книги из ГПНТБ / Пакулов, Н. И. Мажоритарный принцип построения надежных узлов и устройств ЦВМ

Н. И. ПАКУЛОВ, В. Ф. УХАНОВ П. Н. ЧЕРНЫШОВ

МАЖОРИТАРНЫЙ

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ НАДЕЖНЫХ УЗЛОВ И УСТРОЙСТВ ЦВМ

Под" редакцией Н, И. П А К

МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1974

6Ф7

П13

УДК 681.142.6.019.3

Пакулов Н. И., Уханов В. Ф., Чернышов П. Н. Мажори­

тарный принцип построения надежных узлов и устройств ЦВМ. М. «Советское радио», 1974, 184 с. .

Вкниге излагаются принципы построения надежных узлов

иустройств ЦВМ на базе мажоритарных элементов и универ­ сальных функциональных модулей. Дается расчет основных параметров мажоритарных элементов интегрального типа. Рас­ сматриваются способы синтеза мажоритарных узлов и

устройств ЦВМ. Особое внимание уделено принципам по­ строения мажоритарных субсистем различного назначения с использованием универсальных функциональных модулей. Приводится математический анализ эффективности мажори­ тарного способа резервирования и дастся оценка основных па­ раметров надежности мажоритарных систем без восстановле­ ния и с восстановлением. Рассматриваются примеры построе­ ния падежных узлов и устройств ЦВМ.

Книга рассчитана на инженеров, работающих в области проектирования и применения ЦВМ, а также на студентов старших курсов и аспирантов соответствующих специальностей.

Рис. 97, табл. 27, библ. 80 назв.

Редакция кибернетической литературы

30502-054

<Р Издательство «Советское радио», 1974-

ПРЕДИСЛОВИЕ

В предлагаемой книге рассматриваются вопросы тео­ рии и практики применения мажоритарного принципа построения падежных узлов и устройств ЦВМ. Под ма­ жоритарным принципом построения понимается приме­ нение мажоритарных элементов для построения задан­ ных узлов и устройств и использование мажоритарного способа резервирования оборудования на различных уровнях. С помощью мажоритарных элементов удается построить надежные узлы и устройства'ЦВМ с повышен­ ной помехоустойчивостью, а также реализовать органы голосования при мажоритарном способе резервирования.

Большим достоинством мажоритарного способа ре­ зервирования является возможность обнаруживать и за­ менять неисправные элементы и узлы, не прерывая рабо­ ты системы но основной программе. Последнее обстоя­ тельство позволяет в значительной степени повысить на­ дежность системы.

Всвязи с разработкой простых и падежных схем ма­ жоритарных элементов интегрального типа мажоритар­ ный принцип находит все более широкое применение при построении устройств ЦВМ, особенно устройств кон­ троля.

Вотдельных журнальных статьях и докладах доста­ точно подробно излагаются некоторые теоретические вопросы обсуждаемой проблемы (статьи В. И. Варшав­

ского, Л. Я. Розенблюма, А. Д. Закревского, И. Н. Бого­ любова, Б. Л. Овсиевича, Д. А. Поспелова [28, 29, 43] и некоторые доклады на симпозиуме по надежности вы­ числительных машин, опубликованные в сборнике «Ме­ тоды введения избыточности для вычислительных си­ стем», М., «Сов. радио», 1966 [68]).

В монографии М. Дертоузоса «Пороговая логика» (М., «Мйр», 1967) рассматриваются условия реализуе­ мости логической функции на одном пороговом элемен­ те, итеративный, метод синтеза порогового элемента и

3

ВВЕДЕНИЕ

По мере увеличения технической сложности цифро­ вых вычислительных систем в связи с расширением областей их применения и усложнением выполняемых ими функций возникает необходимость решения ряда проблем, связанных с повышением надежности ЦВМ и их быстродействия; с уменьшением габаритов и потреб­ ляемой мощности и т. д.

Особенно важное значение имеет повышение надеж­ ности работы вычислительных систем в целом, так как производительность последних находится в прямой зави­ симости от надежности их работы. В настоящее время для увеличения надежности применяются следующие методы: повышение надежности элементов, входящих в состав ЦВМ: синтез надежных схем из ненадежных эле­ ментов; простое резервирование аппаратуры; мажори­ тарное резервирование, использование корректирующих кодов и эффективного контроля достоверности резуль­ татов обработки информации.

Необходимость использования последнего метода и сложность его технической реализации полностью зави­ сят от эффективности первых пяти методов. Наиболее выгодными в экономическом отношении являются мето­ ды повышения надежности отдельных элементов.

В настоящее время задача повышения надежности отдельных элементов решается технологическим спосо­ бом путем применения элементов в интегральном испол­ нении.

Кроме высокой надежности элементы должны обла­ дать повышенной помехоустойчивостью при воздействии на их входы случайных флуктуаций сигналов. Наиболее перспективными в этом отношении являются мажоритар­ ные элементы (МЭ) интегрального типа. МЭ называет­ ся логический элемент, сигнал на выходе которого при­ нимает значение, совпадающее со значением сигнала на большинстве входов (majority — большинство).

5

По сравнению с логическими элементами типа И, ИЛИ, НЕ МЭ имеют следующие преимущества:

1)возможность сокращения количества оборудова­ ния при построении некоторых узлов ЦВМ;

2)повышенная устойчивость к сбоям, так как на вхо­ ды МЭ подается избыточная информация;

3)возможность полной унификации схем, что способ­ ствует автоматизации их производства и облегчает изго­ товление крупных функциональных субсистем интеграль­ ного типа;

4)возможность построения надежных узлов и устройств по мажоритарному способу резервирования.

Однако проблему повышения надежности ЦВМ не­ возможно полностью решить путем повышения надежно­ сти отдельных элементов, так как нельзя создать абсо­ лютно надежных элементов и даже при наличии таких элементов нельзя полностью избавиться от воздействия на них случайных помех. Поэтому наряду с разработкой надежных элементов необходимо вести поиски эффектив­ ных способов резервирования. Следует подчеркнуть, что любое резервирование связано с введением избыточного оборудования или избыточной информации.

Анализ различных моделей резервирования показы­ вает, что всем им присущи следующие недостатки: слож­ ность коммутации и перерыв в работе системы по основ­ ной программе при замене отказавшего канала исправ­ ным.

Указанных недостатков лишена мажоритарная мо­ дель резервирования, под которой будем понимать использование мажоритарного способа резервирования с одним или несколькими восстанавливающими орга­ нами.

При.данном способе резервирования строится нечет­ ное количество каналов ( т ^ З ) , выходные сигналы ко­ торых объединяются с помощью восстанавливающих органов (ВО). Так как сигнал на выходе ВО опреде­

дит к отказу системы в целом. Мажоритарный способ резервирования позволяет легко обнаруживать отказы в элементах резервируемых устройств и производить замену отказавших каналов (блоков) без прерывания работы системы в целом. Эта особенность мажоритар­ ного способа резервирования, несмотря на сложность его

6

реализации и большой расход оборудования, оправды­ вает его применение в особо ответственных системах и устройствах, в которых отказы в работе приводят к ка­ тастрофическим последствиям.

Всесторонняя разработка вопросов теории и практи­ ки использования мажоритарного принципа является в настоящее время актуальной проблемой, поскольку при интегральном исполнении систем со структурной избы­ точностью происходит значительное снижение их стои­ мости, а следовательно, оправдывается мажоритарный способ резервирования.

Впервые идея использования мажоритарной модели с целью повышения надежности систем была высказана Дж. фон Нейманом [78]. Им же были предложены схе­ мы восстанавливающих органов в виде так называемых смесителей. Однако такой смеситель должен быть исключительно надежным. Для обеспечения возможно­ сти использования ВО с тем же самым уровнем надеж­ ности, что и логические элементы, Нейман предложил схему двухслойного восстанавливающего органа на эле­ ментах типа И — ИЛИ. Позже были предложены схемы двухкаскадных ВО на элементах типа И — НЕ и ИЛИ — НЕ. С появлением интегральных МЭ стало воз­ можным применять элементы одного типа и в качестве логических элементов, и в качестве ВО. После опубли­ кования работы Неймана разрабатывались основные положения пороговой и мажоритарной логики [28, 29, 45], которые затем существенно дополнялись и углублялись в ряде статей и монографий, наиболее содержательны­

различным направлениям, основными из которых можно считать следующие:

1. Изучение свойств МЭ с целью определения ве­ роятности их безотказной работы для обеспечения тре­ буемой вероятности безотказной работы всей систе­ мы [72].

2.Рациональное разделение системы на блоки и при­ менение мажоритарной модели к этим блокам.

3.Разработка адаптивного МЭ [50, 25].

4.Исследование надежности различных мажоритар­ ных моделей с целью выбора наиболее подходящих для

повышения надежности ЦВМ [63].

7

Г л а в а 1

АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАЖОРИТАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТИПА

1.1.КЛАССИФИКАЦИЯ МАЖОРИТАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Мажоритарные элементы (МЭ) относятся к классу

где у — значение сигнала на выходе ПЭ; х*е0,1— зна­ чение сигнала на t-м входе ПЭ; 6*— весовой коэффи­ циент («вес») i-го входа; V — порог элемента, т — ко­ личество входов ПЭ,

если Z О,

если Z <[ О,

т

где Z = 2 biXi — V.

i=i

Мажоритарный элемент работает по принципу боль­ шинства и его выходной сигнал определяется из следую­

вых коэффициентов bi производится на тех входах, где

9