DE4019673A1 - Schaltmodul fuer paare von an mindestens einen kommunikationsbus angeschlossenen homologen prozessoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltmodul für Paare von an mindestens einen Kommunikationsbus angeschlossenen homologen Prozessoren.

Computersysteme bestehend aus einer Anzahl von dedi­ zierten Einzelcomputern, die parallel zueinander an einen Kommunikationsbus angeschlossen sind, haben mittlerweile wei­ te Verbreitung gefunden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sy­ stems dieser Art, das allgemein einen Kommunikationsbus (PSB) enthält, der mit einer Reihe von dedizierten Einzelprozes­ soren (SC) kommuniziert, die ihrerseits für die Kontrolle über einzelne Bereiche einer Industrieanlage mit verteilter Intelligenz über serielle Kommunikationsleitungen (Bit-Busse) verwendet werden. In dem dargestellten Fall ist der Kommu­ nikationsbus von der kommerziell unter dem Intel-Namen Par­ allelsystembus bekannten Art.

Eine Struktur dieser Art mit unabhängigen Prozessoren erlaubt es, die Funktionen aufzuspalten, während gleichzeitig eine Koordination zu den oberen Strukturen der Hierarchie sichergestellt ist. Die Einzelprozessoren (SC) können bei­ spielsweise speziell ausgelegt sein für verschiedene funktio­ nelle Untergruppen der Anlage, wie oben angesprochen. Die Ab­ kürzung OI bedeutet ein Terminal (Endgerät) zur Kommunikation mit dem Operator.

Eine Anordnung dieser Art ist unter dem Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems nicht zufriedenstel­ lend, selbst wenn der Ausfall eines Moduls (SC) nur den Ver­ lust eines beschränkten Teils der Anlage nach sich zieht, da die von dem ausgefallenen Prozessor abhängigen Bit-Bus-Knoten von großer Anzahl sein und sehr wichtige Funktionen ausführen können.

Obwohl die einzelnen Bit-Bus-Knoten unabhängig als eigenständige Einheiten die analogen und digitalen Steuer­ aufgaben durchführen können, für die sie programmiert sind, ist die korrekte Funktion des Prozessors (SC) unabdingbar für:

• - das Koordinieren der komplexeren Steueraufgaben, die aufgrund der großen Anzahl von I/O-Einheiten oder der Kom­ plexität des Prozesses nicht auf einen einzigen Bit-Bus-Kno­ ten beschränkt werden können;
• - das Koordinieren von verschiedene Bit-Busse be­ rührenden Bit-Bus-Knoten mit Hilfe von Dialogen mit anderen Prozessoren (SC);
• - das Realisieren einer Verbindung mit den höheren Strukturen der Hierarchie;
• - die Bereitstellung von Information diagnostischer Art betreffend den abhängigen Bit-Bus;
• - Sicherstellung, daß eine bestimmte Fehlerbetriebsart des Prozessors (SC), die negativen Einfluß auf den Betrieb der zugeordneten Bit-Bus-Erweiterung hat, selbst wenn sie funktionell unabhängig ist, sich nicht negativ auswirkt auf die zugeordnete Bit-Bus-Knoten/Mensch-Maschine-Schnittstelle (OI).

Davon ausgehend ist es klar, daß ein zufriedenstellen­ der Grad an Zuverlässigkeit erreicht werden kann durch eine Redundanz der das System bildenden Elemente und insbesondere durch eine Redundanz der einzelnen Prozessoren (SC). Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltmodul zu schaf­ fen, das beim Vorhandensein eines Paares von Prozessoren, von denen der eine eine Master- und der andere eine Slave-Funk­ tion hat, in der Lage ist, jede Fehlerbedingung zu erfassen und die Steuerfunktionen ohne Unterbrechung im Betrieb der zugeordneten Bit-Bus-Knoten von dem einen zu dem anderen die­ ser Prozessoren umzuschalten.

Das erfindungsgemäße Schaltmodul, das im folgenden mit (SWA) bezeichnet wird, leistet die folgenden Grundfunktionen:

• - Überwachung des Betriebs der beiden zugeordneten Pro­ zessoren (SC), wobei sofort ein Ausfall bei diesen erfaßt wird;
• - Umschalten des von dem ausgefallenen Master-Prozessor (SC) kontrollierten Bit-Bus von diesem zu dem anderen, dem Slave-Prozessor (SC);
• - Sicherstellung eines hohen Grades an Zuverlässigkeit seiner eigenen Schaltung durch elektrisch überausgelegte Kom­ ponenten, um deren Belastung zu vermindern, eine Redundanz der Komponenten mit begrenzter Zuverlässigkeit und Verwendung von "kritischen" Komponenten mit garantiert zuverlässigen stiftkompatiblen, äquivalenten Elementen.

Das erfindungsgemäß Schaltmodul kann in verschiedenen Konfigurationen, die eine vollständige oder modulare Redun­ danz ergeben, in ein System von auf einer Seite mit minde­ stens einem Kommunikationsbus und auf der anderen Seite mit den relevanten Bit-Bus-Knoten verknüpften Prozessoren einge­ fügt sein.

Der Ausdruck vollständige Redundanz wird in der Be­ deutung verwendet, daß eine Struktur bestehend aus einem Kommunikationsbus, dem mehrere Prozessoren (SC) mit einer Master-Funktion zugeordnet sind und von denen einer ausge­ fallen ist, in ihrer Gesamtheit auf eine andere identische Struktur mit korrekter Arbeitsweise umgeschaltet wird. In diesem Fall wird jedes Paar von homologen Prozessoren durch ein erfindungsgemäßes Schaltmodul überwacht, das speziell diesem Paar von Prozessoren zugeordnet ist. Sobald eines der erfindungsgemäßen Schaltmodule einen Ausfall im Betrieb des zugeordneten Master-Prozessors erfaßt, werden alle die von den verschiedenen Master-Prozessoren kontrollierten Bit-Bus-Knoten auf die Slave-Struktur umgeschaltet, die aus ihrem eigenen Kommunikationsbus und entsprechenden Prozessoren (SC) besteht.

Eine vollständige Redundanz kann auch in der Weise mit­ tels des erfindungsgemäßen Schaltmoduls erreicht werden, daß der ausgefallene Prozessor ohne Unterbrechung der Stromver­ sorgung zu den übrigen Prozessoren ersetzt werden kann. In diesem Falle wird jedem Prozessor (SC) eine im folgenden mit (SWI) bezeichnete Abschaltplatine zugeordnet sein, die Ge­ genstand einer Parallelanmeldung des Anmelders ist, und auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird.

Der Ausdruck modulare Redundanz wird so verwendet, daß von einem der verschiedenen Master-Prozessoren (SC) auf dessen Ausfall hin individuell auf einen an denselben Kom­ munikationsbus angeschlossenen Slave-Prozessor (SC) umge­ schaltet wird.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Schaltmodul auch ohne Redundanz der Prozessoren (SC) in Verbindung mit der Ab­ schaltplatine (SWI) verwendet werden. In diesem Falle erlaubt das mit der Abschaltplatine kombinierte Schaltmodul lediglich ein Abtrennen des ausgefallenen Prozessors und dessen Aus­ tausch ohne Unterbrechung der Stromversorgung zu dem System.

Diese spezielle Art der Verwendung des Schaltmoduls mit zugeordneter Abschaltplatine (SWI) ist in der o. g. Parallel­ anmeldung beschrieben und beansprucht.

Weitere Funktionen des erfindungsgemäßen Schaltmoduls sind:

• - Abgabe von Signalen und Anweisungen an Abschalt­ platinen (SWI) der o. g. Art;
• - Bildung von Schnittstellen mit zentralisierten Ser­ vice-Modulen oder sog. "Schrank-Modulen" für die Verwaltung von I/O-Signalen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines compu­ terisierten Systems, bei dem die Erfindung mit Vorteil ange­ wandt werden kann;

Fig. 2 eine ähnliche schematisierte Darstellung, die durch das Vorhandensein des erfindungsgemäßen Schaltmoduls abgeändert ist, welches in diesem Fall nicht dazu verwendet wird, Redundanzbedingungen herzustellen, sondern den Aus­ tausch einer Abschaltplatine (SWI) ohne Unterbrechung der Stromzufuhr zu dem computerisierten System zu erlauben;

Fig. 3 ein ähnliches System wie in Fig. 1 darge­ stellt, das durch das Vorhandensein von in der Weise einge­ fügten erfindungsgemäßen Schaltmodulen abgeändert ist, daß eine modulare Redundanz herbeigeführt wird, wobei das Vor­ handensein von Abschaltplatinen (SWI) den Austausch des ausgefallenen Prozessors (SC) erlaubt, während der homologe Prozessor korrekt arbeitet;

Fig. 4 eine Anwendung des erfindungsgemäßen Schalt­ moduls, bei der unter zusätzlicher Verwendung von Abschalt­ platinen (SWI) eine vollständige Redundanz erreicht wird;

Fig. 5 eine Anwendung ähnlich der vorhergehenden, wobei jedoch keine Abschaltplatinen (SWI) verwendet werden.

Fig. 1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung er­ läutert.

In Fig. 2 ist ein abgeänderter oder modifizierter Kom­ munikationsbus (MB) anstelle des Kommunikationsbus (PSB) ge­ zeigt. Der modifizierte Kommunikationsbus (MB) ist parallel mit n Prozessoren (SC1, SC2, ..., SCn) verbunden. Zwischen je­ dem Prozessor (SC) und dem Kommunikationsbus (MB) ist jeweils eine Schaltplatine (SWI1, SWI2, ..., SWIn) gemäß der oben genannten Parallelanmeldung angeordnet. Zwischen jeden Pro­ zessor (SC) und seine korrespondierende Schaltplatine (SWI) ist weiter ein Schaltmodul (SWA1, SWA2, ..., SWAn) gemäß der vorliegenden Erfindung geschaltet.

Die Beschaffenheit der Signale zwischen dem Kommuni­ kationsbus, den Abschaltplatinen, den Prozessoren und den Schaltmodulen wird im folgenden schematisch beschrieben:

• A) Signal für den parallelen Dialog zwischen dem Kom­ munikationsbus (MB) und dem Prozessor (SC) zum Austausch von Daten während des Normalbetriebs des Prozessors (SC).
• B) Signal für den parallelen Dialog zwischen dem Kommunikationsbus (MB) und der Abschaltplatine (SWI) für die automatische Initialisierung des Prozessors (SC), nachdem dieser eingesetzt ist. In diesem Zusammenhang sollte daran erinnert werden, daß die Abschaltplatine niemals von dem Kommunikationsbus (MB) entfernt wird und dieser daher kon­ tinuierlich die Initialisierungsdaten des Prozessors (SC) zum Speichern zugeführt werden.
• C) Stromversorgung vom Kommunikationsbus (MB) über die Abschaltplatine (SWI) zum Prozessor (SC), so daß diese von der Abschaltplatine unterbrochen werden kann.
• D) Ein Teil der Versorgungsleitung zum Prozessor (SC) zwischen dem Prozessor (SC) und der Abschaltplatine (SWI), die, falls notwendig, diese unterbrechen kann.
• E) Übertragungsleitung für die in der Abschaltplatine (SWI) enthaltenen Initialisierungssignale zum Prozessor (SC).
• F) Kommunikationsleitung zwischen der Abschaltplatine (SWI) und dem Prozessor (SC) für die Übertragung eines Si­ gnals, das das körperliche Vorhandensein des Prozessors (SC) anzeigt, und zur Übertragung eines Prozessorrücksetzsignals ("Kill-Board-Signal") im Falle eines fehlerhaften Betriebs.
• G) Kommunikationsleitung zwischen dem Schaltmodul (SWA) und dem Prozessor (SC) für Diagnosezwecke, um auszuwer­ ten, wann die Abschaltplatine in die Funktionen WATCHDOG, STOP, STOP EFFECTED, MASTER SC, INTERRUPT eintritt (deren Be­ deutungen allgemein bekannt sind).
• H) Kommunikationsleitung zwischen dem Schaltmodul (SWA) und der Abschaltplatine (SWI) zur Durchführung der den Operationen des Einfügens und Ausfügens des Prozessors zuge­ ordneten logischen Funktionen (SWITCHING PRESENT - SWAPPING PRESENT - INSERT/REMOVE - PERMISSIVE) ebenso wie der den Schaltoperationen zugeordneten Funktionen (KILL BOARD - POWER CORRECT - EXCESS CURRENT - SC PRESENT).

Die Funktion des Schaltmoduls besteht daher darin:

• - jeden Absturz des Prozessors (SC) zu erfassen;
• - mit der Abschaltplatine (SWI) zu kommunizieren, um den Prozessor (SC) zurückzusetzen und die Stromversorgungen zu überwachen;
• - die Bedienungselemente körperlich aufzunehmen und das Einfügen/Ausfügen zu signalisieren, da die Abschaltplatine vorzugsweise keine Bedientafel aufweist.

Andere Funktionen des Schaltmoduls (SWA) werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren für ein modular- oder vollständig redundantes System beschrieben.

Was die Abschaltplatine (SWI) betrifft, ist diese we­ sentlich für:

• - das Rücksetzen eines Prozessors (SC), der durch das Schaltmodul (SWA) als fehlerhaft erfaßt worden ist, und die Kontrolle der Stromversorgung;
• - das Unterbrechen der Prozessorstromversorgung, wenn dieserals fehlerhaft erfaßt worden ist, um das Entfernen des Prozessors zu erlauben;
• - das Unterbrechen und Wiederherstellen der Stromver­ sorgung, um ein Wiedereinsetzen des Prozessors zu erlauben;
• - das Speichern der Initialisierungsinformation für den Prozessor (SC), um diese nach dem Wiedereinsetzen des Prozes­ sors zu übertragen, um diesen in einen Betriebsstatus zurück­ zuführen.

Unter spezieller Bezugnahme auf die Fig. 3, die eine Anwendung des Schaltmoduls für den Fall betrifft, daß eine modulare Redundanz gefordert ist, sollte daran erinnert wer­ den, daß die Kommunikationsleitungen mit den gleichen Namen wie in Fig. 2 auch die gleichen Funktionen haben.

Der in den Bezeichnungen der Abschaltplatinen (SWIi) und der Prozessoren (SCi), wo (i) ein fortlaufender Index ist, erscheinende Index "A" und "B" bedeutet homologe Elemen­ te, die jeweils von einem einzigen zugeordneten Schaltmodul (SWAi) aktiviert und inaktiviert werden.

Fig. 3 zeigt auch die folgenden Kommunikationsleitun­ gen:

• - (I) Leitung zur direkten Kommunikation zwischen den homologen Prozessoren "A" und "B" zum Aktualisieren der Da­ ten;
• - (L) und (M) Bit-Bus-Kommunikationsleitungen zwischen dem Prozessor "A" oder dem Prozessor "B" und dem System-Bit- Bus, die in diesem Falle durch das Schaltmodul (SWA) verlau­ fen müssen, um die einfachste Redundanzbedingung zu erhalten, welche in der schematischen Darstellung der Fig. 2 gefehlt hat.

Die schematische Darstellung in Fig. 4 zeigt die vollständigste Darstellung für die vollständige Redundanz. Das Vorhandensein der Abschaltplatinen (SWI) erlaubt es auch, einen als fehlerhaft erfaßten Prozessor (SC) individuell aus­ zutauschen, wobei dieser darauffolgend automatisch neu ge­ startet wird. Für die Abschaltplatinen (SWI) und die Schalt­ module (SWA) gelten die bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 dargestellten Funktionen und Verbindungen. Die Schaltmodule (SWA) werden auch mittels einer gemeinsamen Lei­ tung (N) zum simultanen Umschalten des gesamten Satzes von Prozessoren, die dem Kommunikationsbus (MB) "A" zugeordnet sind, zu dem gesamten Satz von Prozessoren, die dem homologen Kommunikationsbus (MB) "B" zugeordnet sind, in eine serielle Reihenfolge gebracht.

In Fig. 5 ist eine vereinfachte Version für eine vollständige Redundanz dargestellt. Das vollständige Umschal­ ten von dem Kommunikationsbus (MB) "A" zu dem homologen Kom­ munikationsbus (MB) "B" erlaubt es, daß die Stromversorgung vollständig von dem einbezogenen Kommunikationsbus abgetrennt wird und somit die verschiedenen Initialisierungsoperationen selbst ohne die Abschaltplatinen (SWI) durchgeführt werden können. Für die verschiedenen Schaltmodule gelten die oben unter Bezugnahme auf die Fig. 4 beschriebenen Funktionen und Verbindungen.

Es sollte daran erinnert werden, daß in diesem Falle der Kommunikationsbus (MB) so abgewandelt werden muß, daß er die fehlende Abschaltplatine überbrückt. Andernfalls kann es sich dabei um den gleichen unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschriebenen Standard-Kommunikationsbus (PSB) handeln.

Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Kommunikations­ leitungen werden bei der in Fig. 5 dargestellten Lösung auch die folgenden weiteren Leitungen einbezogen:

• - (O) Leitung zum parallelen Dialog zwischen dem Kom­ munikationsbus (MB) und jedem der Prozessoren (SC), um eine nicht-automatische Initialisierung zu erlauben, die durch das Unterbrechen der Stromversorgung des Kommunikationsbus (MB), dem der ausgefallene und ersetzte Prozessor (SC) zugehört, notwendig wurde.
• - (P) Stromversorgung, die nicht unterbrochen werden kann, vom Kommunikationsbus (MB) zu jedem einzelnen Prozessor (SC), wobei in diesem Falle die Stromversorgung unterbrochen werden muß, indem der gesamte Kommunikationsbus (MB), welchem der ausgefallene Prozessor zugehört, abgeschaltet wird.

Claims (5)

1. Schaltmodul für mindestens einen an einem Kommunika­ tionsbus angeschlossenen Prozessor, gekennzeichnet durch

• - eine Einrichtung zum Erfassen jedes fehlerhaften Be­ triebs des Prozessors und dessen darauffolgender Rücksetzung
• - eine Einrichtung zum Unterbrechen der Kommunika­ tionsleitung zwischen dem Prozessor und den zugeordneten Bit- Bussen, und
• - eine Einrichtung zum Unterbrechen der Stromversorgung zu dem Prozessor.

2. Schaltmodul für ein Paar von an mindestens einen Kommunikationsbus angeschlossenen homologen Prozessoren, von denen einer ein Master-Prozessor und einer ein Slave-Prozes­ sor ist, gekennzeichnet durch

• - eine Einrichtung zum Erfassen jeden fehlerhaften Be­ triebs des Master-Prozessors und dessen darauffolgender Rück­ setzung,
• - eine Einrichtung zum Umschalten der Verbindungslei­ tung zwischen dem Bit-Bus und dem ausgefallenen Prozessor (SC) zu dem homologen Prozessor (SC), und
• - eine Einrichtung zum Unterbrechen der Stromversorgung zu dem ausgefallenen Prozessor.

3. Schaltmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmodul zwischen ein Paar von parallel an einen gemeinsamen Kommunikationsbus (MB) an­ geschlossenen homologen Prozessoren, von denen einer ein Master-Prozessor und einer ein Slave-Prozessor ist, geschal­ tet ist, und daß es mit homologen Paaren von zwischen jeden Prozessor und den gemeinsamen Kommunikationsbus geschalteten Abschalteinrichtungen (Abschaltplatinen) verbunden ist (Fig. 3).

4. Schaltmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen ein Paar von parallel direkt an homologe Kommunikationsbusse (MB) "A" und (MB) "B" homologe Prozesso­ ren, von denen einer ein Master-Prozessor und einer ein Slave-Prozessor ist, geschaltet ist (Fig. 5).

5. Schaltmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen ein Paar von parallel über Abschalteinrich­ tungen (Abschaltplatinen) (SWI) "A" und (SWI) "B" an homologe Kommunikationsbusse (MB) "A" und (MB) "B" angeschlossene ho­ mologe Prozessoren geschaltet ist (Fig. 4).