CN1148215A - 分散系统和多处理机系统 - Google Patents

Abstract

本发明系统包括多个控制和计算装置，每一个控制和计算装置都有一个对所有控制和计算装置来说是公用的单个公用总线以及二个专用总线，该控制和计算装置是以串行方式用其各自的专用总线连接起来的。因而，每一个专用总线都是由与它相连的二个多控制和计算装置所共享。这样，目标系统的输入输出电路与专用总线相连接以完成其控制功能。

Description

分散系统和多处理机系统

本发明是关于一个多计算机系统以及具有各种控制和计算装置的连接系统，如交通系统中与各种计算机相连接的网络系统、通用工业系统、室内信息交换系统等等，同时也涉及到在由多个微型计算机(以后简称微机)进行数字控制的控制装置中构造多处理机系统的方法等。

以往已有过关于使用多个计算机构成的网络系统和控制设备的报道。其中，由日本待审查的专利申请NO.36854/1992和NO.369069/1992中报道的就是这方面的例子，它们都是用公共总线来连接多个处理机以及它们都有如公共存储器那样的公共资源，还有二条将专用资源与每一处理机连接起来的专用总线。

在以往的技术中，像公共存储器，磁盘或输入输出电路之类的公共资源都是与公共总线相连的以完成各微机之间的信息交换，同时每个微机中的用来控制控制对象的输入输出电路可以与每个微机的专用总线相连。另外，将仅在二台不同微机中可以通信的专用通信通路与各台微机的专用总线接口相连以完成二台微机间的信息交换，这样可以限止在公共总线上的通信量也可以防止降低微机系统的功能。然而，若有一台微机发生了故障，则所有设备中的其它的微机都不可能再使用与故障微机相连的那些外围输入输出电路，因而分配给故障微机的任务必须中断。也就是说在由多台微机分别执行的系统中，整个系统必须停止工作。相反，有一种系统是众所周知的，其中是由多个微机构成的冗余系统，且一旦在一台正在工作的微机发生故障时，冗余微机就会接替故障机工作，这样即使在有故障机时，也不致于使整个系统停机。然而，在这种情况时，在系统中就要准备好一些平时不使用的冗余微机，因而也就使系统的规模变得相当庞大。

本发明的一个目的是对具有多个大型机和微机的系统提供控制和计算功能，其中硬件包括了最小的必要的结构，它可以防止由于限制总线上的信息交换量而增加了控制和计算功能后降低了系统本身的功能，即使在控制和计算功能发生故障时也不会停机，并且是高度可扩展的。

为了实现上述目的，在一个由多个控制和计算设备的对一个对象进行分布式地控制工作的系统中配备了一套对所有的控制和计算设备在交换信息时都要用到的公用总线和多套对每个控制和计算设备在进行单个控制工作时所需要的用作输入输出信息交换的专用总线(局域总线)，该系统也配置了双重总线结构，这种结构是由多套专用总线按串联形式将多个控制和计算设备连接起来的。

另外，每个控制和计算设备都配置了二个专用总线接口而每个专用总线都可通过一个单专用总线将各自的二个控制和计算设备的专用总线接口直接连接起来后由各自的二个控制和计算设备加以利用，这里与各自的专用总线相连接的输入输出电路能被各自的二个控制和计算设备所公用。

在一个由多个控制和计算设备组成的系统中，如果是由单公用总线来进行各自控制和计算设备之间信息交换以及每个控制和计算设备自身的输入输出信息的交换的话，则在这条公用总线上的数据交换量就增加，同时各自的控制和计算设备之间的总线冲突也增加，而所有这些都会引起处理功能的下降。作为相反的衡量，公用总线是用来作为各自的控制和计算设备之间的信息交换或者是用来作为各自的控制和计算设备公用的输入输出信息之间的交换的，同时对各自的控制和计算设备配置了专用总线，这样就形成了双总线，这样在公用总线上的数据交换量就不会增加且系统的性能也就不会下降。另外，对在每个控制和计算设备都配置二个专用总线接口并相邻二个控制和计算设备以串联形式连接的结构来说，扩展控制和计算设备是很方便的。

再者，如上所述的那种结构，即在每个控制和计算设备都配置二个专用总线接口并相邻二个控制和计算设备以串联方式连接的结构，其各自的两个控制和计算设备共享一套单专用总线。也就是说，与每一专用总线相连接的输入输出电路是属于其各自的两个控制和计算设备所共有的。因此，即使在用单控制和计算设备通过专用总线对外围电路进行操作时发生了故障也可以使系统继续运行而不至于停机，这是因为通过专用总线与故障控制和计算设备相连的控制和计算设备可以使用与专用总线相连的同样的输入输出电路，而不是发生故障的控制和计算设备。

图1是使用本发明的一个网络系统例子的结构图。

图2是图1所示例子中的算术和逻辑部件为一微机时的处理工作的流程图。

图3是一流程图，它说明了图1所示例子中的算术和逻辑部件为一微机时的另一种处理工作。

下面参照图1对应用本发明的网络系统的例子作介绍。在图1中，目标系统的处理工作是分布式地由部件11至1n多个算术和逻辑部件来完成的。在本系统中，在多个算术和逻辑部件(以下简称算逻部件)，11至1n之间所需要的信息交换是利用公用总线2来完成的。另外，在算逻部件11至1n中或在其它与公用总线相连的电路中还包括有防止在公用总线2上发生总线冲突的仲裁电路，该电路在图1中未画出。

在11至1n中的每一个算逻部件都配置了二个不同于公用总线2的专用总线接口，这些专用总线接口是将从30到3n的专用总线(局域总线)按串联的方式每相邻的二个连接起来。这些从30到3n的专用总线与从40a到4nn的输入输出电路(I/O电路)相连。这些I/O电路都是与它们相连的各自的算逻部件所需要的。因此，任何二个算逻部件都可以与从40a到4nn的输入输出电路进行操作。

这里，对每一个专用总线都有一个仲裁电路，这样就使得与每一个专用总线相连的二个算逻部件之间不会在专用总线上发生冲突的现象。即，为每一个算逻部件11至1n配置的二个专用总线接口之一都包含一个协调电路。因而，在从11至1n的所有算逻部件的工作正常时，每个算逻部件都根据从与专用总线相连的输入输出电路的信息完成控制和计算应完成的处理工作。

在这样的分布式处理中，当某一算逻部件发生故障时，则与故障算逻部件通过专用总线相连的另一算逻部件就接替了原来分配给故障算逻部件所做的工作。也就是说，通过专用总线与故障算逻部件相连的那些算逻部件可以同那些与故障算逻部件在正常运行时进行操作的输入输出电路进行操作，因而它们可以接替故障算逻部件原来的处理而在不管是否有算逻部件发生故障的情况能继续保持运行而不停机。

上述例子中的算逻部件不仅可以由通用或专用计算机来实现，也可以由如微机之类的有各种计算功能的设备来实现。另外，我们知道公用总线和专用总线均适用于平行通信方式或串行通信方式。

另外，与每一个专用总线相连的信息交换装置未必一定要输入输出电路，也可以使用诸如较低的控制和计算装置或存贮装置等信息交换装置。本例中提供了二种公用总线和专用总线，因此，在这二种总线中即使有一种总线出现不正常，那么另一种正常的总线即可完成所需的信息交换，这样就起到了提高可靠性的作用。另外，当对每一个专用总线配置了信息交换装置后，那些仅仅在由专用总线相连的算逻部件用到的信息可以不必再绕道通过公用总线而可以直接作信息交换了，这样就相应地减少了在公用总线上的数据量，于是也就防止了系统功能的下降。

下面，我们进而参照图2的流程图来说明一个一旦在上述例子中的算逻部件发生故障时的备份方法的例子。在本例中，将微机用作为算逻部件，同时计算过程是这样来进行的：二台微机使用一个单专用总线同时在公用总线中使用公用的存贮器作为各微机的信息交换装置。

首先，作为微机n处理的内容，微机n是执行在200步时分配给它的计算工作，同时将微机n的工作数据存贮到公共存贮器中去，这样在201步时一旦微机n发生了故障另一台微机n－1或n＋1能完成备份运行。因而，如在202步至207步中所示的操作完成了微机n－1的工作。在202步中，运行由标志确定微机n－1是否是在故障状态。若无故障则进入203步。同时在该步要确定是否从微机n－1输入故障检测信号，若无输入，则微机n－1运行正常同时运行进入208步中所示的处理微机n＋1以及进入以后各步。

同时，若在203步时发现已输入了故障检测信号，则在微机n－1发生故障后立即进入204步中的运行，将微机n－1的工作数据从公共存贮器内读出并准备执行微机n－1的处理工作。接着，在205步中设置表示微机n－1为故障的标志，同时再进入206步。在206步，微机n代替微机n－1执行原来是分配给微机n－1的计算工作，并且在207步将工作数据存入公共存贮器。

另外，若在202步若确定微机n－1已是故障的且标志已设置，则就执行206步以及以后的处理工作。接下来就进行208步到213步的工作，这是微机n＋1发生故障的情况，这个情况同上述的从202步到207步所示的同微机n－1的处理情况是一样的，在这步中微机n＋1的备份工作可以执行并完成。如上所说明的那样，在某一台微机发生故障时，则另外二台通过专用总线与故障微机相连的微机，也就是故障微机二边相邻的微机会被分配给完成并执行故障微机要做的处理工作。

根据此例子，将故障机的处理工作分配给二台微机，同备份工作只由一台单微机来完成相比，增加的处理工作可以被平分了，因而，本例是提供了这样的效果即不会降低完成备份工作的功能。因而也不会降低系统的功能。

下面结合图3的流程图来说明在上述例子中有一台微机发生故障时另一个备份的例子。在本例中，在正常工作时每个微机执行计算时只占用其各自两个专用总线中的一个。也就是说，在正常运行时，另一专用总线是被另一微机所占用，且由于占用了另一专用总线而在另一微机发生故障时每一微机都能接替故障微机的处理工作。在正常运行时，每一微机仅对另一微机完成备份工作，这一微机是与它不访问的专用总线相连接的。另外，如上例一样在各自的微机之间的信息交换中在公用总线中使用公用存贮器。

首先，作为微机n处理的内容，微机n是执行在300步时分配给它的计算任务。同时将微机n的工作数据存入公共存贮器中去，这样，在301步时一旦微机n发生了故障则另一微机(在本例中是微机n－1)可以完成备份工作。接着在302步中就要确定微机n＋1的故障检测信号的输入状态并且在确定了输入以后就进入303步，而这一步又要确定微机n＋1是否已经发生了故障即，在303步发现故障检测标志未设置时，则就要在304步当微机n＋1发生故障后立即设置故障检测的标志。接着，就要接替微机n＋1执行的处理工作，在每一微机按采样进行工作时，在微机n＋1中的处理时间就会随着由于故障微机的处理增加而增加。因而在305步中就要改变微机n＋1的采样时间以适应处理时间的增加。随后，在306步读出了微机n＋1的工作数据以准备接替处理工作。

在307步，执行故障微机n＋1的处理工作，在308步将工作数据存入公共存贮器中并且完成微机n的处理工作。另外，在303步时若判定故障检测标志已设置，则就进入307步，这是因为不需要立即进行故障检测后的处理(304至306步)工作。

而在302步时若判定微机n＋1的故障检测信号未输入，则运行进入309步同时要确定故障检测标志是否已设置。若在309步判定已设置了故障检测标志，这就确定了到那一时刻前微机n＋1一直是处于故障状态(即从故障中恢复过来)同时在301步清除了故障检测标志。在311步时就将当时为了适应在微机n＋1发生故障期间由于处理工作增加而增加了处理时间而作的采样时间的调整，又重新恢复到正常状态并完成处理任务。另外，在309步时判定故障检测标志处在清除状态时，则由于微机n＋1是处于正常运行中而直接完成它的处理任务不必作任何变动。

在本例中，在微机的正常运行只用到一套专用总线，而当发生故障时二套专用总线都处于可访问状态。因而，在为每一个微机配置的各自的二个专用总线不会产生总线冲突，因而也不需要在专用总线接口电路上加上仲裁电路，而这也简化了硬件设备。另外，当将故障微机的处理任务分配给其它计算机时由于采样时间按工作量增加而增加的处理时间作了调整，因此系统可以稳定地运行。

根据本发明，一个具有多控制和计算功能的网络系统是一个具有公用总线和专用总线的双总线结构的系统，也可能成为一个高速系统，其中将各自的控制和计算功能的输入输出电路与专用总线相连接而各自的专用总线又与控制和计算功能相连并且共享，这样就减少了总线上的冲突。因而，即使在一个控制和计算功能发生故障时与每一个专用总线相连的输入输出电路可从另外的控制和计算功能进行访问，因此，在控制和计算功能发生故障时，与专用总线相连的正常的控制和计算功能可以接替故障的控制和计算功能的控制过程，这样就起了一个作用，其中不必使用多重或冗余的控制和计算功能而使用最少的结构达到系统能不停机地运行。

另外，每个控制和计算功能都配置了二个专用总线接口，同时各自的专用总线都用串联方式与其它的控制和计算部件相连，这样就起到了一个作用，其中所有控制和计算部件的结构都可以标准化同时根据需要可以十分方便地对控制和计算功能加以扩展与系统的规模相匹配。

另外，每一专用总线只有二个控制和计算功能块可访问，这样也起到了一个作用，其中防止了每一控制和计算功能块的处理能力的下降，同时即使在系统的规模相当大，以及控制和计算功能块的数目很多时也可实现一个高效的系统。

Claims (7)

1.一个具有多个控制和计算装置执行分布式处理特性的分散系统，其特征在于，每一控制和计算装置配置了一套公用总线接口装置和第一及第二专用总线接口装置，所述的公用总线接口装置同为多个控制和计算装置所公用的公用总线相连，第一专用总线接口装置通过第一专用总线与其它的控制和计算装置之一的一个专用总线接口装置相连，而所述的第二专用总线接口装置通过第二专用总线与其它的控制和计算装置之一的一个专用总线接口装置相连，所述的多个控制和计算装置是通过多个专用总线按串联方式相互连接起来的，同时由于配置了专用总线和公用总线这种双总线使得系统的扩展十分简便。

2.根据权利要求1所述的分散系统，其特征在于所述的公用总线与用来在所述的多个控制和计算装置和所述的多个控制和计算装置用到的资源之间作信息交换的公用存贮装置相连接，同时所述的多个专用总线与一个完成所述的多个控制和计算装置之间相互需要的信息的输入输出的输入输出外围设备相连或者与较低的控制和计算装置相连接。

3.根据权利要求2所述的分散系统，其特征在于每一个所述的专用总线都通过在计算处理过程中所述的多个控制和计算装置所必须的输入输出外围设备与存贮装置和信息交换装置相连，所述的存贮装置或所述的信息交换装置仅存放或传递由所述专用总线相连的二个多控制和计算装置之间用到的信息，因而所述多控制和计算装置是通过由公用总线和所述的专用总线构成的双重信息交换通路进行信息传送的。

4.根据权利要求1的所述分散系统，其特征在于信息的交换是以平行交换方式或串行交换方式通过所述的公用总线和所述的多专用总线来实现的。

5.根据权利要求1所述的分散系统，其特征在于在系统正常运行时，与为每一个多控制和计算装置配置的第一和第二专用总线接口装置相连的第一和第二专用总线可以随时访问所述的多控制和计算装置，同时，按照由与第一和第二专用总线相连的输入输出外围设备中得到的信息执行控制和计算处理过程，在所述的多控制和计算装置中的一个发生故障时，所述的有故障的那个控制和计算装置则由于使得为所述的故障的控制和计算装置所配置的第一和第二专用总线接口装置处于非运行状态而同所述的第一和第二专用总线脱离，通过所述的第一和第二专用总线分别与所述的有故障的控制和计算装置相连的另一个第一和第二控制和计算装置占用了第一和第二专用总线，这样所述的输入和输出外围装置可以访问它，同时另二个第一和第二控制和计算装置分别取代了所述的发生故障的控制和计算装置，这样即使在有一个控制和计算装置发生故障时也能使控制和计算处理过程继续保持运行。

6.根据权利要求1所述的分散系统，其特征在于在系统正常运行时，为每一个所述的控制和计算装置配置的第一和第二专用总线接口装置中的任一个，例如是第一总线接口装置，是置成运行状态，并且与第一专用总线相连，而另一个，例如是第二总线接口装置，是置成非运行状态，同时与第二专用总线相连，为与处于运行状态的所述的第一专用总线相连的另一个第一控制和计算装置而配置的一个总线接口装置被置成非运行状态，而为与处于非运行状态的所述的第二专用总线相连的另一个第二控制和计算装置而配置的一个总线接口装置被置成运行状态，这样所述的多控制和计算装置，每一个装置按仅占用的一个专用总线完成访问，并且按照从与所述的那个占用的专用总线相连的输入输出外围设备中得到的信息进行控制和计算的处理，当所述的多控制和计算装置中的一个发生故障时，则在所述的故障控制和计算装置中配置的处于运行状态的专用总线接口装置被置成非运行状态，这样所述的有故障的控制和计算装置就同所述的第一和第二专用总线分开了，这样与在正常运行时由所述的现在发生故障的控制和计算装置访问的所述的第一和第二专用总线相连的所述的另一第一和第二控制和计算装置便使得原来在正常运行时处于非运行状态的专用总线接口装置进入运行状态，于是另一个第一和第二控制和计算装置占用了第一和第二专用总线，使得所述的输入输出外围装置能访问到它，并且取代了所述的有故障的控制和计算装置的计算处理任务，从而在即使有一个控制和计算装置发生故障时也能使控制和计算的处理过程继续保持运行。

7.一个多处理系统，其特征在于如权利要求1所述是使用微机作为控制和计算装置，多个微机同单个公用总线相连，所述多个微机中的每一个都配置二个专用总线，同时所述的多个微机是按串行方式通过所述的各自两个专用总线连接起来的，因而实现双重总线且便于对所述的多个微机进行扩展。

Images