CC BY
13УДК 007:621.391.833
В. В. Буторов, Д. А. Никитин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
РАЗРАБОТКА ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТУРЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯЗЫКА УНБЬ
Описана разработка аппаратных элементов, созданных на языке архитектуры интегральных схем УИБЬ, предназначенных для мажоритирования управляющих сигналов с помощью усовершенствованного алгоритма, а также рассмотрены аппаратные элементы, применяемые в устройствах помехозащищенной работы с памятью.
Отказоустойчивость - это свойство вычислительной системы, которое обеспечивает ей как логической машине возможность продолжения действий, заданных программой, после возникновения неисправностей. Введение отказоустойчивости требует избыточного аппаратного и программного обеспечения. Направления, связанные с предотвращением неисправностей и с отказоустойчивостью, - основные в проблеме надежности. Концепции параллельности и отказоустойчивости вычислительных систем естественным образом связаны между собой, поскольку в обоих случаях требуются дополнительные функциональные компоненты. Поэтому, собственно, на параллельных вычислительных системах достигается как наиболее высокая производительность, так и, во многих случаях, очень высокая надежность. Имеющиеся ресурсы избыточности в параллельных системах могут гибко использоваться для повышения производительности надежности. Наиболее эффективный метод повышения избыточности - аппаратная избыточность -достигается путем резервирования.
После повышения отказоустойчивости путем введения аппаратной избыточности возникает необходимость согласования работы резерва и получения управляемыми элементами однозначных команд даже в том случае, если часть компонентов, находящихся в резерве, выходит из строя, и как следствие, выдает неверные управляющие сигналы. Для решения этой задачи применяются мажоритирующие модули. В зависимости от реализуемых алгоритмов они называются решающими элементами, пороговыми элементами, или кворумными элементами.
В системах с мажоритированием используются 3 и более комплектов аппаратуры. Сравнение результатов производится по методу голосования «большинством голосов». В троированной схеме решение принимается по принципу голосования «2 из 3». При отказе одного из элементов троированной схемы, неисправный элемент отключают, и система становится дублированной. Размер резерва принципиально не ограничен и может содержать практически любое количество элементов, однако принято включать в резерв нечетное количество элементов для того, чтобы избежать ситуации, в которой принятие решения невозможно -одна половина резерва посылает один управляющий сигнал, а другая - противоположный.
Язык описания аппаратуры интегральных схем УИБЬ позволяет проектировать архитектуру, а также моделировать поведение цифровых устройств, абстрагировавшись от конкретных микросхем, а значит начинать разработку элемента можно до того, как будет определено, на какой аппаратной основе он будет исполнен. Таким образом, он удовлетворяет потребности разработчика мажоритирующих элементов и поэтому был выбран для работы.
В ходе работы был разработан мажоритирующий элемент, который реализует функции аппаратного мажоритирующего элемента для управляющих сигналов и дополнительно наделяет входы весовыми коэффициентами, позволяющими устранить искажающее действие элементов, пришедших в состояние необратимого отказа, и тем самым увеличить жизнеспособность системы даже при отказе значительного числа элементов, близкого к N (К - степень избыточности системы).
Особенностью созданного мажоритирующего элемента является применение весовых коэффициентов, присвоенных входам, на которые поступают данные резерва. А возможность элемента изменять используемые при принятии решения весовые коэффициенты делает его устойчивым к изменению характеристик контролируемых элементов в ходе длительной эксплуатации.
Принято считать, что при проектировании и создании системы, включающей аппаратную избыточность и мажоритирующий элемент, достаточно подобрать элементы, составляющие резерв, таким образом, чтобы их характеристики были максимально близки друг к другу. Поэтому в начале своей работы мажоритирующий элемент, еще не имея статистики сбоев, может считать все поступающие на его входы сигналы, обладающими одинаковой достоверностью. В ходе работы системы элемент, накопивший статистическую информацию об устройствах, подающих сигналы на его входы, может корректно обрабатывать ситуации, вызванные неравномерным износом аппаратуры и, как следствие, более частыми отказами некоторых устройств. Такой подход характерен для ма -жоритирования измерительных сигналов (имеющих большой диапазон возможных значений), так как при этом можно усреднить результаты измерений с учетом коэффициентов, однако здесь он в несколько ви-
Решетневские чтения
доизмененной форме применяется для мажоритиро-вания управляющих сигналов.
Еще одним распространенным, простым в реализации и не требующим больших материальных затрат способом обеспечения отказоустойчивости является помехозащищенное кодирование (многочисленные способы физической защиты информационных трактов от помех здесь не рассматриваются). Множество кодов, позволяющих обеспечить помехозащищенность путем введения информационной избыточности в информационный поток, уже разработаны и успешно эксплуатируются в различных отраслях техники. Суть работы большинства корректирующих (способных исправлять ошибки при передаче) кодов состоит в том, что часть из возможных комбинаций символов передаваемого слова считается запрещенной, и в случае, если при передаче по каналу связи переданная комбинация символов перешла в разряд запрещенных, то это означает, что во время передачи информация была искажена. Далее, по определенному правилу возможно обнаружить в каком из символов произошла ошибка, и исправить ее. Один из самых распространенных корректирующих кодов - это код Хэм-
минга. Он позволяет обнаружить и исправить одиночную ошибку, а его модификация - расширенный код Хэмминга - обнаружить и исправить одиночную и обнаружить двойную ошибку.
В ходе работы были созданы кодирующий и декодирующий элементы. Кодирующий элемент способен принимать трехбитовый вектор и кодировать его расширенным кодом Хемминга. Декодирующий элемент, принимая на свой вход 7 бит, декодирует их, одновременно исправляя одиночную ошибку, если она произошла, и обнаруживая двойную, в соответствии с правилами, описанными кодом Хемминга. Реализация для столь небольшого объема данных может не найти практического применения, однако эти компоненты могут быть и будут легко адаптированы для работы с битовыми векторами произвольной длинны.
Все исходные коды компонентов открыты для изучения и внесения изменений. Это делает предельно простым приспособление функциональности компонентов для применения в конкретных системах, а также делает их прекрасным наглядным пособием для изучения принципов мажоритирования и помехоустойчивого кодирования.
V. V. Butorov, D. A. Nikitin Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
DEVELOPMENT OF THE FAULT-TOLERANT CELL PRODUCTS CONTROL SYSTEMS WITH THE USE OF VHDL LANGUAGE
The development of hardware elements that are created in description language of the integrated circuits VHDL architecture, designed to majorization of control signals with the help of advanced algorithms, as well as hardware components designed for use in devices for noise-memory operation, is described.
© Буторов В. В., Никитин Д. А., 2010
УДК 004.318
М. Ю. Вергазов, С. А. Чекмарев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОНЦЕПЦИИ СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ
Описана разработанная модель бортового комплекса управления (БКУ). Рассмотрены составляющие БКУ, процесс компиляции проекта, формирование файла прошивки. Указаны средства разработки прототипа БКУ, а также приведены принципы взаимодействия запрограммированных интерфейсов друг с другом и внешними устройствами.
Концепция «система на кристалле» (СнК) представляется наиболее эффективным на сегодняшний день способом разработки цифровых и цифро-аналоговых устройств. Одной из наиболее заметных ее особенностей является возможность использования го-
товых аппаратных решений в виде базовых блоков (IP-блоков; IP - intellectual property - интеллектуальная собственность) [1]. Благодаря концепции СнК можно проектировать сложные, надежные современные с низким энергопотреблением бортовые комплексы.
*Работа выполнена в рамках реализации ФЦП Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы, ГК П1032 от 27 мая 2010 г.
