Резервированная система

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ РСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физический институт(56) . Авторское во СССР У 605217, кл. С О 976.2. Авторское с СССР В 478460, кл, С 0 973 (нрототип).(54)(57) РЕЗЕРВИРОВАИНАЯ СИСТЕМА, со" держащая и резервируемых блоков, и блоков обмена, три блока сравнения,омажоритарный блок, счетчик числа от" казавших блоков, первую группу элементов ИЛИ и счетчик сбоев причем адресный выход 1,"го (з. -" 1,и) резер" вируемого блока соединен с информационным входом д-го блока обмена, вход синхронизации которого соединен с выходом импульсов синхронизации 1 го резервируемого блока, выход -го блока обмена подключен к адресному ходом импульсов синхронизации х-га резервируемого блока, выход ь-го ны к информационным входам резервируемых блоков и первой группе входов первого, второго и третьего блоков сравнения, выходы элементов. ИЛИ первой группы подключены к информационным входам счетчика числа отказавших блоков, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью упрощения системы, внее введены три коммутатора, три регистра управления коммутаторами, три элемента задержки, четыре элемента И, шесть групп элементов И, вторая группа элементов ИЛИ, дешифратор номера отказавшего блока и два элемента ИЛИ, причем информационные входы д- го (1. 1,п) резервируемого блока соединены с -ми группами информационных входов коммутаторов, выходы первого коммутатора соединены с второй группой входов первого блока сравнения и первыми входами мажори" тарного блока, выходы второго коммутатора соединены с второй группой входов второго блока сравнения и с вторыми входами мажоритарного блока, выходы третьего коммутатора соединены с второй группой входов третьего блока сравнения и третьими входами мажоритарного блока, выходы первого, второго и третьего блоков сравнения соединены с первыми входами первого, второго и третьего элементов И сост- д ветственно, к вторым входам этих элементов подключен выход переполнения счетчика сбоев, выходы первого юр второго и третьего элементов И соединены через первый, второй и третий элемент задержки с входами синхро- ф низации регистров управления первым, вторым и третьим коммутаторами соот ветственно, выходы этих регистровмф подключены к входам управления соответств;чощих коммутаторов н к первым входам элементов И первой, второй, третьей, четвертой, пятой и шестой группы соответственно, выходы элемен- файф тов И четвертой, пятой и шестой группы подключены к первым, вторым и . третьим входам соответственно элементов ИЛИ первой группы, выходы элементов И первой, второй и третьей группы подключены к первым, вторым итретьим входам соответственно элементов ИЛИ Второй группы, выходы ко-. торых соединены с входами дешифратора номера отказавшего блока, выходы которого подключены к входам разрешения передачи адреса соответствующих блоков обмена, информационные вьгходы счетчика числа отказавших бло ,1 ков подключены к информационным входам регистров управления первым, вто рым и третьим коммутатором, выход. переполнения счетчика числа отказавших блоков соединен с.управляющим входом этого счетчика и с первым вхо дом первого элемента ИЛИ, Выход ко-. тарога соединен с Входом синхронизя ции этого счетчика, второй вход первого элемента ИЛИ соединен с Выходам переполнения счетчика сбоев, первый, второй и третий входы второго элемента ИЛИ соединены с Выходами первого,ВторОГО и третьего блоков срЯВненпяСООТВЕТСТт 3 сцто ВЫХОД ВТОроГО ЭЛЕмента ИЛИ соединен с первым входомчетвертОГо элемента И и с ВХОДОМсброса счетчика сбоев, выход четверТОГО элемента И саеДинен с счетнымВходом счетчика сбоев, Второй Входчетвертога элемента И соединен с выходом импульсов синхронизации резервируеьтых блоков, Вьвсодьт первого,второго и третьего блоков сравнениясоединецы с вторыми Входами элементовИ первой, второй и третьей Группы,Втьгход первого элемента И соединен сВторыми входами элементов И пятойгругппл, Выход второго элементаИ соединен с вторыми Входямэлементов И шестой Групы, выход третьего элемента И соединен с вторыми входами элементовИ четвертои ГОтпптт1Изобретение относится к цифровойВычислительной технике и мажет бытьиспользовано для построения вычислительных систем повышенной надежности,Известно устройство, содержащеекоммутаторы, регистры фиксации резервных блоков, элементы И, ИЛИ,регистры управления, блок управления,регистры готовности и элементы НЕ ссоответствующими связями )1,Недостатком этого устройства является то, что в нем можно применятьтолько трехкратное резервирование,Наиболее близким техническим решением является резервированная вычислительная система, содержащая иоднородньпс ЭВМ, мажоритарный блок,и групп элементов И блокировки выходов ЭВМ, и схем сравнения, и счетчиков сбоев, элемент ИЛИ, коммутатор, у 0счетчик числа отказавших ЭВМ, двегруппы элементов И, п блоков, обмена,и группу элементов ИЛИ, причем вььходы1-й а=1,п ЭВМ подключены к первымвходам элементов И блокировки выходов 5ЭВМ 1-й группы и -м входом коммутатора, выходы мажоритарного блока под"ключены к первым входам элементов ИПервой группы, выходы которых соединены с первыми входаМи схем сравненияз,тЦтЯМЫЕ ВЫХОДЫ КОТОРЬГХ ПОДКЛЮЧЕНЫ Квходам сброся соответствующих счетчиков сбоев, Я инверсные - к счетнымвходам этих .счетчиков и Входам разрешсния обмена блоков обмена, и 1 версныг Выходы переполпенпя 1 х 1=1,Г;счетчиков сбоев подключены кс вторымвходам элсментоь блокировки выходовЗВМ З.-х групп я прямые выходы переполнения счетчиков сбоев подключенык .-м Входам элемента ИЛИ, выха- которОГО подключен к счетному Входусчетчика числа ОткЯзавших ЭВМ ВыхОДыкоммутатора соединены с первыми входами элементов И второй группы, вы -ходы которых подключены к вторымвходам элементов ИЛИ группы, Выходыкоторой являются выходами системы,инверсный Выход переполнения счетчикачисла отказавших ЭВМ соеттнн";т с Вта-рыщи Входами элементов И первой группы: а прямой - с Вторыми входамиэлементов И второй группы, Выходыэлементов И первой группы саедиченыс информационными входами блоковобмена., выходы элементов И блокировки Выходом ЗВМ 1-й 1.Г,пгруппы соединены с -щ входами мажоритарных элементов группытЛоз089Недостатком этой системы является большой объем аппаратных затрат,а следовательно, ее сложность,Цель изобретения - упрощениерезервированной системы.Поставленная цель достигаетсятем, что в резервированную систему,содержащую и резервируемых блоков,п блоков обмена, три блока срав-,нения, мажоритарный блок, счет-,О:чик числа отказавших блоков,первую группу элементов ИЛИ и счетчик сбоев, причем адресный выход-го 1=1,п) резервируемого блокасоединен с информационным входом1-го блока. обмена, вход синхронизации которого соединен с выходомимпульсов синхронизации -го резервируемого блока, выход 1-гоблока обмена подключен к адресномувходу д-го резервируемого блока,выходы мажоритарного блока подключены к информационным входам резервируемых блоков и первой группывходов первого, второго и третьегоблоков сравнения, выходы элементовИЛИ первой группы подключены к информационным входам счетчика числаотказавших блоков, введены три коммутатора, три регистра управлениякоммутаторами, три элемента задержкичетыре элемента И, шесть групп элементов И, вторая группа элементовИЛИ, дешифратор номера отказавшегоблока и два элемента ИЛИ, причеминформационные выходы 1-го =1,п 5резервируемого блока соединены с-ми группами информационных входовкоммутаторов, выходы первого коммута.тора соединены с второй группой входов первого блока сравнения и первыми входами мажоритарного блока,выходы второго коммутатора соединеныс второй группой входов второго блока сравнения и с вторыми входамимажоритарного блока, выходы третьегокоммутатора соединены с второй группой входов третьего блока сравненияи третьими входами мажоритарногоблока, выходы первого, второго итретьего блоков сравнения соединены сЫс первыми входами первого, второгои третьего элементов И соответственнак вторым входам этих элементов под"ключен выход переполнения счетчикасбоев, выходы первого, второго и 55третьего элементов И соединены черезпервый, второй и третий элемент задержки соответственно с входами 7 4синхронизации регистров управленияпервым, вторым и третьим коммутаторами соответственно, выходы этихрегистров подключены к входам управления соответствующих коммутаторов ик первым входам элементов И первой,второй, третьей, четвертой, пятой ишестой группы соответственно, выходыэлементов И четвертой, пятой и шестойгруппы подключены к первым, вторыми третьим входам соответственно элементов ИЛИ первой группы, выходыэлементов И первой, второй и третьейгруппы подключены к первым, вторыми третьим входам соответственно элементов ИЛИ второй группы, выходыкоторых соединены с входами дешифра.тора номера отказавшего блока, выходыкоторого подключены к входам разрешения передачи адреса соответствую-щих блоков обмена, информационныевыходы счетчика числа отказавших блоков подключены к информационным входам регистров управления первым,вторым и третьим коммутатором,- выходпереполнения счетчика числа отказавших блоков соединен с управляющимвходом этого счетчика и первым входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом синхронизацииэтого счетчика, второй вход первогоэлемента ИЛИ соединен с выходом переполнения счетчика сбоев, первый, второй и третий выходы второго элементаИЛИ соединены с выходами первого,второго, третьего блока сравнениясоответственно, выход второго элемента ИЛИ соединен с первым входомчетвертого элемента И и с входомсброса счетчика сбоев, выход четвертого элементасоединен с счетнымвходом счетчика сбоев, второй входчетвертого элемента И соединен свыходом импульсов синхронизации ре-.зервируемых блоков, выходы первого,второго и третьего блока сравнениясоединены с вторыми входами элементов И первой, второй и третьей группы,выход первого элемента И соединен свторыми входами элементов И пятойгруппы, выход второго элемента Исоединен с вторыми входами элементовИ шестой группы, выход третьего элемента И соединен с вторыми входамиэлементов И четвертой группы,На чертеже приведена структурная схема резервированной системы из и резервируемых блоков (под резервируе. мым блоком в данном случае предпала 1089771гается достаточно сложное вычислительное устройство, содержащее элементы памяти; для определенности будемсчитать, что этим блоком является ЭВМ),Резервированная система содержитрезервируемые блоки11 п, блоки21. 21 обмена, первый, второй итретий блоки 3-5 сравнения, соответственно мажоритарный блок 6, счетчик7 числа отказавших блоков, первую . Огруппу 8 элементов ИЛИ, счетчик 9.сбоев, первый, второй и третий коммутаторы 10-12 соответственно, регистры .13-15 управления первым, вторым итретьим коммутаторами соответственно, 5первый, второй и третий элементы16-8 задержки соответственно, первый, второй и третий элементы И 1921 соответственно, первую-шестуюгруппу элементов И 22-27, вторую 20группу элементов ИЛИ 28, дешифратор29 номера отказавшего блока, первыйи второй элементы ИЛИ ЗО и 31 соответственно, четвертый элемент 32 И,выход устройства 33Кроме того, блок 252 обмена содержит регистр 34 адресавыдаваемых данных и группу 35 элементов И.В начальный момент в регистр 13загружается 1, в регистр 14 - 2, в Зорегистр 12 - 3; при этом на выходепервого коммутатора 10 появляетсяинформация с выходной шины первогорезервируемого блока 1, на выходевторого коммутатора 1 - второгорезервируемого блока 1,на выходетретьего коммутатора 12 " третьегорезервируемого блока 15 В счетчикчисла. отказавших блоков загружаетсячисло 3. Счетчик 9 сбоев устанавливается в ноль,Предполагается, что все резервируемые блоки работают синхронно и решают одну и ту же задачу, При отсутствии отказов и сбоев в резервируемых45блоках 11, 12 и 1 они выдают одинаковую информацию на входы коммутаторов 10-12, которая с выходов этихкоммутаторов подается на выходы мажоритарного блока 6. Количество мажоритарных элементов в блоке 6 равно50разрядности выходных информационныхшин резервируемых блоков, К входамкаждого мажоритарного элемента под"ключены одноименные разряды выходовкоммутаторов 10-12. Мажоритарныеэлементы осуществляют голосованиепо принципу 2 из 3, Информация с вы"ходов мажоритарных элементов блока б является выходной информацией резервированной системы,Ошибка в резервируемом блоке определяется путем сравнения информацииего выхода с восстановленной инФормацией с выхода блока 6, Приошибке в одном из блоков 1 впояв"3ляется сигнал несовпадения на выходесоответствующего блока 3-5 сравнения.На выходе элемента 31 ИЛИ при этомпоявляется единичный сигнал, которыйподается на первый вход элемента32 И и разрешает прохождение тактового кчпульса на счетный вход счетчика 9, содержимое которого при этомувеличивается на единицу. Алгоритмразличения отказов и сбоев в предлагаемой системе такой же, как и впрототипе, Если ошибка в резервируемом блоке повторяется ш раз подряд,то считается, что он отказал, и онотключается; если ошибка повториласьменьше, чем т раз, то считается, чтоимел место сбой и отключение резервируемого блока не производится.В предлагаемой резервированнойсистеме данный алгоритм реализованследующим образом.При повторении ошибок в резервиру.емом блоке содержимое счетчика 9сбоев увеличивается, если все каналывыдают верную информацию, то на выходе элемента 31 ИЛИ появится О, который подается на вход установки в нольсчетчика 9 и обнуляет его. Разрядностьсчетчика 9 выбрана таким образом,чтобы при достижении им состояния швозникал, сигнал переполнения. Выходысхем сравнения 3-5 подключены к первым входам группы 22-24 элементов Исоответственно, При возникновениисигнала несовпадения на выходе одногоиэ блоков сравнения этот сигнал разрешает прохождение через соответствующую группу 22-24 элементов ИЛИ номера резервируемого блока, в которомпроизошла ошибка, Этот номер подаетсяна входы второй группы 28 элементовИЛИ и свыходов этой группы на входыдешифратора 29, на одном из выходовкоторого, соответствующем сбившемусярезервируемому блоку, появляетсяединичный сигнал, который поступаетв соответствующий блок обмена и разрешает передачу адреса ячейки памяти,из которой был выдан неверный код,через группу 35 элементов И в резервируемый блок. Этот адрес записывается в регистр 34 блока 2 в каждом10897 40 7такте работы системы. Код адреса по-. ступает с соответствующего выхода резервируемого блока на информационные входы регистра 34, На вход синхронизации этого регистра подаются тактовые импульсы, которые указывают, что произошла выдача информации на информационные выходы резервируемого блока, Эти же импульсы поступают на второй вход элемента 32 И. После того 0 как произошел сбой по адресу, принимаемому резервируемым блоком из соответствующего блока обмена, записывается восстановленная информация, которая снимается с выходов 33 мажоритарного блока Ь.Таким образом, в предлагаемой резервированной системе реализован тот же алгоритм восстановления при сбое, что и в прототипе. 20Если ошибка на выходе какого-либо резервируемого блока повторится более ш раз, то возникает сигнал переполнения счетчика 9, Этот сигнал проходит через элемент 30 ИЛИ на счетный вход счет чика 7 и увеличивает его содержимое на единицу. Кроме того, сигнал переполнения счетчика 9 поступает на вторые входы элементов 19-21 И, на первые входы которых подается сигнал с выхода блока сравнения 3-5 соответственно. При этом на выходе элементов И, который соответствует отказавшему резервируемому блоку, появляется единичный сигнал, Этот сигнал проходит через соответствующий элемент задержки и подается на, вход синхронизации подключенного к этому элементу задержки регистра. На информационные входы регистров 13-15 подается содержимое счетчика 7, а записывается оно в тот регистр, на вход синхронизации которого пришел синхроимпульс, т.е. в регистр, который соответствует отказавшему резервируемому блоку, при этом на выход коммутатора, соединенного с этим регистром, коммутируется информация из резервируемого блока, номер которого содержится в счетчике 7, т.е. отказавший резервируемый блок заменяется на новый. Система продолжает отключать отказавшие резервируемые блоки до тех пор, пока не останется два исправных резервируемых блока. Разрядность счетчика 7 выбрана таким образом, чтобы при достижении им состояния ивозникал сигнал переполнения. Этот сигнал поступает 1 8на управляющий вход счетчика 7 и переводит его из счетного режима врежж приема информации с информационных шин счетчика, которые соединены с элементами 8 ИЛИ первой группы,При этом на информационные входысчетчиков 7 через элементы 8 и однуиз групп 25,26 или 27 элементов Иподается номер одного из исправныхрезервируемых блоков,Этот номер выбирается следующимобразом, Если отказал резервируемыйблок, коммутируемьп первым коммутатором 10, то в счетчике 7 записывается номер резервируемого блока,коммутируемого вторым коммутатором1. Если отказал резервируемый блок,коммутируемый вторым коммутаторОм1, то в счетчике 7 записывается номер резервируемого блока, коммутируемого Третьим коммутатором 12. Еслиотказал резервируемый блок, коммутируемый третьим коммутатором 12, то всчетчик 7 записывается номер резервируемого блока, коммутируемого первымкоммутатором 10, Запись в счетчике 7производится по сигналу его переполнения, которьп проходит через элемент30 ИЛИ, Т.е. в двух из трех регистров .3-15 окажутся одинаковые номераканалов, следовательно, на выходемажоритарного блока 6 будет повторять.ся информация из резервируемого блока, номер которого хранится в двухрегистрах управления коммутаторами,Величина задержки в элементах задержки 16-8 выбрана таким образом, чтобысинхросигнал на регистры 13-15 поступал после того, как счетчик 7 выдастсигнал переполнения, изменит режимсвоей работы, и примет информацию сэлементов 8 ИЛИ.Сравним предложенную резервирован" ную систему и устройство-прототип.Для определенности рассмотрим восьмикратное резервирование. В известном устройстве реализован алгоритм, когда в формировании выходной информации участвует информация иэ всех резервируемых блоков. В этом случае наиболее просто реализуется голосование, когда значение порога на единицу меньше числа исправных резервируемых блоков, тогда устройство-прототип работает следующим образом:7 из 8 виз 7 - ф 5 из 6-ф. 4 из 5 - ф 3 из 4 - ф. 2 из 3 -1. В предложенной системе алгоритм адаптации следующий: 2 иэ 3 + 5 в -2 из 3 + 4 в "2108977 Таблица 1 подсчета числа отЭлементыИ двухи вяодовыеК 155 ЛИ 1 Коммутатордляп=4155 КП 2 Мажоритар"ньй блок55 ЛАЗ55 ЛА 1155 ЛА 2 Блоки Счетчикисбоев155 ИЕ 5 ЭлементИЛИ счисломвходовравнымп178 ЛИ 2 сравнения155 ИПЗ каэав -ших ЭВМ для ос- тальных 155 ИЕ 5 155 КП 7 94 50 64 8 20 из 3 + 3 2 из 3 + 2 - ф 2 из 3 +-ф. +2 иэ З-ф.Если пренебречь кратными ошибками, то с точки зрения надежности зти .алгоритмы эквивалентны. Под кратной 5 ошибкой и данном случае понимается отказ или сбой, которые имеют место, в резервируемом блоке, в то время как уже есть отказавший, но не отключенный резервируемый блок, Так как 1 О отказавшим считается блок, который выдал ошибку 2-3 раза подряц, то время, затрачиваемое на отключение отказавшего блока, очень мало, а веро ятность кратной ошибки на несколько 5 порядков ниже вероятности одиночной ошибки, Поэтому отбрасывание кратных ошибок не накладывает сколько-нибудь существенных ограничений на область применения предлагаемой резервиро ванной системы. В то же время в предлагаемой системе используются мажоритарные элементы, работающие по принципу 2 иэ 3, т.е. наиболее простые, тогда как в известном устройстве 25 для рассматриваемого случая необходим мажоритарный элемент, работающий по принципу "7 из 8", т.е. более сложный.В известном устройстве для каждого резервируемого блока используется отдельный счетчик сбоев, их общее число равно и-кратности реэервирова ния. Так как кратные ошибки мало вероятны, то количество этих счетчиков является избыточным. Фактически во времени эти счетчики используются последовательно. Поэтому в предлагаемой системе счетчик сбоев всего один,Сравним аппаратные затраты, необходимые для реализации устройства- прототипа и предлагаемой вычислительной системы. Рассмотрим случаи и= =4,5,6,7 и 8Предположим, что резервируемые блоки выдают 8-ми разрядные слова. Лпгаратные.затраты (в корпусах ИС) на реализацию известного устройства показаны в табл., а на реализа" цню предложенной резервируемой системы - в табл,2.В предлагаемой резервированной системе обеспечивается значительное сокращение аппаратных затрат,7 1 13 8 1 1261089771 Таблица 2 Крат- ность Блоки Дешифратор155 ИДЗ четчетиксбоев155 ИЕ 5 сравнения155 ИПЗ ик резервирования 9 6 4 2 6 3 12Л 37 24 3 54 3 НЯЩЩ Заказ 2955/55 Тираж 783 Подписно атентф, г.Ужгород, ул.Проектная, 4 Двухвходовыеэлементы ИК 155 ЛИ 1 6 6 7 6 8 6 ЭлементыИЛИ176ЛЕ 10 Мажоритарныйблок155 ЛА155 ЛА Коммутаторыдляп=4155 ИПЗ 6 24 6 24 6 24 ислатказавших блоков 155ИЕ 5 Регистры управления коммут