Резервируемое устройство

/20, опублик. 1984. н И.Б; Основы эксгоатомиздат, 1988,ЙСТВОобласти циф УС тс ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относи Изобретение относится к цифровой вычислительной технике и автоматике и может быть использовано при построении высоконадежных устройств на основе однотипных резервируемых блоков.Известно устройство для контроля вычислительных машин, содержащее два резервируемых блока, элемент сравнения, триггер, коммутатор, элементы И, ИЛИ.Недостатком указанного устройства является низкая надежность, обусловленная наличием лишь двух резервируемых блоков, и, как следствие, невозможность обеспечения работоспособности при двух отказах,Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство, содержащее первый-четвертый резервируемые блоки, первый и второй элементы сравнения, коммутатор, причем выход первого резервируровои вычислительной техники и может быть использовано при построении высоконадежных устройств на основе однотипных резервируемых блоков. Цель изобретения - повышение надежности устройства путем перехода исходной "ЯТВАТОЯ"-структуры в структуру "2 из 3" при отказе первого резервируемого блока, переход структуры "2 из 3" к дублированной структуре при отказе второго резервируемого блока. Цель изобретения достигается введением узла задания конфигурации, выходного регистра, регистра состояния, счетчика, выходного коммутатора, четырех коммутаторов сравнения, триггера, первого и второго элементов ИЛИ, первого и второго элементов И, 3 ил. емого блока соединен с первым входом первого элемента сравнения, выход которого соединен с первым управляющим входом с 1 коммутатора, выход которого является вы- Сд ходом данных устройства, выход второго ре-1 Я зервируемого блока соединен с первым (Л входом второго элемента сравнения, выход с) которого соединен с вторым управляющим входом коммутатора, выход третьего резервируемого блока соединен с вторым входом первого элемента сравнения и первым информационным входом коммутатора, выход четвертого резервируемого блока соединен с вторым входом второго элемента сравнения и вторым информационным входом коммутатора.Недостатком известного устройства является низкая надежность, обусловленная тем, что неисправность двух резервируемых блоков, выходы которых контролируютсяоазличными схемами сравнения, приводит к отказу устройства в целом. так как отсутствует возможность поиска и выбора другой ных резервируемых блоков.Цель изобретения - повышение надежности устройства путем обеспечения перехода исходной "5 ТВАТОЯ"-структуры в структуру "2 из 3" при отказе первого резервируемого блока, перехода структуры "2 из 3" к дублированной структуре при отказе второго резервируемого блока,Сущность изобретения состоит в увели 10 15 чении надежности путем организации возможности функционирования устройства как "ЯТВАТОГ-структуры при отсутствии отказавших резервируемых блоков; обеспечения возможности маскирования первого отказавшего блока на основе "БТВАТО 5"20 структуры и переход после этого к структуре "2 из 3", используя оставшиеся три исправных блока, обеспечивая маскирования второго отказавшего блока. на основе алгоритма "2 из 3" и переход после этого к дублированной структуре, которая обеспечивает работоспособное состояние устройства в целом до отказа третьего резервируемого блока из четырех. Введение коммутаторов сравнения и 30 обусловленных ими связей позволяет коммутировать на каждый вход каждого элемента сравнения выход одного из двух резервируемых блоков,Введение регистра состояния и обус 35 ловленных им связей необходимо для запоминания структуры, реализуемой в данныймомент времени: "ЯТВАТОЯ", "2 из 3" или "Дублирование", а также для коммутации выхода исправного блока на вход выходно 40 го регистра и коммутации выходов резервируемых блоков на соответствующий вход элемента сравнения в зависимости от реализуемой структуры,Узел задания конфигурации и обуслов 45 ленные им связи необходимы для того, чтобы выдавать соответствующие управляющие сигналы на вход регистра состояния в зависимости от состояния (исп равен-неисправен) резервируемых блоков.Первый и второй элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, триггер, счетчик и обусловленные ими связи необходимы для формирования сигнала о ложном определе 50 нии отказавшего блска при работе устрой ства по алгоритму "ЯТВАТОГ-структуры,На фиг. 1 представлена функциональная схема резервируемого устройства; на фиг. 2 - таблица соответствия входов-выходов узла задания конфигурации и коммента 55 двухканальной работоспособной конфигурации, составленной иэ оставшихся исправ рии по каждому состоянию; на фиг. 3 - временная диаграмма работы устройства.Устройство содержит первый-четвертый резервируемые блоки 1 - 4, узел 5 задания конфигурации, выходной регистр б, рбгиСтр 7 СОСтаяния, СчЕтчик 8, выхаднОй коммутатор 9, первый коммутатор 10 сравнения, второй коммутатор 11 сравнения, третий коммутатор 12 сравнения, четвертый коммутатор 13 сравнения, первый элемент 14 сравнения, второй элемент 15 сравнения, триггер 16, первый элемен; ИЛИ 17, второй элемент ИЛИ 18, второй элемент И 19, первый элемент И 20, вход 21 синхронизации резервируемых блоков устройства, вход 22 синхронизации контроля устройства, вход 23 синхронизации данных устройства, выход 24 данных устройства, выход 25 состояния первого резервируемого блока устройства, выход 26 состояния второго резервируемого блока устройства, выход 27 состояния третьего резервируемого блока устройства, выход 28 состояния четвертого резервируемого блока устройства, выход 29 "Отказ системы" устройства.Первый 1 - четвертый 4 резервируемые блоки предназначены для синхронной выдачи требуемых данных по тактовым импульсам, поступающих с первого входа синхронизации устройства, В случае исправности блоков данные на их входах идентичны,Узел 5 задания конфигурации предназначен для выработки управляющих воздействий, управляющих работой схемы, в зависимости от исправности (или неисправности) того или иного резервируемого блока, Он может быть выполнен в виде ПЗУ на основе микросхемы, например, РТ 416, РЕ 149 и др, серий 155, 500 (таблица кодирования приведена на фиг, 2).Выходной регистр 6 предназначен для временного хранения выдаваемых устройством данных, регистр 7 состояния - для хранения управляющих сигналов, выдаваемых узлом 5 задания конфигурации, счетчик 8 - для отсчета времени, в течение которого может быть выдан сигнал о ложном определении отказавшего блока при появлении первого отказа в системе, выходной коммутатор 9 - для коммутации выходов любого из резервируемых блоков на информационный вход выходного регистра б. Коммутаторы 10-13 сравнения предназначены для коммутации соответственно на входы первого 14 и второго 15 элементов сравнения выходов первого 1 или третьего 3. второго 2 или четвертого 4, третьего 3 или второго 2, четвертого 4 или первого 1 резервируемых блоков в зависимости от сигналов, поступающих на их адресные входы,Первый 14 и второй 15 элементы сравнения предназначены для выявления наличия отказов в резервируемых блоках путемсравнения данных на их выхбдах.Элемент ИЛИ 18 и триггер 16 предназначены для запуска счетчика 8 после появления первого отказавшего блока.Кроме того, элемент ИЛИ 18 и элементыИЛИ 17 и И 20 предназначены для формирования сигнала о ложном определениипервого отказавшего резервируемого блока,Элемент И 19 предназначен для установки счетчика в состояние, при которомтолько старший (К-й) разряд находится вединичном состоянии, а остальные - в нулевом, в случае появления сигнала о ложномопределении отказавшего блока, Тем самым исключается возможность повторногопоявления этого сигнала, так как, во-первых, на всех входах элемента ИЛИ 17 находятся нули, что приводит к появлению нуляна выходе элемента И 20, и во-вторых. единица с выхода второго разряда. поступая наинверсный управляющий вход счетчика, исключает возможность изменения его состояния под воздействием тактовыхимпульсов,Устройство работает следующим образом,В исходном состоянии оба регистра 6 и7, счетчик 8 и триггер 16 находятся в нулевом состоянии, т.е, во всех разрядах записаны нули. По первому тактовому импульсу,поступающему на вход 21 синхронизациирезервируемых блоков устройства, все четыре 1-4 резервируемые блоки выдаютданные (фиг, 3), Так как в регистре 7 состояниязаписаны только нули, выходной коммутатор 9 коммутирует на О-вход выходного регистра 6 выход первого резервируемогоблока 1 (фиг. 2), А коммутаторы 10-13 сравнения коммутируют на первый и второй входы элемента 14 сравнения и первый ивторой выходы элемента 15 сравнения выходы. первого.1. второго 2, третьего 3 и четвертого 4 резервируемых блоков (далеепросто блоки) соответственно. Таким образом, происходит попарное сравнение данных с выходом первого и второго, третьегои четвертого блоков ("ЯТВАТОЯ"-структура),В случае. если несовпадение не обнаружено, на выходах элементов сравнения - нули,Таким образом, на всех семи входах узла 5задания конфигурации находятся нулевыепотенциалы: на первом входе - нуль, поступающий с выхода закрытого элемента И 20,на втором и третьем - с выхода элементов10 ной тактовый импульс, поступающий на вход 23 синхронизации данных устройства, запишет данные с выхода первого блока 1 в выходной регистр 6.Данные поступают на 15 выход 24 дан ных устройства. В таком состоянии устройство находится до появления первого отказа одного из блоков.В случае появления отказавшего блока(первый отказ) на выходе первого 14 или 20 второго 15 элементов сравнения появится 25 30 35 50 ным, Если выбор отказавшего блока оказался55 правильным. то единица на выходе элемен 40 45 сравнения, на четвертом - седьмом находятся нули, поступающие с выходов первого-четвертого разрядов регистра 7 состояния. Узел 5 задания конфигурации находится в нулевом состоянии (фиг. 2) в зоне "Все исправно", на его выходах - только нули.По первому тактовому импульсу, поступающему на вход 22 синхронизации контроля устройства, эти нули запишутся в регистр 7 состояния, ничего в нем не меняя. Очередединица. Допустим, отказал первый блок 1 Тогда на выходе первого элемента сравнения появляется единица, которая поступает на третий вход узла 5 задания конфигурации, последний переходит в состояние 2 зоны И "Отказ первого канала" (фиг. 2). На втором и шестом выходах узла 5 задания конфигурации появляются единицы, которые по заднему фронту очередного тактового импульса (фиг, 3), поступающего с входа 22 синхронизации устройства, записываются в первый и пятый разряды регистра 7 состояния. Единица с первого выхода регистра 7 состояния поступает на выход 25 состояния резервируемого устройства, сигнализируя об отказе первого блока 1, Кроме того,.она поступает на адресный вход первого коммутатора 10 сравнения, коммутируя на первый вход первого элемента 14 сравнения вместо выхода первого блока 1 выход третьего блока 3. Единица пятого выхода регистра 7 состояния поступает наадресный вход А 1 выходного коммутатора 9, коммутируя тем самым на 0-вход выходного регистра 6 выход третьего блока 3 (фиг. 2),Выбор первого блока 1 отказавшим сделан условно, так как неизвестно, какой блок из первого канала "ЯТЯАТОЯ"-структуры, состоящий из блоков 1 и 2, отказал. Поэтому на выход устройства коммутируется выход блока,3 из второго канала "ЯТВАТЗЯ"-структуры, который является заведомо исправта 14 сравнения исчезнет и за время Т ни разу не появится, В этом случае к моменту прихода очередного тактового импульса на вход.22 синхронизации контроля устройства единица с третьего выхода узла 5 заданияс входа 22 синхронизации контроля устройства, К моменту прихода очередного импульса с выхода 23 синхронизации данных 50устройства коммутатор 10 сравнения вновь скоммутирует на вход элемента 14 сравнения выход блока 1, оказавшегося исправным, а коммутатор 11 сравнения подключит на второй вход элемента 14 сравнения выход блока 4, отключив отказавший блок 2.Кроме того, единица с выхода элемента И 20 поступает и на вход элемента И 19, на второй вход которого поступают импульсы с входа 23 синхронизации данных устройстконфигурации исчезнет, э появится на четвертом входе, Узел 5 задания конфигурации переходит в режим 5(фиг. 2), комбинация на его выходе не изменяется, Очередной тактовый выход с выхода 22 синхронизации контроля устройства вновь запишет ее в регистр 7 состояния,Если выбор был ошибочным, тоединица на выходе элемента 14 не исчезнет, но это произойдет не в любом случае. Например, если произошел отказ на одном из и-выходов блока типа константного нуля (единицы), то в случае, когда и в "рабочей" информации в этом разряде куль (единица), неисправность проявляться не будет. Тогда устройство будет работать, как описано выше. Но при появлении первого отказа запускается счетчик 8, который отсчитывает время Т, которое выбирается таким, что отказ "проявится". Запуск счетчика 8 осуществляется при появлении первой же единицы на выходе одного из элементов сравнения,Единичный сигнал, пройдя через элемент ИЛИ 18, поступает на 1-вход триггера и по заднему фронту импульса, который записал состояние с узла 5 задания конфигурации в регистр 7 состояния, Триггер 16 переходит в единичное состояние, деблокируя тем самым счетчик 8, Теперь и на его прямой управляющий вход поступает единица; Очередной тактовый импульс с входа 22 переводит этот счетчик в состояние 00.01, на выходе ИЛИ 17 появляется единица, которая с выхода ИЛИ 17 поступает нэ вход И 20, открывая последний, Теперь, в случае, если выбор стказавшего блока был сделан неверно, единица с выхода элемента сравнения (в данном случае с элемента 14 сравнения) поступает через элемент ИЛИ 18 на вход теперь открь 1 того элемента И 20, с выхода которого - на первый вход узла 5 задания конфигурации (состояние 3, фиг, 2), В этом случае единица на первом выходе узла 5 задания конфигурации исчезает, а появляется на втором выходе. Это состояние будет зафиксировано в регистре 7 состояния по очередному тактовому импульсу 5 10 15 20 253035 40 45 вэ, Таким образом, после записи состояния3 в регистр 7 состояния по первому же тактовому импульсу, поступающему с входа 23синхронизации данных устройства, счетчик8 будет переведен в состояние 1000 путемподачи единичного потенциала на его установочные входы ЯК, й(К - 1), , Й 2, Я 1, ВО, темсамым исключается появление единицы навыходе элемента И 20 в дальнейшем, Послеправильного выбора отказавшего блокаединица на выходе элемента 14 сравненияисчезнет. Переход счетчика 8 в состояние1000 означает переход. устройства от"ЯТКАТОГ-структуры к структуре "2 из 3".Аналогичные действия происходят припоявлении единицы при первом отказе навыходе второго элемента 15 сравнения. В,этом случае узел 5 задания конфигурациипереходит в состояния, обьединяемые зоной "Отказ второго канала" (фиг, 2).Переход устройства к структуре "2 из 3"определяется следующим. В устройствеесть три исправных блока, выходы этих блоков контролируются двумя элементамисравнения, причем выход одного из блоковподключен к входам обоих элементов сравнения, Следовательно, контролируя, наличие единицы на выходах этих элементовсравнения, можно однозначно определитьотказавший блок (зона Ь 1 "Второй отказ",фиг. 2),Рассмотрим работу устройства на примере, Пусть первым был признан отказавшим блок 1. Следовательно, к моменту появления второго отказа на выходах элементов 14 и 15 сравнения была следующая комбинация, К входам элемента 14 соавнения были подключены выходы третьего 3 и второго 2 блоков, а к входам элемента 15 сравнения - выходы третьего 3 и четвертого 4 блоков (состояние 5, фиг. 2). Допустим, произошел отказ четвертого блока 4. Тогда нэ выходе второго элемента 15 сравнения появится единица, а на выходе .первого элемента 14 сравнения по-прежнему будет нуль, так как сравнивает он выходы двух исправных блоков 2 и 3. Узел 5 задания конфигурации переходит в состояние 11 (фиг. 2), Это состояние фиксируется в регистре 7 состояния очередным импульсом, поступающим с второго входа 22 синхрони-. зации. Тем самым на О-вход выходного регистра б коммутируется выход исправного блока 3, а на второй вход второго элемента сравнения - выход первого блока 1, Кроме того, узел 5 задания конфигурации переходит в состояние 4 зоны Ч "Дублирование", Устройство перешло к структуре дублирования,Осталось два исправных блока 2 и 3 (для рассматриваемого примера), к входам первого элемента 14 сравнения подключены выходы третьего 3 и второго 2 блоков, а к входам второго элемента 15 сравнения - выходы третьего 3 и первого 1 блоков. Так как к одному из входов второго элемента 15 сравнения подключен выход заведомо неисправного блока, то выход этого элемента сравнения из рассмотрения исключается, он теперь не оказывает влияния не работу узла 5 задания конфигурации, состояния его выхода безразлично (звездочка на фиг. 2),Таким образом, устройство находится в режиме дублирования и гарантировано выдает верные данные на выход 24 данных до возникновения третьего отказавшего блока, Момент возникновения третьего отказа определяется появлением единицы на выходе (для данного примера) первого элемента 14 сравнения. Узел. заданной конфигурации переходит в состояние 30, это состояние фиксируется в регистре 7 состояния, На выходе 0 регистр," состояния появляется единица, которая, поступая на инверсный управляющий вход этого же регистра, блокирует возможностью дальнейшего изменения его состояния и поступает на выход 29 "Отказ системы" устройства, Устройство прекращает дальнейшую работу. В регистре состояния хранится информация о двух точно известных отказавших, блоках, что может пригодиться при необходимости отыскания тертьего отказавшего блока в случае ремонта. При появлении тертьего отказа системе безразлично, такой, выход из блоков 1 - 4 будет скоммутирован на О-вход выходного регистра, так как невозможно точно определить исправный блок.Формула изобретения Резервируемое устройство, содержащее четыре резервируемых блока, два блока сравнения и выходной коммутатор, первый- четвертый информационные входы которого подключены к информационным выходам одноименных резервируемых блоков, входы синхронизации которых подключены к входу синхронизации резервируемых блоковустройства, отл ича ю щеесятем, что, с целью повышения надежности у"тройства, в него введены первый-четвертый коммутаторы сравнения, узел задания конфигурации, выходной регистр, регистр состояния, счетчик времени, триггер запуска, два элемента ИЛИ и два элемента И, причем выход первого элемента И подключен к пер 404550 онного выхода регистра состояния является выходом отказа устройства и подключен к инверсному входу строба регистра состояния, информационный выход выходного коммутатора подключен к одноименному входу выходного регистра, выход которогоявляется информационным входом устройства, информационные выходы первого-четвертого резервируемых блоков подключены к первым информационным входам одноименных коммутаторов сравнения и к вторым информационным входам четвертого,третьего, первого и второго коммутаторовсравнения соответственно, выходы которых подключены соответственно к первому и второму информационным входам второго и первому и второму информационным входам первого блока сравнения. вому входу второго элемента И и к входу восстановления узла задания конфигурации, первый и второй входы которого подключены к выходам одноименных блоков 5 сравнения, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к информационному входу триггера запуска и к первому входу первого элемента 10 И, к второму. входу которого подключен.выход второго элемента ИЛИ. входы которого подключены к информационным выходам счетчика времени, выход переполнения которого подключен к инверсному входу стро ба счетчика времени, к прямому входустроба которого подключен выход триггера запуска, а к входу установки - выход второго элемента И, второй вход которого соединен с входом синхронизации выходного регист ра и подключен к входу синхронизации данных устройства, вход синхронизации контроля устройства соединен с входами синхронизации триггера запуска, счетчика времени и регистра состояния, информаци онный вход которого соединен с информационным выходом узла задания. конфигурации, первый - четвертый разрядыинформационного выхода регистра состояния являются одноименными выходами от каза устройства и подключены куправляющим входам одноименных коммутаторов сравнения и к одноименным входам состояния резервируемых блоков узла задания конфигурации, пятый и шестой разряды 35 информационного выхода регистра состояния подключены соответственно к первому и второму управляющим входам выходного коммутатора, а седьмой разряд информаци, РлаюдгМ ЮУ ЬФ Я Г 1%Т 1 5 Ф Ю 26 7 ОО 0 111 О 011 0 0110 801 0111 ОО 0 1110 О 01О 00 О 10 1010 001 0111 0111 00300 О 01 1 ОО 0 О 1 0 1 О 1 0В 11 0 О 00 о 10 0110 0 00 1 110 ОО 1 0111 О0 0110 00 110 ОО О 1 0101100 1 1 а ОО О дтк 1+2 ахи, 1 ф Ф ода /+/ О/УИ Гф 1 пл 7 к, 2+3 пюи. г+4 ии. 51 ахи 3+4 ото ХГ паж 4 Я ии 43 и/щ, 411732505 н Составитель В,ЛитвиненТехред М.Моргентал дактор Н,Тупи ректор М.Максимишин Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина аказ 1591 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5