JP2006186609A - クロック発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高信頼性が要求されるシステムにおいて、正常なクロックを途切れることなく他の回路ブロックへ出力することを可能とするクロック発生装置を提供する。
【解決手段】 固定されたレベルの信号を発生する信号発生部と、クロック信号を発生するクロック発生部と、前記信号発生部から入力される前記固定されたレベルの信号と、前記クロック発生部から入力される前記クロック信号とのうちいずれかを選択する信号選択部と、前記信号選択部が、前記クロック信号か前記固定されたレベルの信号かを選択する選択タイミングを記憶する記憶部と、前記選択タイミングに基づき前記信信号選択部が、前記クロック信号か前記固定されたレベルの信号かを選択するよう指示する制御部とからなるクロック発生装置とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の冗長クロックを有して、これら複数のクロックを瞬時に切り替えることによって、クロック停止を起こさせない構成を備えるクロック発生装置またはこの装置を備えるシステムに関するものである。

携帯電話基地局など社会基盤を構成するような高信頼性が要求されるシステムにおいては、システムを稼動させる為の基本クロックの停止はシステムダウンに繋がるため、予め複数のクロックを用意して、クロックを冗長化しておき、使用中のクロックに障害が発生したときには他の正常なクロックに切り替えることで、システム全体がダウンすることを防いでいる。

このような複数のクロックを切り替えて冗長性をもたせる従来の装置では、クロックが正常か否かの検出を外部のプロセッサ等が行い、その検出結果で正常なクロックに切り替える方式が用いられている。また、クロックの異常を検出する方法としては、Watchdog Timer やプロセッサ内部のタイマーを用いて、クロック信号が所定時間毎にＨ(ハイ)レベルとＬ(ロー)レベルを繰り返しているかを監視する方法がある。
なお、本発明に係わる技術分野には、例えば次のような特許文献がある。
特開平１０―２６１９４４号公報

上記の従来装置では、クロックが無くなってから異常検出までの時間が大きいため、クロックの異常発生から正常クロックへの切り替えまでに時間がかかって、無クロック期間が発生し、システムの動作が一瞬停止してしまうという問題点がある。そして、クロックが欠落してしまうために、システムの動作が復帰するまでの間タイミングがずれたり、システムの基礎となる時刻がずれたりしてしまう。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高信頼性が要求されるシステムにおいて、正常なクロックの波形を記憶しておき、この記憶された波形と実際の出力波形とを比較してクロックの異常を検出し、予め用意していた複数のクロックのうち、正常なクロックを高速に選択出力することで、正常なクロックを途切れることなく他の回路ブロックへ出力することを可能とするクロック発生装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明にかかるクロック発生装置は、固定されたレベルの信号を発生する信号発生部と、クロック信号を発生するクロック発生部と、前記信号発生部から入力される前記固定されたレベルの信号と、前記クロック発生部から入力される前記クロック信号とのうちいずれかを選択する信号選択部と、前記信号選択部が、前記クロック信号か前記固定されたレベルの信号かを選択する選択タイミングを記憶する記憶部と、前記選択タイミングに基づき前記信号選択部が、前記クロック信号か前記固定されたレベルの信号かを選択するよう指示する制御部とからなることを特徴とする。
これにより、クロック発生部の故障により、クロック信号が、所定のＨ期間やＬ期間の途中で出力されなくなっても、所定のＨ期間またはＬ期間の途中で、システムへ出力されるクロックのレベルが変化してしまうことを防ぐことができるので、クロック信号を使用している装置やシステムの誤動作を防ぐことができる。

また、本発明にかかる別の態様であるクロック発生装置は、前記クロック発生部は、第１のクロックを発生する第１のクロック発生部と、第２のクロックを発生する第２のクロック発生部と、前記第１のクロックと第２のクロックのいずれかを選択し、前記クロック信号として出力するクロック選択部を備え、前記制御部は、前記クロック選択部から出力される前記クロック信号の信号レベルを取得する監視部と、前記監視部が取得する前記信号レベルと、前記記憶部が予め有す前記監視部が前記信号レベルを取得するタイミングにおける前記クロック信号の所望レベルである所定信号レベルとを比較して、その比較結果に基づいて、前記クロック選択部に対し選択する前記クロックを指示する判定部とを備えることを特徴とする。
こうすることにより、一方のクロック発生部が故障して信号が出なくなっても、もう一つのクロック発生部が出力するクロック信号を使うことで、クロック信号の冗長性を確保することができる。

また、本発明にかかる別の態様であるクロック発生装置は、前記判定部は、前記比較結果が異なると判断された場合は、前記クロック選択部に対し選択する前記クロックを切換えるよう指示することを特徴とする。
また、前記固定されたレベルの信号はＨレベルの信号とＬレベルの信号であってもよい。
さらに、前記クロック信号より高い周波数である監視用クロックを発生する監視用クロック発生部をさらに備え、前記監視部は前記監視用クロックのタイミングに基づき前記信号レベルを取得することを特徴とする。

本発明によるクロック発生装置によれば、クロック発生部の異常により、出力されるクロックに異常が生じた際に、クロック発生部を複数備えるクロック発生部のうちの別のクロック発生部に素早く切り替えることができるため、クロックの欠落を発生することもなく、他の回路ブロックの異常な動作が発生することがない。そして、監視クロックの周波数を選ぶことができるので、前記クロックが発生するクロック信号の取得タイミングを制御することができる。

次に添付の図１〜４を参照して、本発明によるクロック発生装置の実施の形態を詳細に説明する。ここで、図１は、本発明によるクロック発生装置の一実施の形態を示すブロック図である。また、図２は、図１のクロック発生装置のクロック信号の正常時の出力波形を示す動作タイムチャートであり、図３は、図１のクロック発生装置において、異常時のクロック切り替え動作を示す動作タイムチャートである。そして、図４は、本発明によるクロック発生装置の構成を備えるクロック発生装置を複数台数使用したシステムの一例を示す構成図である。

図１は、本発明の第１の実施形態であるクロック発生装置１００の構成を示すブロック図である。ここでまず図1を用いて、このクロック発生装置１００の構成要素について述べる。
このクロック発生装置１００は、所定の周期でＨレベルとＬレベルを繰り返すクロック信号を発生する第１クロック発生器１１および第２クロック発生器１２と、これら第１クロック発生器１１から出力される第１クロック信号と第２クロック発生器１２から出力される第２クロック信号のどちらかを選択して出力するクロック選択部１３によって、クロック発生部１０を構成している。このクロック選択部１３には制御部４０から制御線が接続されており制御部４０からの指示により第１クロック信号か第２クロック信号のどちらかを選択して出力する。

クロック選択部１３から出力されたクロック信号は信号選択部２０の入力端のうちの一つに入力される。信号選択部２０の他の入力端には信号発生部３０に含まれるＨレベル信号発生器３１とＬレベル信号発生器３２から出力される固定レベルの信号がそれぞれ入力されている。この信号選択部２０にも制御部４０から制御線が接続されており、Ｈレベルの固定レベル信号か、Ｌレベルの固定レベル信号か、クロック信号かのどれかを制御部４０からの指示により選択して出力する。

記憶部７０には信号選択部２０から出力されるクロック信号の波形と波形を監視するためにクロック信号のレベルをチェックするタイミングが記憶されている。クロック信号の波形は具体的にはＨレベルおよびＬレベルの期間のそれぞれの時間長（時間の長さ）と、それぞれの期間の間の遷移期間の長さを記憶している。これらの時間長は監視クロックのクロック数で記憶されている。

制御部４０についてもう少し詳細に説明する。制御部４０には監視部４２と判定部４１とが含まれ、それぞれ記憶部７０と接続されている。監視部４２にはクロック選択部１３の出力が分岐されて入力されており、記憶部７０に記憶されているクロック信号のレベルをチェックするタイミングでクロック信号のレベルを取り込み、そのレベルの値を判定部４１に送る。ここで、記憶部７０に記憶されているクロック信号のレベルをチェックするタイミングとは、ＨレベルおよびＬレベルの固定レベル信号の期間の始まりと終わりのタイミングでよい。判定部４１は監視部４２から送られたクロック信号のレベルが記憶部７０に記憶されているＨレベルおよびＬレベルの期間の時間長を満たすかどうか比較し、判定結果に応じクロック選択部１３に選択すべきクロック信号を指示する。また、判定部４１は記憶部７０に記憶されているＨレベルおよびＬレベルの期間の時間長に基づき、信号選択部２０に入力されている信号のどれを出力するかを指示する。

上記構成要件のうち、第１クロック発生器１１や第２クロック発生器１２はＰＬＬ発振器や水晶発振器などにより実現され、信号発生部３０は、回路中のＶｃｃまたはＧＮＤ信号や、定電圧レギュレータ、Ｄ／Ａコンバータなどで実現される。また、制御部４０はＣＰＵやＤＳＰなどいわゆるマイクロプロセッサにより実現され、記憶部７０はＲＯＭやＲＡＭなどの半導体メモリなどにより実現できる。

また、この装置１００は、判定部４１と監視部４２に供給される監視用クロック信号を発生して、これを供給することができる監視用クロック発生部６０をさらに備えて構成されてもよい。監視用クロック６１は、第１クロック信号や第２クロック信号よりも高い周波数である。第１クロック信号や第２クロック信号よりも高い周波数とすることで、これらのクロック信号の時間長さをカウントすることができる。また、記憶部７０に記憶されるＨレベルまたはＬレベルの期間の時間長さや、クロック信号のレベルをチェックするタイミングは、本クロック発生装置に接続される管理装置(図示せず)などから設定されることができる。

さて、図１に示した本発明によるクロック発生装置１００は、これをそのまま用いて「冗長クロック切り替え器」または「これを用いたクロック冗長システム」として構成することにより、その動作をさせることができる。

図２はクロック発生装置１００の正常時の動作を示したものである。ここでは信号選択部２０から出力されるクロック出力の波形として、Ｈ期間は図２（オ）に示す１を付した監視用クロック信号のクロックの立ち上がりから３０を付したクロックの立ち上がりまで、Ｌ期間は３３を付したクロックの立ち上がりから６２を付したクロックの立ち上がりまでというふうにそれぞれの期間の時間長が設定され記憶部７０に記憶されている。この時間長は最低必要な期間であり、この場合それぞれのレベルの長さは３０クロックずつ必要であるということである。そして、上記Ｈ期間とＬ期間の間は遷移期間（Ｓ１、Ｓ２）とし、それぞれ２カウントと１カウントに設定されている。もちろん、これらの時間長はこのクロック数に限られず自由に設定することができる。そしてクロック出力には、Ｈ期間にはＨレベルの固定レベル信号が、Ｌ期間にはＬレベルの固定レベル信号が、遷移期間はクロック発生器１０から出力され信号選択部２０に入力されたクロック信号が出力される。つまり、記憶部７０に記憶されているＨ期間またはＬ期間の時間長と遷移期間の時間長は、信号選択部２０がクロック出力としてクロック信号か固定レベル信号かを選択する選択タイミングを表している。信号選択部２０はそれぞれの期間が終了するタイミングで各信号を選択し切換えている。

クロック発生装置１００が動作を始めると第１クロック発生器１１と第２クロック発生器１２は共に動作をはじめ、クロック選択部１３は第１クロック信号または第２クロック信号がいずれも正常なときには任意の信号を選択して信号選択部２０の入力端に入力される。あるいはクロック選択部１３はどちらかの信号を優先的に選択しても構わない。または、制御部がそれぞれのクロック発生器（１１，１２）の動作時間を監視しておき積算した、動作時間の少ないほうのクロック信号発生器の信号を選択することにしてもよい。初期のある時間動作した後は、積算した動作時間が少ないほうが故障発生確率が少ないと考えられるからである。一方信号選択部２０のほかの入力端には、信号発生部３０に含まれるＨレベル信号発生器３１から発生するＨレベルの固定レベル信号とＬレベル信号発生器３２から出力されるＬレベルの固定レベル信号がそれぞれ別々の入力端に入力されている。

判定部４１は、監視用クロックをカウントし、記憶部７０に記憶されたクロック出力の設定値に基づいて、信号選択部２０に上記それぞれの信号を選択させるよう指示をする。
具体的には、判定部４１はクロック発生装置１００が動作開始後、所定数の監視用クロックをカウントしたあと、ア．信号選択部２０に対しＨレベルの固定レベル信号を選択するよう指示する。このとき制御部４０は、クロック選択部１３から出力されているクロック信号のレベル（ＨかＬか）が固定レベル信号のレベルと一致するようにクロック発生器の発振タイミングを制御している。具体的には、最初に固定レベル信号を選択させるタイミングの、監視用クロックにおける１クロック前に、クロック発生器（１１と１２）から出力されるクロック信号のレベルを固定レベル信号のレベルと一致させるように制御をおこなう。

そして、イ．監視用クロックを３０カウントすると、クロック選択部１３から出力されているクロック信号を選択するよう指示し、ウ．さらに監視用クロックを２カウントするとＬレベルの固定レベル信号を選択するよう指示する。エ．そして、監視用クロックをさらに３０カウントすると、再度クロック選択部１３から出力されているクロック信号を選択するよう指示し、オ．監視用クロックを２カウントする。以降上記「ア．」に戻り同様の動作を繰り返す。
こうすることによって、信号選択部から出力されるクロック出力は図２（ア）に示される波形として出力される。

続いて、図３を用いてクロック信号に異常が発生したときの動作を説明する。この図３はクロック選択部１３が選択しているクロック信号は第１クロック信号であり、あるＨ期間で第１クロック信号（図３（エ））に異常が生じＨレベルに固定されてしまった場合を表している。信号選択部２０は、判定部４１からの指示に基づき、監視クロックの３０を付されたクロックの立ち上がりでクロック出力をＨ固定レベル信号からクロック発生部１０から入力されている信号に切換える。しかし第１クロック信号に異常が発生しているため、本来であれば３２が付された監視クロック付近でＨからＬレベルへ変化するべきクロック出力に変化が起きず、クロック出力はＨのままである。

そして、３３が付された監視クロックの立ち上がりのタイミングで監視部４２はクロック選択部１３から出力されているクロック信号を取り込み、判定部４１に出力する。判定部４１では、記憶部７０に記憶されているチェックタイミングにおけるクロック信号の所望のレベルと、監視部４２から入力されたクロック信号のレベルとを比較する。

この場合、記憶部７０には３３が付された監視クロックの立ち上がり時点に対応するクロック信号のレベルはＬであると記憶されているので判定部４１は現在選択中の第１クロック信号は異常であると判断し、クロック選択部１３に第２クロック発生部の出力である第２クロック信号を選択して出力するよう指示をする。

そして、信号選択部２０の入力端には第２クロック信号が入力される。一方判定部４１は同じタイミング（３３が付された監視クロックの立ち上がり時点）で信号選択部２０に対し、選択する信号をクロック発生部１０から入力されるクロック信号からＬレベルの固定レベル信号に切換えるよう指示をする。この指示に従い、信号選択部２０はＬレベルの固定レベル信号を選択しクロック出力として出力する。以降、記憶部７０が記憶しているＨ期間、Ｌ期間、遷移期間（Ｓ１、Ｓ２）に基づいて判定部４１が信号選択部２０に指示を出し、適宜信号を選択してクロック出力する。

図２（ア）のクロック出力と図３（ア）のクロック出力を比較すると遷移期間Ｓ１において、ＨレベルからＬレベルに変化するタイミングがおよそ１クロック分（監視クロックの）遅延しているがＬ期間として定められた期間ではＬレベルとなっている。したがってこのクロックを使用している各回路ブロックにおいて誤動作などは起きない。仮に発生したとしても短時間で正常な動作に復帰すると考えられるのでシステム全体に大きな影響を及ぼすことを防ぐことができる。

図４は、本発明の第２の実施形態であり、クロック発生装置の構成を備えるクロック発生装置を複数台使用して連係させたシステムの一例を示す構成図である。図４のシステム２００では、システムの停止が起こらないように、クロックの冗長化とクロックを使用する回路の冗長化を行っている。回路ブロックＣ１〜Ｃ４は同じ機能を持つ回路ブロックであり、４つの回路ブロックを使用して冗長化している。図４のシステム２００では、クロック切替え装置(Ｊ１,Ｊ２,Ｊ３,Ｊ４)には、２つのクロック源(１４と１５)からクロック信号が入力されていて、クロックを使用する回路ブロック(Ｃ１, Ｃ２, Ｃ３, Ｃ４)に接続されている。

クロック源１４とクロック源１５は、クロック発生装置１００における第１クロック発生器１１またはクロック発生器１２と同様のものである。また、クロック切替え装置（Ｊ１〜Ｊ４）は、クロック発生装置１００におけるクロック選択部１３、信号選択部２０、信号発生部３０、制御部４０、監視クロック発生部５０、記憶部７０と同様の構成を含んでいる。ただし、記憶部７０については、クロック切替え装置Ｊ１〜Ｊ４のそれぞれに備えなくても、外部またはクロック切替え装置Ｊ１〜Ｊ４のどれか１つに備えておいて、そこから各クロック切替え装置との間でデータ（記憶データや、クロック切替え装置との間の制御信号など）をやり取りする構成としてもよい。

このクロック切替え装置(Ｊ１,Ｊ２,Ｊ３,Ｊ４)では、２つのクロック源(１４と１５)からその１つを選択し、固定レベル信号を組合わせて、所定の条件に合致するクロックを、クロックを使用する回路ブロック(Ｃ１, Ｃ２, Ｃ３, Ｃ４)に対して出力する。ここで、所定の条件とは、記憶部７０に記憶される、ＨレベルまたはＬレベルの期間の時間長さや、クロック信号のレベルをチェックするタイミングを指す。このシステム２００において、クロック切替え装置(Ｊ１,Ｊ２,Ｊ３,Ｊ４)に対し信号を出力しているクロック源(１４と１５)が、故障等のため正常なクロックを出力できない時には、クロック切替え装置(Ｊ１,Ｊ２,Ｊ３,Ｊ４)が所定の条件と一致しないとして瞬時にクロック源を切り替えて正常なクロック出力を得るため、クロック使用回路(Ｃ１,Ｃ２,Ｃ３,Ｃ４)は停止や誤動作をすることなく動作を継続することができる。

これまで説明してきたように、本発明の第１の実施形態であるクロック発生装置によれば、複数のクロック発生器により発生する複数のクロック信号のうちから一つを選び、選ばれたクロック信号と固定レベルの信号を切り換えて、組み合わせてクロック出力を得、選ばれたクロック信号のＨの期間の長さとＬの期間の長さ（開始と終了）を監視することにより、クロックの異常を検出することができるので、選択しているクロック信号が異常になったときでも所定の固定出力期間は正常な出力を得ることができ、固定レベルの信号の出力期間が終了する迄に、クロック信号を正常なクロック信号に切換えるので、すばやく正常なクロックに復帰させることができる。

このようにして、本発明によるクロック発生装置では、クロック源の異常時でも瞬時にクロック出力を正常な出力に切り替えることができるため、回路ブロックの停止が発生するということがない。また、切り替え時にグリッジが発生した場合には、短時間で復帰ができる。さらに、監視クロックの速度を選択することによって、監視の精度を制御することができる。

また、本発明の第２の実施形態によれば、クロック出力をすばやく正常なクロックに復帰させることができるほか、クロック切換装置と、同一の機能を有した使用回路を各々冗長化したことにより、クロック切換装置やクロック使用回路に異常が発生した場合でも、システム全体の異常や停止を防ぐことができる。

本発明によるクロック発生装置の一実施の形態を示すブロック図である。 図１のクロック発生装置の正常時の出力波形である。 図１のクロック発生装置の異常時のクロック動作を示す波形である。 本発明によるクロック発生装置の構成を備えるクロック発生装置を複数台使用した連係システムの一例を示す構成図である。

符号の説明

１００ クロック発生装置
１０ クロック発生部
１１，１２ クロック発生器
１３ クロック選択部
２０ 信号選択部
３０ 信号発生部
３１ Ｈレベル信号発生器
３２ Ｌレベル信号発生器
４０ 制御部
４１ 判定部
４２ 監視部
５０ 監視クロック発生部
７０ 記憶部
２００ システム
１４，１５ クロック源
Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４ クロック切替え装置
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ 回路ブロック

Claims (5)

1. 固定されたレベルの信号を発生する信号発生部と、
   クロック信号を発生するクロック発生部と、
   前記信号発生部から入力される前記固定されたレベルの信号と、前記クロック発生部から入力される前記クロック信号のうちいずれかを選択する信号選択部と、
   前記信号選択部が、前記クロック信号か前記固定されたレベルの信号かを選択する選択タイミングを記憶する記憶部と、
   前記選択タイミングに基づき前記信号選択部が、前記クロック信号か前記固定されたレベルの信号かを選択するよう指示する制御部と、からなることを特徴とするクロック発生装置。
2. 前記クロック発生部は、第１のクロックを発生する第１のクロック発生部と、第２のクロックを発生する第２のクロック発生部と、前記第１のクロックと第２のクロックとのいずれかを選択し、前記クロック信号として出力するクロック選択部を備え、
   前記制御部は、前記クロック選択部から出力される前記クロック信号の信号レベルを取得する監視部と、
   前記監視部が取得する前記信号レベルと、前記記憶部が予め有す前記監視部が前記信号レベルを取得するタイミングにおける前記クロック信号の所望レベルである所定信号レベルとを比較して、その比較結果に基づいて、前記クロック選択部に対し選択する前記クロックを指示する判定部と、を備えることを特徴とする請求項１記載のクロック発生装置。
3. 前記判定部は、前記比較結果が異なると判断された場合は、前記クロック選択部に対し選択する前記クロックを切換えるよう指示することを特徴とする請求項２記載のクロック発生装置。
4. 前記固定されたレベルの信号はＨレベルの信号とＬレベルの信号であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のクロック発生装置。
5. 前記クロック信号より高い周波数である監視用クロックを発生する監視用クロック発生部をさらに備え、前記監視部は前記監視用クロックのタイミングに基づき前記信号レベルを取得することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のクロック発生装置。

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