Echipamente tolerante la defectari

In cazul echipamentului prezentat se poate evidentia o defectare doar daca se defecteaza in acelasi mod sau in moduri diferite doua module din cele doua grupe. Daca se defecteaza cele doua unitati ale unei grupe, iar semnalele de iesire ale lor sunt identice si eronate, comparatorul nu va putea bloca trecerea semnalului eronat spre iesire [2].

Fig.4.5. Structura toleranta la defectari

Circuitele introduse suplimentar, cu o structura simpla trebuie sa aiba o fiabilitate foarte ridicata, astfel incat echipamentul obtinut sa fie de inalta fiabilitate.

1. Structura redundanta logica majoritara

NMR -N Modular Redundancy

Aceasta structura este implementata prin divizarea echipamentului neredundant in module functionale, multiplicarea acestor module de N ori (, n=2, 3, ) si introducerea intre aceste module functionale a unor module de decizie numite "votere", care functioneaza dupa o logica majoritara.

Structura cea mai utilizata si cea mai simpla este structura redundanta logica majoritara de tip "2 din 3", cunoscuta in literatura de specialitate sub numele de TMR (Triple Modular Redundancy), prezentata in figura 4.6.

Modulele sunt identice din punct de vedere fizic si functional, avand la intrare semnale identice . Modulul de decizie format de voterul V, urmareste semnalele de iesire ale modulelor, iesirea fiind data prin regula majoritatii. Daca atunci va fi egal cu acestea, iar pentru doua semnale egale si al treilea diferit, semnalul de iesire va fi dat de cele doua semnale identice.

Fig. 4.6. Structura redundanta logica majoritara de tip "2 din 3".

Structura prezentata mascheaza defectarea unuia dintre modulele functionale M, dar nu poate corecta mai mult de o eroare. Pentru a corecta doua sau mai multe erori (defectari) este necesar sa se creasca gradul redundantei ("3 din 5", "4 din 7" etc).

Structura TMR asigura buna functionare a echipamentului atat timp cat cel putin doua module functioneaza corect. Generalizand pentru structura logica majoritara n din , se poate preciza ca un astfel de echipament functioneaza corect atat timp cat este asigurata buna functionare a oricarei combinatii de module cuprinsa intre n si , celelalte module putand fi defecte. Este necesar, in plus, ca blocul de decizie (voterul) sa fie in buna stare de functionare. Functia de fiabilitate pentru un astfel de echipament este data de relatia urmatoare:

(4.3)

unde este functia de fiabilitate a unui modul functional, iar functia de fiabilitate a voterului. Intrucat la nivelul voterului nu este tolerata nici o defectare, pentru imbunatatirea performantelor de fiabilitate se poate face o multiplicare a voterelor ca in figura 4.7.

Structura NMR se poate aplica global echipamentului sau la nivel de subsisteme / module functionale.

O problema deosebita in proiectarea echipamentelor ca structura redundanta logica majoritara este dimensiunea modulelor carora li se aplica redundanta, aceasta putand varia de la un simplu circuit cu cateva componente, pana la intregul echipament. Complexitatea blocului de decizie (voter) este functie de nivelul la care se aplica redundanta.

Figura 3

Fig.4.7.Structura redundanta cu multiplicarea voterelor

O alta modalitate de crestere a fiabilitatii structurilor de tip TMR consta in introducerea unor detectoare de defecte ale modulelor, ceea ce permite identificarea automata a modulului defect si apoi inlocuirea acestuia cu un alt modul in stare de buna functionare, echipamentul fiind readus la performantele initiale (figura 4.8).

Figura 4.8. Structura TMR autotestabila

O astfel de abordare este utila pentru echipamentele ce permit actiuni de mentenanta, oferind o disponibilitate foarte ridicata daca remedierea primului defect se face in timp util, adica inaintea producerii unui nou defect care ar conduce la defectarea echipamentului.

Figura 6

In cazul echipamentelor de calcul reparabile, cu redundanta de tip logica majoritara, redundanta NMR se poate aplica la nivelul intregului calculator, voterul fiind introdus in sistemul de comunicatii intre calculatoare. O alta posibilitate consta in aplicarea redundantei la nivel de module mici - procesoare, unitati de memorie, unitati ce pot fi reparate individual, in acest caz voterul fiind situat pe traseul magistralelor interne ale echipamentului de calcul.

Trebuie precizat faptul ca propagarea semnalelor prin diverse circuite se poate face cu viteze diferite. De aici rezulta necesitatea ca voterul sa fie proiectat astfel incat sa introduca o intarziere a raspunsului, sau, pentru a alinia la intrare toate semnalele, de exemplu, o perioada de tact. Acest lucru conduce la introducerea unei intarzieri a raspunsului echipamentului de calcul, ceea ce determina o micsorare a performantelor.

Modulele de decizie sunt implementate de regula, hardware. Pentru a se evita intarzierile introduse de diferitele module se poate folosi un timp de referinta comun, adica utilizarea unui generator de tact pentru toate elementele structurii. Acest lucru influenteaza performantele de fiabilitate, intrucat generatorul de tact devine punctul slab al structurii. Problema se poate rezolva utilizand generatoare de tact redundante. In figura 4.9 este prezentata o structura de echipament de calcul tolerant la defectari [2]:

Fig. 4.9. Echipament de calcul tolerant la defectari

Blocul de decizie este format din doua parti: voterul pentru sincronizare si voterul de date. Voterul pentru date furnizeaza decizia asupra datelor prezente pe trei magistrale de date, iar voterul de sincronizare determina decizia asupra semnalelor de control. Structura unui voter de sincronizare este prezentata in figura 4.10.

Fig. 4.10. Structura unui voter de sincronizare

2. Structuri redundante statice cu logica cvadrupla

Acest tip de structura se aplica echipamentelor construite cu circuite logice si consta in multiplicarea de patru ori a circuitelor logice, conectate astfel incat semnalele eronate sunt mixate cu semnalele corecte provenite de la circuitele de rezerva, realizandu-se astfel mascarea unui defect. Metoda se bazeaza pe proprietatile unor echipamente cu circuite logice de a masca intrinsec unele defectari de blocare in "1" sau "0".

Analizand schema din figura 4.11 se constata ca o eroare la iesirea portii se va propaga la iesirea portii SAU daca, combinatiile semnalelor la intrarile portilor , nu sunt toate egale cu "1".

Daca intrarile sunt la "1" logic, atunci poarta mascheaza defectarea portii , semnalul de la iesirea portii SAU aparand corect. Prin dublarea portilor intr-o retea cu astfel de porti logice, dupa modelul din figura 4.11, se obtine un echipament care tolereaza defectarile (figura 4.12). Eroarea aparuta la iesirea portii este corectata de poarta SAU prin mixarea semnalului eronat cu semnalul corect dat de poarta . Circuitul redundant cu logica cvadrupla este prezentat in figura 4.13.

Fig. 4.13. Structura redundanta logica cvadrupla.

Erorile aparute la nivelul 1 sunt corectate instantaneu de logica circuitului la nivelul 2 pentru semnale "1" la intrare sau la nivelul 3 pentru semnale "0" la intrarile portilor .

4.3.2. Structuri redundante dinamice

Aceste structuri redundante utilizeaza mai multe module identice din punct de vedere functional. Functionarea echipamentului este asigurata utilizand numarul minim de module functionale, celelalte module fiind in rezerva, dar urmand a fi conectate in structura echipamentului atunci cand unul din modulele active se va defecta. Structurile de acest tip se mai numesc si structuri redundante de comutatie.

Inlocuirea modulului defect se face in mod automat cu unul de rezerva, decizia fiind luata de catre un bloc de supraveghere care va comanda elementele de comutatie dupa ce va identifica o defectare intr-unul dintre modulele active. Prin inlocuirea automata a elementului defect cu unul bun, structura redundanta dinamica realizeaza un echipament autoreparabil. Acest tip de structura este indicat pentru echipamentele cu misiuni de lunga durata si la care interventia operatorului uman pentru reparare nu este posibila/permisa (ex. sateliti de telecomunicatii, relee de transmisiuni izolate etc).

Echipamentele reconfigurabile, adica acelea care isi modifica structura la aparitia unei defectari, astfel incat echipamentul sa poata functiona in continuare dar cu o capacitate de operare redusa, prezinta tot o structura redundanta de tip dinamic (Exemplu: un sistem multiprocesor).

Cele doua metode presupun existenta unei proceduri automate de diagnoza, care va identifica o defectare in structura echipamentului urmata de localizarea acesteia la nivelul unui modul inlocuibil. De asemenea, este necesar sa existe un comutator automat, care realizeaza inlocuirea modului defect cu unul in buna stare de functionare sau efectueaza reconfigurarea echipamentului.

Problema de baza pentru un echipament cu structura redundanta de comutatie, consta in revenirea acestuia la starea de buna functionare. Aceasta presupune detectia defectarii si prevenirea propagarii datelor eronate peste anumite limite geometrice si/sau controlul informatiilor obtinute, autorepararea hardware-ului, daca este necesar, reconstituirea informatiei afectate de eroare, reluarea functionarii la parametri nominali a echipamentului. Aceasta structura se poate aplica cu usurinta echipamentelor organizate modular. Modulele trebuie alese astfel incat sa se poata diagnostica cu usurinta modulul defect.

In figura 4.14 este prezentat un echipament de calcul cu structura redundanta de comutatie. Echipamentul format din unitatile Procesor 1, Memorie 1 functioneaza on-line iar cel format din Procesor 2, Memorie 2     functioneaza off-line. Utilizand aceleasi resurse se poate realiza un echipament reconfigurabil, ca in figura 4.15. Initial toate cele patru unitati functioneaza on-line, iar cand una din unitatile Procesor i sau Memorie i (i=1,2) se defecteaza, echipamentul isi continua functionarea fara unitatea defecta, reconfigurandu-se intr-un echipament cu performante mai reduse, insa superioare unui echipament format dintr-un procesor si o memorie. Echipamentul se defecteaza daca se defecteaza simultan doua unitati Procesor i sau Memorie i (i=1,2). Acest tip de echipament necesita un software si un hardware complexe, dar prezinta performante de fiabilitate ridicate.

Fig. 4.14. Structura redundanta dinamica la nivel de echipament

Fig. 4.15. Structura redundanta dinamica la nivel de modul.

4.3.2.1. Structuri redundante hibride

Aceste structuri imbina caracteristicile structurilor redundante cu logica majoritara si cele ale structurilor de comutatie. De la structura redundanta logica majoritara se preia mascarea instantanee a defectarilor, iar de la structura redundanta de comutatie sunt preluate functiile de diagnosticare automata a defectarilor si de inlocuire a modului defect cu unul de rezerva. Schema reprezentativa a unei structuri de acest tip este prezentata in figura 4.16.

Structura are la baza un nucleu de 2n-1, n=2, 3, module functionale identice, conectate prin intermediul unei retele de interconectare pentru a forma o structura logica majoritara de tip n din 2n-1 si un numar de r module de rezerva care urmeaza a fi conectate in momentul detectiei unor defectiuni la cele 2n-1 module functionale.

Fig. 4.16. Structura redundanta hibrida

Detectorul de eroare compara iesirea voterului cu iesirile celor 2n-1 module identice ale nucleului, evidentiind defectarea unui modul. Reteaua de interconectare este astfel realizata incat deconecteaza modulul defect, introducand in locul acestuia o rezerva, atunci cand una din cele 2n-1 iesiri testate este eronata (este diferita de iesirea voterului).

Aceasta structura poate avea o fiabilitate foarte ridicata daca echipamentul de interconectare, voterul si detectorul de eroare sunt foarte fiabile. Aceasta implica necesitatea implementarii acestor componente utilizand structuri cat mai simple si cat mai fiabile.

4.3.2.2. Structuri redundante pentru interconexiunile

unui echipament

Pentru realizarea unui echipament de inalta fiabilitate cu structura toleranta la defectari, ale carui elemente sunt protejate la aparitia defectarilor prin tehnici de redundanta, este necesar ca si interconexiunile dintre elementele echipamentului sa admita o toleranta la defectarile posibile, chiar daca, de regula, ele sunt considerate mult mai fiabile decat celelalte elemente ale echipamentului. Acest lucru este in particular necesar pentru echipamentele care utilizeaza o magistrala (bus) comuna de date intre modulele sale [2].

Se pot distinge trei tipuri diferite, dar complementare, de structuri redundante ce pot fi utilizate in cazul magistralelor de date:

Structuri redundante de tip static, cand informatia redundanta rezultata prin utilizarea codurilor detectoare si corectoare de erori este transmisa pe linii de date redundante. Redundanta apare ca intrinseca, iar defectarile sunt mascate prin utilizarea tehnicilor de corectie a erorilor.

Structuri redundante de tip dinamic, care necesita utilizarea unor circuite de detectie a defectarilor pe linie, evidentiind liniile defecte si inlocuindu-le cu linii de rezerva, cu ajutorul unor circuite de comutatie specifice. Se obtine astfel autorepararea sau reconfigurarea echipamentului in vederea tolerarii defectarilor.

Structura redundanta distribuita, care este o redundanta topologica intrinseca a sistemului de linii de informatie, permitand o tolerare perfecta a defectarilor prin utilizarea unor rute alternante. Totusi, aceasta conduce la o oarecare reducere a performantelor de operare ale echipamentului, prin introducerea unor intarzieri in propagarea informatiilor.

Primele doua structuri sunt comune cu structurile redundante aplicate modulelor functionale, iar a treia este tipica pentru sistemele de interconectare a echipamentelor/modulelor.

Exemplu: Structura redundanta dinamica aplicata BUS-urilor de date [2].

O abordare posibila pentru implementarea acestei structuri redundante este considerarea celor l linii de informatie a unui bus de date, ca l module functionale, carora li se aplica tehnicile clasice de redundanta pentru protectie la defectari. Aceasta abordare este incomoda din cauza numarului mare de linii cerute. Daca se prevad k linii de rezerva si se cere ca fiecare linie activa sa fie inlocuita de oricare dintre cele k rezerve, atunci comutatoarele ce asigura reconfigurarea vor trebui sa aiba caracteristici de fan-in, fan-out si de putere excesive. Daca insa se cere celor l     linii de informatie sa fie conectate la una dintre liniile de bus va rezulta un sistem de comutatie mai simplu.

Cresterea de fiabilitate in cele doua cazuri este aceeasi dar cerintele de fan-in, fan-out si putere sunt reduse de la l in primul caz, la k in cel de-al doilea, unde l este de regula cu un ordin de marime mai mare decat k.

Fig. 4.17. Structura redundanta dinamica aplicata unui BUS     de date

Informatia este transmisa de la cele doua linii ale unui modul emitator la un modul receptor, cu liniile . Conectarea liniilor emitatorului, respectiv receptorului la liniile magistralei de comunicatie se face prin intermediul unor comutatoare (modul-BUS, BUS-modul). Pentru a se obtine o structura toleranta la defectari se prevede o linie de rezerva, astfel incat fiecare linie de informatie va avea doua stari.

Aceste doua stari vor fi memorate de un registru al starilor bus-ului, care in acest caz poate fi implementat cu un circuit basculant bistabil. Comutatorul modul-BUS va comuta linia de informatie E1 la linia de bus B1 sau B2, iar linia de informatie E2 la bus B2 sau B3, in functie de starea de defect detectata.

Stari Linie bus neconectata S1 S2 B3 B2 B1

Un defect al circuitelor basculante bistabile poate conduce la defectarea intregului echipament. O solutie este aplicarea de redundante pentru aceste circuite, ceea ce conduce insa la o structura mai complicata si mai costisitoare, cu cerinte de fan-in, fan-out mai mari, dar cu o fiabilitate mai ridicata.