РЕЗЕРВИРОВАННЫЙ СЧЕТЧИК Российский патент 1998 года по МПК H03K21/40 H05K10/00 

Изобретение относится к вычислительной и импульсной технике и может быть использовано при построении высоконадежных резервированных систем для счета и обработки цифровой информации.

Известны устройства мажоритарного резервирования [1], которые содержат мажоритарный элемент, который позволяет при сбое в одном из каналов формировать верный обобщенный сигнал.

Однако эти устройства не могут самостоятельно восстанавливать истинное логическое состояние в канале, потерпевшем сбой (несанкционированное изменение состояния элементов памяти, например, триггеров), и в дальнейшем при втором сбое могут сформировать ложную информацию.

Известен резервированный счетчик импульсов - прототип, описание которого приведено в [2]. Устройство содержит 3 пары входных шин и 3 канала, каждый из которых содержит разряды, включающие триггер, два элемента И и мажоритарный элемент. В каждом разряде прямой и инверсный выходы мажоритарного элемента соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов И, выходы которых подключены соответственно к S-входу и R-входу триггера. C-вход триггера первого разряда в каждом канале является входом соответствующего канала и подсоединен к второй шине, прямой выход мажоритарного элемента каждого разряда, кроме n-го, соединен с С-входом триггера последующего разряда, прямые выходы мажоритарных элементов являются выходами резервированного счетчика. Выходы триггеров одноименных разрядов всех каналов соединены с соответствующими входами мажоритарных элементов тех же разрядов.

Это позволяет выдавать истинную информацию на выход устройства при наличии сбоев меньше, чем мажоритарное число M [M=(m+1):2] в каждом разряде счетчика. Но с накоплением сбоев их число в одном разряде может превысить число M, вследствие чего информация в счетчике станет ложной, что недопустимо. Сам счетчик-прототип не проводит восстановление информации в разряде, потерпевшем сбой. Вероятность сбоя резервированного счетчика значительно возрастает, если время работы этого счетчика достаточно велико.

Задача изобретения - повышение надежности за счет увеличения помехоустойчивости устройства.

Эта задача достигается тем, что в резервированный счетчик, содержащий m каналов, а в каждом канале n-разрядный счетчик, каждый разряд которого включает триггер, два элемента И и мажоритарный элемент, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов И, выходы которых подключены соответственно к S-входу и R-входу триггера. C-вход триггера первого разряда в каждом канале является входом соответствующего канала, соединенным с соответствующим входом резервированного счетчика, прямой выход мажоритарного элемента каждого разряда, кроме n-го, соединен с C-входом триггера последующего разряда, прямой выход мажоритарного элемента каждого разряда каждого канала является выходом канала, соединенным с соответствующим выходом резервированного счетчика, выходы триггеров одноименных разрядов всех каналов соединены с соответствующими входами мажоритарных элементов тех же разрядов, дополнительно введены в каждый канал последовательно соединенные (n+1)-ый мажоритарный элемент и одновибратор, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго элементов И всех разрядов, входы (n+1)-го мажоритарного элемента каждого канала подключены к входам каналов резервированного счетчика.

На чертеже приведена блок-схема резервированного счетчика, где 1 - триггер, 2 - мажоритарный элемент, 3 - первый элемент И, 4 - второй элемент И, 5 - (n+1)-ый мажоритарный элемент, 6 - одновибратор.

Резервированный счетчик содержит m каналов, каждый из которых включает n разрядный счетчик. Каждый разряд содержит триггер 1, первый 3 и второй 4 элементы И, мажоритарный элемент 2, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого 3 и второго 4 элементов И, выходы которых подключены соответственно к S-входу и R-входу триггера 1. C-вход триггера 1 первого разряда в каждом канале является входом соответствующего канала, соединенным с соответствующим входом резервированного счетчика. Прямой выход мажоритарного элемента 2 каждого разряда, кроме n-го, соединен с C-входом триггера 1 последующего разряда, прямой выход мажоритарного элемента 2 каждого разряда каждого канала является выходом канала, соединенным с соответствующим выходом резервированного счетчика. Выходы триггеров 1 одноименных разрядов всех каналов соединены с соответствующими входами мажоритарных элементов 2 тех же разрядов. В каждом канале выход (n+1)-го мажоритарного элемента 5 соединен с входом одновибратора 6, выход которого соединен с вторыми входами первого 3 и второго 4 элементов И всех разрядов. Выходы (n+1)-го мажоритарного элемента 5 каждого канала подключены к входам каналов резервированного счетчика.

Резервированный счетчик работает следующим образом. По приходу импульсов на входы резервированного счетчика (импульсы должны поступать синхронно или с незначительным разбегом по переднему и заднему фронтам) они попадают на C-вход триггера 1 младшего разряда каждого канала и изменяют его состояние. И одновременно они попадают на соответствующие входы (n+1)-го мажоритарного элемента 5 каждого канала, в результате чего на выходе (n+1)-го мажоритарного элемента 5 каждого канала появится высокий уровень, а после окончания входных импульсов - низкий. По этому перепаду из высокого уровня в низкий одновибратор 6 сформирует импульс, который поступит на вторые входы всех элементов И и разрешит им пропустить информацию с прямого и инверсного выходов мажоритарных элементов каждого разряда на S- и R-входы триггеров этих разрядов. Так, если в триггерах 1 первых разрядов каждого канала записана единица, то на первом выходе мажоритарного элемента 2 будет высокий уровень, который, пройдя через первый элемент И 3 и на S-вход триггера 1, подтвердит его единичное состояние, а если в триггерах 1 первых разрядов каждого канала был ноль, то высокий уровень с инверсного выхода мажоритарного элемента 2 пройдет через второй элемент И 4 на R-вход триггера 1 и подтвердит его нулевое состояние.

В случае сбоя в каком-либо разряде счетчика, например в k-том (где k может принимать значения от 1 до n), любого канала, например 1, ложная информация с k-го триггера поступит на первый вход k-го мажоритарного элемента, на остальных входах которого находится истинная информация с k-х триггеров остальных каналов. В результате этой комбинации на выходе k-го мажоритарного элемента будет истинная информация, которая поступит на первые входы первого и второго элементов И k-го разряда. По окончании ближайшего очередного импульса, поступившего на входы резервированного счетчика, одновибратором 6 будет сформирован импульс, который поступит на вторые входы первого и второго элементов И k-го разряда счетчика и разрешит им пропустить истинную информацию с их первых входов на S- и R-входы k-го триггера, в результате чего в нем будет восстановлено истинное логическое состояние. Аналогичным образом будет компенсирован сбой в любом разряде любого канала счетчика.

Как видно из описания работы резервированного счетчика, положительный эффект заключается в том, что у него происходит восстановление информации в каждом разряде после прихода каждого информационного импульса на его входы. Так, за время полного заполнения резервированного счетчика (до его переполнения) будет проведено 2ⁿ раз циклов восстановления информации. Оценим вероятность P-сбоя в предлагаемом резервированном счетчике. Для наглядности будем рассматривать один разряд счетчика. Тогда вероятность сбоя нерезервированного счетчика:
,
где t_x - время работы счетчика, а 1/T₀ - интенсивность сбоев нерезервированного счетчика.

Вероятность сбоя известного резервированного счетчика без схемы восстановления (описанного в [2]) будет:
.

Предлагаемая схема резервированного счетчика производит восстановление информации один раз в течение времени t_г, где t_г - период следования информационных импульсов, поступающих на входы резервированного счетчика. В этом случае вероятность сбоя для резервированного счетчика за время t_г будет:
.

Оценим вероятность сбоя предлагаемого P и известного P_m решения при T₀= 1000с, t_x=500с, m=3, M=2, t_г=0,001с. Подставляя значения в выражения 3 и 2, получим: P=10^-14, P_m=0,25, т.е. помехоустойчивость предлагаемого решения, а значит и надежность значительно выше, чем у известного решения.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства можно использовать логические элементы цифровых микросхем любых серий, например 564 и т.д. Длительность импульсов, формируемых одновибратором, должна быть такова, чтобы они успевали закончиться до прихода очередного информационного импульса на вход резервированного счетчика.

Литерура.

[1] - Справочник. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. Б.В. Шевкопляс. Изд-во "Радио и связь", 1993, стр.47.

[2] - Авторское свидетельство СССР N 982197, кл. H 03 K 21/40, 1982.

Изобретение может быть использован при построении высоконадежных резервированных систем для счета и обработки цифровой информации. В резервированном счетчике происходит контроль состояния всех разрядов - триггеров 1 при помощи мажоритарных элементов 2. После прихода очередного информационного импульса на входы резервированного счетчика одновибратор 6 сформирует импульс, который поступит на схему восстановления - первый 3 и второй 4 элементы И. В случае, если за время до прихода очередного информационного импульса произошел сбой в каком-нибудь из триггеров 1, то через элементы И поступит истинная информация и восстановит состояние триггера 1, потерпевшего сбой. Изобретение позволяет повысить надежность за счет увеличения помехоустойчивости, при любом сбое резервированный счетчик сам перейдет в истинное состояние. 1 ил.

Резервированный счетчик, содержащий m каналов, а в каждом канале n-разрядный счетчик, каждый разряд которого включает триггер, два элемента И и мажоритарный элемент, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов И, выходы которых подключены соответственно к S-входу и R-входу триггера, C-вход триггера первого разряда в каждом канале является входом соответствующего канала, соединенным с соответствующим входом резервированного счетчика, прямой выход мажоритарного элемента каждого разряда, кроме n-го, соединен с C-входом триггера последующего разряда, прямой выход мажоритарного элемента каждого разряда каждого канала является выходом канала, соединенным с соответствующим выходом резервированного счетчика, выходы триггеров одноименных разрядов всех каналов соединены с соответствующими входами мажоритарных элементов тех же разрядов, отличающийся тем, что в каждый канал введены последовательно соединенные (n + 1)-й мажоритарный элемент и одновибратор, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго элементов И всех разрядов, входы (n + 1)-го мажоритарного элемента каждого канала подключены к входам каналов резервированного счетчика.