CN117573609A - 一种具有冗余功能的片上系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有冗余功能的片上系统及其控制方法，包括冗余模块、选通模块和多个主控模块；多个主控模块互为独立且执行相同的程序，包括主运行主控模块和备用主控模块；冗余模块用于管理各个主控模块中的数据并配置工作模式，并同步主运行主控模块的数据；完成数据同步后，进行多个主控模块的数据仲裁，将仲裁后的数据更新给其他备用主控模块；若数据仲裁过程中，发现主运行主控模块异常，则切换其他备用主控模块为新的主运行主控模块；选通模块接收指令，用于选择切换后的主运行主控模块进行对外的输入输出。本发明能够大大提升工业控制器的主控芯片的数据安全性、工作稳定性，降低控制器的故障率。

Description

一种具有冗余功能的片上系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及片上系统设计领域，尤其涉及一种具有冗余功能的片上系统及其控制方法。

背景技术

在工业控制行业，PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分布式控制系统）、运动控制器的使用非常广泛，尤其是在一些重要的场景下（比如电力、交通、石化、核电等行业），对于这些控制器要求非常高，一般需要有冗余功能。冗余控制器的开发有特殊的设计要求，一般有网络冗余、介质冗余、设备冗余等等，还需要对这些控制器的电源也做冗余设计。另一方面，随着工业自动化水平的提升，越来越多的民用场景，也要求能够有冗余功能，以降低设备的维护成本，比如二次供水等。上述的这类冗余要求，通常是需要进行冗余设计，即设计成两套独立的系统，并通过专用的算法以及选择模块进行实现，其研发难度非常大。

此外，在工业控制中，稳定性始终是放在第一关键位置，不管选择哪种控制器，对控制过程中的数据稳定性、控制逻辑的可靠性或者是点位控制和通讯的稳定性都有比较高的要求，如果在控制过程中，因为干扰等原因导致过程数据异常或者IO输出逻辑出错，那就会导致整个设备的异常，带来不可预知的风险。一般这种可靠性设计，是基于整体的硬件电路来实现，开发者无法对控制器主控芯片本身进行可靠性的提升。

不管是上述哪种场景，这些控制器基本都采用通用MCU开发实现，比如ARM架构或者X86架构的主控芯片，而这些主控芯片本身是没有冗余功能的，对于其中的双核或者多核系统，他们可以独立运行，但是并不能实现类似数据冗余、IO冗余等功能，而往往只是通过多核实现多种任务的并行执行，其中一个内核异常，其部分功能便无法执行。另一方面，虽然多个核心可独立运行，但是对应的从模块往往是多个内核共用的，只要从模块异常，那么整个芯片也就无法运行了。

在工业控制器中，一般会以组态形式进行编程，主要的任务类型有循环任务、中断任务、定时任务，主要涉及到的数据主要有组态数据、IO数据、内部数据、用户数据、工作状态数据、故障信息数据等，目前业内还没有在芯片层面进行冗余设计的相关方法，而在单个控制器层面的数据冗余或IO冗余，目前也没有成熟的方案实际应用。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种具有冗余功能的片上系统及其控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有冗余功能的片上系统，该片上系统包括冗余模块、选通模块和多个主控模块；

所述多个主控模块互为独立且执行相同的程序，包括主运行主控模块和备用主控模块；

所述冗余模块包括冗余控制单元和数据冗余交互单元；所述冗余控制单元用于管理各个主控模块中的数据并配置工作模式；所述数据冗余交互单元用于同步主运行主控模块的数据；完成数据同步后，进行多个主控模块的数据仲裁，将仲裁后的数据更新给其他备用主控模块；若数据仲裁过程中，发现主运行主控模块异常，则切换其他备用主控模块为新的主运行主控模块；

所述选通模块用于选择切换后的主运行主控模块进行对外的输入输出。

进一步地，片上系统还包括GPIO模块、通讯模块和从模块，与多个主控模块形成多个子系统，共用一套冗余模块和选通模块。

进一步地，所述冗余控制单元用于管理各个主控模块中的数据，包括数据的判断、数据的同步以及数据的交换。

进一步地，所述冗余控制单元配置冗余模块的工作模式包括片内冗余模式、片外冗余模式和非冗余模式；所述片内冗余模式是基于主控模块之间的切换和数据同步；所述片外冗余模式是将片上系统做成独立的控制器，多个控制器通过对外数据冗余接口连接，实现控制器层面的冗余系统；所述非冗余模式不进行数据冗余交互和同步操作各个主控模块按照独立内核进行运行。

进一步地，片外冗余模式下，不仅单个控制器内部的片上系统会进行数据冗余和同步，冗余控制单元还会进行控制器层面的数据仲裁和数据交互、同步，实现双重冗余。

进一步地，所述数据冗余交互单元的地址空间进行设置以形成不同功能的数据冗余交互单元，不同的数据冗余交互单元设置成不同的数据交互模式，包括实时同步模式、定时同步模式、触发同步模式和被动同步模式。

进一步地，所述数据冗余交互单元划分为组态数据区、IO数据区、内部数据区、用户数据区、工作状态数据区和故障信息数据区；这些数据区的数据，根据冗余控制单元所配置的交互模式进行工作。

进一步地，所述冗余模块通过检测标志位进行错误检测，在检测到错误数据后，立即进行数据仲裁，并按照仲裁模式将数据更新到仲裁后的其他备用主控模块中，并进行主控模块的切换。

进一步地，所述选通模块用于进行切换选通操作，选择切换后的主运行主控模块对应的GPIO模块和通讯模块，进行对外的输入输出；并且实时监控各个GPIO模块和通讯模块的状态，当检测到有GPIO模块或通讯模块异常后，反馈到冗余控制单元中，以执行之后的切换操作。第二方面，本发明提供了一种具有冗余功能的片上系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1）片上系统设置多个主控模块，各个主控模块互为独立且执行相同的程序，包括主运行主控模块和备用主控模块；

（2）通过冗余控制单元管理各个主控模块中的数据并配置工作模式，通过数据冗余交互单元同步主运行主控模块的数据；完成数据同步后，进行多个主控模块的数据仲裁，将仲裁后的数据更新给其他备用主控模块；

（3）若数据仲裁过程中，发现主运行主控模块异常，则切换其他备用主控模块为新的主运行主控模块；

（3）选择切换后的主运行主控模块进行对外的输入输出。

本发明的有益效果：本发明的能够配置成片内冗余模式、片外冗余模式和非冗余模式，用户只需要在主控模块中将对应需要冗余、同步的数据放到指定的地址空间即可，不用再另行开发冗余算法，降低了开发工作量，当主运行主控模块出现异常，可自动切换到备份主控模块中，其中的运行数据、IO状态、通讯数据均能自动同步到备份主控模块中。通过片内高速总线进行数据同步和更新，可大幅缩短数据同步、备份的周期，实现“无感”的主控切换，此外不同数据地址下的数据可设置成各自不同的同步模式，不仅能提升片内总线利用率，也能根据用户需求实现自定义的数据备份模式，本发明能够大大提升工业控制器的主控芯片的数据安全性、工作稳定性，降低控制器的故障率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的片上系统框架图；

图2为本发明冗余模块的关联模块架构图；

图3为本发明片外冗余模式下两个片上系统数据交互示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出一种具有冗余功能的片上系统。该片上系统包括主控模块、GPIO模块、通讯模块、冗余模块、选通模块以及从模块，所有这些模块的通讯有片内高速总线实现交互。本发明中，主控模块、GPIO模块、通讯模块、从模块有相同的2套或者多套组成，且互为独立，这几个相同的子系统共用一套冗余模块和选通模块。

基于该片上系统，能够实现双核或多核片上系统的冗余功能，该冗余功能主要体现在芯片层面实现控制数据的双核/多核之间的内核冗余、数据冗余、IO冗余、通讯功能的冗余，即在单一芯片上，同时运行两个或多个相同的控制程序，片上系统的各个主控模块通过片内总线独立控制各自从模块、GPIO模块和通讯模块，冗余模块与片上的主控模块实时或定时进行数据交互和同步，并在选通模块中对GPIO模块和通讯模块选择合适的接口输出，当主运行主控模块出现异常，可自动切换到备份主控模块中，其中的数据、IO状态、通讯数据均能自动同步到备份主控模块中。通过本发明的片上系统，能够大大提升工业控制器的主控芯片的数据安全性、工作稳定性，降低控制器的故障率。

另外，也能将本发明的片上系统配置成片外冗余模式，开发成两个独立控制器系统，将该片上系统应用在两个独立的控制器中，通过对外数据冗余总线对接，实现2套或多套系统的冗余。用户只需要在主控模块中将对应需要冗余、同步的数据放到指定的地址空间即可，不用再另行开发冗余算法，降低了开发工作量。此外，本发明提出的片上系统在不开启冗余模式的情况下，也能同通用CPU一样，支持两个或多个主控内核的独立工作和指定选通输出。

本发明中，主控模块、GPIO模块、通讯模块、从模块按照片上系统的冗余要求进行设计，可支持双核或多核形式。一个主控模块单独拥有对应的GPIO模块、通讯模块和从模块。

所述主控模块主要是执行工业控制程序的模块，与常规的MCU内核一样，可以是包括ARM架构在内的常用内核架构；

所述GPIO模块用来处理主控模块所需的输入输出信号；

所述通讯模块主要是各种工业常用的通讯控制器，比如UART、I2C、MAC、SPI等接口控制器，用来管理芯片的通讯协议和数据；

所述从模块主要是组成片上系统的其他通用模块，比如定时器模块、看门狗模块等，主要作为主控模块的辅助功能模块。上述提到的这几类模块都是通用模块，与一般的片上系统模块一样。

为了实现片上系统的内核冗余和数据冗余，通常需要有两个或多个主控模块，对应的也会需要有多个GPIO模块、通讯模块和从模块。对于冗余片上系统而言，一般会有一个主运行主控模块和一个或多个备份主控模块，正常运行时，这几个主控模块同时执行相同的程序。

所述冗余模块包括冗余控制单元和数据冗余交互单元，其中冗余控制单元主要用来管理各个主控模块中的数据，包括数据的判断、数据的同步以及数据的交换等：

所述冗余控制单元可配置冗余模块的工作模式，包括片内冗余模式、片外冗余模式和非冗余模式，默认为片内冗余模式，具体工作过程如下：

所述数据的同步就是将各个主控模块的数据统一收集到数据冗余交互单元中。可对数据冗余交互单元的地址空间进行设置以形成不同功能的数据冗余交互单元，不同的数据冗余交互单元可以设置成不同的数据交互模式。常见模式有实时同步模式、定时（周期性）同步模式、触发同步模式和被动同步模式。其中实时同步模式以片上系统的高速总线特定频率从各个主控模块获取数据；定时（周期性）同步模式则根据设置的同步时间，从各个主控模块获取数据；触发同步模式在指定数据地址内有数据变化后立即进行数据同步，从各个主控模块获取数据；被动同步模式则由主控模块的指令发起，数据冗余控制单元再从各个主控模块进行数据同步。

在完成数据同步后，进行多个主控模块的数据仲裁，可支持如2选1冗余仲裁，3选2冗余仲裁，指定仲裁等多种模式。即对各个主控模块的数据进行分析，选择仲裁后的主控模块数据作为执行的数据，并将仲裁后的数据更新给各个备份主控模块。

所述冗余模块通过检测标志位可进行错误检测，在检测到错误数据后，可立即进行数据仲裁，并按照仲裁模式将数据更新到仲裁后的主控模块中，并进行主控模块的切换，从主运行主控模块切换到备份主控模块。

配置成片外冗余模式后，可使能对外数据冗余接口，具体工作过程为：可将本发明提出的片上系统做成独立的控制器，多个控制器通过对外数据冗余接口连接，实现控制器层面的冗余系统，片外冗余模式下，不仅单个控制器内部的片上系统会进行数据冗余和同步，冗余控制单元还会进行控制器层面的数据仲裁和数据交互、同步，实现双重冗余。

配置成非冗余模式后，则不再进行数据冗余交互和同步操作，各个主控模块按照独立内核进行运行。此时数据冗余交互单元可复用成内部ram。

所述数据冗余交互单元用来存储从指定主控模块获取的数据。一般可将数据冗余交互单元划分为组态数据区、IO数据区、内部数据区、用户数据区、工作状态数据区和故障信息数据区。这些数据区的数据，根据冗余控制单元所配置的交互模式进行工作，比如组态数据区一般可配置为定时（周期性）同步模式，即可根据控制节拍进行数据同步，而故障信息数据区，则一般设置为实时同步模式，以保证最高优先级获取到故障信息，并进行主控模块的切换。

所述选通模块接收指令，用于选择切换后的主控模块对应的GPIO模块和通讯模块，进行对外的输入输出，因为不管片上有多少个GPIO模块或者通讯模块，最终对外输入输出的只有固定的接口数量。所以需要选通模块来进行切换选通操作。

对于输入接口，选通模块会执行1分多的操作，将信号分别输入给各个GPIO模块；

对于输出接口，选通模块根据冗余控制单元的指令，选通主运行主控模块对应的GPIO模块信号输出；

对于通讯接口，选通模块也同样根据冗余控制单元的指令，输出数据会选通主运行主控模块对应的通讯模块信号进行对外通讯，而输入数据则会1分多进入到各个通讯模块。

除了常规选通功能外，选通模块同时也会实时监控各个GPIO模块和通讯模块的状态，当检测到有GPIO模块或通讯模块异常后，也会反馈到冗余控制单元中，以执行之后的切换操作。

实施例：如附图1所示，本发明系统以双核片上系统为例进行说明，其中包括第一主控模块和第二主控模块，两个主控模块均用来执行工业控制程序，其中有控制过程中的数据信息和模块的状态信息，各个主控模块通过片内高速总线与对应的GPIO模块、通讯模块以及其他从模块进行数据交互，在冗余模式下，第一主控模块单独与第一GPIO模块、第一通讯模块和第一从模块进行通讯，第二主控模块单独与第二GPIO模块、第二通讯模块和第二从模块进行通讯，这里默认以第一主控模块作为主运行主控模块，第二主控模块作为备份主控模块。在非冗余模式下，每个主控模块均能访问总线上的各个模块。

冗余模块是本发明的关键核心，主要包括冗余控制单元、数据冗余交互单元，通过片内高速总线访问总线上的第一主控模块、第二主控模块和选通模块，并能够通过模式配置使能对外数据冗余接口，本实施例主要以片内冗余模式进行说明，具体如附图2所示。

其中，冗余控制单元可通过寄存器配置，对片上系统的模式进行配置，可选模式包括片内冗余模式、片外冗余模式和非冗余模式。片上系统默认开启片内冗余模式。此外也需要对冗余控制单元需要仲裁的模式进行选择，涉及到的主要寄存器有：

完成冗余模式选择和仲裁模式选择后，需要对数据冗余交互单元的数据区进行地址空间设置，并对其数据交互模式进行选择。本实施例中，设置了4个数据冗余交互数据区，分别是组态数据区、IO数据区、状态数据区、故障信息，并将组态数据区和IO数据区的同步模式设置为定时（周期性）同步，状态数据区和故障信息设置为实时同步模式。

之后即可开始启动冗余模式，冗余控制单元会将第一主控模块作为主运行主控模块，并将当前的主运行主控模块信息反馈到选通模块中，选通模块则根据该信息来选择对应GPIO模块和通讯模块的数据进行输入输出。

根据冗余控制单元的配置信息，数据冗余交互单元会分别从主运动主控模块和备份主控模块中获取要求数据，然后有冗余控制单元进行仲裁分析，若没有检测到异常，那么继续由第一主控模块作为主运行主控模块，并把从第一主控模块中获取到的数据按要求同步更新给第二主控模块，让第二主控模块按照主控模块的数据节拍进行控制。

若检测到主运行主控模块异常，那么会立刻将上一控制节拍的数据更新到第二主控模块（即备份主控模块），并将第二主控模块切换成主运行主控模块，同时将该信息传递给选通模块，使选通模块以第二GPIO模块和第二通讯模块作为主信号。完成切换后，片上系统能够正常执行，而数据冗余交互单元中的故障信息则会记录当前检测到的故障，并通过IO方式进行输出指示。

除了片内冗余模式，本发明提出的片外冗余模式，能够进一步实现第一片上系统和第一片上系统之间的数据冗余，即当选择片外冗余模式后，片内冗余的功能依然执行，同时会使能对外数据冗余接口，当两个或多个片上系统的对外数据冗余模块接口互联之后进行板级数据通讯，冗余模块的冗余控制单元会先选定主运行系统，并按照片外仲裁模式进行冗余控制，如附图3所示。

本发明提出的具有冗余功能的片上系统，也可设置为非冗余模式，在该模式下，两套主控模块可完全独立运行，可通过片内高速总线分别访问各个从模块和GPIO模块，并通过程序设定，指定对应的选通接口输出。在非冗余模式下，数据冗余交互单元的空间可作为普通ram进行使用。

本发明还提供了一种具有冗余功能的片上系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1）片上系统设置多个主控模块，各个主控模块互为独立且执行相同的程序；

（2）通过冗余控制单元管理各个主控模块中的数据并配置工作模式，当主控模块发生异常时，切换主控模块，具体过程为：通过数据冗余交互单元同步指定主控模块的数据；完成数据同步后，进行多个主控模块的数据仲裁，将仲裁后的数据更新给切换后的主控模块；

（3）选择切换后的主控模块进行对外的输入输出。

通过该冗余控制方法，能够进一步提升工业主控芯片的运行可靠性，且其中主要的冗余控制逻辑由SOC电路实现，也降低了主控模块的算法开销。此外本片上系统支持的片外冗余模式，为控制器系统冗余提供了一种更好的解决方案，结合电源系统的冗余，可更快速实现系统冗余，尤其在数据冗余方面，通过片内和控制器间的冗余机制，实现了双重冗余的功能，能有更稳定的性能。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有冗余功能的片上系统，其特征在于，该片上系统包括冗余模块、选通模块和多个主控模块；

所述多个主控模块互为独立且执行相同的程序，包括主运行主控模块和备用主控模块；

所述冗余模块包括冗余控制单元和数据冗余交互单元；所述冗余控制单元用于管理各个主控模块中的数据并配置工作模式；所述数据冗余交互单元用于同步主运行主控模块的数据；完成数据同步后，进行多个主控模块的数据仲裁，将仲裁后的数据更新给其他备用主控模块；若数据仲裁过程中，发现主运行主控模块异常，则切换其他备用主控模块为新的主运行主控模块；

所述选通模块接收指令，用于选择切换后的主运行主控模块进行对外的输入输出。

2.根据权利要求1所述的一种具有冗余功能的片上系统，其特征在于，片上系统还包括GPIO模块、通讯模块和从模块，与多个主控模块形成多个子系统，共用一套冗余模块和选通模块。

3.根据权利要求1所述的一种具有冗余功能的片上系统，其特征在于，所述冗余控制单元用于管理各个主控模块中的数据，包括数据的判断、数据的同步以及数据的交换。

4.根据权利要求1所述的一种具有冗余功能的片上系统，其特征在于，所述冗余控制单元配置冗余模块的工作模式包括片内冗余模式、片外冗余模式和非冗余模式；所述片内冗余模式是基于主控模块之间的切换和数据同步；所述片外冗余模式是将片上系统做成独立的控制器，多个控制器通过对外数据冗余接口连接，实现控制器层面的冗余系统；所述非冗余模式不进行数据冗余交互和同步操作，各个主控模块按照独立内核进行运行。

5.根据权利要求4所述的一种具有冗余功能的片上系统，其特征在于，片外冗余模式下，不仅单个控制器内部的片上系统会进行数据冗余和同步，冗余控制单元还会进行控制器层面的数据仲裁和数据交互、同步，实现双重冗余。

6.根据权利要求1所述的一种具有冗余功能的片上系统，其特征在于，所述数据冗余交互单元的地址空间进行设置以形成不同功能的数据冗余交互单元，不同的数据冗余交互单元设置成不同的数据交互模式，包括实时同步模式、定时同步模式、触发同步模式和被动同步模式。

7.根据权利要求1所述的一种具有冗余功能的片上系统，其特征在于，所述数据冗余交互单元划分为组态数据区、IO数据区、内部数据区、用户数据区、工作状态数据区和故障信息数据区；这些数据区的数据，根据冗余控制单元所配置的交互模式进行工作。

8.根据权利要求1所述的一种具有冗余功能的片上系统，其特征在于，所述冗余模块通过检测标志位进行错误检测，在检测到错误数据后，立即进行数据仲裁，并按照仲裁模式将数据更新到仲裁后的其他备用主控模块中，并进行主控模块的切换。

9.根据权利要求2所述的一种具有冗余功能的片上系统，其特征在于，所述选通模块用于进行切换选通操作，选择切换后的主运行主控模块对应的GPIO模块和通讯模块，进行对外的输入输出；并且实时监控各个GPIO模块和通讯模块的状态，当检测到有GPIO模块或通讯模块异常后，反馈到冗余控制单元中，以执行之后的切换操作。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述具有冗余功能的片上系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）片上系统设置多个主控模块，各个主控模块互为独立且执行相同的程序，包括主运行主控模块和备用主控模块；

（2）通过冗余控制单元管理各个主控模块中的数据并配置工作模式，通过数据冗余交互单元同步主运行主控模块的数据；完成数据同步后，进行多个主控模块的数据仲裁，将仲裁后的数据更新给其他备用主控模块；

（3）若数据仲裁过程中，发现主运行主控模块异常，则切换其他备用主控模块为新的主运行主控模块；

（4）选择切换后的主运行主控模块进行对外的输入输出。