DE4340069A1

DE4340069A1 - Protecting against loss or inconsistency of computer data stored on disk in CNC machine

Info

Publication number: DE4340069A1
Application number: DE4340069A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dinges; Thomas Doczkal; Lutz Girard; Wilfried Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 1995-06-01

Abstract

A machine tool controller, e.g. CNC, has a main memory (HS) with a cache memory (CH) that exchanges data with a hard magnetic disk (PS). A specific area of memory (SF) is assigned to store information relating to data blocks (a,o,x,s,g,u,c,e) on the hard disk. This management information and the data blocks on the disk are protected against a disturbance or failure, e.g. mains supply failure. Blocks may be read into the cache memory and can be returned onto the disk (x,x') in a modified form.

Description

In Datenverarbeitungsanlagen werden häufig hohe Anforderungen an die Datensicherheit gestellt, und zwar nicht nur an den Schutz gegen Verlust, sondern auch gegen Inkonsistenz, die z. B. dann auftritt, wenn in einer Datei auf Daten in einer anderen Datei verwiesen wird, die wegen eines Spannungsaus falls nicht mehr gespeichert werden konnten. Besonders in Steuerungen für Werkzeugmaschinen werden hohe Anforderungen gestellt, da infolge fehlerhafter Daten großer Schaden ent stehen kann.High demands are often placed on data processing systems to data security, and not just to Protection against loss, but also against inconsistency e.g. B. occurs when in a file on data in a another file is referenced because of a voltage out if it could no longer be saved. Especially in Control systems for machine tools are demanding posed because of damage due to incorrect data can stand.

Ohne Gegenmaßnahmen führen Spannungseinbrüche zu fehlerhaften Datenstrukturen. Damit die Datensicherheit auch nach abnorma ler Systembeendigung sichergestellt ist, wurde bisher der Hauptspeicher ganz oder teilweise batteriegepuffert. Mit der Einführung von Festplatten, z. B. in die Mensch-Maschine-Kom munikationskomponente von Steuerungssystemen, reicht eine Batteriepufferung des Hauptspeichers zur Konsistenzsicherung nicht mehr aus. Denn da für das Wiedererreichen des konsi stenten Zustandes nach einer Änderung in der Regel die voll ständige Durchführung mehrerer Plattenzugriffe erforderlich ist, entstehen große Zeiträume, in denen bei Einsatz konven tioneller Mittel ein Spannungseinbruch zum Datenverlust und zur Dateninkonsistenz führt. Eine Hardware-Unterstützung, z. B. eine unterbrechungsfreie Stromversorgung oder der Ein satz spezieller Plattensubsysteme zur Sicherung der Datenkon sistenz kommt aus Kostengründen nicht in Betracht.Without countermeasures, voltage drops lead to faulty ones Data structures. So that data security even after abnormal system termination is ensured, the Main memory fully or partially battery-backed. With the Introduction of hard drives, e.g. B. in the human-machine comm communication component of control systems, one is enough Main memory battery backup to ensure consistency no longer out. Because there for the regaining of consi constant state after a change usually the full constant access to several disks required there are large periods of time in which convents occur during use means a voltage dip for data loss and leads to data inconsistency. A hardware support e.g. B. an uninterruptible power supply or the on set of special disk subsystems to secure the data con Resistance is out of the question for reasons of cost.

Als Software-Lösung dieses Problems wurde das Transaktions konzept vorgeschlagen. Danach werden alle aus Sicht des Be nutzers logisch zusammengehörigen Operationen zu einer Ein heit, der Transaktion, zusammengefaßt. Diese werden, wenn die Ausführung einer Operation durch eine Störung abgebrochen wird, so zurückgesetzt, als ob nie irgendeine dieser Opera tionen ausgeführt worden wäre. Andererseits muß das Resultat einer bis zum Ende ausgeführten Transaktion auch nach einer Systemstörung erhalten bleiben. Wird jede Transaktion so zu sammengestellt, daß durch ihre Ausführung ein zu Beginn kon sistenter Datenbestand am Ende konsistent bleibt, so kann die Konsistenz des Datenbestandes auch durch Systemstörungen nicht mehr verlorengehen.The transaction was the software solution to this problem concept proposed. After that, from the perspective of the Be user logically related operations to one the transaction. These will be when the Operation canceled due to a malfunction is reset as if none of these operas would have been carried out. On the other hand, the result a transaction executed to the end even after a System failure persists. So every transaction is too put together that by their execution a con consistent data stock remains consistent at the end, so the Consistency of the database also due to system failures no longer get lost.

Das Transaktionskonzept ist zwar für Datenbanksysteme geeig net, zeigt aber beim Einsatz in numerisch gesteuerten Werk zeugmaschinen eine Reihe von Nachteilen. So entsteht ein Pro blem dadurch, daß beim Transaktionskonzept alle Anwendungen auf den Schnittstellen der Software aufsetzen, welche die Da tensicherheit gewährleisten soll. Da in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, vor allem in der hier in Betracht kommen den Mensch-Maschine-Kommunikationskomponente, Software unter schiedlicher Hersteller und Standard-Software eingesetzt werden, ist die Integration einer Software-Lösung in alle An wendungen nicht möglich. Auch ist ein erheblicher Bedarf an Haupt- und Peripherspeicher erforderlich, der einen wirt schaftlichen Einsatz, insbesondere bei Kleinsteuerungen, nicht zuläßt. Nach einer abnormalen Systembeendigung müssen im Wiederanlauf die Datenstrukturen reorganisiert werden, d. h. die Daten nach Inkonsistenzen durchsucht, Transaktionen schrittweise zurückgesetzt werden und so fort. Diese Reorga nisation kann erhebliche Zeit benötigen, was zu beträchtli chen Kosten führen kann. Auch sind bei Wiederanlauf oder für Vorsorgemaßnahmen des Anwenders im laufenden Betrieb Ein griffe erforderlich, so daß in der Regel ein operatorloser Betrieb nicht möglich ist.The transaction concept is suitable for database systems net, but shows when used in numerically controlled works machine tools a number of disadvantages. This is how a pro is created blem because the transaction concept all applications on the interfaces of the software that the Da guarantee security. Because in numerically controlled Machine tools, especially those that come into consideration here the human-machine communication component, software under different manufacturers and standard software is the integration of a software solution into everyone not possible. There is also a significant need Main and peripheral storage required to host one economic use, especially for small controls, does not allow. After an abnormal system shutdown the data structures are reorganized at restart, d. H. searches the data for inconsistencies, transactions gradually reset and so on. This reorga nization can take considerable time, which is too considerable Chen can lead costs. Also are at restart or for Precautionary measures taken by the user during operation handles required, so that usually an operatorless Operation is not possible.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Sichern von Daten gegen Verlust und Inkonsi stenz zu schaffen, für das nur ein geringer Aufwand erforder lich ist und das einen raschen Wiederanlauf nach einer Stö rung ermöglicht. Ferner soll eine Steuerung für eine nume risch gesteuerte Werkzeugmaschine geschaffen werden, welche im Falle einer Störung, z. B. eines Spannungsausfalles, die Daten in einem konsistenten Zustand sichert, aus dem ein ra scher Wiederanlauf möglich ist.The present invention is based on the object Process for securing data against loss and inconsistency to create stenz for which only little effort is required and that is a quick restart after a fault tion enables. Furthermore, a controller for a number risch controlled machine tool are created, which in the event of a malfunction, e.g. B. a power failure, the Backs up data in a consistent state from which a ra restart is possible.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit den in den Ansprü chen 1 und 5 angegebenen Maßnahmen gelöst.According to the invention, these tasks are performed in the manner described in the claims Chen 1 and 5 specified measures solved.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Refinements and developments of the invention are in the Subclaims specified.

Anhand der Zeichnung wird im folgenden die Erfindung näher beschrieben und erläutert.Based on the drawing, the invention will be described in more detail below described and explained.

In den Fig. 1 bis 5 sind einzelne Schritte eines Beispiels des neuen Verfahrens veranschaulicht.In Figs. 1 to 5, individual steps are illustrated an example of the new method.

In Fig. 1 ist mit HS der Hauptspeicher einer Werkzeugmaschi nensteuerung bezeichnet, mit einem Zwischenpuffer CH (Cache), über den Daten in und aus einem Plattenspeicher, im folgenden auch kurz Platte genannt, eingeschrieben bzw. ausgelesen wer den. In einen Hauptspeicherbereich SF können Verwaltungsin formationen eingetragen werden, die z. B. angeben, unter wel cher Adresse Dateien bzw. Datenblöcke auf der Platte gespei chert sind. Diese enthält z. B. Datenblöcke a, o, x, s, g, u, c, e. Ferner sind in einem Bereich V Informationen, wie An fangsadresse, Blockgröße und dergleichen, zur Verwaltung der genannten Datenblöcke gespeichert.In Fig. 1, the main memory of a machine tool controller is designated HS, with an intermediate buffer CH (cache), via which data is written into and read from a disk memory, hereinafter also referred to as disk, for who. Administrative information can be entered in a main memory area SF, e.g. B. indicate under which address files or data blocks are stored on the disk. This contains e.g. B. data blocks a, o, x, s, g, u, c, e. Furthermore, information, such as the starting address, block size and the like, is stored in an area V for managing the said data blocks.

In dem in Fig. 1 veranschaulichten Ausgangszustand sind die Datenblöcke und die Verwaltungsinformationen gesichert, d. h., sie sind dauerhaft gespeichert. Dies bedeutet, daß im Falle einer Störung, z. B. eines Netzausfalles, der Wiederan lauf mit den gesicherten Datenblöcken und der gespeicherten Verwaltungsinformationen erfolgt. Die Inhalte des Zwischen puffers CH und des Hauptspeicherbereichs SF sind noch ohne Bedeutung, so daß sie leer dargestellt sind.In the initial state illustrated in FIG. 1, the data blocks and the management information are saved, ie they are stored permanently. This means that in the event of a fault, e.g. B. a power failure, the restart with the saved data blocks and the stored management information. The contents of the intermediate buffer CH and the main memory area SF are still of no importance, so that they are shown empty.

In Fig. 2 ist ein Zustand dargestellt, der sich, ausgehend vom Zustand nach Fig. 1, bei der Bearbeitung eines Program mes nach einigen Schreib-/Leseoperationen eingestellt hat. Die Datenblöcke a, s, u sind von der Platte PS in den Zwi schenpuffer CH gelesen und dort zu Blöcken a′, s′, u′ modifi ziert worden. Dec Datenblock y ist neu gebildet, er existiert nur im Hauptspeicher. Der Datenblock c wurde bisher nur ge lesen; er wird unverändert im Zwischenpuffer CH für nachfol gende Lese- oder Schreiboperationen bereitgehalten. Der Block x war zunächst in den Zwischenpuffer CH gelesen und dort zu einem Block x′ verändert worden, wurde aber dann wegen Überfüllung des Zwischenpuffers zurück auf die Platte PS verdrängt, damit Platz für andere Blöcke frei wurde. Auf der Platte befindet sich somit der dauerhaft gespeicherte Daten block x und ein schraffiert dargestellter, flüchtig gespei cherter Datenblock x′. Die Verwaltungsinformationen für flüchtig gespeicherte Blöcke sind im Bereich SF des Haupt speichers HS enthalten. Bei normalem ungestörtem Betrieb wird mit dieser Information auf die Platte zugegriffen, so daß im mer die aktuellsten Daten benutzt werden.In Fig. 2, a state is shown, which, starting from the state of FIG. 1, has occurred during the processing of a program after a few read / write operations. The data blocks a, s, u have been read from the disk PS into the intermediate buffer CH and there have been modified to blocks a ', s', u'. The data block y is newly formed, it only exists in the main memory. The data block c has so far only been read; it is kept unchanged in the intermediate buffer CH for subsequent read or write operations. The block x was first read into the intermediate buffer CH and changed there to a block x ', but was then pushed back onto the plate PS due to the overfilling of the intermediate buffer, so that space for other blocks became free. On the disk there is thus the permanently stored data block x and a hatched, volatile data block x '. The management information for volatile blocks is contained in the area SF of the main memory HS. In normal, undisturbed operation, this information is used to access the disk so that the most current data is always used.

Der Datenblock e wurde in den Hauptspeicher HS ausgegeben, modifiziert und direkt als Block e′ dauerhaft auf der Platte gespeichert. Das Verfahren der direkten Speicherung wird wei ter unten beschrieben. Deren Ergebnis ist, daß die Daten ei nes Schreibauftrags sich vollständig und dauerhaft, ein schließlich der zugehörigen Verwaltungsinformation, auf der Platte befinden, wenn das Einspeichern quittiert ist. Wird ein direkter Schreibvorgang, z. B. wegen Spannungsausfalls, abgebrochen, so werden die bereits auf die Platte geschrie benen Daten nach dem Wiederanlauf zurückgesetzt. The data block e was output in the main memory HS, modified and directly as block e 'permanently on the plate saved. The method of direct storage becomes white ter described below. The result is that the data ei write job is complete and permanent finally the associated administrative information on which Disk when the save is acknowledged. Becomes a direct write operation, e.g. B. due to power failure, canceled, they are already shouted on the plate reset the data after restart.

Mit Ausnahme des Blockes e′ werden die Blöcke indirekt ge speichert. Bei dieser Art von Speicherung sind die Daten zu nächst flüchtig gespeichert. Das gilt auch für Änderungen von dauerhaft gespeicherten Daten. Die Änderung ist flüchtig, der ursprüngliche Wert geht aber nicht verloren. Dieser wird nur bei anormaler Beendigung der laufenden Datenverarbeitung be nutzt. Im Normalfalle wird nach einer Änderung nicht mehr auf den dauerhaft gespeicherten, sondern nur noch auf den flüch tig gespeicherten aktuellen Wert zugegriffen.With the exception of block e ', the blocks are indirectly ge saves. With this type of storage, the data is too next stored volatile. This also applies to changes from permanently stored data. The change is fleeting however, the original value is not lost. This will only in the event of an abnormal termination of ongoing data processing uses. Usually, after a change, no longer appears the permanently saved, but only on the cursed currently stored current value.

Die flüchtig gespeicherten Daten werden in einem Sicherungs vorgang, der in den Fig. 3 bis 5 veranschaulicht ist, dau erhaft gemacht, derart, daß auch ihre Konsistenz gesichert ist. Mit der Sicherung werden alle flüchtigen Daten in allen zum Sicherungszeitpunkt geöffneten Datensystemen dauerhaft gespeichert. Die Sicherung kann zu beliebigen vorbestimmten Bearbeitungspunkten durchgeführt werden, zweckmäßig jeden falls beim Schließen eines Dateisystems. Eine einzelne Datei mit flüchtigem Inhalt kann auch durch direktes Speichern dau erhaft gemacht werden.The volatile stored data are made in a backup process, which is illustrated in FIGS . 3 to 5, so that their consistency is also ensured. The backup saves all volatile data in all data systems open at the time of the backup. The backup can be carried out at any predetermined processing points, expediently each time a file system is closed. A single file with volatile content can also be made permanent by saving it directly.

In Fig. 3 ist der erste Sicherungsschritt veranschaulicht. Die im Zwischenpuffer CH enthaltenen Datenblöcke a′, y, s′, u′, die noch nicht auf der Platte flüchtig oder dauerhaft ge speichert sind, werden flüchtig gespeichert. Gleichzeitig werden in den Hauptspeicherbereich SF die zugehörigen Verwal tungsinformationen eingetragen.The first securing step is illustrated in FIG. 3. The data blocks a ', y, s', u' contained in the intermediate buffer CH, which are not yet volatile or permanently stored on the disk, are stored volatile. At the same time, the associated administrative information is entered in the main memory area SF.

Anschließend werden, wie in Fig. 4 gezeigt, die Verwaltungs informationen aus dem Hauptspeicher HS in den Bereich V der Platte PS eingetragen, und es werden in einem Vorgang die bisher flüchtigen Blöcke a′, y, x′, s′, d, u′ dauerhaft ge macht und die bisher dauerhaften Blöcke a, x, u, s als ungül tig markiert bzw. zum Überschreiben freigegeben. Dieser Um schaltvorgang ist kritisch und muß daher mit einem physischen Schreibauftrag erfolgen, mit dem nur ein Plattensektor be schrieben wird. Ein solcher Schreibvorgang wird von den übli chen Plattenlaufwerken immer, auch bei Eintreten einer Stö rung während des Schreibvorganges, zu Ende geführt. Bis zum Beginn dieses Schreibvorgangs wird ein Abbruch des Siche rungsvorgangs so behandelt, als ob er nicht eingeleitet wor den wäre. Danach existieren nur noch Datenblöcke sowie Datei strukturen, die einen Spannungsverlust, Systemabsturz und dergleichen überdauern (Fig. 5).Then, as shown in Fig. 4, the management information from the main memory HS in the area V of the disk PS is entered, and it is the previously volatile blocks a ', y, x', s', d, u 'Made permanent and the previously permanent blocks a, x, u, s marked as invalid or released for overwriting. This switching operation is critical and must therefore be done with a physical write job with which only one disk sector is written. Such a write process is always completed by the usual disk drives, even if a fault occurs during the write process. Until the start of this write process, a termination of the backup process is treated as if it had not been initiated. After that there are only data blocks and file structures that survive a loss of voltage, system crash and the like ( Fig. 5).

Der kritische Schreibvorgang, mit dem die flüchtigen Daten blöcke dauerhaft gemacht werden, kann darin bestehen, daß die Verwaltungsinformationen über neue und geänderte Datenblöcke aus dem Hauptspeicherbereich SF in den Plattenspeicherbereich V übertragen werden, wo sie zusammen mit den Informationen über unveränderte Datenblöcke die vollständige neue Verwal tungsinformation bilden. Statt dessen kann auch neben den Verwaltungsinformationen über die dauerhaft gespeicherten Da tenblöcke eine zweite Version von vollständigen Verwaltungs informationen über die neuen und geänderten, das sind die flüchtigen Datenblöcke, und die unveränderten, dauerhaften Datenblöcke auf der Platte gespeichert werden. Diese zweite Version der Verwaltungsinformationen ist zunächst flüchtig. Der kritische Schreibvorgang besteht dann darin, daß die zweite Version als dauerhaft und die ursprüngliche erste Ver sion als ungültig markiert wird. Ein solcher Umschaltvorgang ist sehr kurz und wird von allen üblichen Plattenspeichern in jedem Falle, eine physische Beschädigung der Platte selbstverständlich ausgenommen, zu Ende geführt.The critical write process with which the volatile data blocks can be made permanent, that the Administrative information about new and changed data blocks from the main storage area SF to the disk storage area V are transmitted where they are together with the information the complete new administration via unchanged data blocks Formation information. Instead of that, next to the Administrative information about the permanently stored data ten blocks a second version of full administrative information about the new and changed, that is the volatile data blocks, and the unchanged, permanent Data blocks are saved on the disk. This second Version of the administrative information is initially volatile. The critical writing process is then that the second version as permanent and the original first ver sion is marked as invalid. Such a switching process is very short and is used by all usual disk storage in any case, physical damage to the disk except, of course, to the end.

Die direkte Speicherung läuft entsprechend der Sicherung von flüchtigen Daten ab. Zunächst wird die zu speichernde Datei auf die Platte geschrieben. Durch Eintrag der zugehörigen Verwaltungsinformation in den Plattenspeicherbereich V wird die Datei dauerhaft gemacht und gleichzeitig eine etwaige äl tere Datei, aus der die zu sichernde Datei durch Änderung hervorgegangen ist, ungültig gemacht. The direct storage runs according to the backup of volatile data. First, the file to be saved written on the plate. By entering the associated Management information in the disk storage area V is the file made permanent and at the same time a possible äl tere file from which the file to be backed up is changed emerged, invalidated.

Mit dem neuen Verfahren wird beim Wiederanlauf nach einer Störung der Datenbestand automatisch und ohne Zeitverlust auf den Zustand der letzten Sicherung und die darauffolgenden, durch direkte Speicherung sofort dauerhaft gemachten Daten aufgesetzt. Der zusätzlich benötigte Aufwand an Hauptspeicher und Peripheriespeicher ist sehr gering. Das Verfahren benutzt das Standard-Dateisystem, das mit Sicherheitsmechanismen er weitert ist. Die Standard-Schnittstellen können daher beibe halten werden, so daß alle Funktionen des Standard-Dateisy stems unverändert aufgerufen werden können. Damit sind alle Anwendungsprogramme ohne Eingriffe oder Veränderungen auf dem erweiterten Dateisystem ablauffähig. Dennoch wirkt das neue Verfahren auf alle Schreibvorgänge. Auch kann in gewohnter Weise dem Plattenspeicher ein Zwischenpuffer (Cache) vorge schaltet sein, der ohne Gefahr des Konsistenzverlustes un eingeschränkt genutzt werden kann.With the new procedure, when restarting after a Disruption of the database automatically and without loss of time the state of the last backup and the subsequent ones immediately saved data by direct storage put on. The additional amount of main memory required and peripheral memory is very small. The method used the standard file system that he with security mechanisms is continued. The standard interfaces can therefore be used will hold so that all functions of the standard Dateisy stems can be called up unchanged. That’s all Application programs without intervention or changes on the extended file system executable. Nevertheless, the new one works Procedure on all writes. Can also in the usual How the disk memory pre-buffered (cache) be switched on without risk of loss of consistency can be used to a limited extent.

Claims

1. Method for backing up data on the disk storage of a computer, characterized by

- Starting from a secured state in which the data and the associated administrative information are permanently stored in the disk memory (PS), changed and new data are stored volatile on the disk memory and / or in the main memory during further program processing, the last saved state preserved;
- When a security point is reached, the volatile data contained in the main memory and the associated management information are transferred to the disk memory (PS);
- The volatile data and the administrative information who at the same time made permanent to achieve the next saved state, while the previously persistent data, which were converted into volatile data after changes, are made invalid.

2. The method according to claim 1, characterized in net that the volatile data by entry of their admin information in the disk storage (PS) permanently be made.

3. The method according to claim 1, characterized in net that on the disk storage (PS) first administrative information on the duration of the last backup data and second administrative information to those to be saved permanently with the following backup Data are included and that in the security points he most administrative information for invalid and the second Administrative information for the backed up data as valid be marked.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the data via an intermediate puff fer (cache) written in and out of disk storage this can be read out.

5. Numerically controlled machine tool with a controller, the according to the method specified in claims 1 to 4 is working.