ЮФУ. Технические науки. 2021. № 4(221). С. 220-231. doi: 10.18522/2311-3103-2021-4-220-231.
  49. Ефанов Д.В. Предельные свойства кода Хэмминга в схемах функционального диагностирования // Информатика и системы управления. 2011. № 3. С. 70-79.
  50. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Ефанов Д.В. Особенности применения кодов Хэмминга при организации самопроверяемых схем встроенного контроля // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2018. Т. 61. № 1. С. 47-59. doi: 10.17586/0021-3454-2018-61-1-47-59.
  51. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Ефанов Д.В. Коды Хэмминга в системах функционального контроля логических устройств. СПб.: Наука, 2018. 151 с.
  52. Ефанов Д.В., Погодина Т.С. Самодвойственный контроль комбинационных схем с применением кодов Хэмминга // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2022. № 3. С. 113-122. doi: 10.31114/2078-7707-2022-3-113-122.
  53. Zhang C., Liu Y., Jiang T., Mao W., Wang J. Multisim-Based Digital Clock Design // 2020 IEEE 9th Joint International Information Technology and Artificial Intelligence Conference (ITAIC). 2020. doi: 10.1109/ITAIC49862.2020.9338902.
  54. Chen Y., Zhang M., Hao J. The Circuit Design of Voltage-controlled Color Changing Lamp Based on Multisim // IEEE International Conference on Power, Intelligent Computing and Systems (ICPICS). 2020. doi: 10.1109/ICPICS50287.2020.9202148.
  55. Richter M., Goessel M. Concurrent Checking with Split-Parity Codes // 15th IEEE International On-Line Testing Symposium. 2009. pp. 159-163, doi: 10.1109/IOLTS.2009.5196001.
  56. Sogomonyan E., Weidling S., Goessel M. A New Method for Correcting Time and Soft Errors in Combinational Circuits // IEEE 16th International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits & Systems (DDECS). 2013. pp. 283-286. doi: 10.1109/DDECS.2013.6549835.
  57. Gopi S., Kopparty S., Oliveira R., Ron-Zewi N., Saraf S. Locally Testable and Locally Correctable Codes Approaching the Gilbert-Varshamov Bound // IEEE Transactions on Information Theory. 2018. vol. 64(8). pp. 5813-5831. doi: 10.1109/TIT.2018.2809788.
  58. Harsha P., Srinivasan S. Robust Multiplication-Based Tests for Reed–Muller Codes // IEEE Transactions on Information Theory. 2019. vol. 65(1). pp. 184-197. doi: 10.1109/TIT.2018.2863713.
  59. Mandry H., Herkle A., Kürzinger L., Müelich S., Becker J., Fischer R., Ortmanns M. Modular PUF Coding Chain with High-Speed Reed-Muller Decoder // IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). 2019. doi: 10.1109/ISCAS.2019.8702484.
  60. Sim M., Zhuang Y. Design of Two Interleaved Error Detection and Corrections Using Hsiao Code and CRC // IECON 2020 The 46th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2020. doi: 10.1109/IECON43393.2020.9254837.
  61. Абдуллаев Р.Б. Вероятностные характеристики полиномиальных кодов в системах технического диагностирования // Автоматика на транспорте. 2020. Т. 6. № 1. С. 64-88. doi: 10.20295/2412-9186-2020-6-1-64-88.
  62. Mishra N., Naresh N., Acharya A. Parallel Field Test Architecture for Boot-ROMs in Safety-Critical SoCs // 2021 IEEE International Test Conference India (ITC India). 2021. doi: 10.1109/ITCIndia52672.2021.9532633.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».