РЕЗЕРВИРОВАННЫЙ СЧЕТЧИК ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1998 года по МПК H03K21/40 G06F11/18 

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, см., например, описанное в [1]. Они 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 ко второй шине, прямой выход мажоритарного элемента каждого разряда, кроме n-го, соединен с C-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 импульсов, 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, 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 импульсов, выходы триггеров одноименных разрядов всех каналов соединены с соответствующими входами мажоритарных элементов тех же разрядов, дополнительно введены в каждый канал генератор импульсов и последовательно соединенные (n+1)-й мажоритарный элемент и элемент задержки, выход которого соединен с C-входом триггера первого разряда, входы (n+1)-го мажоритарного элемента каждого канала подключены к входам каналов и являются входами резервированного счетчика импульсов, выход (n+1)-го мажоритарного элемента в каждом канале соединен с управляющим входом генератора импульсов, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго элементов И всех разрядов.

На чертеже приведена блок-схема резервированного счетчика импульсов, где 1 - триггер, 2 - мажоритарный элемент, 3 - первый элемент И, 4 - второй элемент И, 5 - (n+1)-й мажоритарный элемент, 6 - генератор импульсов, 7 - элемент задержки.

Резервированный счетчик импульсов 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. 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 импульсов. Выход триггеров 1 одноименных разрядов всех каналов соединены с соответствующими входами мажоритарных элементов 2 тех же разрядов. Каждый канал содержит генератор импульсов 6 и последовательно соединенные (n+1)-й мажоритарный элемент 5 и элемент задержки 7, выход которого соединен с C-входом триггера первого разряда 1. Входы (n+1)-го мажоритарного элемента 5 каждого канала подключены к входам каналов и являются входами резервированного счетчика импульсов. Выход (n+1)-го мажоритарного элемента 5 в каждом канале соединен с управляющим входом генератора импульсов 6, выход которого соединен с вторыми входами первого 3 и второго 4 элементов И всех разрядов.

Резервированный счетчик импульсов работает следующим образом. Генератор импульсов 6 в каждом канале, при наличии низкого разрешающего уровня на его управляющем входе, периодически формирует импульсы, которые поступают на вторые входы всех элементов И 3, 4 этого канала, и разрешает им пропустить информацию с прямого и инверсного выходов мажоритарных элементов 2 каждого разряда на S и R входы триггеров 1 этих разрядов. Так, если в триггерах 1 k-x разрядов (где k может принимать значения от 1 до n) каждого канала записана единица, то на прямом выходе мажоритарного элемента 2 этого разряда будет высокий уровень, который, пройдя через первый элемент И 3 на S-вход триггера 1, подтвердит его единичное состояние, а если в триггерах 1 k-x 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. По приходу информационных импульсов на выход резервированного счетчика импульсов (импульсы должны поступать синхронно или с незначительным разбегом по переднему и заднему фронтам) они проходят через (n+1)-е мажоритарные элементы 5 и с их выходов попадают на управляющие входы генераторов импульсов 6 и входы элементов задержки 7. В результате в каждом канале генератор импульсов 6 будет заблокирован - во время присутствия информационных импульсов на входе резервированного счетчика импульсов на выходе генератора импульсов 6 будет низкий уровень. Импульс с выхода (n+1)-го мажоритарного элемента 5 пройдет через элемент задержки 7 и попадет на C-вход триггера 1 младшего разряда канала и своим передним фронтом изменит его состояние. Элемент задержки 7 необходим для того, чтобы передний фронт информационного импульса попал на C-вход триггера 1 в момент, когда на его S и R входах отсутствует высокий установочный уровень.

В случае сбоя в каком-либо разряде счетчика, например в k-м любого канала, например 1, ложная информация с k-го триггера 1 поступит на первый вход k-го мажоритарного элемента 2, на остальных входах которого находится истинная информация с k-x триггеров 1 остальных каналов. В результате этой комбинации на выходе k-го мажоритарного элемента 2 будет истинная информация, которая поступит на первые входы первого и второго элементов И 3, 4 k-го разряда. Ближайший очередной импульс с выхода генератора импульсов 6 этого канала поступит на вторые входы первого и второго элементов И 3,4 k-го разряда резервированного счетчика импульсов и разрешит им пропустить истинную информацию с их первых входов на S и R входы k-го триггера 1. В результате чего в нем будет восстановлено истинное логическое состояние. Аналогичным образом будет компенсирован сбой в любом разряде любого канала.

Как видно из описания работы резервированного счетчика импульсов, положительный эффект заключается в том, что у него происходит восстановление информации в каждом разряде каждого канала после формирования генератором импульсов 6 этого канала очередного импульса. Оценим вероятность P сбоя в предлагаемом резервированном счетчике импульсов. Для наглядности будем рассматривать один разряд счетчика. Тогда вероятность сбоя нерезервированного счетчика импульсов

где
t_x - время работы счетчика, а 1/T_О - интенсивность сбоев нерезервированного счетчика импульсов.

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

Предлагаемая схема резервированного счетчика импульсов проводит восстановление информации один раз в течение времени t_г, где t_г - период следования импульсов с выхода генератора импульсов 6. В этом случае вероятность сбоя для резервированного счетчика импульсов за время t_г будет

Оценим вероятность сбоя предлагаемого P и известного P_m решения при T₀ = 1000 с, t_x = 500 с, m = 3, М = 2, t_г = 0,001 с. 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. В качестве элементов задержки 7 можно использовать реле времени, например, РДВ-11. Время задержки T должно определяться как
t₁ + t₂ < T < t₃,
где
t₁ - время переключения генератора импульсов 6 под действием управляющего сигнала;
t₂ - задержка сигнала при прохождении через элемент И;
t₃ - длительность информационного импульса на выходе (n+1)-го мажоритарного элемента 5.

Литература
1. Справочник. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. Б.В. Шевкопляс. Издательство "Радио и связь". 1993, с. 47.

2. Авторское свидетельство СССР N 982197, кл. H 03 K 21/40, 1982. Резервированный счетчик импульсов.

Изобретение может быть использовано при построении высоконадежных резервированных систем для счета и обработки цифровой информации. В резервированном счетчике импульсов происходит контроль состояния всех разрядов триггеров при помощи мажоритарных элементов. Периодически по сигналу с генератора импульсов происходит восстановление состояния триггеров при помощи первого или второго элементов И. В случае, если за время между двумя очередными импульсами, сформированными генератором импульсов, произойдет сбой в каком-нибудь из триггеров, то через элементы И поступит истинная информация и восстановит состояние триггера, потерпевшего сбой. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности за счет увеличения помехоустойчивости - при любом сбое резервированный счетчик сам перейдет в истинное состояние. 1 ил.

Резервированный счетчик импульсов, 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, прямой выход мажоритарного элемента каждого разряда, кроме n-го, соединен с С-входом триггера последующего разряда, прямой выход мажоритарного элемента каждого разряда каждого канала является выходом канала, соединенным с соответствующим выходом резервированного счетчика импульсов, выходы триггеров одноименных разрядов всех каналов соединены с соответствующими входами мажоритарных элементов тех же разрядов, отличающийся тем, что в каждый канал введены генератор импульсов и последовательно соединенные (n + 1)-й мажоритарный элемент и элемент задержки, выход которого соединен с С-входом триггера первого разряда, входы (n + 1)-го мажоритарного элемента каждого канала подключены к входам каналов и являются входами резервированного счетчика импульсов, выход (n + 1)-го мажоритарного элемента в каждом канале соединен с управляющим входом генератора импульсов, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго элементов И всех разрядов.