JP4819707B2 - Redundant computing system and computing unit - Google Patents
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本発明は、冗長演算システムおよびこれに使用される演算部に関する。 The present invention relates to a redundant arithmetic system and an arithmetic unit used therefor.
図8は、並列処理を行う3つの演算部を備えた冗長演算システム(従来例1)を示す(例えば、特許文献1参照)。この冗長演算システムでは、演算部を構成するMPU,メモリ等の1故障を許容できるシステムであり、一つの故障が発生した場合には、多数決回路によって多数決処理され、外部機器対して正常な動作が行うことができる。 FIG. 8 shows a redundant arithmetic system (conventional example 1) including three arithmetic units that perform parallel processing (see, for example, Patent Document 1). This redundant computing system is a system that can tolerate one failure of the MPU, memory, etc. constituting the computing unit. When one failure occurs, the majority process is performed by the majority circuit, and normal operation with respect to the external device is performed. It can be carried out.
図9は、演算部と1対1対応にCLK出力回路を設けた冗長演算システム(従来例2)を示す(例えば、特許文献2参照)。この冗長演算システムでは、演算部Aは、CLK出力回路Aより出力される動作クロックAの周波数によって動作する。よって処理時間は、動作クロックAの周波数に依存する。また、演算部B,Cも同様に、動作クロックB,Cの周波数に依存する。CLK出力回路を構成する水晶発振器は、部品固有の周波数であり、同一部品であっても周波数に微小なズレがあることは良く知られている。そのため、演算部の処理時間にも微小なズレがある。このズレ時間について、多数決回路で一定時間待ことにより調整し、多数決処理を行うことでシステムの並列処理を可能としている。 FIG. 9 shows a redundant arithmetic system (conventional example 2) in which a CLK output circuit is provided in one-to-one correspondence with the arithmetic unit (for example, see Patent Document 2). In this redundant arithmetic system, the arithmetic unit A operates at the frequency of the operation clock A output from the CLK output circuit A. Therefore, the processing time depends on the frequency of the operation clock A. Similarly, the calculation units B and C depend on the frequency of the operation clocks B and C. It is well known that the crystal oscillator constituting the CLK output circuit has a frequency unique to each component, and even if it is the same component, there is a slight deviation in the frequency. Therefore, there is a slight deviation in the processing time of the calculation unit. This deviation time is adjusted by waiting for a fixed time in a majority circuit, and a majority process is performed to enable parallel processing of the system.
図10は、CLK出力回路を冗長化した冗長演算システム(従来例3)を示す(例えば、特許文献3参照)。この冗長演算システムは、冗長化された演算部の外でCLK出力回路部の水晶発振器を多重化して演算部に対する動作クロックを切り換える方式である。例えば、図10に示すように、1つの現用クロックと予備クロックの相互間を位相監視し接点切換により演算部に動作クロックを出力する方法である。現用クロックに異常が発生した場合でも、動作クロックの位相を、異常発生前後でズレが発生しないようにしている。これは、演算部を構成するMPUの内部にPLLが実装されているものが多く、位相にズレが発生するとMPUが正常に動作できないためである。 FIG. 10 shows a redundant arithmetic system (conventional example 3) in which the CLK output circuit is made redundant (see, for example, Patent Document 3). This redundant arithmetic system is a system in which the crystal oscillator of the CLK output circuit unit is multiplexed outside the redundant arithmetic unit and the operation clock for the arithmetic unit is switched. For example, as shown in FIG. 10, there is a method of monitoring the phase between one active clock and a spare clock and outputting an operation clock to the arithmetic unit by switching contacts. Even when an abnormality occurs in the working clock, the operation clock phase is prevented from being shifted before and after the occurrence of the abnormality. This is because many of the MPUs constituting the arithmetic unit have a PLL mounted therein, and if the phase shifts, the MPU cannot operate normally.
次に動作を説明する。現用クロックと予備クロックは、それぞれ遅延回路を通り切換回路により選択されて出力される。また、現用クロックと予備クロックは位相同期監視部内にある立上がり検出部に入力され、それぞれのクロックの立上がりで一定のパルスが形成される。立上がり検出部で形成されたパルスは比較回路により、両系のパルスが揃っている時にパルスを出力し、パルス検出回路で比較回路から出力されたパルスを監視する。判定回路では両系クロックの断検出回路と、パルス検出回路からの出力から、クロックを切り換えるか否かを判定する。判定回路は現用クロック断発生時には、パルス比較回路の出力に関わらず、予備クロックの断検出のみにより切換を行い、両系クロックが正常時にはパルス検出回路の出力により判定が行なえるような優先順位を持たせている。 Next, the operation will be described. The current clock and the spare clock are each selected by the switching circuit through the delay circuit and output. Further, the current clock and the spare clock are input to the rising detection unit in the phase synchronization monitoring unit, and a constant pulse is formed at the rising of each clock. The pulse formed by the rise detection unit is output by the comparison circuit when the pulses of both systems are aligned, and the pulse output from the comparison circuit is monitored by the pulse detection circuit. The determination circuit determines whether or not to switch the clock based on the disconnection detection circuit for both clocks and the output from the pulse detection circuit. The judgment circuit switches only by detecting the interruption of the standby clock regardless of the output of the pulse comparison circuit when the working clock is interrupted, and prioritizes the judgment so that the judgment can be made by the output of the pulse detection circuit when both system clocks are normal. I have it.
しかし、上述した従来例1の冗長演算システムでは、演算部は冗長化されているが、CLK出力回路が冗長化されていないため、CLK出力回路の1故障により演算部の動作クロックの停止及び周波数の異常が発生しシステム全体の機能が失われる。従って信頼度が低い冗長演算システムである。 However, in the redundant arithmetic system of Conventional Example 1 described above, the arithmetic unit is made redundant, but the CLK output circuit is not made redundant. An error occurs and the function of the entire system is lost. Therefore, it is a redundant operation system with low reliability.
また、従来例2の冗長演算システムでは、水晶発振器、部品固有の周波数ズレによる演算部の処理時間ズレを多数決回路で待つことで解消している。しかし、この待ち時間は、システムとしての機能が停止していることになる。さらに、システムを長時間動作させると、この処理時間のズレが累積され、大きな時間なるとシステムの冗長並列同時処理としての性能が低下してしまうという問題点がある。 Further, in the redundant calculation system of Conventional Example 2, the processing time shift of the calculation unit due to the frequency shift unique to the crystal oscillator and the component is solved by waiting in the majority circuit. However, during this waiting time, the system function is stopped. Further, when the system is operated for a long time, the processing time deviation is accumulated, and when the system is long, the performance of the system as redundant parallel simultaneous processing is deteriorated.
また、従来例3の冗長演算システムでは、演算部、水晶発振器は冗長化されているが、切換回路が冗長化されていないため、切換回路部の1故障により、演算部の動作クロックの停止や周波数の異常が発生しシステム全体の機能が失われる。従って信頼度が低い冗長システムである。 Further, in the redundant arithmetic system of Conventional Example 3, the arithmetic unit and the crystal oscillator are made redundant, but the switching circuit is not made redundant. Frequency abnormality occurs and the entire system functions are lost. Therefore, it is a redundant system with low reliability.
そこで、本発明の目的は、1故障発生時において、冗長並列処理の停止および性能低下を起こすことのない冗長演算システムおよびこれに使用される演算部を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a redundant arithmetic system that does not stop redundant parallel processing and cause performance degradation when one fault occurs, and an arithmetic unit used in the redundant arithmetic system.
本発明の演算部は、並列処理を行う3つ以上の演算部の演算結果に対する多数決処理を行う冗長演算システムにおける前記演算部それぞれおいて、周波数Fの原振クロックを発生する水晶発振器(図2の211等)と、原振クロックを繰り返しカウントして、1からNまでのカウンタ値を出力し、また第1のカウンタ値のとき‘1’、カウンタ値がNのとき‘0’とするカウント終了フラグを出力する同期カウンタ(図2の213等)と、カウンタ値がN/2のときに‘0’、Nのときに‘1’とする周波数F/Nの動作クロックを該演算部の演算プロセッサへ出力するクロック出力回路と、全ての演算部におけるカウント終了フラグを相互比較し当該演算部に異常あるときは当該同期カウンタが出力するカウンタ値をスキップすることにより補正するクロック補正回路(図2の212等)を有するクロック生成回路を設けたことを特徴とする。 The arithmetic unit of the present invention is a crystal oscillator that generates an original clock of frequency F in each of the arithmetic units in the redundant arithmetic system that performs majority processing on the arithmetic results of three or more arithmetic units that perform parallel processing (FIG. 2). 211, etc.), and the original oscillation clock is counted repeatedly, and the counter value from 1 to N is output, and when the first counter value is “1”, when the counter value is N, “0” is counted. A synchronous counter (such as 213 in FIG. 2) that outputs an end flag, and an operation clock having a frequency F / N of “0” when the counter value is N / 2 and “1” when the counter value is N Comparing the clock output circuit output to the arithmetic processor with the count end flag in all arithmetic units, and correcting by skipping the counter value output by the synchronous counter when the arithmetic unit is abnormal A clock generation circuit having a clock correction circuit (such as 212 in FIG. 2) is provided.
好ましくは、クロック補正回路(図2の212等)は、第2のカウンタ値のときに全ての演算部におけるカウント終了フラグ(カウント終了フラグ列という)をラッチし異常状態ラッチ1として保持することと、第1のカウンタ値から原振クロックを所定数だけ進めた第3のカウンタ値のときにカウント終了フラグ列をラッチ・ビット反転し異常状態ラッチ2として保持することと、第1のカウンタ値のときに、入力するカウント終了フラグ列と、保持している異常状態ラッチ1と、保持している異常状態ラッチ2それぞれのビット対応に論理和演算し、論理和演算の結果(カウント終了状態という)に多数決処理し、その結果を同期カウンタへ出力する多数決回路であり、同期カウンタは、第1のカウンタ値において、多数決処理の結果により‘1’が多数なら第3のカウンタ値へカウントアップし、それ以外なら第3のカウンタ値まで1つずつカウントアップすることを特徴とする。
Preferably, the clock correction circuit (such as 212 in FIG. 2) latches the count end flag (referred to as a count end flag string) in all the arithmetic units and holds it as the
例えば、第1のカウンタ値は(N−4)、第2のカウンタ値はN/2、第3のカウンタ値は(N−2)とする。 For example, the first counter value is (N-4), the second counter value is N / 2, and the third counter value is (N-2).
また、水晶発振器またはクロック出力回路の出力周波数を逓倍するPLLを設けてもよい(図7)。 Further, a PLL for multiplying the output frequency of the crystal oscillator or the clock output circuit may be provided (FIG. 7).
本発明の冗長演算システムは、上記のいずれかの演算部における演算プロセッサの演算結果について多数決処理を行うことを特徴とする。 The redundant computation system of the present invention is characterized in that majority processing is performed on the computation result of the computation processor in any of the computation units described above.
本発明の冗長演算システムにおける各演算部は、水晶発振器,多数決回路,同期カウンタおよびクロック出力回路を有するクロック生成回路を設け、冗長化された演算部に搭載された水晶発振器の部品固体差とクロック周期ズレを互いに監視し、高速な原振クロックを分周してMPU動作クロックを生成し、多数決の結果により位相を同期化する。 Each arithmetic unit in the redundant arithmetic system of the present invention is provided with a clock generation circuit having a crystal oscillator, a majority circuit, a synchronous counter, and a clock output circuit, and the individual difference and clock of the crystal oscillator mounted in the redundant arithmetic unit Period shifts are monitored each other, a high-speed original oscillation clock is divided to generate an MPU operation clock, and the phase is synchronized according to the majority result.
このとき、複数個の演算部の内、1つに故障または異常が生じても、残りの正常な演算部の動作クロックの位相を同期した状態で保つことが可能である。従って、演算部の1故障が発生した場合でも、残りの正常な演算部によって、システムの冗長並列処理の停止や性能低下を起こすことなく処理継続が可能なため、高信頼性冗長システムを得ることができる。 At this time, even if a failure or abnormality occurs in one of the plurality of arithmetic units, it is possible to keep the operation clock phases of the remaining normal arithmetic units synchronized. Therefore, even if one failure of the arithmetic unit occurs, the remaining normal arithmetic units can continue the processing without causing the system to stop redundant parallel processing or reduce the performance, so that a highly reliable redundant system is obtained. Can do.
次に、発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[構成の説明]
図1は、本発明の演算部が使用される冗長演算システムの一例を示す。この冗長システム1は、3つの演算部2,3,4と、インタフェース部5で構成されている。演算部2,3,4はインタフェース部5に接続される。演算部2,3,4で得られた演算結果はインタフェース部5の多数決回路部6で比較され、多数決結果により、外部機器7に外部I/F信号8を出力する。
[Description of configuration]
FIG. 1 shows an example of a redundant arithmetic system in which the arithmetic unit of the present invention is used. The
演算部2,3,4の詳細な構成を図2に示す。図2において、演算部2,3,4は同一な回路構成、回路機能であり、クロック生成回路21,31,41と、MPU22,32,42と、メモリ23,33,43により構成されている。クロック生成回路21,31,41も同構成であって、MPU22,32,42の動作クロック24,34,44を生成する機能を有し、原振クロック215,315,415を発生する水晶発振器211,311,411と、クロックの同期状態を保つためにN回カウントを行う同期カウンタ213,313,413と、多数決回路212,312,412と、クロック出力回路214,314,414を含んだ構成である。以下、クロック生成回路21について説明する。
A detailed configuration of the
水晶発振器211は、周波数Fの原振クロック215を発生して同期カウンタ213に供給している。同期カウンタ213は、水晶発振器211から入力する原振クロック215を繰り返しカウントして、1からNまでのカウンタ値217をクロック出力回路214と多数決回路212へ出力する。
The
クロック出力回路214は、カウンタ値217がN/2のときに動作クロック24を‘0’とし、カウンタ値217がNのときに動作クロック24を‘1’とする。この結果、周波数F/Nの動作クロック24をMPU22に供給することができる。
The
同期カウンタ213は、カウンタ値217が(N−4)のときカウント終了フラグ218として‘1’、カウンタ値217がNのときカウント終了フラグ218として‘0’をそれぞれ出力する。カウント終了フラグ218は多数決回路212の他、クロック生成回路31の多数決回路312およびクロック生成回路41の多数決回路412にも供給される。
The
また、同期カウンタ213は、後述のように、カウンタ値217が(N−4)のとき多数決回路212から入力する多数決結果216により、‘1’が2つ以上ならカウンタ値217=(N−2)とし、それ以外ならカウンタ値217=(N−3)とする。
Further, as will be described later, the
上述の説明から明らかなように、多数決回路212には、クロック生成回路31の同期カウンタ313からカウント終了フラグ318と、クロック生成回路41の同期カウンタ413からカウント終了フラグ418も供給される。多数決回路212は、同期カウンタ213から入力するカウンタ値217がN/2のときにカウント終了フラグ218,318,418(この3ビット列をカウント終了フラグ列という)をラッチする。そして、このときのカウント終了フラグ列を異常状態ラッチ1として保持する。
As apparent from the above description, the
また、多数決回路212は、同期カウンタ213から入力するカウンタ値217が(N−2)のときに、カウント終了フラグ列をラッチし、これをビット反転し異常状態ラッチ2として保持する。
Further, the
また、多数決回路212は、説明が前後するが、同期カウンタ213から入力するカウンタ値217が(N−4)のときに、入力するカウント終了フラグ列と、保持している異常状態ラッチ1と、保持している異常状態ラッチ2それぞれのビット対応に論理和演算する。この場合の異常状態ラッチ2は前サイクルにおけるものということになる。論理和演算の結果(カウント終了状態という)は多数決結果216として同期カウンタ213へ出力する。多数決結果216は、カウント終了状態において‘1’が2つ以上か否かを示す。
Further, the
以上に説明した同期カウンタ213と多数決回路212とクロック出力回路214の関係は、図3を参照してする以下の時系列的な説明により明瞭なものとなる。
The relationship among the
電源投入後、演算部2内の同期カウンタ213は、リセットされカウンタ値=1(図3のS1)となり、水晶発振器211は原振クロック215を常に出力する。同期カウンタ213は、原振クロック215によりカウンタ値=2(図3のS2)、3、4・・・Nとカウントアップする。また、カウント終了フラグ218は‘0’を初期値とする。
After the power is turned on, the
同期カウンタ213のカウンタ値217=N/2(図3のS3)のとき、クロック出力回路214は動作クロック24を‘0’とする(図3のS3−1)。また、多数決回路212は、カウント終了フラグ列を異常状態ラッチ1として保持する(図3のS3−2)。
When the
この時、すべての演算部が正常であれば、カウント終了フラグ:“000”となり、異常状態ラッチ1:“000”をラッチした状態となる。カウント終了フラグ418,318,218に‘1’を出力している演算部は、異常ケースが発生していると判断でき、異常状態ラッチ1の該当ビットに‘1’がラッチされた状態となる。例えば、演算部2に異常が発生時、異常状態ラッチ1:“001”となる。同期カウンタ213のカウンタ値217=(N−4)(図4のS4)のとき、カウント終了フラグ218=‘1’を出力する(図3のS4−1)。
At this time, if all the arithmetic units are normal, the count end flag is “000”, and the abnormal state latch 1: “000” is latched. The arithmetic unit outputting “1” to the count end flags 418, 318, and 218 can determine that an abnormal case has occurred, and “1” is latched to the corresponding bit of the
同時に、多数決回路212で、3ビットで示されるカウント終了状態のビットについて多数決処理し(図3のS4−2)、カウント終了状態3ビットの内、1ビット以下が‘1’の場合、カウンタ値217=(N−3)へカウントアップする(図3のS5)。一方、カウント終了状態3ビットの内、2ビット以上が‘1’の場合、カウンタ値217=(N−2)へ2カウントアップする(図3のS6)。
At the same time, the
ここで、カウント終了状態とは、カウント終了フラグ列と異常状態ラッチ1(図3のS3−2)と異常状態ラッチ2(図3のS6−1)それぞれのビット対応について論理和演算した結果を意味する。例えば、カウント終了フラグ列が“100”、異常状態ラッチ1が“001”、異常状態ラッチ2が“000”なら、カウント終了状態は“101”となる。
Here, the count end state refers to the result of logical sum operation for each bit correspondence of the count end flag string, the abnormal state latch 1 (S3-2 in FIG. 3), and the abnormal state latch 2 (S6-1 in FIG. 3). means. For example, if the count end flag string is “100”, the
このカウント終了フラグ218出力(図3のS4−1)と多数決処理(図3のS4−2)は、同時に行われるため、演算部2から出力するカウント終了フラグ218‘1’は、演算部2の多数決回路212の多数決処理(図3のS4−2)では反映されない。
Since the
従って、「カウント終了状態3ビットの内、2ビット以上が‘1’」とは、他の演算部3,4からカウント終了フラグ318,418が出力されている状態であり、同期カウンタ213が、他の同期カウンタ313,413より、1カウント遅れていることになる。 これは、水晶発振器211,311,411の部品固体差による原振クロック215,315,415の周波数(F2<F3,F2<F4)のズレによるものである。このズレを補正するため、「カウント終了状態3ビットの内、2ビット以上が‘1’」のとき、図3のS6において、2カウントアップ(カウンタ値:(N−4)→(N−2))している。
Accordingly, “2 or more of the 3 bits in the count end state is“ 1 ”” means that the count end flags 318 and 418 are being output from the other
同期カウンタ213のカウンタ値217=(N−3)(図3のS5)のとき、原振クロック215により(N−2)へカウントアップする。同期カウンタ213のカウンタ値217=(N−2)(図3のS6)のとき、多数決回路212は、カウント終了フラグ列をビット反転させ異常状態ラッチ2として保持する(図3のS6−1)。
When the
このとき、すべての演算部が正常であれば、カウント終了フラグ:“111”を反転させ、異常状態ラッチ2として“000”をラッチする。カウント終了フラグ418,318,218として‘0’を出力している演算部は、異常ケースが発生していると判断でき、異常状態ラッチ2の該当ビットに‘1’がラッチされる。例えば、演算部2に異常が発生しているときは、異常状態ラッチ2は“001”となる。
At this time, if all the arithmetic units are normal, the count end flag: “111” is inverted and “000” is latched as the
同期カウンタ213のカウンタ値217=(N−1)(図3のS7)のとき、原振クロック215によりNへカウントアップする。同期カウンタ213のカウンタ値217=N(図3のS8)のとき、クロック出力回路214は、動作クロック24を‘1’とする(図3のS8−1)。また、同時にカウント終了フラグ218=‘0’を出力する(図3のS8−2)。
When the
[動作の説明]
次に、本クロック生成回路の動作について、タイミングチャートを参照しながら場合に分けて説明する。なお、カウンタ値N=16とする。
[Description of operation]
Next, the operation of the clock generation circuit will be described in each case with reference to a timing chart. Note that the counter value N = 16.
(1)水晶発振器の固体差による周波数ズレ(図4)
図4は、原振クロックの位相が、215,315,415の順に進んでいる場合の演算部2,3,4それぞれにおける原振クロック,カウンタ値,カウント終了フラグ,カウント終了フラグ列,異常状態ラッチ1,異常状態ラッチ2,カウント終了状態,動作クロックの波形を示している。
(1) Frequency shift due to individual differences in crystal oscillators (Fig. 4)
FIG. 4 shows the original oscillation clock, the counter value, the count end flag, the count end flag string, the abnormal state in each of the
図4のタイミングAは、演算部4における同期カウンタ413のカウンタ値417=(N−4)(図4のS4)の時点である。この時、演算部4のカウンタ値417は、図示のように他のカウンタ値217,317より遅れているため、他のカウント終了フラグ218,318が既に出力されている状態である。従って、演算部4のカウント終了状態は、“011”であり、多数決回路412は多数決結果(図3のS4−2において‘1’が2つ以上)により、カウンタ値417を2カウントアップ(12→14)していることが分かる。これは、他のカウンタ値より1カウント早く進めることにより、この遅れ(ズレ)を補正しているためである。タイミングC,Dでも同様である。
Timing A in FIG. 4 is a time point when the
また、演算部3における同期カウンタ313のカウンタ値317=(N−4)(図4のS4)の時点であるタイミングBも、演算部3のカウンタ値317は、他のカウンタ値217,417より遅れているため、同様に補正している。カウンタ値417よりも遅れているのはタイミングAにおける補正の結果による。
Further, at the timing B which is the time point of the
これらの補正を行う際に、動作クロック34,44のLOWレベルの期間が、原振クロックの1クロック分短くなり、動作クロック24,34,44間の位相ズレは、原振クロックの2クロックの範囲となる。補正の結果、得られる動作クロック24,34,44は、以下の式を用いて表すことができる。 When performing these corrections, the period of the LOW level of the operation clocks 34 and 44 is shortened by one clock of the original clock, and the phase shift between the operation clocks 24, 34, and 44 is 2 clocks of the original clock. It becomes a range. The operation clocks 24, 34, and 44 obtained as a result of the correction can be expressed using the following equations.
周波数 = 原振クロック周波数 × カウンタ値N (誤差:+0%、−100/N%)
位相ズレ時間 = 原振クロックの2クロック分(2/F)以下
上記の2つの式より、高い精度の動作クロックを必要とする場合、カウンタ値Nを大きな値をとすることにより、動作クロックの周波数精度を上げること、また、原振クロックの周波数を高くすることにより、位相ズレ時間を小さくできることが容易に分かる。
Frequency = original oscillation clock frequency x counter value N (error: + 0%, -100 / N%)
Phase shift time = 2 clocks (2 / F) or less of the original oscillation clock From the above two formulas, when a highly accurate operation clock is required, the counter value N is set to a large value, It can easily be seen that the phase shift time can be reduced by increasing the frequency accuracy and increasing the frequency of the original clock.
(2)水晶発振器の故障による原振クロック停止(図5)
異常ケースとして以下の4つが想定される。
(a)水晶発振器故障(原振クロック停止)によるカウント終了フラグ出力不能
(b)水晶発振器故障(原振クロック周波数異常)よるカウント終了フラグ出力タイミング異常
(c)同期カウンタ故障によるカウント終了フラグ出力不能及び出力タイミング異常
(d)多数決回路故障によるカウント終了フラグ出力不能及び出力タイミング異常
図5は、演算部4の水晶発振器411の故障により、原振クロック415が停止した異常ケース(a)において、演算部2,3,4それぞれにおける原振クロック,カウンタ値,カウント終了フラグ,カウント終了フラグ列,異常状態ラッチ1,異常状態ラッチ2,カウント終了状態,動作クロックの波形を示している。
(2) Stop the source clock due to a crystal oscillator failure (Figure 5)
The following four cases are assumed as abnormal cases.
(A) Count end flag cannot be output due to crystal oscillator failure (original clock stop) (b) Count end flag output timing error due to crystal oscillator failure (original clock frequency error) (c) Count end flag cannot be output due to sync counter failure And output timing abnormality (d) Count end flag cannot be output due to majority circuit failure and output timing abnormality FIG. 5 shows an operation in the abnormal case (a) in which the oscillation clock 415 is stopped due to the failure of the
図5のタイミングE(カウンタ値“15”)で原振クロック415が停止し、それ以降は出力されていない。従って、カウンタ値417が“16”になることがないため、タイミングE以降ではカウント終了フラグ418は“1”を維持する。動作クロック44が‘1’となることもない。この結果、演算部3における同期カウンタ313のカウンタ値317=N/2(図3のS3)となる時点であるタイミングFにおいて、多数決回路312は、
カウント終了フラグ列の状態“100”を異常状態ラッチ1:“100”としてラッチする(図3のS3−2)。また、やや遅れて演算部2の多数決回路212も異常状態ラッチ1:“100”としてラッチする(図3のS3−2)。ここで、異常状態ラッチ1:“100”は、演算部4の異常を検知したことを示している。
The source clock 415 stops at the timing E (counter value “15”) in FIG. 5 and is not output thereafter. Accordingly, since the
The count end flag string state “100” is latched as abnormal state latch 1: “100” (S3-2 in FIG. 3). Further, the
異常検知以降、演算部2における同期カウンタ213のカウンタ値217=(N−4)(図4のS4)の時点であるタイミングGでは、演算部2のカウンタ値217は、演算部3のカウンタ値317より遅れているため、演算部3のカウント終了フラグ318は既に出力されている状態にある。このときの演算部2のカウント終了状態は、“110”であり、多数決回路212の多数決結果(図3のS4−2において‘1’が2つ以上)により、カウンタ値217を2カウントアップ(12→14)し遅れ(ズレ)を補正していることを示している。
After the abnormality is detected, the
このときの演算部2の異常状態ラッチ1,異常状態ラッチ2およびカウント終了状態と、演算部2,演算部3,演算部4のカウント終了フラグを下表に示す。
The
また、演算部3における同期カウンタ313のカウンタ値317=(N−4)(図4のS4)の時点であるタイミングHでも、同様に、演算部3のカウンタ値317は、演算部2のカウンタ値217より遅れているため、補正している状態である。このように、演算部4の原振クロック415が停止したことを検知した後は、演算部4をズレの補正対象としないことで、演算部2,3の動作クロック24,34の位相同期が可能である。
Similarly, the
(3)水晶発振器の故障による原振クロックの周波数低下(図6)
図6は、演算部4の水晶発振器411の故障により、原振クロック415の周波数が低下した異常ケース(b)において、演算部2,3,4それぞれにおける原振クロック,カウンタ値,カウント終了フラグ,カウント終了フラグ列,異常状態ラッチ1,異常状態ラッチ2,カウント終了状態,動作クロックの波形を示している。
(3) Frequency drop of the original clock due to a crystal oscillator failure (Figure 6)
FIG. 6 shows an original clock, counter value, and count end flag in each of the
図6のタイミングIで原振クロック415の周波数が低下している。演算部3における同期カウンタ313のカウンタ値317=(N−2)(図3のS6)となるタイミングJのとき多数決回路312、やや遅れて演算部2の多数決回路212は、カウント終了フラグ列“011”をビット反転させ異常状態ラッチ2:“100”を保持する(図3のS6−1)。ここで、異常状態ラッチ2:“100”は、演算部4の異常を検知したことを示している。
The frequency of the original clock 415 decreases at the timing I in FIG. The
異常検知以降、演算部3における同期カウンタ313のカウンタ値317=(N−4)(図4のS4)の時点であるタイミングKのとき、演算部3のカウンタ値317は、演算部2のカウンタ値217より遅れているため、演算部2のカウント終了フラグ218が既に出力されている状態である。このときの演算部3のカウント終了状態は、下表に示すように、“101”であり、多数決回路312の多数決結果(図3のS4−2、‘1’が2つ以上)により、カウンタ値317を2カウントアップ(12→14)し遅れ(ズレ)を補正していることを示している。
After the abnormality detection, the
演算部4の周波数異常を検知した後、演算部4をズレの補正対象としないことで、演算部2,3の動作クロック24,34の位相同期が可能である。異常ケース(c)(d)についても同様の動作を行い動作クロック24,34の位相同期が可能である。
After detecting the frequency abnormality of the
以上、上記動作を各演算部2,3,4のクロック生成回路21、31、41が行うことにより、各演算部内で使用しているMPUへの動作クロック24,34,44の位相を同期することができ、演算部で実施するシステムの冗長並列処理の処理ステップを同期することが可能である。また、演算部2,3,4の内、1つが故障した場合でも、残りの演算部でシステムの冗長並列処理を継続して行うことが可能である。
As described above, the
本発明の実施例2は、その基本的原理は実施例1と変わりがないが、原振クロックの生成方法、動作クロックの出力方法についてさらに工夫し、また、冗長構成数を増やすことで、更なる高信頼度化を得ることを可能としている。 The basic principle of the second embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment. However, the original clock generation method and the operation clock output method are further devised, and the number of redundant configurations is increased. It is possible to obtain higher reliability.
その構成を図7に示す。本図において、PLL219は、水晶発振器211より出力されるクロック(周波数:f)をM倍し、原振クロック215(周波数:Mf)を得ることが可能である。また、PLL220は、クロック出力回路214より出力される分周クロック(周波数:Mf/N)をL倍し、動作クロック24(周波数:LMf/N)を得ることができる。この2つのPLL219,220によって、水晶発振器211より出力される比較的低周波数のクロックから、動作クロック24を容易に得ることを可能としている。
The configuration is shown in FIG. In this figure, the PLL 219 can multiply the clock (frequency: f) output from the
例えば、同期カウンタ213(N=100カウント)より動作クロック24(10MHz)を得る場合、M=10のPLL219を使用して、水晶発振器211(周波数:10MHz)から、100MHzの原振クロック215を生成する。同期カウンタ213は、100MHz×100カウントし、クロック出力回路214は1MHzの分周クロックを生成する。この分周クロックをPLL220により10倍し、10MHzの動作クロック24を容易に得ることが可能である。
For example, when the operation clock 24 (10 MHz) is obtained from the synchronous counter 213 (N = 100 counts), a 100
PLLを使用しない場合、水晶発振器211の原振クロック215(周波数:1GHz)×100カウントし、10MHzの動作クロック24を得ることとなる。これに対して、上述のように、低周波数クロックより、同様の動作クロックを得られることは、ノイズ対策として有効であり、また、回路設計を容易にしていると言える。
When the PLL is not used, the oscillation clock 215 (frequency: 1 GHz) × 100 of the
図7の実施例では、演算部2,3,4,5,6の冗長構成:5としている。これにより、多数決方法を3/5にすることで、演算部の2故障まで対応可能な高信頼性冗長システムを構成している。さらに、冗長構成:7とすれば、多数決方法を4/7とすることで、3故障まで対応可能なことは、明白である。
In the embodiment of FIG. 7, the redundant configuration of the
本発明の活用例として、高信頼性が要求される宇宙搭載機器を挙げることができる。 As an application example of the present invention, a space-borne device requiring high reliability can be cited.
1 冗長演算システム
2〜4 演算部
5 インタフェース部
6 多数決回路
7 外部機器
8 外部I/F信号
21,31,41 クロック生成回路
22,32,42 MPU
23,33,43 メモリ
211,311,411 水晶発振器
212,312,412 多数決回路
213,313,413 同期カウンタ
214,314,414クロック出力回路
215,315,415 原振クロック
216,316,416多数決結果
217,317,417 カウンタ値
218,318,418 カウント終了フラグ
219,220 PLL
DESCRIPTION OF
23, 33, 43
Claims (5)
周波数Fの原振クロックを発生する水晶発振器と、
前記原振クロックを繰り返しカウントして、1からNまでのカウンタ値を出力し、また第1のカウンタ値のとき‘1’、前記カウンタ値がNのとき‘0’とするカウント終了フラグを出力する同期カウンタと、
前記カウンタ値がN/2のときに‘0’、Nのときに‘1’とする周波数F/Nの動作クロックを該演算部の演算プロセッサへ出力するクロック出力回路と、
全ての前記演算部における前記カウント終了フラグを相互比較し当該演算部に異常あるときは当該同期カウンタが出力するカウンタ値をスキップすることにより補正するクロック補正回路を有することを特徴とする演算部。 In each of the calculation units in the redundant calculation system that performs majority processing on the calculation results of three or more calculation units that perform parallel processing,
A crystal oscillator that generates a source clock of frequency F;
Counts the original clock repeatedly and outputs a counter value from 1 to N, and outputs a count end flag that is '1' when the counter value is 1 and '0' when the counter value is N A synchronization counter to
A clock output circuit for outputting an operation clock having a frequency F / N of “0” when the counter value is N / 2 and “1” when the counter value is N to the arithmetic processor of the arithmetic unit;
An arithmetic unit comprising a clock correction circuit for correcting the count end flags in all the arithmetic units by comparing each other and skipping a counter value output from the synchronous counter when the arithmetic unit is abnormal.
第2のカウンタ値のときに全ての演算部における前記カウント終了フラグ(カウント終了フラグ列という)をラッチし異常状態ラッチ1として保持することと、
前記第1のカウンタ値から前記原振クロックを所定数だけ進めた第3のカウンタ値のときに前記カウント終了フラグ列をラッチ・ビット反転し異常状態ラッチ2として保持することと、
前記第1のカウンタ値のときに、入力するカウント終了フラグ列と、保持している前記異常状態ラッチ1と、保持している前記異常状態ラッチ2それぞれのビット対応に論理和演算し、論理和演算の結果(カウント終了状態という)に多数決処理し、その結果を前記同期カウンタへ出力する多数決回路であり、
前記同期カウンタは、前記第1のカウンタ値において、前記多数決処理の結果により‘1’が多数なら前記第3のカウンタ値へカウントアップし、それ以外なら前記第3のカウンタ値まで1つずつカウントアップするクロック生成回路を設けたことを特徴とする請求項1記載の演算部。 The clock correction circuit includes:
Latching the count end flag (count end flag string) in all the arithmetic units at the second counter value and holding it as an abnormal state latch 1;
The count end flag string is latched / inverted and held as an abnormal state latch 2 at a third counter value obtained by advancing the original clock by a predetermined number from the first counter value;
When the count value is the first counter value, an OR operation is performed for each bit corresponding to the count end flag string to be input, the abnormal state latch 1 held, and the abnormal state latch 2 held. A majority circuit that performs majority processing on the result of the operation (referred to as a count end state) and outputs the result to the synchronous counter;
The synchronous counter counts up to the third counter value if the first counter value has a large number of '1' according to the result of the majority process, and counts one by one up to the third counter value otherwise. The arithmetic unit according to claim 1, further comprising a clock generation circuit to be uploaded.
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