सिग्नल ट्रांज़िशन ग्राफ़

सिग्नल ट्रांज़िशन ग्राफ़ (एसटीजी) का उपयोग आमतौर पर इलेक्ट्रॉनिक यन्त्रशास्त्र  और कंप्यूटर इंजीनियरिंग में उनके विश्लेषण या संश्लेषण के प्रयोजनों के लिए अतुल्यकालिक सर्किट के गतिशील व्यवहार का वर्णन करने के लिए किया जाता है।

मुख्य परिभाषाएँ और अनुप्रयोग
अनौपचारिक रूप से, एसटीजी एक अतुल्यकालिक सर्किट के व्यवहार का एक ग्राफिकल विवरण है, जहां राज्यों पर आधारित विवरणों के विपरीत, सिग्नलिंग घटनाओं के बीच कारण संबंधों के बारे में जानकारी सीधे प्रस्तुत की जाती है। इस तरह, एसटीजी एक सर्किट के विवरण को औपचारिक रूप देने में मदद करते हैं जो आमतौर पर टाइमिंग आरेख (इलेक्ट्रॉनिक्स) द्वारा दर्शाया जाता है, जिसे कभी-कभी तरंग रूप भी कहा जाता है। उत्तरार्द्ध का व्यापक रूप से इलेक्ट्रॉनिक इंजीनियरों द्वारा उपयोग किया जाता है।

अधिक औपचारिक रूप से, एसटीजी एक प्रकार का व्याख्या किया गया (या लेबल किया गया) पेट्री नेट है जिसके संक्रमणों को संकेतों के मूल्यों में परिवर्तन के नाम के साथ लेबल किया जाता है (सीएफ. सिग्नल संक्रमण)। उदाहरण के लिए, लेबलिंग का विशिष्ट मामला वह मामला है जहां सिग्नल बाइनरी होते हैं, इसलिए संक्रमण को सर्किट में संकेत किनारा सिग्नल किनारे के रूप में व्याख्या किया जाता है।

एसटीजी आमतौर पर राज्य ग्राफ़ की तुलना में अतुल्यकालिक सर्किट के व्यवहार का अधिक संक्षिप्त विवरण देते हैं। एक सर्किट के एसटीजी विनिर्देश की जटिलता आम तौर पर सर्किट में संकेतों की संख्या में रैखिक होती है, जबकि एक राज्य ग्राफ की जटिलता तेजी से बढ़ सकती है, इस तथ्य के कारण कि अतुल्यकालिक सर्किट में उच्च स्तर की समवर्तीता होती है। एसटीजी में समवर्ती घटनाओं को कारण-अनुक्रम संबंधों (सीएफ. सच्ची संगामिति) के माध्यम से दर्शाया जाता है, जबकि राज्य ग्राफ़ में समवर्ती घटनाओं को इंटरलीविंग के माध्यम से दर्शाया जाता है।

एसटीजी को पहली बार 1981 में लियोनिद रोसेनब्लम (रूसी में) द्वारा सिग्नल ग्राफ़ नाम के तहत प्रस्तावित किया गया था। उनका अधिक औपचारिक रूप से अध्ययन किया गया और 1982 में एलेक्स याकोवलेव द्वारा अपनी पीएचडी थीसिस में अतुल्यकालिक इंटरफेस के डिजाइन पर लागू किया गया। (रूसी में)। इन्हें बाद में 1985 में अंग्रेजी में दो स्वतंत्र स्रोतों में प्रस्तुत किया गया, एक रोसेनब्लम और याकोवलेव द्वारा। और दूसरा ताम-अन्ह चू द्वारा (एक पुराना संस्करण ICCD'85 पर प्रस्तुत किया गया था)। तब से, एसटीजी का सिद्धांत और व्यवहार में बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है,  जिसके कारण एसिंक्रोनस नियंत्रण सर्किट के विश्लेषण और संश्लेषण के लिए लोकप्रिय सॉफ्टवेयर टूल का विकास हुआ है, जैसे कि पेट्रीफाई (मुख्य डेवलपर: जोर्डी कोरटाडेला) और वर्कक्राफ्ट (न्यूकैसल विश्वविद्यालय से एक टूलकिट)। एसिंक्रोनस सर्किट को डिजाइन करने में एसटीजी का उपयोग करने के विभिन्न उदाहरणों में से, सबसे प्रसिद्ध एसिंक्रोनस इंटरफेस, नियंत्रक, मध्यस्थ और एनालॉग-मिश्रित सिग्नल सर्किट के क्षेत्र में हैं, सीएफ।   हाल ही में एसटीजी को कैपेसिटिव कपलिंग द्वारा मध्यस्थता वाले कार्य-कारण व्यवहार को मॉडल करने के लिए विस्तारित किया गया है, जैसे कि स्विच्ड कैपेसिटर कन्वर्टर्स (एससीसी) में उपयोग किया जाता है।

एक्सटेंशन और संबंधित मॉडल
बाइनरी सिग्नल पर आधारित एसटीजी के अलावा, प्रतीकात्मक एसटीजी भी हैं, जहां सिग्नल बहु-मूल्यवान हो सकते हैं।

समय (विलंब) सूचना एनोटेशन के साथ एसटीजी पहली बार पेश किए गए थे, और बाद में, जहां समय की कमी के साथ सर्किट के व्यवहार के विश्लेषण के विचार, जिसे बाद में रिलेटिव टाइमिंग कहा गया, भी पहली बार पेश किए गए थे।

एसिंक्रोनी और इंटरप्ट को एक कॉम्पैक्ट रूप में पकड़ने के लिए बुनियादी अंतर्निहित पेट्री नेट मॉडल के विशेष एक्सटेंशन, प्लेस चार्ट नेट में पेश किए गए थे। एसिंक्रोनस सर्किट के राज्य-आधारित मॉडल और पेट्री नेट-आधारित मॉडल (इंक. एसटीजी) के बीच एक महत्वपूर्ण संबंध स्थापित किया गया है क्षेत्रों के सिद्धांत का उपयोग करना (cf. ). क्षेत्रों के सिद्धांत का उपयोग एसटीजी मॉडल और उसके सर्किट कार्यान्वयन को प्राप्त करने के लिए किया गया था बॉब स्प्राउल, इवान सदरलैंड और चार्ल्स मोल्नार के कारण काउंटरफ़्लो पाइपलाइन प्रोसेसर के लिए। एसटीजी से निकटता से संबंधित मॉडलों में से एक चेंज डायग्राम्स है, जिसे माइकल किशिनेव्स्की, एलेक्स कोंद्रतयेव, अलेक्जेंडर तौबिन और विक्टर वार्शव्स्की द्वारा प्रस्तावित किया गया है। परिवर्तन आरेखों में AND और OR कार्य-कारण दोनों को एक संक्षिप्त तरीके से मॉडल करने में सक्षम होने का लाभ है। लेकिन चयन के मामले में उनमें वर्णनात्मक शक्ति का अभाव है। पेट्री नेट और परिवर्तन आरेखों के बीच उनकी वर्णनात्मक शक्ति और कॉज़ल लॉजिक नेट के रूप में उनके एकीकरण के संदर्भ में तुलना प्रस्तुत की गई है।

हार्डवेयर विवरण भाषाओं के साथ लिंक
एसटीजी को विभिन्न एचडीएल के साथ इंटरफेस किया गया है, उदाहरण के लिए वीएचडीएल के साथ लिंक देखें (1996) और वेरिलोग (2000) अतुल्यकालिक डिज़ाइन का समर्थन करने के उद्देश्य से। वीएचडीएल से संश्लेषण प्रवाह में रखे गए, एसटीजी और पेट्री नेट को सहायक दिखाया गया है, और इसी तरह वेरिलॉग के साथ, जहां एक उपकरण VERISYN विकसित किया गया था। हाल ही में एसटीजी को ऐसे नोटेशन के साथ जोड़ा गया है जो व्यावहारिक हार्डवेयर डिजाइनरों के लिए आसान माना जाता है, इसलिए तरंग-संक्रमण ग्राफ़ (डब्ल्यूटीजी) के मॉडल का उद्भव हुआ। इसी तरह, यह महसूस करते हुए कि डिजाइनरों के लिए परिमित राज्य मशीन (एफएसएम) के मॉडल को संभालना आसान हो सकता है, उदाहरण के लिए, पेट्री नेट या एसटीजी, बर्स्ट मोड एफएसएम के साथ एक लिंक एक फ्रंट-एंड के रूप में विकसित किया गया है।

विश्लेषण विधियाँ
फिलहाल, अतुल्यकालिक सर्किट के विश्लेषण और संश्लेषण के लिए यकीनन सबसे कुशल तरीके पेट्री नेट खुलासा पर आधारित हैं - इनका अध्ययन विक्टर खोमेंको ने अपनी पीएचडी थीसिस में किया था। इन्हें वर्कक्राफ्ट के तहत क्रियान्वित किया जाता है।

एसिंक्रोनस सर्किट के पेट्री नेट मॉडल के कुछ उपवर्गों के प्रदर्शन विश्लेषण की जांच ऐगुओ ज़ी और पीटर बीरेल द्वारा की गई है।

अतुल्यकालिक सर्किट संश्लेषण
एसटीजी विनिर्देश से अतुल्यकालिक सर्किट के संश्लेषण में विभिन्न समस्याओं की जांच की गई है। उनके वर्गीकरण का एक तरीका एसटीजी विनिर्देश के राज्य स्थान का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किए जाने वाले विश्लेषण दृष्टिकोण पर आधारित है, जैसे स्पष्ट राज्य स्थान, अंतर्निहित पेट्री नेट का खुलासा, पेट्री नेट का संरचनात्मक विश्लेषण और प्रत्यक्ष मानचित्रण (वाक्यविन्यास-प्रत्यक्ष अनुवाद) ) एसटीजी का. ये दृष्टिकोण आमतौर पर संश्लेषण के एल्गोरिदम की जटिलता से जुड़े होते हैं और इसलिए, उपकरणों के रन-टाइम से जुड़े होते हैं। दूसरी ओर, इनमें से कुछ तकनीकें पेट्री नेट के वर्ग पर कुछ बाधाएँ लगाती हैं। उदाहरण के लिए, स्पष्ट राज्य अंतरिक्ष आधारित विधियां आम तौर पर एक मनमाना पेट्री नेट प्रकार के लिए काम करती हैं, जबकि कुछ संरचनात्मक तरीकों के लिए आवश्यक है कि अंतर्निहित पेट्री नेट एक चिह्नित ग्राफ़ या एक फ्री-चॉइस नेट हो।

पूर्ण राज्य कोडिंग समस्या
सर्किट कार्यान्वयन के संश्लेषण में प्रमुख प्रसिद्ध समस्याओं में से एक पूर्ण राज्य कोडिंग (सीएससी) है। इस समस्या से निपटने के लिए विभिन्न तरीके विकसित किये गये हैं। सीएससी संतुष्टि के लिए विश्लेषण करने का एक विशेष रूप से मूल तरीका युग्मित संबंध या, समकक्ष, लॉक रिलेशन की धारणा पर आधारित है, जिसे एलेक्स याकोवलेव द्वारा स्वतंत्र रूप से विकसित किया गया है।  और पीटर वानबेकबर्गेन।  एक अन्य विधि ने क्षेत्रों के सिद्धांत का शोषण किया जो पेट्री नेट के तत्वों को राज्य ग्राफ़ में राज्यों के क्षेत्रों से जोड़ता है। आंशिक ऑर्डर और पेट्री नेट अनफोल्डिंग के आधार पर सीएससी का पता लगाने और रिज़ॉल्यूशन के लिए संश्लेषण विधियां एलेक्स सेमेनोव द्वारा विकसित की गई हैं और विटस्टोर खोमेंको। इन विधियों ने सीएससी कोर के आधार पर सीएससी समस्याओं के प्रभावी विज़ुअलाइज़ेशन के लिए एक विधि को औपचारिक बनाने और कार्यान्वित करने में मदद की है, वर्कक्राफ्ट में लागू किया गया।

एसटीजी-आधारित संश्लेषण के लिए संरचनात्मक एन्कोडिंग विधियाँ जोसेप कार्मोना द्वारा विकसित की गई हैं।

प्रतिबंधित तर्क आधारों में संश्लेषण
गति स्वतंत्र |स्पीड-इंडिपेंडेंट (या समतुल्य अर्ध-विलंब-असंवेदनशील सर्किट|अर्ध-विलंब-असंवेदनशील - क्यूडीआई) सर्किट के संश्लेषण में एक महत्वपूर्ण समस्या प्रतिबंधित तार्किक आधार के भीतर संश्लेषण है, उदाहरण के लिए, केवल प्रतिबंधित आधार लॉजिक गेट्स का उपयोग करना जैसे और और या - उदाहरण के लिए, एलेक्स याकोवलेव का काम देखें, जहां कार्यान्वयन में जोखिम-मुक्ति सुनिश्चित करने के लिए ई (उत्तेजना)-स्थिरता की स्थिति पेश की गई थी, जिसमें उत्तेजना कार्यों के लिए दो-स्तरीय सम-ऑफ-प्रोडक्ट्स (एसओपी) तर्क और किसी दिए गए एसटीजी के मुख्य आउटपुट संकेतों के लिए एसआर-लैच शामिल थे। विशिष्टता. बाद में, एलेक्स कोंडरायेव एट अल का काम इस स्थिति को मोनोटोनिक कवर की धारणा में सामान्यीकृत किया गया, जिसका एहसास सॉफ्टवेयर टूल्स में हुआ। नकारात्मक गेट बेस, NAND और NOR में संश्लेषण की समस्या अधिक चुनौतीपूर्ण है। इसके लिए कई तरीके विकसित किए गए हैं, जिनका नेतृत्व ज्यादातर निकोले स्ट्रोडौबत्सेव ने किया है।

संश्लेषण के लिए एसटीजी का अपघटन
बड़े आकार के एसटीजी के लिए संश्लेषण की स्केलेबिलिटी की समस्या, और राज्य अंतरिक्ष विस्फोट को कम करने की आवश्यकता को अंतर्निहित पेट्री नेट के संरचनात्मक गुणों के संबंध में एसटीजी के संकुचन के आधार पर तरीकों से निपटाया गया है - जैसे कि फ्री-चॉइस पेट्री नेट को विभाजित करने के तरीके राज्य मशीनों या चिह्नित ग्राफ़ में - साथ ही फैन-इन सिग्नल सबसेट (सिग्नल के लिए ट्रिगर इवेंट)। स्केलेबिलिटी से निपटने का एक अन्य तरीका एसटीजी की एसिंक्रोनस सर्किट में सीधी मैपिंग के माध्यम से है जिसकी जांच डैनिल सोकोलोव द्वारा की गई है।

मध्यस्थता के साथ एसटीजी से संश्लेषण
एक विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण समस्या मध्यस्थों के लिए अतुल्यकालिक सर्किट को स्वचालित रूप से संश्लेषित करना है, क्योंकि उनके एसटीजी विनिर्देश में उनके अंतर्निहित पेट्री नेट में व्यवहारिक संघर्ष शामिल होंगे। व्यवहार संबंधी संघर्ष ऐसे परिवर्तनों के अस्तित्व को दर्शाते हैं जो गैर-निरंतर हैं। सामान्य तौर पर, ऐसे एसटीजी के तर्क आधारित कार्यान्वयन से सर्किट खतरों से ग्रस्त हो जाएगा। मूल विनिर्देश को संरक्षित करते हुए पारस्परिक बहिष्करण सिग्नल संक्रमणों की अर्ध-स्वचालित प्रविष्टि जैसी विशेष तकनीकें विकसित की गई हैं और वर्कक्राफ्ट में लागू किया गया।

अग्रिम पठन

 * Newcastle University Asynchronous Design Group page
 * Group on Algorithms for VLSI Design Automation page
 * Hardware Design and Petri nets, Ed: A. Yakovlev, L. Lavagno and L. Gomes, Springer, 2002