RU2591180C1 - Защищенный компьютер, сохраняющий работоспособность при повреждении - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электроники и вычислительной техники. Технический результат - повышение надежности работы устройства и сохранение работоспособности устройства при возникновении отказов/повреждений в его оборудовании. Устройство содержит n-е количество единых монтажных вычислительных приборов (ЕМП), каждый из которых функционально разделен на взаимодействующие между собой три блока: блока автономных вычислений (БАВ), блока передачи команд (ВПК) и блока операционной системы (БОС), при этом БАВ обеспечивает взаимодействия с другими БАВ, установленными на других ЕМП; проверки сетевых линий связи на предмет наличия других ЕМП, доступных для связи; установки видов приоритета между доступными ЕМП, какие ЕМП будут в управлении по отношению к данному ЕМП; ведения реестра доступных других БАВ для составления описания этих БАВ и ЕМП, содержащие сведения о вычислительных мощностей, загруженности ЕМП, и проверки актуальности и доступности других БАВ и целостности данных, переданных другим БАВ, и выполнения заданий; и передачи указанной информации в БПК, который выполнен с возможностью передачи сигналов управления и данных доступным ЕМП; БПК выполнен с возможностью создания из информации, полученной от БАВ, единого виртуального процессора (ЕВП), и передачи информации о ЕВП в БОС. 14 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области электроники и вычислительной техники, в частности к устройствам, обеспечивающим вычисления самого широкого круга задач, и выполненные в разных форм факторах, но объединены одними принципами построения схемотехники устройств, и может быть использовано при создании вычислительных систем повышенной надежности.

Из уровня техники известны печатная плата и полупроводниковый модуль памяти, используемый для нее. Полупроводниковый модуль памяти включает в себя печатную плату (РСВ), из жесткой части печатной платы и гибкой части печатной платы, включающую перекрытие, части без перекрытия и памяти компонентов, установленных на плате. Жесткая часть печатной платы включает в себя первую поверхность и вторую поверхность, обращенную к первой поверхности. Перекрытие гибкой части печатной платы перекрывает жесткую часть печатной платы, часть без перекрытия не пересекается с жесткой частью печатной платы. Гибкая часть печатной платы может включать в себя уложенную структуру перекрытия, включающую, по меньшей мере, одну удвоенную часть (US 8089774, 03.01.2012).

Известна параллельная вычислительная система с программируемой архитектурой, включающая параллельный процессор, который содержит матрицу процессорных элементов, и ОЗУ, и дополнительно снабженная первой коммуникационной средой и N параллельными процессорами. Каждый параллельный процессор дополнительно содержит управляющий процессор, системную шину, служебное ОЗУ, буферное ОЗУ и узел загрузки, первая группа входов-выходов которого соединена с первой коммуникационной средой, при этом вторая группа входов-выходов узла загрузки соединена с группой информационных входов-выходов буферного ОЗУ, группа управляющих входов которого соединена с первой группой управляющих выходов узла загрузки, третья группа входов-выходов которого соединена с группой информационных входов-выходов служебного ОЗУ, группа управляющих входов которого соединена со второй группой управляющих выходов узла загрузки, четвертая группа входов-выходов которого соединена с группой информационных входов-выходов ОЗУ, группа управляющих входов которого соединена с третьей группой управляющих выходов узла загрузки, первая группа выходов которого связана с группой информационных входов матрицы процессорных элементов, группа информационных выходов которой связана с группой входов блока загрузки, группа управляющих выходов которого связана с группой управляющих входов матрицы процессорных элементов, группа управляющих выходов которой связана с группой управляющих входов блока загрузки, пятая группа входов-выходов которого соединена с системной шиной, которая также соединяется с группой входов-выходов управляющего процессора (RU 2202123, 10.04.2003).

Известна компьютерная система, включающая объединительную плату, имеющую, по крайней мере, одну объединительную шину связи и диагностическую шину, множество материнских плат, каждая из которых подключена к диагностической шине. Каждая материнская плата также включает систему памяти, в том числе оперативную память, распределенную среди множества материнских плат, и контроллер памяти модуля для доступа к оперативной памяти, взаимодействующий с шиной связи материнской платы. Каждая материнская плата также включает в себя, по меньшей мере, одну дочернюю плату, разъемно подключенную к ней. Материнская плата дополнительно включает в себя объединительный диагностический механизм интерфейса шины сопряжения каждой из плат на объединительной плате диагностических шин; микроконтроллер для обработки информации и предоставления результатов и механизм контроллера шины при испытании, включая регистры в нем. Система дополнительно включает в себя сканирование цепи, которая электрически соединяет функциональные возможности, установленные на каждой материнской плате и каждой из, по меньшей мере, одной дочерней плате к механизму контроллера шины; и приложения программ для исполнения микроконтроллером. Приложения программ, в том числе инструкции и критерии для автоматического тестирования функциональных и электрических соединений и взаимосвязи, автоматически определяют наличие одного или более неисправных компонентов и автоматически функционально удаляют неисправный компонент(ы) из компьютерной системы. Компьютерная система продолжает работу, хотя и с понижением работоспособности, пока неисправный компонент не заменен (US 6122756, 19.09.2000).

Недостатком данной компьютерной системы является то, что при неисправности происходит резервирование, а невозможность использования любого процессора из всего пула при выходе из строя любого процессора.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании вычислительного устройства, которое исключало бы указанные выше недостатки.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в повышении надежности работы устройства и сохранении работоспособности устройства при возникновении отказов/повреждений в его оборудовании. Выход из строя одного или нескольких приборов устройства, повреждения линий передачи данных не приводят к прекращению работы вычислительного устройства.

Указанный технический результат достигается в вычислительном устройстве, содержащем n-е количество единых монтажных вычислительных приборов (ЕМП), каждый из которых функционально разделен на взаимодействующие между собой три блока: блока автономных вычислений (БАВ), блока передачи команд (ВПК) и блока операционной системы (БОС).

БАВ отвечает за взаимодействие с другими БАВ, установленными на других ЕМП, он проверяет сетевые линии связи на предмет наличия других ЕМП, доступных для связи, устанавливает виды приоритета между доступными ЕМП, какие ЕМП будут в управлении по отношению к данному ЕМП, а именно к данному БАВ. Ведет реестр доступных других БАВ, составляет описания этих БАВ и ЕМП которые они представляют, на предмет наличия вычислительных мощностей, загруженности и других характеристик ЕМП, проверяет актуальность и доступность других БАВ. И передает эту информацию в БПК. Таким образом, БАВ находит с сетевом пространстве доступные для управления ЕМП, узнает их физические параметры, и постоянно отслеживает информацию о доступных для управления ЕМП. И передает эту информацию в БПК, а из БПК передает сигналы управления и данные, доступным ЕМП. Также БАВ проверяет целостность данных, переданных другим БАВ, и выполнение заданий, в случае ошибок или невыполнения команд данный БАВ помечается как ненадежный и ставится на проверку, на него не отсылаются рабочие данные, а отправляться тестовые пакеты данных, если проверка проходит успешно, то он добавляется к доверенным рабочим процессорам, если нет, то процесс повторяется, но через больший промежуток времени. БАВ постоянно проверяет сеть на доступность новых ЕМП для управления. Таким образом, БАВ в общем смысле представляет собой вычислительную систему с множественным потоком команд и множественным потоком данных (ВСМПКМПД). Задача БАВ избежать таких проблем при параллельных вычислениях, как взаимная блокировка, недостаток ресурсов или неопределенность или неоднозначность полученных результатов. Достигается это представлением матриц с ЕМП в виде графов. Каждый ЕМП есть узел вершины графа, а передача данных на ЕМП это дуги, или ребра. В этом случае мы можем рассчитать путь выполнения задачи в виде ориентированного графа, а в некоторых случаях и гибридного графа. При достаточном количестве ЕМП выполнение задачи можно представить в виде биекции, состоящей из двух графов. Это позволяет с достаточной точностью провести вычисления даже при потере некоторых ЕМП в процессе вычислений.

ВПК из информации, полученной от БАВ, создает единый виртуальный процессор (ЕВП), информацию о котором ВПК передает в БОС. Таким образом, ВПК создает из физических процессоров единый виртуальный процессор. БПК в общем случае представляет собой стандартный интерфейс программирования приложений (СИПП) и используется для того, чтобы абстрагироваться от того, как реализована та или иная функция, и дает возможность использовать любую операционную систему, которая поддерживает стандартный интерфейс программирования приложений (СИПП). Также это позволяет быстро выполнять узкоспециализированные программы, без загрузки всей операционной системы, посредством системных вызовов. То есть в роли операционной системы может выступать программа, выполняющая только определенные функции, за счет этого достигается быстродействие, и повышается безопасность в плане отсутствия возможности выполнить вредоносный код.

БОС, получая информацию от БПК, видит только ЕВП, не имея никакой информации о том, какое устройство ЕМП в данное время подключено, сколько устройств ЕМП подключено, на каком удалении друг от друга они находятся и что в физическом смысле представляют. Для него важно, что ЕВП вовремя предоставляет необходимые вычислительные ресурсы.

Таким образом, множество ЕМП взаимодействуют между собой через БАВ, который входит в состав каждого ЕМП. И из множества ЕМП создается один большой вычислительный модуль из физических процессоров. А с помощью БПК множество физических процессоров преобразуются в один виртуальный процессор, этот процессор и видит операционная система, а именно БОС.

Каждый ЕМП подключен посредством разъемного электрического соединителя к общей плате, выполненной с линиями передачи данных, обеспечивающими передачу сигналов между ЕМП.

На общей плате отсутствуют блоки сетевого интерфейса и блоки питания, а питание общей платы и питание на ЕМП подается от отдельного блока питания. То есть на ОП нет сетевого интерфейса, т.к. он находится на каждом ЕМП, на ОП расположены только проводники. Для подключения к сети ETERNET в стандартное гнездо для ЕМП устанавливается специальный единый монтажный прибор (СЕМП), который, с одной стороны, подключается к ОП, используя стандартный интерфейс ЕМП, а с другой стороны, может представлять любое устройство в виде интерфейса LAN, HDMI, SATA, USB, FireWire, SPDIF, Mini-D-Sub (VGA), DVI или любой другой. В отдельных случаях удобнее установить СЕМП на самом периферийном устройстве, например на HDD, а подключаться в гнездо для ЕМП проводниками.

Общая плата выполнена в виде тонкой полимерной пленки с токопроводящим слоем, на которой установлены разъемы для коммутации каждого ЕМП и разъемы для подключения к другим ОП. Эти разъемы выполнены с возможностью подключения с аналогичными общими платами для образования матрицы из n-го количества общих плат, на каждой из которых монтируется n-е количество ЕМП. В эти разъемы подключаются и блоки питания. Подключение питания происходит в свободный разъем с края матрицы ОП.

Каждый ЕМП представляет собой процессор и выполнен в виде системы на одном кристалле - System-On-Chip.

Каждый ЕМП выполнен с элементом охлаждения в виде тонкопленочного воздушного радиатора, на котором расположены и антенны радиоустройств ЕМП.

БАВ состоит из микросхемы обеспечения питания и сбора электричества, малой антенны микросхемы обеспечения питания и сбора электричества (расположена на воздушном радиаторе ЕМП), микросхемы системы определения физических устройств, системы датчиков и измерений, микросхемы связи (LAN интерфейс), автономной малой сетевой операционной системы связи интеграции и взаимодействия и памяти EEPROM и оперативной памяти RAM для нее. Система датчиков и измерений содержит акселерометр, GPS/ГЛОНАСС, микрофон, датчик освещенности в виде видеокамеры, IR приемопередатчик, приближения, гироскоп, компас, барометр.

БПК представляет собой стандартный интерфейс программирования приложений (СИПП) и имеет микропрограмму взаимодействия архитектуры системы команд цифровой логический уровень.

БОС представляет собой операционную систему и состоит из интерфейса, функционально подобного UEFI, оперативной памяти RAM для операционной системы, памяти EEPROM для операционной системы, четырех одинаковых вычислительных кластеров, работающих независимо друг от друга, и синхронизатора кластеров. Вычислительный кластер состоит из восьми мультипроцессоров, состоящих из ординарных процессоров и контроллеров памяти, выполненных с возможностью парного подключения.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в повышении надежности работы устройства и сохранении работоспособности устройства при возникновении отказов/повреждений в его оборудовании.

Указанный технический результат достигается особой архитектурой защищенного компьютера, а именно:

1. Специальной внутренней структурой единых монтажных вычислительных приборов (ЕМП).

2. Системой монтажа ЕМП на общей плате (ОП), на которой также размещены разъемы питания, обеспечивающие электропитание ЕМП.

3. Схемой сетевого интерфейса, обеспечивающей резервирование сигналов передачи данных.

4. Алгоритмом обмена информацией между едиными монтажными приборами.

5. Подключение-отключение общих плат, соединение в матрицу во время работы без выключения напряжения питания.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид ЕМП с элементом охлаждения в виде тонкопленочного воздушного радиатора;

на фиг. 2 - ОП с разъемами электрического соединителя преимущественно для мобильных терминалов связи (Р1);

на фиг. 3 - общая схема устройства в целом;

на фиг. 4 - разъем Р4;

на фиг. 5 - разъем Р1.

Принятые обозначения на чертежах:

1 - единый монтажный вычислительный прибор (ЕМП),

2 - тонкопленочный воздушный радиатор (ТВР) со встроенными антеннами ЕМП,

3 - контактная площадка подключения разъемного электрического соединителя преимущественно для мобильных терминалов связи (Р1),

4 - общая плата,

5 - контактная площадка подключения разъемного электрического соединителя преимущественно для мобильных терминалов связи (Р1),

6 - контактная площадка подключения разъемного электрического соединителя преимущественно для мобильных терминалов связи (Р4) для объединения ОП в матрицу и для подключения блоков питания, также содержит линии связи для подключения других ОП.

Сокращения в описании изделия

- ЕМП - единый монтажный прибор.

- ОП - общая плата.

- МОП - матрица общих плат.

- ВЕМП - ведущий единый монтажный прибор.

- ЕВС - единая вычислительная система.

- 12 - линейный защищенный компьютер - ОП с 48 разъемами Р1 для подключения 48 ЕМП и 4-мя разъемами Р4 для соединения с другими ОП и подключения питания.

- БАВ - блок автономных вычислений.

- БПК - блок передачи команд.

- БОС - блок операционной системы.

- ЕВП - единый виртуальный процессор.

- ПО-БОС - пользовательское окружение блока операционной системы.

- МОПИСЭ - микросхема обеспечения питания и сбора электричества

- МСОССИИВ - автономная малая сетевая операционная система связи интеграции и взаимодействия.

- СЕМП - специальный единый монтажный прибор.

- СИЕМП - стандартный интерфейс ЕМП.

- МПС - микросхема преобразования сигналов. Сокращения в примерах использования

- БПЛА - беспилотный летательный аппарат.

- ИИ - искусственный интеллект.

Сокращения в фиг. 3

- МП - монтажная площадка №.

Защищенный компьютер состоит из ЕМП, представляющих собой систему на одном кристалле - SOC, System-On-Chip, и имеет отношение толщины ОП к размерам ЕМП не более 150, которые устанавливаются на общую плату (ОП).

Подключение ЕМП к ОП реализовано в виде разъемного электрического соединителя преимущественно для мобильных терминалов связи (РЭСМТС), патент РФ №2531801 тип разъема Р1. Охлаждение ЕМП выполнено в виде тонкопленочного воздушного радиатора.

Подключение ОП с другими ОП реализовано в виде разъемного электрического соединителя преимущественно для мобильных терминалов связи (РЭСМТС), патент РФ №2531801 тип разъема Р4.

Устройство ЕМП

Каждый ЕПМ представляет собой процессор и состоит из одной микросхемы, функционально разделенной на три блока:

- блок автономных вычислений (БАВ),

- блок передачи команд (БПК),

- блок операционной системы (БОС).

Каждый функциональный блок состоит из аппаратных блоков, конфигурация и количество которых может меняться. Рассмотрим функциональные блоки.

Блок автономных вычислений (БАВ):

- Микросхема обеспечения питания и сбора электричества (МОПИСЭ).

- Малая антенна микросхемы обеспечения питания и сбора электричества (АМОПИСЭ).

- Микросхема системы определения физических устройств (МСОФУ).

- Система датчиков и измерений (СДИИ).

- Микросхема связи (LAN интерфейс) (радиоканал) (МС)

- Память (EEPROM) для АМСОС.

- Автономная малая сетевая операционная система связи интеграции и взаимодействия (АМСОС).

- Оперативная память (RAM) АМСОС.

Аппаратно блоки №1, №2, №3, №4, №5, №6, №7, №8.

Блок передачи команд (БПК):

- Микропрограмма взаимодействия архитектуры системы команд цифровой логический уровень.

Аппаратно блок №9.

Блок операционной системы (БОС):

- Unified Extensible Firmware Interface (UEFI)

- (RAM) для операционной системы

- Память (EEPROM) для операционной системы (ОС)

- Вычислительный кластер 1 (ВКЕМП1)

- Вычислительный кластер 2 (ВКЕМП2)

- Вычислительный кластер 3 (ВКЕМП3)

- Вычислительный кластер 4 (ВКЕМП4)

- Синхронизатор кластеров (СК)

Аппаратно блоки №10, №11, №12, №13, №14, №15, №16, №17.

В приведенной ниже таблице отражена для наглядности система ЕМП.

На микросхеме (чипе) ЕПМ размещены четыре одинаковых ВКЕМП, которые могут работать независимо и полностью одинаковы.

В СДИИ входит: акселерометр, GPS/ГЛОНАСС, микрофон, датчик освещенности в виде видеокамеры, IR приемопередатчик, приближения, гироскоп, компас, барометр и другие.

Один ВКЕМП состоит из мультипроцессоров, которые состоят из ординарных процессоров и контроллеров памяти, которые можно подключать парно. Сделано это для того, чтобы при производстве в случае брака не портился весь блок, а только одно устройство или его часть.

Микросхема (чип) ЕПМ может быть выпущен как с 4-мя ВКЕМП - наивысшая производительность, так и с тремя бракованными и одним рабочим.

Объединение всех доступных для управления ЕМП для программного обеспечения на уровне операционной системы представлено в виде единой вычислительной системы - ЕВС под общим управлением ведущего единого монтажного прибора (ВЕМП) и резервным управлением - резервный единый монтажный прибор (РВЕМП).

Устройство общей платы (ОП)

ОП выполнена с возможностью подключения с аналогичными ОП для образования матрицы из n-го количества ОП, на каждой из которых монтируется n-e количество ЕМП и подключение блоков питания к разъему Р4.

ОП в данном случае выполнена в виде тонкой полимерной пленки с токопроводящим слоем, на которой установлены:

- разъемы для коммутации каждого ЕМП в виде разъемного электрического соединителя преимущественно для мобильных терминалов связи (РЭСМТС), патент РФ №2531801, тип разъема Р1;

- разъемы Р4 для соединения с другими ОП и подключения блоков питания.

Схема проводников на ОП пониженной сложности. К ОП можно подключать любое количество ЕМП, на которое рассчитана ОП.

Физическое исполнение ОП может быть выполнено в любом виде и не ограничивается представленными здесь вариантами, так как физическое исполнение не оказывает влияние на работу изделия. Поэтому допускается выполнение ОП в виде одежды (майка, жилетка) в виде рулона полимерного материала и так далее. И может размещаться на любой поверхности в автотранспорте, в том числе в запыленной и с повышенной влажностью атмосфере.

Блоки питания применяются из расчета номинальной потребляемой мощности для данной ОП.

Для каждого ЕМП на ОП предусмотрено размещение большой антенны микросхемы обеспечения питания и сбора электричества (БАМОПИСЭ). Общие платы (ОП) могут объединяться в матрицу общих плат (МОП). Количество подключенных ОП для образования матрицы ОП (МОП) может быть любым. Коммутация ЕМП с ОП и соединение ОП в МОП может роизводиться без отключения питания.

Выход из строя одного или нескольких ЕМП, повреждения линий передачи данных, разъединение ОП друг от друга не приводят к прекращению работы вычислительного устройства (машины) в целом. Работа продолжается, так как это обеспечивается комплексом мер как программного, так и схемотехнического и физического представления заявленного устройства (электронной вычислительной машины защищенного типа).

Основное отличие от известных из уровня техники подобных устройств является не резервирование, а возможность использования любого ЕМП (процессора) из всего пула при выходе из строя любого ЕМП (процессора), в дальнейшем горячая замена и в любое время отключение и включение любых ЕМП (процессоров). Гомогенные и масштабируемые ЕМП (процессоры) из всего набора доступных ЕМП (процессоров). Кроме повреждения и замены ЕМП (процессоров) предприняты меры к защите линий связи и питания ПМ, которые резервируются с соседними ЕМП (процессорами), в центре матрицы ПМ связан с четырьмя соседними ПМ 4-мя однотипными параллельными линиями связи А1 А2 A3 A4; Б1 Б2 Б3 Б4; и т.д. для полного отключения ПМ надо прервать линии 1, как А1, так и Б1, за счет этого и достигается защищенность заявленного устройства (компьютера).

Описание работы защищенного компьютераПри первичном подключении ЕМП к ОП происходит опрос средствами БАВ, доступность физических устройств. Инициализация ЕМП и ОП определение физического и сетевого окружения. Выяснения, какие устройства доступны для управления. Запись своего текущего состояния, ведение реестра подключенных устройств и тех устройств, которые были выключены или перестали быть управляемы. Определение рейтинга устройств и доверия к ним. Определения вычислительной способности устройств, получения отчетов о выполнении заданий и текущем состоянии. Установка зашифрованного соединения и обмен несимметричными ключами шифрования. Выбор линии связи с устройствами. Переход на резервный канал связи. Опрос устройств, с которыми есть связь, для выяснения топологии сети и т.д. Определение приоритета управления. Первое устройство ЕМП, присоединенное к ОП, становится ведущим ЕМП (ВЕМП) и контролирует последующие подключения ЕМП к ОП, разрешая им работать в составе единой вычислительной системы (ЕВС). Точно так же происходит подключение второй ОП. При подключении двух ОП одна ОП подключается ведущей, другая ведомой, режим подключения выбирается при коммутации ОП. И они (ОП) в любом количестве в представлении ВЕМП видятся как ЕМП N-го количества. Первый ВЕМП может назначать резервные ВЕМП как для себя, так и создавать новые подчиненные ведущие ЕМП - ПВЕМП из общего количества ЕМП. Это решается программными средствами, а техническую возможность предоставляет схемотехника ОП - МОП.

И следующее устройство ЕМП, подключенное к этой ОП, становится явно в подчинении к первому ЕМП. При подключении второго и всех последующих ЕМП первое устройство ЕМП становится ведущим - ВЕМП. Точно такой же порядок и при подключении ОП к другой ОП при сборке МОП.

То, что ЕМП станет в подчинении к ВЕМП или нет, выбирается в настройках ЕМП при первичной инициализации. Точно такой же порядок и при подключении ОП к другой ОП при сборке МОП.

Рассмотрим работу на примере работы 12 линейного защищенного компьютера в составе матрицы из 4 ОП.

При нормальной работе после инициализации получаем матрицу общих плат (МОП) из 4-х общих плат (ОП) с установленными на них 48-ми едиными монтажными приборами (ЕМП), подключенными к 4-м линиям связи. Подключение ЕМП к ОП производится с помощью разъемного электрического соединителя (патент РФ на изобретение №2531801), тип Р1.

1. При штатной работе ВЕМП руководит работой всех устройств. То есть определяет состав ЕМП, их количество, загруженность и т.д., производит балансировку как процессорной, так и сетевой нагрузкой. Данные о состоянии устройств, их количестве, загруженности определяет и подключает БАВ. Для ВЕМП в БОС в среде пользовательского окружения (ПО-БОС) явно не видно, какое количество ЕМП подключено к управлению (в представлении (ПО-БОС), она видит множество виртуальных процессоров, количество которых то уменьшается, то увеличивается в зависимости от нагрузки, но для ВЕМП в блоке операционной системы (БОС) в ядре операционной системы (супервизор) это видно, и именно БОС-супервизор подключает и отключает это множество процессоров, сам же он получает информацию о количестве и составе этих процессоров от БАВ, который следит об исправности, сетевой доступности, загруженности и других параметрах. И при выполнении суммы параметров разрешает работу устройств ЕМП в составе матрицы общих плат МОП, которая и составляет собой защищенный компьютер. Целостность вычислений определяется архитектурой защищенного компьютера, последовательностью взаимодействия БАВ-БПК-БОС в ЕМП. И взаимодействием блоков БАВ между собой на разных ЕМП. Это приводит к логическому объединению всех ЕМП в один компьютер с N-м количеством процессоров, во время работы при увеличении нагрузки количество процессоров участвующих в работе растет, пока не достигнет М-значения (М - максимальное количество валидных процессоров). При разрушении МОП или ОП или при разрушении самих ЕМП количество ЕМП уменьшается, но для БОС это не видно. Для операционной системы и прикладных программ видно только снижение общей производительности, Ттк как подключением ЕМП управляет БАВ.

2. В этой ситуации возможно появление такого сценария, когда при выполнения задачи произойдет разъединение МОС на две части, в одной части будет ВЕМП (первый - основной), а в другой несколько ЕМП. В этом случае согласно инструкции, полученной заранее от ВЕМП (первый - основной), будет назначен новый ВЕМП (второй) и не произойдет разрушение целостности вычислений. Возможно два сценария:

1. Произойдет последующее объединение (и передача данных, если в этом будет необходимость).

2. Соединения не произойдет - то ВЕМП (второй) продолжит работу, если это возможно, или будет выполнять другие задачи.

1. На случай таких ситуаций у каждого ЕМП есть инструкции, заложенные как во время инициализации, так и полученные от ВЕМП (первый основной), или от ВЕМП, который сейчас управляет ЕМП. В любом случае БАВ не прекращает работу даже после выключения питающего напряжения. За это отвечает микросхема обеспечения питания и сбора электричества (МОПИСЭ), если все варианты энергоснабжения исчерпаны, то автономная малая сетевая операционная система связи интеграции и взаимодействия (МСОССИИВ) записывает свое текущее состояние в память и выключается. При подаче напряжения на БАВ или при достаточной индукции на антеннах микросхемы обеспечения питания и сбора электричества (МОПИСЭ) происходит восстановление предыдущего состояния БАВ и инициируется включение ЕМП. При достаточным уровне электромагнитного поля работа ЕМП возможна и без подключения к ОП, так как возможна работа и по радиоканалу. То есть работа ЕМП возможна, при достаточном питании, и без ОП и МОП. Обмен информацией будет происходить по радиоканалу. А сценарий поведения идентичный приведенному выше. То есть ЕМП будут объединяться и строить матрицу ЕМП по радио каналу, одновременно возможно и гибридное подключение, использующее все возможные варианты подключения. Этим и достигается высокая степень защищенности выполнения работы компьютером, обеспеченная целым набором мер, реализованным как на аппаратном уровне, так и на программном и в виде особой архитектуры взаимодействий в составе единой вычислительной системы -ЕВС, которая и есть защищенный компьютер.

Подключение периферийных устройств происходит через специальный единый монтажный прибор (СЕМП), который, с одной стороны, подключается к ОП, используя стандартный интерфейс ЕМП (СИЕМП), а с другой стороны, может представлять любое устройство в виде интерфейса LAN, HDMI, SATA, USB, FireWire, SPDIF, Mini-D-Sub (VGA), DVI или любой другой. Также возможна физическая установка СЕМП на само устройство, например HDD, а из HDD выходят только электрические проводники СИЕМП для прямого подключения в разъем Р1 для установки ЕМП-СЕМП. В этом случае СЕМП получается встроенный в само устройство в нашем примере в HDD в виде интерфейса СИЕМП. На HDD, или любое другое устройство, которое надо подключить, могут устанавливаться до 4-х различных интерфейсов передачи данных, как одновременно, так и по отдельности, в зависимости от поставленных задач резервирования данных и подключения к разным ОП. Устройство СЕМП полностью повторяет устройство стандартного ЕМП, но вместо ВКЕМП устанавливаются микросхемы преобразования сигналов (МПС). Количество МПС определяется выходным интерфейсом LAN, HDMI, SATA, USB, FireWire, SPDIF, Mini-D-Sub (VGA), DVI или любым другим. Совместимость оборудования обеспечивается МПС. По этой причине отпадает необходимость в драйверах для каждого нового устройства, драйверы заменены на МПС. Поэтому при подключении нового устройства нет необходимости загружать драйверы как в само ядро операционной системы, так и в другое встроенное программное обеспечение.

Описание работы

Защищенный компьютер смонтирован на ОП1, ОП2, ОП3, ОП4, которые образуют МОП1. Для наглядности, чтобы не затруднять восприятие дополнительными линиями, не показаны линии связи между ЕМП-ЕМП и ЕМП-СЕМП и ЕМП - разъем Р4 и СЕМП - разъем Р4 на всех ОП. ВЕМП установлен на МП2 на ОП1. К СЕМП, установленному на МП6, подключен монитор М1 (HDMI), клавиатура (USB). Манипулятор мышь подключена к СЕМП МП9 на ОП2. К СЕМП, установленному на МП8, подключены маршрутизатор (LAN) и СЕМП на МП2 (LAN) на ОП3. Блок питания подключен к разъему Р4.

Через разъем Р4 осуществлено подключение к ОП3, также через этот разъем, возможно, и подключение резервного питания от БП2, подключенного к ОП3.

На всех платах ОП установлены схемы ограничения и защиты по току и напряжению для установленных ЕМП.

Разъем Р4, как и разъем Р1 содержит как силовую часть, так и проводники для данных, описание Р4 фиг. 4, описание Р1 фиг. 5.

Через два разъема Р4 ОП1 подключен к ОП2, через другой разъем Р4 ОП1 подключен к ОП3, а ОП3 через передатчики wi-fi, установленные на ЕМП МП6 на ОП3, соединяется с ОП4 с ЕМП МП2, в свою очередь ЕМП МП1 на ОП4 соединяется с принтером П1 по каналу wi-fi. Блок питания БП3 подает ток на ОП3 и ОП4 через разъемы Р4. К ОП4 подключен принтер П1 по wi-fi. К ОП3 через СЕМП МП3 подключены монитор М2, клавиатура к2 и мышь МШ2. ОП1 подключена к сети WAN через СЕМП мп8, а ОП3 подключена к сети WAN через СЕМП мп2 к разным портам одного маршрутизатора, что дает дополнительный канал для передачи информации между ОП1 и ОП2.

HDD1 и HDD2 получают питание от ОП3 и от ОП2 и резервным соединены по питанию между собой. HDD1 подключен к ОП1 через встроенный СЕМП в МП9 на ОП1 и через интерфейс SATA на ОП3 СЕМП МП1. HDD2 подключен к ОП1 через встроенный СЕМП в МП9 на ОП1 и через интерфейс USB на ОП2 СЕМП МП9.

На этой схеме мы видим пример подключения и работы защищенного компьютера, состоящего из четырех общих плат (ОП1, ОП2, ОП3, ОП4) ОП1, ОП2, соединенных между собой разъемом Р4, общей платы ОП3, соединенной с ОП1 через разъем Р4, а также соединенной с ОП1 через СЕМП МП2 на ОП3 и через СЕМП МП8 на ОП1. ОП3 соединен с ОП4 через радиоканал по WI-FI. Через WI-FI подключен и принтер П1 к ОП4.

Из четырех общих плат (ОП1, ОП2, ОП3, ОП4) образуется матрица общих плат МОП1. К ней подключено два рабочих места: первое рабочее место это монитор М1, клавиатура К1 и мышь МШ1, а второе, соответственно монитор М2, клавиатура К2 и мышь, МШ2 подключено к ОП3.

Физически ОП1 И ОП2 находятся в одном помещении, а ОП3 и ОП4 в другом, при этом массив хранения данных HDD1 находится рядом с ОП3, а HDD2 рядом с ОП2.

Сканер С1 рядом с ОП3, а принтер П1 около ОП4. За формально одним компьютером МОП1 работает два оператора, для которых доступны как общий принтер П1, так и сканер С1. Таким образом всем пользователям становятся доступны все вычислительные ресурсы МОП1 и вся периферия МОП1. Для увеличения вычислительной мощности достаточно добавить новую ОП с установленными ЕМП. Для всех пользователей это будет совершенно прозрачно без изменения, каких-либо конфигураций и иных действий, просто станет больше виртуальных процессоров и добавится больше памяти. Для создания дополнительного рабочего места достаточно подключить монитор, клавиатуру и мышь через любой СЕМП. Для увеличения массивов для хранения данных просто подключите дополнительные HDD любым доступным или предпочитаемым способом: SATA, USB, LAN. Возможно одновременно несколькими способами к разным устройствам и к разным ОП. Такая схемотехника защищенного компьютера дает большую гибкость и одновременно мощность при развертывании информационно-вычислительной сети, как в составе не большой офисной группы из 10-15 рабочих мест, так и в составе группы на 1000-100000 рабочих мест. Защищенный компьютер это самонастраивающиеся распределенная вычислительная сеть с распределенными вычислительными ресурсами и распределенными пользователями, взаимно использующие вычислительные ресурсы друг друга и использующая общедоступные периферийные устройства.

Примеры использования.

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА).

Структурно БПЛА состоит из планера, бортовой электроники, системы выполнения команд управления (электро- и гидросистемы), топливных баков или аккумуляторов, двигателя и полезной нагрузки. Мы рассмотрим на примере бортовой электроники. Вариант классического исполнения и выполнения бортовой электроники в виде защищенного компьютера.

В первом варианте бортовая электроника состоит из нескольких модулей, каждый из которых выполняет строго определенную задачу согласно своему назначению.

1. Модуль связи и управления

2. Отсек полезной нагрузки

3. Модуль полезной нагрузки

4. Модули навигационных измерений

5. Блок управления БПЛА

6. Модуль аппаратного состояния

7. Блок телеметрической радиолинии

8. Блок навигационных измерений

9. Периферийные устройства, выносные датчики с контролерами

И выполняется в виде приборов в индивидуальных корпусах. Соединяемыми друг с другом разными проводами, отличающимися как сечением, напряжением, силой тока, так и разными типами данных, и формой их представления, и подключенными при помощи разнообразных типов разъемов. При этом для обеспечения надежности приходится резервировать наиболее важные блоки по два, а критически важные по три раза. Точно так же необходимо резервировать и линии связи и управления. При этом критически важные блоки необходимо выполнять с повышенным уровнем защищенности, а это увеличивает вес и размеры конструкции, что крайне негативно влияет на БПЛА в плане дальности полета, время нахождения в воздухе, и в целом увеличение веса отрицательно влияет на качество летательного аппарата.

Выполнение всей электроники в виде защищенного компьютера во многом решает эти проблемы и обеспечивает снижения веса, размер конструкции и самое главное повышает общую защищенность бортовой электроники БПЛА.

Функционально электронные компоненты БПЛА делятся на несколько классов.

1. Датчики

2. Фото- и видеоаппаратура

3. Механизмы исполнения

4. Управляющая электроника

5. Радиоаппаратура

6. Радиоусилители

7. Антенны

8. Батареи

Все оборудование разделяем по потреблению тока на два класса: слабых токов и больших токов. И все слаботочное оборудование выполняем в виде защищенного компьютера. А оборудование больших токов (механизмы исполнения, радиоуселители и антенны) подключаем к защищенному компьютеру с помощью унифицированной шины данных на типовых разъемах.

При таком подходе мы можем гибко управлять как конфигурацией БПЛА, так и модернизацией без переделки самого БПЛА. Сам БПЛА становится модульной платформой, на которой мы можем выполнять как аппаратные, так и программные изменения. В том числе и замену модулей слабых токов и замену оборудования больших токов блоками.

Принципиально в схемотехнике меняются только модули. При этом возрастает надежность, так как в режиме реального времени возможно замещение поврежденного модуля другим исправным без потери управления и снижения функциональности, во время полета программным средством, так как электроника выполнена в виде матрицы общих плат.

При этом становится возможным расширить функциональность всего блока управления. Выполнение электроники БПЛА в виде МОП (матрицы общих плат) позволяет в дальнейшем решить еще одну интересную задачу, а именно разработка и совершенствование и разработка искусственного интеллекта (ИИ) на основе МОП. Применение классических систем управления БПЛА (кратко) сводится к следующим мероприятиям:

1. Постановка задачи для выполнения БПЛА

2. Определения метеоусловий и времени для выполнения полета

3. Разработка плана полета

4. Взлет БПЛА

5. Обеспечение связи и управления БПЛА

6. Управление полетом

7. Подтверждения выполнения полетного задания

8. Подтверждения возвращения БПЛА на базу

При выполнении электроники БПЛА в виде МОП с системой ИИ управление БПЛА (кратко) сводится к:

1. Постановка задачи для выполнения БПЛА

2. Взлет БПЛА

3. Подтверждения выполнения полетного задания

4. Подтверждения возвращения БПЛА на базу

Отсутствуют фазы (кратко):

1. Определения метеоусловий и времени для выполнения полета

2. Разработка плана полета

3. Взлет БПЛА

4. Обеспечение связи и управления БПЛА

5. Управление полетом

Так как они выполняются на борту электроникой БПЛА в виде МОП с системой ИИ управления. А саму такую возможность предоставляет именно выполнение управляющей электроники в виде МОП.

Так как классическое представление компьютера в виде отдельных блоков исчерпало себя в целях расширения функциональности и приспособляемости компьютера к решению задач, прямо не описанных в программном обеспечении и рассчитанных на выполнение (решения) поставленных задач в рамках представленных алгоритмов. Представление вычислительной машины в виде МОП обеспечивает постановку задачи, а выполнение и выбор алгоритмов, методик и схем решения задачи определяет электроника ИИ МОП самостоятельно. Это позволяет нам отказаться от потерь при решении вычислительных задач и расширить информационное поле для выработки более совершенных правил надежного решения задачи.

Для этого и была разработана уникальная схемотехника в виде:

1. Единый монтажный вычислительный прибор-ЕМП

2. Общей плате - ОП

3. Матрицу ОП-МОП

4. Ведущий единый монтажный прибор-ВЕМП

5. Резервный единый монтажный прибор-РВЕМП

Что в целом можно охарактеризовать как аппаратную платформу для построения ИИ.

Так так изменяя (устанавливая) разные модификации ЕМП, можно в очень широких пределах изменять конфигурацию вычислительной мощности ЕМП для определенных (разных) задач.

Claims (15)

1. Вычислительное устройство, характеризующееся тем, что содержит N-e количество единых монтажных вычислительных приборов (ЕМП), которые выполнены с возможностью самостоятельного объединения в единый виртуальный процессор (ЕВП), используя любые доступные, в данный промежуток времени, линии связи, каждый ЕМП функционально разделен на взаимодействующие между собой три блока: блока автономных вычислений (БАВ), блока передачи команд (БПК) и блока операционной системы (БОС), при этом
БАВ обеспечивает взаимодействия с другими БАВ, установленными на других ЕМП; проверки сетевых линий связи на предмет наличия других ЕМП, доступных для связи; установки видов приоритета между доступными ЕМП, какие ЕМП будут в управлении по отношению к данному ЕМП, а именно к данному БАВ; ведения реестра доступных других БАВ для составления описания этих БАВ и ЕМП, которые они представляют, на предмет наличия вычислительных мощностей, загруженности ЕМП, и проверки актуальности и доступности других БАВ и целостности данных, переданных другим БАВ, и выполнения заданий; и передачи указанной информации в БПК, который выполнен с возможностью передачи сигналов управления и данных доступным ЕМП;
БПК выполнен с возможностью создания из информации, полученной от БАВ, единого виртуального процессора (ЕВП) и передачи информации о ЕВП в БОС;
БОС выполнен таким образом, что, получая информацию от БПК, видит только ЕВП, не имея никакой информации о том, какое устройство ЕМП в данное время подключено, сколько устройств ЕМП подключено, на каком удалении друг от друга они находятся и что в физическом смысле представляют.

2. Вычислительное устройство по п. 1, характеризующееся тем, что в случае ошибок или невыполнения команд, при выполнении проверки целостности данных, переданных другим БАВ и выполнения заданий, данный БАВ помечается как ненадежный и ставится на проверку, в этом случае на него не отсылаются рабочие данные, а отправляются тестовые пакеты данных, и если проверка проходит успешно, то он добавляется к доверенным рабочим процессорам, если нет, то процесс повторяется, но через больший промежуток времени.

3. Вычислительное устройство по п. 1, характеризующееся тем, что БАВ выполнен с возможностью постоянной проверки сети на доступность новых ЕМП для управления.

4. Вычислительное устройство по п. 1, характеризующееся тем, что каждый ЕМП подключен к общей плате, выполненной с линиями передачи данных, обеспечивающими передачу сигналов между ЕМП.

5. Вычислительное устройство по п. 4, характеризующееся тем, что каждый ЕМП подключен к общей плате посредством разъемного электрического соединителя.

6. Вычислительное устройство по п. 5, характеризующееся тем, что питание общей платы и питание на ЕМП осуществляют от отдельного блока питания.

7. Вычислительное устройство по п. 6, характеризующееся тем, что общая плата выполнена в виде тонкой полимерной пленки с токопроводящим слоем, на которой установлены разъемы для коммутации каждого ЕМП и разъемы для подключения блоков питания.

8. Вычислительное устройство по п. 7, характеризующееся тем, что общая плата выполнена с возможностью подключения с аналогичными общими платами для образования матрицы из n-го количества общих плат, на каждой из которых монтируется n-е количество ЕМП.

9. Вычислительное устройство по п. 5, характеризующееся тем, что каждый ЕМП представляет собой процессор и выполнен в виде системы на одном кристалле - System-On-Chip.

10. Вычислительное устройство по п. 9, характеризующееся тем, что каждый ЕМП выполнен с элементом охлаждения в виде тонкопленочного воздушного радиатора.

11. Вычислительное устройство по п. 1, характеризующееся тем, что БАВ состоит из микросхемы обеспечения питания и сбора электричества, малой антенны микросхемы обеспечения питания и сбора электричества, микросхемы системы определения физических устройств, системы датчиков и измерений, микросхемы связи LAN интерфейс, автономной малой сетевой операционной системы связи интеграции и взаимодействия и памяти EEPROM и оперативной памяти RAM для нее.

12. Вычислительное устройство по п. 1, характеризующееся тем, что БПК представляет собой стандартный интерфейс программирования приложений (СИПП) и имеет микропрограмму взаимодействия архитектуры системы команд цифровой логический уровень.

13. Вычислительное устройство по п. 1, характеризующееся тем, что БОС представляет собой операционную систему и состоит из интерфейса, функционально подобного UEFI, оперативной памяти RAM для операционной системы, памяти EEPROM для операционной системы, четырех одинаковых вычислительных кластеров, работающих независимо друг от друга, и синхронизатора кластеров.

14. Вычислительное устройство по п. 11, характеризующееся тем, что система датчиков и измерений содержит акселерометр, GPS/ГЛОНАСС, микрофон, датчик освещенности в виде видеокамеры, IR приемопередатчик, приближения, гироскоп, компас, барометр.

15. Вычислительное устройство по п. 13, характеризующееся тем, что вычислительный кластер состоит из восьми мультипроцессоров, состоящих из ординарных процессоров и контроллеров памяти, выполненных с возможностью парного подключения.

Images