WO2006045774A1 - Vorrichtung und verfahren zur modusumschaltung bei einem rechnersystem mit wenigstens zwei ausführungseinheiten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur modusumschaltung bei einem rechnersystem mit wenigstens zwei ausführungseinheiten Download PDF

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WO2006045774A1
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comparison
switching
unit
switch
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Reinhard Weiberle
Bernd Mueller
Yorck Collani
Rainer Gmehlich
Eberhard Boehl
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Robert Bosch Gmbh
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2201/00—Indexing scheme relating to error detection, to error correction, and to monitoring
    • G06F2201/845—Systems in which the redundancy can be transformed in increased performance

Definitions

  • Peripherals eg A / D converter, CAN interface. Since memory elements can be effectively monitored with check codes (parity or ECC), and peripherals are often monitored application specific as part of a sensor or actuator signal path, another redundancy approach is doubling the cores of a microcontroller alone.
  • Such microcontrollers with two integrated cores are also known as dual-core architectures. Both cores execute the same program segment redundantly and in isochronous mode (lockstep mode), the results of the two cores are compared, and an error is then detected in the comparison for consistency. This configuration of a dual-core system may be referred to as a compare mode.
  • Dual-core architectures are also used in other applications to increase performance, ie to increase performance. Both cores execute different programs, program segments, and instructions, which can improve performance, so this configuration of a dual-core system can be referred to as a performance mode. This system is also referred to as a symmetric multiprocessor system (SMP).
  • SMP symmetric multiprocessor system
  • SMP Multiprocessor System
  • a device for switching over in a computer system having at least two execution units wherein a changeover switch is provided which switches between at least two operating modes, a first operating mode being one
  • Comparison mode and a second operating mode corresponds to a performance mode wherein a comparator is further provided, which is activated in comparison mode, characterized in that means are provided for Umschaltoneerkennung detection means for Umschalttypicalerkennung control the switch to switch from one operating mode to another.
  • a device is used in which the means for switching request recognition and the switch in a component of the computer system, especially in a structural unit, are summarized.
  • a device in which the comparator and the changeover switch are combined in one component of the computer system, in particular in a structural unit.
  • a device in which the means for switching request recognition and the comparator are combined in one component of the computer system, in particular in a structural unit.
  • a device in which the comparator, the means for switching request recognition and the changeover switch are combined in one component of the computer system, in particular in a structural unit.
  • a device is used in which in the computer system data and
  • a method for switching in a computer system having at least two execution units, wherein at least two operating modes are switched over and a first operating mode corresponds to a comparison mode and a second operating mode corresponds to a performance mode, wherein in comparison mode a comparator is activated, characterized in that a switching request recognition and a through the
  • Umschaltkyerkennung controlled switch is provided to switch from one operating mode to another.
  • a method is used in which the means for switching request detection generate a switching signal, by means of which switching over is triggered by the changeover switch.
  • a method is used in which the comparator and the switch in a component of the computer system as a switching and comparison unit, - A -
  • FIG. 1 shows a multiprocessor system G60 with two execution units GlOa, GlOb a comparison unit G20, a switching unit G50 and a unit for Umschaltablyerkennung G40 shown.
  • FIG. 2 shows a multiprocessor system G60 with two execution units GlOa, GlOb of a combined comparison and switching unit G70 comprising a comparison unit G20 and a switching unit G50 and a unit for switching request recognition G40.
  • FIG. 3 shows a multiprocessor system G60 with two execution units GlOa, GlOb of a combined switchover request recognition, comparison and switchover unit G80 consisting of a comparison unit G20 and a switchover unit G50 and a unit for switchover request recognition G40.
  • FIG. 4 shows a multiprocessor system G200 with two execution units G210a, G210b of a switching and comparison unit G260.
  • FIG. 5 shows in a flow chart a method which, within a specific pipeline stage G230a, G230b, exchanges a special undefined bit combination with a NOP or other neutral bit combination.
  • FIG. 6 shows a multiprocessor system H200 with two execution units H210a, H210b and a switching and comparison unit H260.
  • FIG. 7 shows in a flow chart a method which shows how, with the aid of the unit ID, the program flow can be separated when changing from a comparison mode to a performance mode in a multiprocessor system with 2 execution units.
  • FIG. 8 shows a possible method of how, with the aid of the unit ID, the program flow can be separated when changing from a comparison mode to a performance mode in a multiprocessor system having three execution units.
  • FIG. 9 shows in a flow chart a method which synchronizes the execution units when switching from the performance mode to the comparison mode.
  • FIG. 10 shows a state machine which represents the switching between a performance and a comparison mode.
  • FIG. 11 shows a multiprocessor system G400 with two execution units and two interrupt controllers G420a, G420b, including interrupt masking registers G430a, G430b and various interrupt sources G440a to G440n.
  • FIG. 12 shows a multiprocessor system with two execution units, a switching and comparison unit and an interrupt controller with three register sets.
  • FIG. 13 shows the simplest form of a comparator.
  • Figure 14 shows a comparator with a unit to compensate for a phase offset.
  • FIG. 15 describes the basic behavior of the preferred component M700 (switching and comparison unit) in the comparison mode.
  • FIG. 17 shows an embodiment of the switching and comparison unit.
  • FIG. 18 shows a further embodiment of the switching and comparison unit.
  • a switching and comparing unit which generates a mode signal is shown.
  • FIG. 20 shows a general representation of a switching and comparison unit.
  • Figure 21 shows a general representation of a switching and comparing unit which generates a general mode and a general error signal.
  • FIG. 22 shows the question of response communication with an external unit.
  • FIG. 23 shows the communication with an intelligent actuator.
  • execution unit can in the following both a processor, a core, a CPU, as well as an FPU (Floating Point Unit), a DSP (Digital Signal Processor), a coprocessor or a
  • ALU Arimetic logical Unit
  • FIG. 1 shows a multiprocessor system G60 with two execution units GlOa, GlOb of a comparison unit G20, a switching unit G50 and a unit for
  • the invention relates to a multiprocessor system G60 shown in Figure 1, Figure 2, Figure 3 with at least two execution units GlOa, GlOb, a comparison unit G20, a switching unit G50 and a unit for Umschaltablyerkennung G40.
  • Switching unit G50 has at least two outputs to at least two system interfaces G30a, G30b. Registers, memories or peripherals such as digital outputs, D / A converters and communication controllers can be controlled via these interfaces.
  • This multiprocessor system can be operated in at least two modes of operation, a compare mode (VM) and a performance mode (PM).
  • VM compare mode
  • PM performance mode
  • each execution unit GlOa, GlOb is connected to a system interface G30a, G30b.
  • the execution unit GlOa is connected to the system interface G30a and the execution unit GlOb is connected to the system interface G30b.
  • Measures can trigger an error signal, initiate error handling, actuate switches or be a combination of these and other conceivable measures.
  • the switching unit G50 is configured in a variation such that only one signal is connected to the system interfaces G30a, G30b. In another configuration, the switching unit only causes the compared and thus the same signals to the
  • the switchover request detection G40 detects a switchover to another mode, regardless of the currently active mode.
  • FIG. 2 shows a multiprocessor system G60 with two execution units GlOa, GlOb of a combined comparison and switching unit G70 comprising a comparison unit G20 and a switching unit G50 and a unit for switching request recognition G40.
  • the switching unit G50 and the comparison unit G20 can be combined to form a common switching and comparison unit (UVE) G70, as shown in FIG.
  • This common component G70 then takes over the tasks of the individual components G50, G20.
  • FIG. 15 FIG. 16, FIG. 17, FIG. 18 and FIG. 19, variant embodiments of UVE G70 are shown.
  • the unit for switching request recognition G40, the comparator G20 and the switching unit G50 can be combined in a common component G80.
  • the Umschaltorkennung G40 and the comparator G20 can be combined in a common component.
  • a summary Umschalttiererkennung G40 with the switch G50 in a common component is also conceivable.
  • n signals N 140,..., N14n go to the switching and comparison component N100. This can generate up to n output signals N160, ..., N16n from these input signals.
  • the "pure performance mode" all signals N14i are directed to the corresponding output signals N16i
  • the switching logic Nl 10 first determines how many output signals there are. It also determines which of the input signals contribute to which of the output signals. An input signal can contribute to exactly one output signal. Formulated in a different mathematical form is thus by the
  • Switching logic defines a function that assigns to each element of the set ⁇ N140, ..., N14n ⁇ an element of the set ⁇ N160, ..., N16n ⁇ .
  • the processing logic N120 determines to each of the outputs N16i how the inputs contribute to that output signal. Again, this component does not have to be your own
  • a first possibility is to compare all signals and to detect an error in the presence of at least two different values, which can be optionally signaled.
  • a second possibility is to make a k out of m selection (k> m / 2). This can be realized by using comparators.
  • a k out of m selection k> m / 2.
  • Error signal are generated when one of the signals is detected as different.
  • a possibly different error signal can be generated if all three signals are different.
  • a third option is to apply these values to an algorithm. This may be, for example, the formation of an average, a median, or the use of a Fault Tolerant Algorithm (FTA).
  • FTA Fault Tolerant Algorithm
  • Such an FTA is based on eliminating extreme values of the input values and performing a kind of averaging over the remaining values. This averaging can be done over the entire set of remaining values or preferably over a subset that is easy to form in HW. In this case, it is not always necessary to actually compare the values.
  • FTA Fault Tolerant Algorithm
  • an error signal can optionally also be output at sufficiently large extreme values.
  • the task of the processing logic is thus to determine the exact shape of the comparison operation for each output signal - and thus also for the associated input signals.
  • Function value is the mode information and this sets the mode.
  • this information is multivalued, ie not representable only via a logical bit. Not all the theoretically conceivable modes are useful in a given implementation, it is preferable to restrict the number of modes allowed. It should be emphasized that in the case of only two execution units, where there is only one compare mode, all information can be condensed to only one logical bit.
  • Switching from a performance mode to a comparison mode is characterized in the general case by the fact that execution units, which are mapped to different outputs in the performance mode, are mapped to the same output in the compare mode.
  • this is realized in that there is a subsystem of execution units in which in the performance mode all input signals N14i to be considered in the subsystem are switched directly to corresponding output signals N16i, while in the comparison mode they are all mapped to one output.
  • switching can also be realized by changing pairings. It is thus explained that in the general case one can not speak of the one performance mode and the one comparison mode, although in a given form of the invention one can limit the set of allowed modes such that this is the case. However, one can always speak of switching from a performance mode to a comparison mode (and vice versa).
  • the switching is triggered either by the execution of special switching instructions, special instruction sequences, explicitly marked instructions or by the access to specific addresses by at least one of the execution units of the multiprocessor system.
  • Fault logic N 130 collects the error signals generated by the comparators, for example, and optionally can passively turn outputs N16i off, for example, via a switch.
  • the switching between the modes can be coded by various methods.
  • special switching commands are to be used, which are detected by the switching request recognition unit G40.
  • Another possible method for coding the switching is defined by the access to a special memory area which again detects the unit for switching request recognition G40.
  • Another method evaluates in the unit for switching request recognition G40 an external signal, the one Changeover signaled, off.
  • the following describes a method that uses unused bit combinations in the existing instruction set of the processor.
  • the particular advantage of this method is that existing development environments (assembler, compiler, linker, debugger) can continue to be used.
  • FIG. 4 shows a multiprocessor system G200 with two execution units G210a, G210b and a switching and comparison unit G260.
  • undefined bit combinations of the at least two execution units G210a, G210b are used in the assembler. As undefined or undefined bit combinations in this sense are all
  • bit combinations that are specified in the description of the instruction set as undefined or illegal. These are e.g. Illegal Operand, Illegal Instruction, Illegal Operation.
  • the general characteristic of these undefined bit combinations is that a normal execution unit when executing such a bit combination either generates an error signal or exhibits an undefined behavior. So these bit combinations are not needed to represent the semantics of an ordinary program.
  • the previous development environment can be used, as it exists for single-processor systems. This can be realized, for example, by defining a macro "SWITCH MODE TO PM" and a macro "SWITCH MODE TO VM” which inserts appropriate undefined bit combinations at the appropriate place in the code in the sense defined above.
  • SWITCH switch to the other depending on the current mode.
  • the switchover request is not defined by a command set
  • Encoded bit combination may not be processed in the usual way within an execution unit G210a, G210b.
  • an additional pipeline stage (REPLACE stage) G230a, G230b is proposed, which recognizes the corresponding bit combinations and replaces them for further processing by neutral bit combinations.
  • this is done using the "NOP" (No Operation) command, which is characterized by the fact that it does not change the internal state of the execution unit, except for the intruction pointer, the REPLACE stage G230a, G230b being after the usually first stage , the FETCH stage G220a G220b and before the rest
  • the implementation shown here of a unit for switching request recognition G40 as a special pipeline stage G230a, G230b in a pipeline unit G215a, G215b generates additional signals G250a, G250b if a corresponding bit combination for switching has been detected which signals a separate switching unit and comparison unit G260 in that a change of the processing mode is to be carried out.
  • the REP stages G230a, G230b are preferably arranged between the FET G220a, G220b and the remaining pipeline stages G240a, G240b in the pipeline units G215a, G215b of the execution units G210a, G210b.
  • the REP stages G230a, G230b recognize the corresponding bit combinations and, in this case, forward NOP instructions to the remaining stages G240a, G240b.
  • the respective signal G250a or O G250b is activated.
  • the REP stages G230a, G230b behave neutrally, i. all other commands are passed on unchanged to the remaining stages G240a, G240b.
  • FIG. 5 shows in a flowchart a method which, within a special pipeline stage G230a, G230b, has a special undefined bit combination with a
  • step G330 provides the functionality a REPLACE stage according to the invention G230a, G230b, which may also contain other functionality.
  • FIG. 6 shows a multiprocessor system H200 with two execution units H210a, H210b and a switching and comparison unit H260.
  • H240a, H240b have the same meaning as G220a, G220b, G240a, G240b.
  • this has, in addition to the signals H250a, H250b, which signal a changeover, further signals. So that the execution units H210a, H210b can be synchronized when switching from the performance mode to the comparison mode, the pipeline units H215a, H215b of the execution units H210a, H210b each have a signal input H280a, H280b, with which the processing can be stopped. This signal is set by the switching and comparison unit H260 for the pipeline unit H215a or H215b which first detected a switchover command and thus activated the signal H250a or GH50b. Only when both pipeline units H215a,
  • H215b of the execution units H210a, H210b have recognized the switchover command and have synchronized their internal states by software or other hardware measures, this signal H280a, H280b is canceled again.
  • the H280a, H280b are not needed because no synchronization is necessary.
  • each execution unit can determine its individual number or unit ID.
  • ID unit a unit or method by which each execution unit can determine its individual number or unit ID.
  • one execution unit can determine the number 0 for itself and the other the number 1.
  • the numbers are assigned or determined accordingly.
  • This ID does not distinguish between a comparison mode and a performance mode, but uniquely identifies an execution unit.
  • the ID unit may be included in the respective execution units, for example implemented as a bit or bit combination in the processor status register or as its own
  • the comparison unit is no longer active, but the execution units still execute the same instructions. This is because the instruction pointers that mark the location in the program where an execution work is currently working or is currently working in the next step are not affected by the switchover. So that the execution units can subsequently execute different software modules, the program sequence of the execution units must be separated. Therefore, the instruction pointers in performance mode usually have different values, since according to the invention independent instructions, program segments or programs are processed.
  • the separation of the program flows is done in the proposal described here by determining the respective execution unit number. Depending on which ID has an execution unit, the execution unit executes a specific software module. Since each execution unit has an individual number or ID, the program flow of the participating execution units can thereby be reliably separated.
  • FIG. 7 shows in a flow chart a method which shows how, with the aid of the unit ID, the program flow can be separated when changing from a comparison mode to a performance mode in a multiprocessor system with 2 execution units.
  • Performance mode G500 the units ID or execution unit number G510 is queried by both execution units.
  • the execution unit 0 receives the execution unit number 0, the execution unit 1 the execution unit number 1.
  • G510 a comparison of the determined execution unit number with the number 0 takes place. If these are the same, moves in step
  • FIG. 8 describes a possible method for 3 execution units. After performing the switchover from a compare mode to a performance mode H500, the units ID or execution unit number H510 is queried by the execution units. According to the invention, for example, the execution unit 0, the execution unit number 0 received, the execution unit 1 the
  • Execution unit number 1 and execution unit 2 the execution unit number 2.
  • the determined execution unit number is compared with the number 0. If these are the same, in step H520 the execution unit for which this comparison was successful moves with the code for execution unit 0 continued. The execution units for which this comparison was unsuccessful continue to compare with # 1 in H530. In the execution unit for which this comparison is successful, the code for execution unit 1 in H540 is continued. The execution units for which this comparison was unsuccessful continue to compare with number 2 in H535. The execution unit for which this comparison succeeds continues with the execution unit 2 code in H536. If this comparison was unsuccessful, an execution unit number not equal to 0.1 and 2 was determined for the corresponding execution unit. This is an error and H550 will continue. Alternatively to the comparison with a number, the determined execution unit number can also be used directly as an index in a jump table.
  • this method can also be used for multiprocessor systems with more than 3 execution units.
  • FIG. 9 shows in a flow chart a method which synchronizes the execution units when switching from a performance mode to a comparison mode.
  • Step G600 preferably all interrupts are disabled. This is not only important because the interrupt controllers for the compare mode must be reprogrammed accordingly. Software should also be used to adjust the internal status of the execution units. However, if an interrupt is triggered during the preparation for switching to the comparison mode, then an adjustment is no longer possible without further effort.
  • Step G610 If the two execution units have separate caches, the contents of the caches must also be adjusted before the switchover in order to prevent a cache hit in the comparison mode for an address for the one execution unit and a cache miss for another execution unit occurs. If this is not done independently by the cache hardware, this can be done by marking all cachelines as invalid, for example. It must wait until the cache (or caches) are completely invalid. If necessary, this should be ensured by a waiting loop in the program code. This can also be achieved by other means, it is crucial that after this step, the caches are in the same state.
  • step G620 the write buffers of the execution units are emptied so that after the switch no activities of the execution units still originating from the performance mode take place.
  • step G630 the state of the pipeline stages of the execution units is synchronized. For this purpose, for example, one executes an appropriate number of NOP (No Operation) instructions before the switching sequence / switching command.
  • NOP No Operation
  • the number of NOP instructions depends on the number of pipeline stages and is thus dependent on the respective architecture. Which instruction is suitable as a NOP instruction is also architecture-dependent. Own the
  • Execution units have an instruction cache, ensuring that this instruction sequence is aligned with the boundaries of a cacheline (alignment). Since the instruction cache has been marked as invalid prior to the execution of these NOPs, these NOPs must first be cached. Starts this command sequence on a Cacheline limit, the data transfer from the memory (eg RAM / ROM / Flash) to the cache is completed before the switch command occurs. Again, this must be taken into account when determining the necessary number of NOPs.
  • the memory eg RAM / ROM / Flash
  • step G640 the command step for switching to the comparison mode is actually performed.
  • step G650 the contents of the respective register files of each execution unit are equalized.
  • the registers are to be loaded with identical contents before or after the changeover. It is important that after switching the contents of a register in the
  • Execution units is identical before the register contents are transferred to external and thus compared by the comparison unit.
  • step G660 the interrupt controllers are reprogrammed so that an external interrupt signal triggers the same interrupt on all the interconnected execution units.
  • step G670 the interrupts are released again.
  • the participating execution units must be informed about the intended switchover.
  • the interrupt controllers belonging to the respective execution units e.g. initiated by SW an interrupt.
  • the interrupt handling then causes execution of the interconnect sequence described above.
  • FIG. 10 shows a state machine which represents the switching between a performance and a comparison mode (and vice versa).
  • Undefined event that is able to trigger a reset always starts to work in state G700.
  • Examples of events that can trigger a reset are external signals, problems with the power supply, or internal error events that make it unnecessary to continue working.
  • the state G700 of the shift and Comparison unit G70 and also of the multiprocessor system G60, in which work is performed in the performance mode, is thus the default state of the system. In all cases in which an otherwise undefined state would be assumed, the default state G700 is assumed. This default position of state G700 is ensured by hardware measures. For example, the system state or the state of the switching and comparison unit
  • G60 in a register, in a bit of a register, by a bit combination in a register or by a flip-flop, coded.
  • the state G700 is always assumed after a reset or power on. This is ensured by, e.g. the reset signal or the "Power On” signal is routed to the reset input or the set input of the flip-flop or the register.
  • state G700 the system operates in a performance mode.
  • the execution units GlOa, GlOb work with different commands, programs or program pieces.
  • a Umschaltfix can be recognized, for example, that a
  • Execution unit GlOa, GlOb fills in a special switchover command.
  • Other possibilities include detection by accessing a specific memory address, by an internal signal or by an external signal.
  • the multiprocessor system G60 and therefore also the switchover and comparison unit G70 remain in state G700.
  • the Umschalt the recognition of a
  • Switching condition which is marked as a changeover is marked in this particular system.
  • the remaining in the state G700 is represented by the transition G810. If a changeover request is recognized by the execution unit GlOa, then the changeover and comparison unit G70 is transferred to the state G710 via the transition G820.
  • the state G710 thus designates the situation that the execution unit GlOa has detected a switchover request and waits until the execution unit GlOb also recognizes a switchover request. As long as this is not the case, the switching and comparison unit G70 remains in state G710, which is represented by the transition G830.
  • the transition G840 takes place when in the state G710 the execution unit GlOb also recognizes a switchover request.
  • the switching and comparison unit G70 thus assumes the state G730.
  • state G730 the synchronization processes take place with which the two execution units GlOa, GlOb synchronized with each other to then operate in comparison mode. During this process, the switching and comparison unit G70 remains in state G730, which is represented by the transition G890.
  • the transition is made to the state G720 via the transition G860.
  • the state G720 thus designates the situation that the execution unit GlOb has recognized a switchover request and waits until the execution unit GlOa likewise recognizes a switchover request.
  • the switching and comparison unit G70 remains in state G720, which is represented by the transition G870.
  • the transition G880 takes place when in the state G720 the execution unit GlO a also recognizes a switchover request.
  • the switching and comparison unit thus assumes the state G730. If, in state G700, both execution units GlOa, GlOb simultaneously recognize a switchover request, transition is made immediately to state G730. This case represents the transition G850.
  • the switch and compare unit G70 is in state G730, both have
  • Execution units GlOa, GlOb recognized a switchover request.
  • the internal states of the execution units GlOa, GlOb are synchronized to operate in comparison mode after completion of these synchronization operations.
  • transition G900 takes place. This transition indicates the end of synchronization.
  • execution units GlOa, GlOb operate in compare mode.
  • the completion of the synchronization work can be signaled by the execution units GlOa, GlOb itself.
  • transition G900 occurs when both execution units GlOa, GlOb have signaled that they are ready to operate in compare mode.
  • the termination can also be signaled for a set time. This means that in the switching and comparison unit
  • G70 is hard-coded for how long it remains in state G730. This time is set so that certainly both execution units GlOa, GlOb have finished their synchronization work. After this time the transition G900 is initiated.
  • the switching and comparison unit G70 can monitor the states of the execution units GlOa, GlOb and recognize themselves when both execution units GlOa, GlOb have finished their synchronization work. After detection, transition G900 is then initiated. As long as no switch request is detected, the multiprocessor system G60 remains in compare mode, represented by transition G910. If a changeover request is detected in state G740, the changeover and comparison unit is set to state G700 via transition G920. As already described, the system operates in state G700 in the performance mode. The separation of the program flows at the transition from the state
  • G740 in the state G700 can then be carried out as described in the method.
  • FIG. 11 shows a multiprocessor system G400 with two execution units G410a, G410b and two interrupt controllers G420a, G420b including interrupt masking registers G430a, G430b contained therein and various interrupt sources G440a to G440n. Also shown is a switch and compare unit G450 having a special interrupt mask register G460.
  • each execution unit G410a, G410b has its own interrupt controller G420a, G420b in order to simultaneously handle two interrupts in the performance mode.
  • the interrupt sources G440a to G440n are advantageously connected in the same way to both interrupt controllers G420a, G420b in each case. This type of connection causes the same interrupt to be triggered on both execution units G410a, G410b without further measures. In the performance mode, the interrupt
  • Controller G420a, G420b programmed so that the respective interrupt sources G440a to G440n on the various execution units G410a, G410b are divided appropriately depending on the application. This is done by means of a suitable programming of the interrupt masking registers G430a, G430b.
  • the mask registers provide one bit in the register for each interrupt source G440a through G440n. If this bit is set, the
  • Interrupt disabled so it is not forwarded to the connected execution unit G410a, G410b.
  • a given interrupt source G440a to G440n is processed by exactly one execution unit G410a or G410b.
  • this is true for at least some of the interrupt sources. It can thus be achieved that several interrupt sources G440a to G440n can be processed simultaneously without an interrupt nesting (an interrupt processing is interrupted by a second interrupt) or interrupt pending (the processing of the second is postponed until the processing of the first is ended is) takes place.
  • G430b are identical. This synchronization is described in FIG. 9 in step G660. This synchronization can be done by software by programming both interrupt masking registers G430a, G430b with the same value accordingly. It is proposed to use a special register G460 to speed up the switching process. In one embodiment, this register G460 is in the
  • Switching and comparison unit G460 arranged, but it can also be included in the Umschaltyerkennung G40, in a combined Umschalt mechanismerkennung, in the comparator, in the switching unit G80, as well as in all combinations. It is also conceivable that this register is arranged outside of these three components at another suitable location. Register G460 contains the interrupt masking that is in the
  • the switching and comparison unit G450 receives from the switching request recognition G40 a signal for switching from a performance to a comparison mode. After the interrupts can be disabled in step G600, the interrupt mask registers G430a, G430b of the interrupt controllers G420a, G420b are reprogrammed. This will now be done by hardware from the switchover and compare unit
  • G450 is performed in parallel to the other synchronization steps after the switchover signal has been received and the interrupt controllers G420a, G420b have been disabled.
  • the interrupt masking registers G430a, G430b in the compare mode are not individually reprogrammed, but always the central register G460. This is then transmitted synchronously by hardware to the two interrupt masking registers G430a, G430b.
  • interrupt mask register may be similarly applied to all interrupt status registers located in an interrupt controller.
  • a different storage medium instead of a register G460, from which the interrupt masking registers G430a, G430b can be transferred as quickly as possible.
  • FIG. 12 shows a multiprocessor system GlOOO with two execution units GlOlOa, GlOlOb, a switching and comparison unit G 1020, as well as a Interrupt controller G1030 with three different register sets G1 (HOa, G1040b, G1050) is proposed as an alternative to the above-described solution, as shown in Figure 12.
  • This is used in a multiprocessor system GlOOO, which in the example has two execution units Gl010a , GlOlOb, as well as a switching and comparison unit G 1020, which between a
  • Comparative and a performance mode can switch is shown.
  • the register sets G 1040a, G 1040b are used.
  • the interrupt controller G1030 operates as well as two interrupt controllers G420a, G420b. This behavior is shown and described in FIG.
  • the register set G 1040a is assigned to the execution unit G 1010a and the register set G 1040b to the
  • the interrupt sources G 1060a to G 106On are appropriately distributed by masking to the execution units GlOlOa, GlOlOb.
  • the switch and compare unit G1020 When switching from a performance mode to a compare mode, the switch and compare unit G1020 generates a signal G1070. This signal to the interrupt controller G1030 that is switched to the comparison mode or that the system from this time in
  • Comparison mode works.
  • the interrupt controller G1030 then uses the register set G1050. This ensures that the same interrupt signals are generated at both execution units GlOlOa, GlOlOb.
  • the register sets G1040a, G1040b are switched over again.
  • protection of the corresponding register sets can thus also be achieved by only permitting writing to the register sets G1040a, G1040b in the performance mode, and writing to the register set G1050, which is reserved for the comparison mode, being inhibited by hardware. The same thing is possible in the other direction, that in comparison mode only writing to the register file
  • G1050 is permitted and a write to the register sets G1040a, G1040b is prevented.
  • FIG. 13 shows the simplest form of a comparator M500, G20.
  • An essential component in a multiprocessor system G60 having at least two execution units GlOa, GlOb with a switchover between a performance mode and a
  • Comparison mode is the comparator M500.
  • the comparison component M500 can receive two input signals M510 and M511. It then compares these to equality, in the context presented here, preferably in the sense of a bit-wise equality. In the case of equality, the value of Input signal M510, M511 is applied to the output signal M520 and the error signal M530 becomes inactive, ie it signals the "good" state If it detects inequality, the error signal M530 is activated and the signal M520 can then optionally be deactivated Advantage that the error does not come out of the corresponding system ("fault containment"). That is, other components that are outside the execution units are not corrupted by the potentially erroneous signal. However, there are systems where the M520 signal does not need to be disabled. This is the case, for example, if only system-level fail-silence is required. Then the error signal can be led to external, for example.
  • the component M500 can be executed as a so-called TSC component (totally seif checking).
  • the error signal M530 is routed to at least two lines ("dual rail") to the outside, and it is ensured by internal design and fault detection measures that in every possible error case the
  • Comparison component of this signal is correct or recognizable incorrect.
  • a dual rail signal provides a binary signal over two lines, preferably so that the two lines are inverted to each other in the error-free case.
  • a preferred variant in the use of the system according to the invention is to use such a TSC comparator.
  • a second class of embodiments may be distinguished as to what degree of synchronicity the two inputs M510, M511 (or M610, M611) must have.
  • One possible embodiment is characterized by intermittent synchronicity, i. the comparison of the data can be done in one cycle.
  • phase offset is useful to avoid common cause errors, i. such error causes that can affect several processing units simultaneously and similarly.
  • FIG. 14 therefore describes another embodiment.
  • the components and signals M600, M610, M611, M620, M630 in have the same meaning as the corresponding ones Components and signals M500, M510, M511, M520, M530 from FIG. 13.
  • component M640 is therefore inserted beyond these components, which delays the earlier input by the phase offset.
  • this delay element is accommodated in the comparator to use it only in the comparison mode.
  • intermediate buffers M650, M651 can be placed in the input chain in order to be able to tolerate asynchronisms which are not pure clock or phase offsets.
  • These intermediate buffers are preferably designed as FIFO memories (first-in, first out). Such a memory has an input and an output and can store several memory words.
  • An incoming memory word is shifted in its place upon arrival of a new memory word. After the last digit (the depth of the buffer) it is shifted "out of memory.” If such a buffer is present, it can also tolerate asynchronisms up to the maximum depth of the buffer, in which case an error signal must be output even if the buffer overflows.
  • comparator embodiments can be distinguished according to how the signal
  • M520 (or M620) is generated.
  • a preferred embodiment is to put the input signals M510, M511 (or M610, M611) on the output and to make the connection interruptible by switches.
  • the particular advantage of this embodiment is that the same switches can be used to switch between the performance mode and possible different comparison modes.
  • the signals can also be generated from internal comparator buffers.
  • a final class of embodiments may be distinguished as to how many inputs are present on the comparator and how the comparator should react. With three inputs, a majority voting, a comparison of all three or a comparison of only two signals can be made. With four or more inputs, correspondingly more embodiments are conceivable. A detailed description of the possible embodiments is included in the description of FIG.
  • the exact choice of embodiments is preferably to be coupled with the various operating modes of the overall system. That is, if there are several different performance or comparison modes, then these are preferably coupled to the corresponding mode of the comparator.
  • a comparator for the sake of simplicity.
  • you can lead to the comparator a signal with which it is activated or deactivated. For this purpose, an additional logic is inserted in the comparator, which can do this.
  • Another possibility is to provide the comparator with no comparative data.
  • a third option is to ignore the error signal of the comparator at system level. Next you can also interrupt the error signal itself. All options have in common that it does not matter in the system that two or more potentially compared data are different. If so, the comparator is considered passive or disabled.
  • a preferred variant of the implementation is therefore to combine these two parts in one component.
  • This is a component with at least the input signals (output execution unit 1, output execution unit 2), at least the output signals (Output 1, Output 2), a logic output signal "Output total” (can physically match Output 1 or Output 2) and a comparator
  • the component has the ability to switch the mode, to pass all signals in the performance mode, and to compare several signals in a comparison mode and if necessary to pass one in.
  • further input and output signals are advantageous: an error signal for signaling a detected error, a mode signal to signal the mode in which this component is located and control signals to and from the component.
  • the two or more execution units in the performance mode are connected as a master to a processor-internal bus.
  • the comparison unit is deactivated or the error signal which is generated in the case of a different behavior of the execution units in one of the possible comparison modes masked. This means that the switching and comparison unit is transparent to the software.
  • the physical execution units to be compared are treated as a logical execution unit on the bus, ie only one master occurs on the bus.
  • the error signal of the comparator is activated.
  • the switching and comparison unit separates all but one execution unit via switches from the processor-internal bus, duplicates the inputs of the one logical execution unit and makes them available to all execution units involved in the comparison mode. When writing to the bus, the outputs in the compare unit are compared, and if equal, this data is written over the one available access to the bus.
  • FIG. 15 and FIG. 16 describe the basic behavior of the preferred component M700 (switching and comparison unit, corresponds to G70). For the sake of simplicity, this figure is drawn only for two execution units.
  • FIG. 15 shows the status of the component in the comparison mode, FIG. 16 in the performance mode.
  • the various switch positions in these modes are implemented by M700 through the M760 control.
  • the two execution units M730, M731 can first write in the performance mode on the data and address bus M710 when the switches M750 and M751 are closed, as shown in FIG. It is assumed that possible write conflicts will be resolved either via the bus protocol or through other, not drawn components. In comparison mode, the behavior is different, at least from a logical point of view. As shown in FIG. 15, the switches M750, M751 are then opened and thus the direct access possibilities are interrupted. In contrast to FIG. 16, however, the switches M752, M753 are then closed in FIG. The signals M740, M741 of the execution units M730, M731 are passed to the comparison component M720. This is at least as constructed as drawn in Figure 13, but it can also extensions, as shown in Figure 14, include.
  • FIG. 17 shows a variant of the switching and comparison unit. Even for a simple system with only two execution units GlOa, GlOb, there are many variants of the implementation of a switching and comparison unit. Another, which is particularly advantageous when no buffers are to be used in the comparator, is shown in FIG. As in FIG. 15, FIG. 16, there are the signals M840, M841 of the execution units. The latter are in this
  • mode logic M810 which specifies the mode of the component.
  • the performance mode closes the switch M831, in comparison mode it opens it.
  • the mode signal to the comparator M820.
  • the switch In the performance mode the switch is always closed, in comparison mode always when there is no error. Of course, even if an error has been detected, the switch will remain open until a corresponding reset occurs.
  • FIG. 18 shows a further embodiment of the switching and comparison unit.
  • the M910 mode logic can still communicate the mode to the M920 comparator.
  • the switch M930 In the comparison mode, the switch M930 is closed in error-free case. In the event of an error, the comparison component M920 interrupts the forwarding of the signal M940 to the bus by opening the switch M930.
  • a preferred implementation of this component is thus characterized in that there are several processing units that can write output signals to the bus (eg address / data bus). It is essential that the component can process at least two of the output signals of the execution units (eg compare, but possibly also vote or sort) and that the component can influence at least one switch with which at least one of the direct bus accesses is interrupted. This is especially useful if the execution units are machine cores. Furthermore, it is advantageous if the state of the influenceable switch characterizes the operating mode of the arithmetic unit.
  • the system properties are then implemented particularly well if the component can apply a signal to the address data bus.
  • this is a through connection of one of the output signals of one of the execution units.
  • this may arise from the processing of various output signals of the various execution units.
  • this signal can also be led out of the component and made available to other parts of the system.
  • N161, N162, N163, N16n have the same meaning as in Fig. 20.
  • the mode signal N150 and the error signal N170 are drawn in this figure.
  • the optional error signal is generated by fault circuit logic N130, which collects the error signals, and is either a direct forwarding of the single error signals or a bundling of the error information contained therein.
  • the mode signal Nl 50 is optional, but its use outside of this component can be beneficial in many places.
  • the combination of the information of the switching logic NI10 (ie the function described in the description of Figure 20) and the processing logic (ie the determination of the comparison operation per output signal, ie per function value) is the mode information and this sets the mode firmly.
  • the mode signal brings the relevant mode information to the outside.
  • An HW implementation is preferably shown so that the externally visible mode signal can be configured.
  • the processing logic and circuitry are also configured to be configurable.
  • these configurations are coordinated.
  • this mode signal is protected.
  • An implementation in the two-system is illustrated in Figure 19, for example, based on the implementation illustrated in Figure 17.
  • the signal M850 is led out of the switching and comparison unit.
  • this information can be represented logically over one bit.
  • a hedge can then preferably be displayed via a dual-rail signal.
  • the signal can also be protected by a doubling, which is optionally inverted.
  • one can also generate a parity, which is preferably internally generated intrinsically safe, or use a CRC (cyclic redundancy check) or ECC (error correcting code).
  • the mode signal can be used outside the component. Initially, it can be used to self-monitor the operating system. This is responsible for switching from the software point of view and should always know which mode the system is in and bring the system into this mode as well. A check of this signal can thus be used for protection. This can initially happen directly. Alternatively, it is also possible to make plausible a request to the operating system with this signal via timers or other "independent" units.
  • this signal can optionally also be used in other data sinks of a ⁇ C (or more general arithmetic unit).
  • a memory protection unit MPU
  • MPU memory protection unit
  • An MPU is a unit that can ensure that only permitted accesses are made to the data / address bus, for example by giving certain program sections access to specific address spaces in derogation.
  • An essential further purpose is the evaluation of the mode signal outside of the arithmetic unit.
  • a direct application is the evaluation in a decrementing
  • Watchdog Such a “watchdog” consists of at least one (counter) register, which can be set by the microprocessor to an integer value After setting this register, the “watchdog” automatically decrements the value of the register with a fixed period , If the value of the register is zero, or if an overflow occurs, the watch dog generates an error signal
  • Reset the value of the register in good time This can be used to check (within limits) whether the microprocessor is executing the software correctly. If the microprocessor no longer executes the software correctly, it is assumed that in this case the "watchdog” is no longer correctly operated and thus an error signal is generated by the "watchdog". The integrity of the hardware and data structures can be reliably verified in a compare mode, but it must be ensured that the microprocessor regularly returns to this. The task of the "watchdog” described here is therefore not only to generate an error signal if it is no longer reset within a defined period, but also if the microprocessor within a defined
  • Period does not return to the defined comparison mode.
  • the "watchdog” can only be reset if the signal mode indicates the defined comparison mode of the arithmetic unit, thus ensuring that the arithmetic unit periodically switches back to this mode.
  • the value in the register of the "watchdog" decrements only when certain interrupts at
  • Microprocessor be triggered.
  • the external interrupt signals of the ⁇ C must also be coupled to the watchdog.
  • the watchdog stores which interrupts switch the ⁇ C to the defined comparison mode.
  • the watchdog is "pulled up” as soon as such an interrupt comes, it is reset by the presence of the correct mode signal.
  • Switch As described above, one may also be interested in having a special mode regularly accepted. Such a method is always particularly advantageous when the mode signal itself is intrinsically safe.
  • One possibility is to pass the mode signal to an ASIC or another ⁇ C. This can at least check the following points via timers and simple logic using this signal:
  • N300 is a computational unit that can send such a mode signal. This may be, for example, a ⁇ C with multiple execution units and another component that can generate this mode signal. For example, this other component may be realized as in FIG. 19 or FIG. N300 gives this signal N310 to the
  • N330 e.g., other computational unit, other ⁇ C or ASIC. This can ask about the N320 signal to N300 questions which N300 has to answer via N321. Such a question may be a computational task whose correct result is to be delivered via N321 from N300 within a defined time interval. N330 can check the correctness of this result independently of N300. For example, the results are stored in N330 or
  • N330 can calculate it yourself. If an incorrect value is detected, an error is detected.
  • the special feature of the proposed question-answer communication is that a parallel to the response, the mode signal is observed.
  • the questions are to be asked so that to answer by N300, they must adopt certain modes. This can be reliably verified that all mode changes are functional, and that provided in the program flow mode changes are also performed. Especially when initializing a system, but also during operation, this can serve as an essential component of a security concept.
  • Actuator control In many applications in the automotive sector today is a trend towards so-called intelligent actuators. These are actuators with a minimum amount of electronics that is sufficient to receive an actuator control command, and then control the actuator so that this command is then executed.
  • An arithmetic unit N400 which has the invention, sends an actuating command via the connection N420 to an (intelligent) actuator or an actuator control N430. In parallel, it sends the mode signal to this actuator via the N410 connection.
  • Actuator N430 uses the mode signal to check if the Control is enabled and optionally returns an error status via signal N440. If the drive is faulty, it assumes the non-critical fail-silence state in the system.

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Umschaltung bei einem Rechnersystem mit wenigstens zwei Ausführungseinheiten, wobei ein Umschalter vorgesehen ist, der zwischen wenigstens zwei Betriebsmodi umschaltet, wobei ein erster Betriebsmodus einem Vergleichsmodus und ein zweiter Betriebsmodus einem Performanzmodus entspricht wobei weiterhin ein Vergleicher vorgesehen ist, der im Vergleichsmodus aktiviert ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Umschaltwunscherkennung vorgesehen sind wobei die Mittel zur Umschaltwunscherkennung den Umschalter steuern, um von einem Betriebsmodus in einen anderen umzuschalten.

Description

VORRICHTUNG XMD VERFAHREN ZUR MODUSUMSCHALTUNG BEI EINEM RECHNERSYSTEM MIT WENIGSTENS ZWEI AUSFÜHRUNGSEINHEITEN
Stand der Technik
Transiente Fehler, ausgelöst durch Alpha-Teilchen oder kosmische Strahlung, werden zunehmend ein Problem für integrierte Halbleiterschaltungen. Durch abnehmende Strukturbreiten, sinkende Spannungen und höhere Taktfrequenzen nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass eine Spannungsspitze, hervorgerufen durch ein Alpha-Teilchen oder kosmische Strahlung, einen logischen Wert in einer integrierten Schaltung verfälscht. Ein falsches Berechnungsresultat kann die Folge sein. In sicherheitsrelevanten Systemen, insbesondere im Kraftfahrzeug, müssen solche Fehler daher zuverlässig detektiert werden. Bei sicherheitsrelevanten Systemen, wie z.B. einem ABS-Regelsystem in einem Kraftfahrzeug, in denen Fehlfunktionen der Elektronik sicher detektiert werden müssen, werden bei den entsprechenden Steuereinrichtungen solcher Systeme üblicherweise Redundanzen zur Fehlererkennung eingesetzt. So ist beispielsweise in bekannten ABS-Systemen jeweils der komplette MikroController dupliziert, wobei die gesamten ABS-Funktionen redundant berechnet und auf Übereinstimmung geprüft werden. Tritt eine Diskrepanz der Ergebnisse auf, so wird das ABS-System abgeschaltet. Wesentliche Komponenten eines MikroController sind einerseits aus Speichermodule (z.B. RAM, ROM, Cache), der Cors und die Ein- /Ausgangs-Schnittstellen, die so genannten
Peripherals (z.B. A/D- Wandler, CAN-Schittstelle). Da Speicherelemente mit Prüfcodes (Parity oder ECC) effektiv überwacht werden können, und Peripherals oft anwendungsspezifisch als Teil eines Sensor- oder Aktor-Signalpfades überwacht werden, besteht ein weiterer Redundanzansatz in der alleinigen Verdopplung der Cores eines MikroControllers. Solche MikroController mit zwei integrierten Cores sind auch als Dual-Core Architekturen bekannt. Beide Cores fuhren redundant und taktsynchron (Lockstep-Modus) das gleiche Programmsegment aus, die Ergebnisse der beiden Cores werden verglichen, und ein Fehler wird dann bei dem Vergleich auf Übereinstimmung erkannt werden. Diese Konfiguration eines Dual- Core Systems kann als ein Vergleichsmodus bezeichnet werden.
Dual-Core Architekturen werden in anderen Anwendungen auch zur Leistungssteigerung, also zu einer Performanz-Steigerung eingesetzt. Beide Cores fuhren unterschiedliche Programme, Programmsegmente und Befehle aus, wodurch sich eine Leistungssteigerung erzielen lässt, weshalb diese Konfiguration eines Dual-Core Systems als einPerformanzmodus bezeichnet werden kann. Dieses System wird auch als ein symmetrisches Multiprozessorsystem (SMP) bezeichnet.
Eine Erweiterung dieser Systeme ist eine Umschaltung durch Software zwischen diesen beiden Modi mittel eines Zugriffs auf eine spezielle Adresse und spezialisierter Hardware- Vorrichtungen. Im Vergleichsmodus werden die Ausgangsignale der Cores miteinander verglichen. Im Performanzmodus arbeiten die beiden Cores als ein symmetrisches
Mehrprozessorsystem (SMP) und führen unterschiedliche Programme, Programmsegmente oder Befehle aus.
In solchen Systemen is es wichtig, die anforderung nach dem Umschalten eines Modus zu erkennen und einen Umschalter dann geeignet zu steuern. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Mittel und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die die erkennung einer solchen Anforderung ermöglichen.
Vorteilhafterweise verwendet man eine Vorrichtung zur Umschaltung bei einem Rechnersystem mit wenigstens zwei Ausführungseinheiten, wobei ein Umschalter vorgesehen ist, der zwischen wenigstens zwei Betriebsmodi umschaltet, wobei ein erster Betriebsmodus einem
Vergleichsmodus und ein zweiter Betriebsmodus einem Performanzmodus entspricht wobei weiterhin ein Vergleicher vorgesehen ist, der im Vergleichsmodus aktiviert ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Umschaltwunscherkennung vorgesehen sind wobei die Mittel zur Umschaltwunscherkennung den Umschalter steuern, um von einem Betriebsmodus in einen anderen umzuschalten.
Vorteilhafterweise verwendet man eine Vorrichtung, bei der die Mittel zur Umschaltwunscherkennung und der Umschalter in einer Komponente des Rechnersystems, insbesondere in einer baulichen Einheit, zusammengefasst sind.
Vorteilhafterweise verwendet man eine Vorrichtung, bei der der Vergleicher und der Umschalter in einer Komponente des Rechnersystems, insbesondere in einer baulichen Einheit, zusammengefasst sind.
Vorteilhafterweise verwendet man eine Vorrichtung, bei der die Mittel zur Umschaltwunscherkennung und der Vergleicher in einer Komponente des Rechnersystems, insbesondere in einer baulichen Einheit, zusammengefasst sind.
Vorteilhafterweise verwendet man eine Vorrichtung, bei der der Vergleicher, die Mittel zur Umschaltwunscherkennung und der Umschalter in einer Komponente des Rechnersystems, insbesondere in einer baulichen Einheit, zusammengefasst sind.
Vorteilhafterweise verwendet man eine Vorrichtung, bei der in dem Rechnersystem Daten und
Instruktionen in zwei Pipelines abgearbeitet werden, wobei die Pipelines in verschiedenen Stufen aufgebaut sind und die Mittel zur Umschaltwunscherkennung einer eigenen Pipeline Stufe entsprechen.
Vorteilhafterweise verwendet man ein Verfahren zur Umschaltung bei einem Rechnersystem mit wenigstens zwei Ausführungseinheiten, wobei zwischen wenigstens zwei Betriebsmodi umgeschaltet wird und ein erster Betriebsmodus einem Vergleichsmodus und ein zweiter Betriebsmodus einem Performanzmodus entspricht wobei im Vergleichsmodus ein Vergleicher aktiviert ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltwunscherkennung und ein durch die
Umschaltwunscherkennung gesteuerter Umschalter vorgesehen ist um von einem Betriebsmodus in einen anderen umzuschalten.
Vorteilhafterweise verwendet man ein Verfahren, bei dem die Mittel zur Umschaltwunscherkennung ein Umschaltsignal erzeugen, durch welches ein Umschalten durch den Umschalter ausgelöst wird.
Vorteilhafterweise verwendet man ein Verfahren, bei dem der Vergleicher und der Umschalter in einer Komponente des Rechnersystems als Umschalt- und Vergleichseinheit, - A -
zusammengefasst sind und die Mittel zur Umschaltwunscherkennung ein Umschaltsignal erzeugen, durch welches ein Umschalten durch die Umschalt- und Vergleichseinheit ausgelöst wird.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche sowie der Beschreibung.
Figuren
In der Figur 1 ist ein Multiprozessorsystem G60 mit zwei Ausfuhrungseinheiten GlOa, GlOb einer Vergleichseinheit G20, einer Umschalteinheit G50 und einer Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40 dargestellt.
In Figur 2 ist ein Multiprozessorsystem G60 mit zwei Ausfuhrungseinheiten GlOa, GlOb einer kombinierten Vergleichs- und Umschalteinheit G70 bestehend aus einer Vergleichseinheit G20 und einer Umschalteinheit G50 sowie einer Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40 dargestellt.
In Figur 3 ist ein Multiprozessorsystem G60 mit zwei Ausfuhrungseinheiten GlOa, GlOb einer kombinierten Umschaltwunscherkennung, Vergleichs und Umschalteinheit G80 bestehend aus einer Vergleichseinheit G20 und einer Umschalteinheit G50 und einer Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40, dargestellt.
In Figur 4 ist ein Multiprozessorsystem G200 mit zwei Ausfuhrungseinheiten G210a, G210b einer Umschalt und Vergleichseinheit G260 dargestellt.
In der Figur 5 ist in einem Flussdiagramm ein Verfahren dargestellt, das innerhalb einer speziellen Pipelinestufe G230a, G230b eine spezielle Undefinierte Bitkombination mit einer NOP oder anderen neutralen Bitkombination austauscht.
In Figur 6 ist ein Multiprozessorsystem H200 mit zwei Ausfuhrungseinheiten H210a, H210b und einer Umschalt und Vergleichseinheit H260 dargestellt. In der Figur 7 ist in einem Flussdiagramm ein Verfahren dargestellt das zeigt, wie mit Hilfe der Einheiten-ID der Programmfluss beim Wechsel von einem Vergleichsmodus in einen Performanzmodus in einem Multiprozessorsystem mit 2 Ausführungseinheiten getrennt werden kann.
In Figur 8 ist ein mögliches Verfahren dargestellt, wie mit Hilfe der Einheiten-ID der Programmfluss beim Wechsel von einem Vergleichsmodus in einen Performanzmodus in einem Multiprozessorsystem mit 3 Ausführungseinheiten getrennt werden kann.
In Figur 9 ist in einem Flussdiagramm ein Verfahren dargestellt, das die Ausführungseinheiten beim Umschalten vom Performanzmodus in den Vergleichsmodus synchronisiert.
In Figur 10 ist ein Zustandsautomat dargestellt, der die Umschaltung zwischen einem Performanz und einem Vergleichsmodus darstellt.
In Figur 11 ist ein Multiprozessorsystem G400 mit zwei Ausführungseinheiten sowie zwei Interruptcontrollern G420a, G420b inklusive darin enthaltenen Interrupt Maskierungsregistern G430a, G430b und verschiedenen Interruptquellen G440a bis G440n dargestellt.
In Figur 12 wird ein Multiprozessorsystem mit zwei Ausführungseinheiten, einer Umschalt- und Vergleichseinheit und einem Interruptcontroller mit drei Registersätzen dargestellt.
In Figur 13 ist die einfachste Form eines Vergleichers dargestellt.
Figur 14 zeigt einen Vergleicher mit einer Einheit um einen Phasenversatz zu auszugleichen.
In Figur 15 ist das prinzipielle Verhalten der bevorzugten Komponente M700 (Umschalt- und Vergleichseinheit) im Vergleichsmodus beschrieben.
In Figur 16 ist das prinzipielle Verhalten der bevorzugten Komponente M700 (Umschalt- und
Vergleichseinheit) im Performanzmodus beschrieben.
In Figur 17 ist eine Ausführungsform der Umschalt und Vergleichseinheit dargestellt. In Figur 18 ist eine weitere Ausfuhrungsform der Umschalt und Vergleichseinheit dargestellt.
In Figur 19 ist eine Umschalt und Vergleichseinheit, die ein Modus Signal erzeugt, dargestellt.
In Figur 20 ist eine allgemeine Darstellung einer Umschalt- und Vergleichseinheit dargestellt.
Figur 21 zeigt eine allgemeine Darstellung einer Umschalt- und Vergleichseinheit, die ein allgemeines Modus und ein allgemeines Fehlersignal erzeugt.
In Figur 22 ist die Frage Antwort Kommuikation mit einer externen Einheit dargestellt.
In Figur 23 ist die Kommunikation mit einem inteligenten Aktor dargestellt.
Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele
Als Ausfuhrungseinheit kann im Folgenden sowohl ein Prozessor, ein Core, eine CPU, als auch eine FPU (Floating Point Unit), ein DSP (Digitaler Signalprozessor), ein Coprozessor oder eine
ALU (Arithmetic logical Unit) bezeichnet werden.
In der Figur 1 ist ein Multiprozessorsystem G60 mit zwei Ausfuhrungseinheiten GlOa, GlOb einer Vergleichseinheit G20, einer Umschalteinheit G50 und einer Einheit zur
Umschaltwunscherkennung G40 dargestellt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Multiprozessorsystem G60 dargestellt in Figur 1, Figur 2, Figur 3 mit wenigstens zwei Ausfuhrungseinheiten GlOa, GlOb, einer Vergleichseinheit G20, einer Umschalteinheit G50 und einer Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40. Die
Umschalteinheit G50 hat wenigstens zwei Ausgänge zu wenigstens zwei Systemschnittstellen G30a, G30b. Über diese Schnittstellen können Register, Speicher oder Peripherals wie Digitale Ausgänge, D/A- Wandler, Kommunikationscontroller angesteuert werden. Dieses Multiprozessorsystem kann in wenigstens zwei Betriebsmodi betrieben werden, einem Vergleichsmodus (VM) und einem Performanzmodus (PM).
Im Performanzmodus werden in den unterschiedlichen Ausführungseinheiten unterschiedliche Befehle, Programmsegmente oder Programme parallel ausgeführt. In diesem Betriebsmodus ist die Vergleichseinheit G20 deaktiviert. Die Umschalteinheit G50 ist in diesem Betriebsmodus so konfiguriert, dass jede Ausführungseinheit GlOa, GlOb mit einer Systemschnittstelle G30a, G30b verbunden ist. Dabei ist die Ausfuhrungseinheit GlOa mit der Systemschnittstelle G30a und die Ausfuhrungseinheit GlOb mit der Systemschnittstelle G30b verbunden.
Im Vergleichsmodus werden in beiden Ausfuhrungseinheiten GlOa, GlOb gleiche oder gleichartige Befehle, Programmsegmente oder Programme abgearbeitet. Günstigerweise werden diese Befehle taktsynchron abgearbeitet, es ist aber auch eine Abarbeitung mit Asynchronität oder einem definiertem Taktversatz denkbar. Die Ausgangssignale der Ausführungseinheiten GlOa, GlOb werden in der Vergleichseinheit G20 verglichen. Bei einem Unterschied wird auf einen Fehler erkannt und es können entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Diese
Maßnahmen können ein Fehlersignal auslösen, eine Fehlerbehandlung einleiten, Schalter betätigen oder eine Kombination von diesen und weiteren denkbaren Maßnahmen sein. Die Umschalteinheit G50 ist in einer Variation so konfiguriert, dass nur ein Signal zu den Systemschnittstellen G30a, G30b verbunden ist. In einer anderen Konfiguration bewirkt die Umschalteinheit nur, dass die verglichenen und damit gleichen Signale an die
Systemschnittstellen G30a, G30b verbunden werden.
Die Umschaltwunscherkennung G40 detektiert unabhängig vom gerade aktiven Modus einen Umschaltwunsch in einen anderen Modus.
In Figur 2 ist ein Multiprozessorsystem G60 mit zwei Ausführungseinheiten GlOa, GlOb einer kombinierten Vergleichs- und Umschalteinheit G70 bestehend aus einer Vergleichseinheit G20 und einer Umschalteinheit G50 sowie einer Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40 dargestellt.
In einer Ausführungsform des oben beschriebenen Sachverhaltes, kann die Umschalteinheit G50 und die Vergleichseinheit G20 zu einer gemeinsamen Umschalt- und Vergleichseinheit (UVE) G70 zusammengefasst sein, wie in Figur 2 dargestellt. Diese gemeinsame Komponente G70 übernimmt dann die Aufgaben der Einzelkomponenten G50, G20. In Figur 15, Figur 16, Figur 17, Figur 18 und Figur 19 sind Ausführungsvarianten der UVE G70 dargestellt.
In einer weiteren Ausführungsform , wie in Figur 3 dargestellt, kann die Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40, der Vergleicher G20 und die Umschalteinheit G50 in einer gemeinsamen Komponente G80 zusammengefasst sein. In einer weiteren Ausführungsform, die nicht in einer Figur dargestellt ist, kann die Umschaltwunscherkennung G40 und der Vergleicher G20 in einer gemeinsamen Komponente zusammengefasst sein. Ebenfalls denkbar ist eine Zusammenfassung Umschaltwunscherkennung G40 mit dem Umschalter G50 in einer gemeinsamen Komponente.
Im weiteren Text wird, falls nicht anders angegeben, davon ausgegangen, dass eine Umschaltwunscherkennung G40 und eine kombinierte Umschalt und Vergleichseinheit G70, vorliegen.
Ein allgemeiner Fall der Umschalt- und Vergleichskomponente, auch für den Verwendung für mehr als zwei Ausführungseinheiten, ist in Figur 20 gezeigt. Von den n zu berücksichtigenden Ausführungseinheiten gehen n Signale N 140,..., N14n an die Umschalt- und Vergleichskomponente N100. Diese kann bis zu n Ausgangssignale N160,..., N16n aus diesen Eingangssignalen erzeugen. Im einfachsten Fall, dem „reinen Performanzmodus", werden alle Signale N14i auf die entsprechenden Ausgangssignale N16i geleitet. Im entgegen gesetzten
Grenzfall, dem „reinen Vergleichsmodus" werden alle Signale N 140,..., N14n nur auf genau eines der Ausgangssignale N16i geleitet.
An dieser Figur lässt sich darlegen, wie die verschiedenen denkbaren Modi entstehen können. Dazu ist in dieser Figur die logische Komponente einer Schaltlogik Nl 10 enthalten. Diese
Komponente muss nicht als eigene Komponente vorhanden sein. Entscheidend ist, dass die beschriebenen Funktionen im System realisiert sind. Die Schaltlogik Nl 10 legt zunächst fest, wie viele Ausgangssignale es überhaupt gibt. Weiter legt sie fest, welche der Eingangssignale zu welchem der Ausgangssignale beitragen. Dabei kann ein Eingangssignal zu genau einem Ausgangssignal beitragen. In mathematischer Form anders formuliert ist also durch die
Schaltlogik eine Funktion definiert, die jedem Element der Menge {N140,..., N14n} ein Element der Menge {N160,..., N16n} zuordnet.
Die Verarbeitungslogik N120 legt dann zu jedem der Ausgänge N16i fest, in welcher Form die Eingänge zu diesem Ausgangsignal beitragen. Auch diese Komponente muss nicht als eigene
Komponente vorhanden sein. Entscheidend ist wieder, dass die beschriebenen Funktionen im System realisiert sind. Um beispielhaft die verschiedenen Variationsmöglichkeiten zu beschreiben, sei ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass der Ausgang N 160 durch die Signale N141, ..., N14m erzeugt wird. Falls m = 1 entspricht dies einfach einer Durchschaltung des Signals, falls m = 2 dann werden die Signale N141, N142 verglichen, wie beispielsweise im Vergleicher in Figur 13, Figur 14 beschrieben. Dieser Vergleich kann synchron oder asynchron durchgeführt werden, er kann bitweise oder nur auf signifikante Bits oder auch mit einem Toleranzband durchgeführt werden. Falls m >= 3 gibt es mehrere Möglichkeiten.
Eine erste Möglichkeit besteht darin alle Signale zu vergleichen und bei Vorhandensein mindestens zweier verschiedener Werte einen Fehler zu detektieren, den man optional signalisieren kann. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, dass man eine k aus m -Auswahl vornimmt (k >m/2). Diese kann durch Verwendung von Vergleichern realisiert werden. Optional kann ein
Fehlersignal generiert werden, wenn eines der Signale als abweichend erkannt wird. Ein möglicherweise davon verschiedenes Fehlersignal kann generiert werden, wenn alle drei Signale verschieden sind. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, diese Werte einem Algorithmus zuzuführen. Dies kann beispielsweise die Bildung eines Mittelwerts, eines Medianwert, oder die Verwendung eines fehlertoleranten Algorithmus (FTA) darstellen. Ein solcher FTA beruht darauf, Extremwerte der Eingangswerte weg zu streichen und eine Art der Mittelung über die restlichen Werte vorzunehmen. Diese Mittelung kann über die gesamte Menge der restlichen Werte oder vorzugsweise über eine in HW leicht zu bildenden Teilmenge vorgenommen werden. In diesem Fall ist es nicht immer notwendig, die Werte tatsächlich zu vergleichen. Bei der
Mittelwertbildung muss beispielsweise nur addiert und dividiert werden, FTM, FTA oder Median erfordern eine teilweise Sortierung. Gegebenenfalls kann auch hier bei hinreichend großen Extremwerten optional ein Fehlersignal ausgegeben werden.
Diese verschiedenen genannten Möglichkeiten der Verarbeitung mehrerer Signale zu einem
Signal werden der Kürze wegen als Vergleichsoperationen bezeichnet. Die Aufgabe der Verarbeitungslogik ist es also, die genaue Gestalt der Vergleichsoperation für jedes Ausgangssignal - und damit auch für die zugehörigen Eingangssignale - festzulegen. Die Kombination der Information der Schaltlogik Nl 10 (d.h. die o.g. Funktion) und der Verarbeitungslogik (d.h. die Festlegung der Vergleichsoperation pro Ausgangssignal, d.h. pro
Funktionswert) ist die Modusinformation und diese legt den Modus fest. Diese Information ist im allgemeinen Fall natürlich mehrwertig, d.h. nicht nur über ein logisches Bit darstellbar. Nicht alle theoretisch denkbaren Modi sind in einer gegebenen Implementierung sinnvoll, man wird vorzugsweise die Zahl der erlaubten Modi einschränken. Zu betonen ist, dass im Fall von nur zwei Ausführungseinheiten, wo es nur einen Vergleichsmodus gibt, die gesamte Information auf nur ein logisches Bit kondensiert werden kann.
Eine Umschaltung von einem Performanz- in einen Vergleichsmodus ist im allgemeinen Fall dadurch charakterisiert, dass Ausfuhrungseinheiten, die im Performanzmodus auf verschiedene Ausgänge hin abgebildet werden, im Vergleichsmodus auf den gleichen Ausgang hin abgebildet werden. Vorzugsweise ist dies dadurch realisiert, dass es ein Teilsystem von Ausfuhrungseinheiten gibt, bei dem im Performanzmodus alle Eingangssignale N14i, die im Teilsystem zu berücksichtigen sind, direkt auf korrespondierende Ausgangssignale N16i geschaltet werden, während sie im Vergleichsmodus alle auf einen Ausgang hin abgebildet sind. Alternativ kann eine solche Umschaltung auch dadurch realisiert werden, dass Paarungen geändert werden. Es ist dadurch erläutert, dass man im allgemeinen Fall nicht von dem einen Performanzmodus und dem einen Vergleichsmodus sprechen kann, obwohl man in einer gegebenen Ausprägung der Erfindung die Menge der erlaubten Modi so einschränken kann, dass dies der Fall ist. Man kann aber immer von einer Umschaltung von einem Performanz- in einen Vergleichsmodus (und umgekehrt) sprechen.
Zwischen diesen Modi kann, über Software gesteuert, dynamisch im Betrieb umgeschaltet werden. Ausgelöst wird die Umschaltung dabei entweder über die Ausführung von speziellen Umschaltinstruktionen, speziellen Instruktionssequenzen, explizit gekennzeichneten Instruktionen oder durch den Zugriff auf bestimmte Adressen durch wenigstens eine der Ausführungseinheiten des Multiprozessorsystems.
Die Fehlerschaltungslogik N 130 sammelt die Fehlersignale, die beispielsweise von den Vergleichern generiert werden, und kann optional die Ausgänge N16i passiv schalten, indem sie diese beispielsweise über einen Schalter unterbricht.
Die folgenden Beispiele konzentrieren sich aber zumeist auf den Fall von zwei Ausführungseinheiten, an dem sich die meisten Konzepte einfacher darstellen lassen
Die Umschaltung zwischen den Modi kann durch verschiedene Verfahren kodiert werden. In einem möglichen Verfahren sind spezielle Umschaltbefehle zu verwenden, die von der Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40 detektiert werden. Ein weiteres mögliches Verfahren zur Kodierung der Umschaltung ist durch den Zugriff auf einen speziellen Speicherbereich definiert den wieder die Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40 detektiert. Ein weiteres Verfahren wertet in der Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40 ein externes Signal, das eine Umschaltung signalisiert, aus. Im Folgenden wird ein Verfahren beschrieben, das nicht benutzte Bitkombinationen im bestehenden Befehlssatz des Prozessors verwendet. Besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass bestehende Entwicklungsumgebungen (Assembler, Compiler, Linker, Debugger) weiter verwendet werden kann.
In Figur 4 ist ein Multiprozessorsystem G200 mit zwei Ausführungseinheiten G210a, G210b und einer Umschalt und Vergleichseinheit G260 dargestellt. Zur Umschaltung zwischen einem Vergleichsmodus und einem Performanzmodus (und umgekehrt) werden im Assembler nicht definierte Bitkombinationen der mindestens zwei Ausführungseinheiten G210a, G210b benutzt. Als nicht definierte oder Undefinierte Bitkombinationen in diesem Sinne sind alle
Bitkombinationen zu verstehen, die in der Beschreibung des Befehlssatz als Undefiniert oder illegal spezifiziert sind. Dies sind z.B. Illegal Operand, Illegal Instruktion, Illegal Operation. Allgemeines Kennzeichen dieser Undefinierten Bitkombinationen ist es, dass eine normale Ausführungseinheit bei der Ausführung einer solchen Bitkombination entweder ein Fehlersignal erzeugt oder ein nicht definiertes Verhalten zeigt. Diese Bitkombinationen werden also nicht benötigt um die Semantik eines gewöhnlichen Programms darzustellen.
Für die Softwareentwicklung kann damit die bisherige Entwicklungsumgebung benutzt werden, wie sie für Einprozessorsysteme vorliegt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass man ein Makro „SWITCH MODE TO PM" und ein Makro „SWITCH MODE TO VM" definiert, das an geeigneter Stelle im Code entsprechende im oben definierten Sinn Undefinierte Bitkombinationen einfügt.
Die Verwendung dieser Kombination wird dann als allgemeines „SWITCH" Makro definiert. Dieses bewirkt dann einen Wechsel abhängig vom derzeitigen Modus in den jeweils anderen.
Falls im System mehr als zwei unterschiedliche Modi vorliegen, müssen zur Verwendung dieses Verfahrens mehr solcher Kombinationen vorliegen, vorzugsweise kann dann eine pro Modus zur Umschaltkennung verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird der Umschaltwunsch durch eine im Befehlssatz nicht definierte
Bitkombination kodiert. Diese dürfen innerhalb einer Ausführungseinheit G210a, G210b nicht in der üblichen Weise verarbeitet werden. Aus diesem Grund wird eine zusätzliche Pipelinestufe (REPLACE Stufe) G230a, G230b vorgeschlagen, die die entsprechenden Bitkombinationen erkennt und diese zur weiteren Verarbeitung durch neutrale Bitkombinationen ersetzt. Günstigerweise wird dazu der „NOP" (No Operation) Befehl benutzt. Ein NOP Befehl zeichnet sich dadurch aus, dass er den internen Zustand der Ausführungseinheit, bis auf den Intruktionszeiger nicht ändert. Die REPLACE Stufe G230a, G230b wird dabei nach der üblicherweise ersten Stufe, der FETCH Stufe G220a G220b und vor den restlichen
5 Pipelinestufen G240a, G240b, werden im Assembler nicht definierte Bitkombinationen, die hier in einer Einheit zusammengefasst sind, eingefügt.
Erfindungsgemäß wird die hier dargestellte Implementierung einer Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40 als spezielle Pipelinstufe G230a, G230b in einer 0 Pipelineeinheit G215a, G215b, ein zusätzliche Signale G250a, G250b erzeugen, wenn eine entsprechende Bitkombination zur Umschaltung erkannt wurde, das einer separaten Umschalteinheit und Vergleichseinheit G260 signalisiert, dass ein Wechsel des Verarbeitungsmodus durchzuführen ist.
5 Die REP Stufen G230a, G230b sind vorzugsweise zwischen den FET G220a, G220b und den restlichen Pipelinestufen G240a, G240b in den Pipelineeinheiten G215a, G215b der Ausführungseinheiten G210a, G210b angeordnet. Die REP Stufen G230a, G230b erkennen dabei die entsprechenden Bitkombinationen und leiten in diesem Fall NOP Befehle an die übrigen Stufen G240a, G240b weiter. Gleichzeitig wird das jeweilige Signal G250a oder O G250b aktiviert. In allen anderen Fällen verhalten sich die REP Stufen G230a, G230b neutral, d.h. alle anderen Befehle werden unverändert an die übrigen Stufen G240a, G240b weitergereicht.
In der Figur 5 ist in einem Flussdiagramm ein Verfahren dargestellt, das innerhalb einer 5 speziellen Pipelinestufe G230a, G230b eine spezielle Undefinierte Bitkombination mit einer
NOP oder anderen neutralen Bitkombination austauscht. In der FETCH Stufe G300 wird ein Befehl d.h. eine Bitkombination aus dem Speicher geholt. Danach wird im Block G310 unterschieden ob die geholte Bitkombination der speziellen Undefinierten Bitkombination, die eine Umschaltung kodiert, entspricht. Wenn dies nicht der Fall ist, wird im nächsten Schritt O G320 die Bitkombination ohne Veränderung an die übrigen Pipelinestufen G340 zur weiteren
Verarbeitung übergeben. Wenn die spezielle Bitkombination, die eine Umschaltung kodiert, im Schritt G310 erkannt wurde, wird im Schritt G330 diese durch die NOP Bitkombination ersetzt und diese dann zur weiteren Verarbeitung an die weiteren Pipelinestufen G340 übergeben. In einer vorteilhaften Ausführungsform stellen die Blöcke G310, G320, G330 die Funktionalität einer erfindungsgemäßen REPLACE Stufe G230a, G230b dar, wobei diese auch weitere Funktionalität enthalten können.
In Figur 6 ist ein Multiprozessorsystem H200 mit zwei Ausführungseinheiten H210a, H210b und einer Umschalt und Vergleichseinheit H260 dargestellt. Die Komponenten H220a, H220b,
H240a, H240b haben die gleich Bedeutung wie G220a, G220b, G240a, G240b. In einer alternativen Ausführung der Einheit zur Umschaltwunscherkennung G40, hier beschrieben durch die speziellen Pipelinestufen H230a, H230b, besitzt diese neben den Signalen H250a, H250b, die eine Umschaltung signalisieren, weitere Signale. Damit die Ausführungseinheiten H210a, H210b beim Wechsel vom Performanzmodus in den Vergleichsmodus synchronisiert werden können, besitzen die Pipelineeinheiten H215a, H215b der Ausführungseinheiten H210a, H210b jeweils einen Signaleingang H280a, H280b, mit dem die Verarbeitung gestoppt werden kann. Dieses Signal wird von der Umschalt- und Vergleichseinheit H260 für diejenige Pipelineeinheit H215a oder H215b gesetzt, die zuerst einen Umschaltbefehl erkannt hat und damit das Signal H250a bzw. GH50b aktiviert hat. Erst wenn beide Pipelineeinheiten H215a,
H215b der Ausführungseinheiten H210a, H210b den Umschaltbefehl erkannt haben und durch Software oder weitere Hardwaremaßnahmen ihre internen Zustände synchronisiert haben, wird dieses Signal H280a, H280b wieder zurückgenommen. Beim Wechsel vom Vergleichsmodus in den Performanzmodus werden die H280a, H280b nicht benötigt, da keine Synchronisation notwendig ist.
Vorraussetzung für den hier beschriebenen Vorschlag ist eine Einheit (als ID-Einheit bezeichnet) oder Verfahren, über den jede Ausführungseinheit ihre individuelle Nummer oder Einheiten-ID ermitteln kann. Bei einem System mit zwei Ausführungseinheiten kann beispielsweise eine Ausführungseinheit für sich die Nummer 0, die andere die Nummer 1 ermitteln. Bei einem System mit mehr als 2 Ausführungseinheiten werden die Nummern entsprechend vergeben bzw. ermittelt. Diese ID unterscheidet nicht zwischen einem Vergleichsmodus und einem Performanzmodus sondern bezeichnet eine Ausführungseinheit eineindeutig. Die ID-Einheit kann in den jeweiligen Ausführungseinheiten enthalten sein, zum Beispiel implementiert als Bit oder Bitkombination im Prozessorstatusregister oder als eigenes
Register oder als einzelnes Bit oder als zu den Ausführungseinheiten externe Einheit die auf Anfrage eine entsprechende ID liefert. Nachdem die Ausführungseinheiten gemäß einem Umschaltwunsch die Umschaltung in den Performanzmodus ausgeführt haben, ist zwar die Vergleichseinheit nicht mehr aktiv, aber die Ausführungseinheiten führen immer noch dieselben Befehle aus. Das liegt daran, dass die Instruktionszeiger, die die Stelle im Programm kennzeichnen, an denen eine Ausführungsarbeit im nächsten Schritt arbeitet bzw. zur Zeit arbeitet, von der Umschaltung nicht beeinflusst werden. Damit die Ausführungseinheiten anschließend verschiedene SW-Module ausführen können, muss der Programmablauf der Ausführungseinheiten getrennt werden. Der Sache entsprechend haben deswegen die Instruktionszeiger im Performanzmodus in der Regel verschiedene Werte, da ja erfindungsgemäß unabhängige Befehle, Programmsegmente oder Programme verarbeitet werden. Die Trennung der Programmflüsse geschieht im hier beschriebenen Vorschlag durch das Ermitteln der jeweiligen Ausführungseinheiten-Nummer. Je nachdem welche ID eine Ausführungseinheit besitzt, führt die Ausführungseinheit ein bestimmtes Softwaremodul aus. Da jede Ausführungseinheit eine individuelle Nummer oder ID besitzt, kann hierdurch der Programmfluss der beteiligten Ausführungseinheiten zuverlässig getrennt werden.
In der Figur 7 ist in einem Flussdiagramm ein Verfahren dargestellt das zeigt, wie mit Hilfe der Einheiten-ID der Programmfluss beim Wechsel von einem Vergleichsmodus in einen Performanzmodus in einem Multiprozessorsystem mit 2 Ausführungseinheiten getrennt werden kann. Nach dem Ausführen der Umschaltung von einem Vergleichs- in einen
Performanzmodus G500 erfolgt eine Abfrage der Einheiten ID oder Ausführungseinheiten- Nummer G510 durch beide Ausführungseinheiten. Erfindungsgemäß wird dabei die Ausführungseinheit 0 die Ausführungseinheiten-Nummer 0 erhalten, die Ausführungseinheit 1 die Ausführungseinheiten-Nummer 1. In G510 erfolgt ein Vergleich der ermittelten Ausführungseinheiten-Nummer mit der Nummer 0. Falls diese gleich sind, fährt im Schritt
G520 die Ausführungseinheit, für die dieser Vergleich erfolgreich war, mit dem Code für Ausführungseinheit 0 fort. Die Ausführungseinheit, für die dieser Vergleich nicht erfolgreich war, fährt in G530 mit dem Vergleich mit der Nummer 1 fort. Falls dieser Vergleich erfolgreich ist, wird mit dem Code für Ausführungseinheit 1 in G540 fortgefahren. Falls dieser Vergleich nicht erfolgreich ist, wurde für die entsprechende Ausführungseinheit damit eine
Ausführungseinheiten-Nummer ungleich 0 und 1 ermittelt. Dieses stellt einen Fehlerfall dar und es wird mit G550 fortgefahren. In Figur 8 ist ein mögliches Verfahren für 3 Ausführungseinheiten beschreiben. Nach dem Ausführen der Umschaltung von einem Vergleichs- in einen Performanzmodus H500 erfolgt eine Abfrage der Einheiten ID oder Ausführungseinheiten-Nummer H510 durch die Ausführungseinheiten. Erfindungsgemäß wird dabei zum Beispiel die Ausführungseinheit 0 die Ausführungseinheiten-Nummer 0 erhalten, die Ausführungseinheit 1 die
Ausführungseinheiten-Nummer 1 und Ausführungseinheit 2 die Ausführungseinheiten- Nummer 2. In H510 erfolgt ein Vergleich der ermittelten Ausführungseinheiten-Nummer mit der Nummer 0. Falls diese gleich sind, fährt im Schritt H520 die Ausführungseinheit, für die dieser Vergleich erfolgreich war, mit dem Code für Ausführungseinheit 0 fort. Die Ausführungseinheiten, für die dieser Vergleich nicht erfolgreich war, fahren mit dem Vergleich mit der Nummer 1 in H530 fort. In der Ausführungseinheit, für die dieser Vergleich erfolgreich ist, wird mit dem Code für Ausführungseinheit 1 in H540 fort gefahren. Die Ausführungseinheiten, für die dieser Vergleich nicht erfolgreich war, fahren mit dem Vergleich mit der Nummer 2 in H535 fort. Die Ausführungseinheit, für die dieser Vergleich erfolgreich ist, wird mit dem Code für Ausführungseinheit 2 in H536 fort gefahren. Falls dieser Vergleich nicht erfolgreich war, wurde für die entsprechende Ausführungseinheit damit eine Ausführungseinheiten-Nummer ungleich 0,1 und 2 ermittelt. Dieses stellt einen Fehlerfall dar und es wird mit H550 fortgefahren. Alternativ zu dem Vergleich mit einer Nummer kann die ermittelte Ausführungseinheiten-Nummer auch direkt als Index in eine Sprungtabelle verwendet werden.
Entsprechend dieser Beschreibung kann dieses Verfahren auch für Multiprozessorsysteme mit mehr als 3 Ausführungseinheiten angewendet werden.
Wenn vom Performanzmodus in den Vergleichsmodus geschaltet wird, dann müssen mehrere
Dinge beachtet werden. Bei der Umschaltung vom Performanzmodus in den Vergleichsmodus muss sichergestellt werden, dass die internen Zustände der Ausführungseinheiten nach dem Umschalten gleichartig sind, ansonsten würde im Vergleichsmodus eventuell auf einen Fehler erkannt werden, falls die unterschiedlichen Startzustände zu unterschiedlichen Ausgaben führen. Dies kann per Hardware, per Software, per Firmware oder in einer Kombination aller drei durchgeführt werden. Voraussetzung hierfür ist, dass alle Ausführungseinheiten gleiche oder gleichartige Befehle, Programme oder Programmsegmente nach der Umschaltung in den Vergleichsmodus ausführen. Im weiteren ist ein Synchronisationsverfahren beschrieben, das anwendbar ist, wenn der Vergleichsmodus sich dadurch auszeichnet, dass identische Befehle verarbeitet werden und ein bitgenauer Vergleich stattfindet.
In Figur 9 ist in einem Flussdiagramm ein Verfahren dargestellt, das die Ausführungseinheiten beim Umschalten von einem Performanzmodus in einen Vergleichsmodus synchronisiert. Im
Schritt G600 werden vorzugsweise alle Interrupts gesperrt. Dies ist nicht nur wichtig, weil die Interrupt-Controller für den Vergleichsmodus entsprechend umprogrammiert werden müssen. Auch durch Software soll der interne Zustand der Ausführungseinheiten angeglichen werden. Wenn aber während der Vorbereitung zum Umschalten in den Vergleichsmodus ein Interrupt ausgelöst wird, dann ist eine Angleichung nicht mehr ohne weiteren Aufwand möglich.
Schritt G610: Besitzen die beiden Ausführungseinheiten separate Caches, so muss auch der Inhalt der Caches vor der Umschaltung angeglichen werden, um zu verhindern, dass im Vergleichsmodus für eine Adresse für die eine Ausführungseinheit ein Cache-Hit und für eine andere Ausführungseinheiten ein Cache-Miss auftritt. Wird dies durch die Cache-Hardware nicht selbstständig durchgeführt, ist dies zum Beispiel durch Markieren aller Cachelines als ungültig zu bewerkstelligen. Es muss solange gewartet werden, bis der Cache (oder die Caches) komplett ungültig sind. Dies ist bei Bedarf durch eine Warteschleife im Programmcode sicherzustellen. Dies kann auch durch andere Mittel erreicht werden, entscheidend ist, dass nach diesem Schritt die Caches im gleichen Zustand sind.
Im Schritt G620 werden die Schreib-Puffer der Ausführungseinheiten geleert, damit nach der Umschaltung keine Aktivitäten der Ausführungseinheiten stattfinden, die noch aus dem Performanzmodus herrühren.
Im Schritt G630 wird der Zustand der Pipelinestufen der Ausführungseinheiten synchronisiert. Hierfür führt man beispielsweise eine geeignete Anzahl von NOP (No Operation) Befehlen vor der Umschaltsequenz/Umschaltbefehl aus. Die Anzahl der NOP-Befehle richtet sich nach der Anzahl der Pipelinestufen und sind damit abhängig von der jeweiligen Architektur. Welcher Befehl sich als NOP-Befehl eignet, ist ebenfalls architekturabhängig. Besitzen die
Ausführungseinheiten einen Instruktionscache, so ist dabei sicherzustellen, dass diese Befehlssequenz an den Grenzen einer Cacheline ausgerichtet ist (Alignment). Da der Instruktionscache vor der Ausführung dieser NOP 's als ungültig markiert worden ist, müssen diese NOP 's erst in den Cache geladen werden. Beginnt diese Befehlssequenz an einer Cachelinegrenze so ist der Datentransfer vom Speicher (z.B. RAM/ROM/Flash) zum Cache abgeschlossen, bevor der Befehl zum Umschalten erfolgt. Auch diese muss bei der Bestimmung der notwendigen Anzahl der NOP 's berücksichtigt werden.
Im Schritt G640 wird der Befehlschritt zur Umschaltung in den Vergleichsmodus tatsächlich durchgeführt.
Im Schritt G650 wird der Inhalt der jeweiligen Registerfiles jeder Ausführungseinheit angeglichen. Hierfür sind die Register vor oder nach der Umschaltung mit identischen Inhalten zu laden. Wichtig ist hierbei, dass nach der Umschaltung der Inhalt eines Registers in den
Ausführungseinheiten identisch ist, bevor der Registerinhalt nach extern transferiert und damit von der Vergleichseinheit verglichen wird.
Im Schritt G660 werden die Interrupt-Controller umprogrammiert, so dass ein externes Interruptsignal bei allen zusammengeschalteten Ausführungseinheiten den gleichen Interrupt auslöst.
Im Schritt G670 werden die Interrupts wieder freigegeben.
Ist es vom Programmablauf nicht eindeutig, wann in den Vergleichsmodus umgeschaltet werden soll, so müssen die beteiligten Ausführungseinheiten über die beabsichtigte Umschaltung informiert werden. Hierfür wird vorzugsweise in den zu den jeweiligen Ausführungseinheiten gehörenden Interrupt-Controller z.B. per SW ein Interrupt initiiert. Die Interruptbehandlung veranlasst dann die Ausführung der oben beschriebenen Sequenz zur Zusammenschaltung.
In Figur 10 ist ein Zustandsautomat dargestellt, der die Umschaltung zwischen einem Performanz und einem Vergleichsmodus (und umgekehrt) darstellt. Beim Start des Systems, verursacht durch , ,Power On" oder auch Reset (Software oder Hardware), wird das System über den Übergang G800 in den Zustand G700 versetzt. Allgemein gilt, dass das System nach einem
Undefinierten Ereignis, das in der Lage ist, einen Reset auszulösen, immer im Zustand G700 anfängt zu arbeiten. Beispielhafte Ereignisse, die einen Reset auslösen können, sind externe Signale, Probleme in der Spannungsversorgung oder interne Fehlerereignisse, die ein Weitearbeiten nicht mehr sinnvoll machen. Der Zustand G700 der Umschalt und Vergleichseinheit G70 und auch des Multiprozessorsystems G60, in dem im Performanzmodus gearbeitet wird, ist damit der Default Zustand des Systems. In allen Fällen in den ein sonst Undefinierter Zustand eingenommen würde, wird der Default Zustand G700 eingenommen. Diese Default Stellung des Zustand G700 wird dabei durch Hardwaremaßnahmen sichergestellt. Beispielsweise kann der Systemzustand bzw. der Zustand der Umschalt- und Vergleichseinheit
G60 in einem Register, in einem Bit einem Register, durch eine Bitkombination in einem Register oder durch ein Flip-Flop, kodiert sein.
Per Hardware wird dann sichergestellt, dass nach einem Reset oder Power on immer der Zustand G700 eingenommen wird. Dies wird dadurch sichergestellt, dass z.B. das Reset Signal bzw. das , ,Power On" Signal auf den Reset Eingang oder den Set Eingang des Flip-Flops oder des Registers geführt wird.
Im Zustand G700 arbeitet das System in einem Performanzmodus. Die Ausführungseinheiten GlOa, GlOb arbeiten damit unterschiedliche Befehle, Programme oder Programmstücke ab. Ein Umschaltwunsch kann beispielsweise dadurch erkannt werden, dass eine
Ausführungseinheit GlOa, GlOb einen speziellen Umschaltbefehl ausfüllt. Andere Möglichkeiten sind eine Erkennung durch den Zugriff auf eine spezielle Speicheradresse, durch ein internes Signal oder auch durch ein externes Signal. Solange kein Umschaltwunsch vorliegt, verbleibt das Multiprozessorsystem G60 und damit auch die Umschalt und Vergleichseinheit G70 im Zustand G700. Im Weiteren wird mit dem Umschaltwunsch das Erkennen einer
Umschaltbedingung bezeichnet, die so gekennzeichnet ist wie ein Umschaltwunsch in diesem speziellen System gekennzeichnet wird.
Das Verbleiben im Zustand G700 ist über den Übergang G810 dargestellt. Wird von der Ausführungseinheit GlOa ein Umschaltwunsch erkannt, dann wird über den Übergang G820 die Umschalt und Vergleichseinheit G70 in den Zustand G710 überführt. Der Zustand G710 bezeichnet damit die Situation, dass die Ausführungseinheit GlOa einen Umschaltwunsch erkannt hat und wartet, bis die Ausführungseinheit GlOb ebenfalls einen Umschaltwunsch erkennt. Solange dies nicht der Fall ist, verbleibt die Umschalt und Vergleichseinheit G70 im Zustand G710, was mit dem Übergang G830 dargestellt ist. Der Übergang G840 findet statt, wenn im Zustand G710 die Ausführungseinheit GlOb ebenfalls einen Umschaltwunsch erkennt. Die Umschalt und Vergleichseinheit G70 nimmt damit den Zustand G730 ein. Dieser Zustand bezeichnet die Situation, wenn beide Ausführungseinheiten GlOa, GlOb einen Umschaltwunsch erkannt haben. In Zustand G730 finden die Synchronisationsverfahren statt, mit denen die zwei Ausführungseinheiten GlOa, GlOb zueinander synchronisiert werden, um anschließend im Vergleichsmodus zu arbeiten. Während dieses Vorgangs verbleibt die Umschalt und Vergleichseinheit G70 im Zustand G730, was mit dem Übergang G890 dargestellt ist.
Falls im Zustand G700 zuerst von der Ausfuhrungseinheit GlOb ein Umschaltwunsch erkannt wird, dann wird über den Übergang G860 in den Zustand G720 geschaltet. Der Zustand G720 bezeichnet damit die Situation, dass die Ausfuhrungseinheit GlOb einen Umschaltwunsch erkannt hat und wartet bis die Ausfuhrungseinheit GlOa ebenfalls einen Umschaltwunsch erkennt. Solange dies nicht der Fall ist, verbleibt die Umschalt und Vergleichseinheit G70 im Zustand G720, was mit dem Übergang G870 dargestellt ist. Der Übergang G880 findet statt wenn im Zustand G720 die Ausführungseinheit GlO a ebenfalls einen Umschaltwunsch erkennt.
Die Umschalt und Vergleichseinheit nimmt damit den Zustand G730 ein. Falls im Zustand G700 beide Ausfuhrungseinheiten GlOa, GlOb gleichzeitig einen Umschaltwunsch erkennen, wird sofort in den Zustand G730 übergegangen. Dieser Fall stellt den Übergang G850 dar. Wenn die Umschalt und Vergleichseinheit G70 im Zustand G730 ist, haben beide
Ausführungseinheiten GlOa, GlOb einen Umschaltwunsch erkannt. In diesem Zustand werden die internen Zustände der Ausführungseinheiten GlOa, GlOb synchronisiert, um nach Beendigung dieser Synchronisationsvorgänge im Vergleichsmodus zu arbeiten. Mit Beendigung dieser Synchronisationsarbeiten findet der Übergang G900 statt. Dieser Übergang zeigt das Ende der Synchronisation an. Im Zustand G740 arbeiten die Ausführungseinheiten GlOa, GlOb im Vergleichsmodus. Die Beendigung der Synchronisationsarbeiten kann von den Ausführungseinheiten GlOa, GlOb selbst signalisiert werden. Dies bedeutet, dass der Übergang G900 stattfindet, wenn beide Ausführungseinheiten GlOa, GlOb signalisiert haben, dass sie bereit sind im Vergleichsmodus zu arbeiten. Die Beendigung kann auch über eine fest eingestellte Zeit signalisiert werden. Dies bedeutet, dass in der Umschalt und Vergleichseinheit
G70 fest codiert ist, wie lange im Zustand G730 verblieben wird. Diese Zeit wird so eingestellt, dass sicher beide Ausführungseinheiten GlOa, GlOb ihre Synchronisationsarbeiten beendet haben. Nach Ablauf dieser Zeit wird dann der Übergang G900 initiiert. In einer weiteren Variation kann die Umschalt und Vergleichseinheit G70 die Zustände der Ausführungseinheiten GlOa, GlOb überwachen und selbst erkennen, wenn beide Ausführungseinheiten GlOa, GlOb ihre Synchronisationsarbeiten beendet haben. Nach dem Erkennen wird dann der Übergang G900 eingeleitet. Solange kein Umschaltwunsch erkannt wird, verbleibt das Multiprozessorsystem G60 im Vergleichsmodus, dargestellt durch den Übergang G910. Wenn im Zustand G740 ein Umschaltwunsch erkannt wird, wird die Umschalt und Vergleichseinheit über den Übergang G920 in den Zustand G700 versetzt. Wie schon beschrieben, arbeitet das System im Zustand G700 im Performanzmodus. Die Trennung der Programmflüsse beim Übergang vom Zustand
G740 in den Zustand G700, kann dann wie im beschriebenen Verfahren durchgeführt werden.
In Figur 11 ist ein Multiprozessorsystem G400 mit zwei Ausführungseinheiten G410a, G410b sowie zwei Interruptcontrollern G420a, G420b inklusive darin enthaltener Interrupt Maskierungsregister G430a, G430b und verschiedener Interruptquellen G440a bis G440n dargestellt. Weiter dargestellt ist eine Umschalt- und Vergleichseinheit G450 mit einem speziellen Interruptmaskierungsregister G460.
Vorteilerweise besitzt jede Ausführungseinheit G410a, G410b ihren eigenen Interruptcontroller G420a, G420b, um im Performanzmodus gleichzeitig zwei Interrupts behandeln zu können.
Dies ist besonders in Systemen vorteilhaft, in denen die Interruptbehandlung einen Flaschenhals in der Systemperformanz darstellt. Die Interruptquellen G440a bis G440n werden dabei vorteilhafterweise an beide Interruptcontroller G420a, G420b jeweils gleich angeschlossen. Diese Anschlussart bewirkt, dass ohne weitere Maßnahmen an beiden Ausführungseinheiten G410a, G410b der gleiche Interrupt ausgelöst wird. Im Performanzmodus werden die Interrupt
Controller G420a, G420b so programmiert, dass die entsprechenden Interruptquellen G440a bis G440n auf die verschiedenen Ausführungseinheiten G410a, G410b je nach Anwendung geeignet aufgeteilt werden. Dies geschieht mittels einer geeigneten Programmierung der Interrupt Maskierungsregister G430a, G430b. Die Maskierungsregister sehen für jede Interruptquelle G440a bis G440n ein Bit im Register vor. Falls dieses Bit gesetzt ist, wird der
Interrupt gesperrt, er wird also nicht an die angeschlossene Ausführungseinheit G410a, G410b weitergeleitet. Günstigerweise wird in einem Performanzmodus eine gegebene Interruptquelle G440a bis G440n von genau einer Ausführungseinheit G410a oder G410b bearbeitet. Vorteilhafterweise gilt dies zumindest für einige der Interruptquellen. Damit kann erreicht werden, dass mehrere Interruptquellen G440a bis G440n gleichzeitig bearbeitet werden können, ohne dass ein Interrupt-Nesting (eine Interrupt Bearbeitung wird durch einen zweiten Interurupt unterbrochen) oder Interrupt-Pending (die Bearbeitung des Zweiten wird verschoben bis die Bearbeitung des ersten beendet ist) stattfindet. Im Vergleichsmodus muss sichergestellt werden, dass die Interruptcontroller G420a, G420b an allen Ausführungseinheiten G410a, G410b gleichzeitig den gleichen Interrupt auslösen, ansonsten würde, einem Vergleichsmodus entsprechend, auf einen Fehler erkannt werden. Dies bedeutet, dass in der Synchronisierungsphase beim Umschalten vom Performanzmodus in den Vergleichsmodus sichergestellt werden muss, dass die Interrupt Maskierungsregister G430a,
G430b identisch sind. Diese Synchronisation ist in der Figur 9 in Schritt G660 beschrieben. Diese Synchronisation kann per Software durchgeführt werden, indem beide Interruptmaskierungsregister G430a, G430b entsprechend mit dem gleichen Wert programmiert werden. Es wird vorgeschlagen ein spezielles Register G460 zu verwenden, um den Umschaltvorgang zu beschleunigen. In einer Ausführungsform ist dieses Register G460 in der
Umschalt- und Vergleichseinheit G460 angeordnet, es kann aber auch in der Umschaltwunscherkennung G40, in einer kombinierten Umschaltwunscherkennung, im Vergleicher, in der Umschalteinheit G80, sowie in allen Kombinationen enthalten sein. Ebenso denkbar ist es, dass dieses Register außerhalb dieser drei Komponenten an einer anderen geeigneten Stelle angeordnet ist. Das Register G460 enthält die Interruptmaskierung, die im
Vergleichsmodus gelten soll. Die Umschalt- und Vergleichseinheit G450 erhält von der Umschaltwunscherkennung G40 ein Signal zur Umschaltung von einem Performanz in einen Vergleichsmodus. Nachdem die Interrupts im Schritt G600 gesperrt wurden können, die Interruptmaskierungsregister G430a, G430b der Interruptcontroller G420a, G420b umprogrammiert werden. Dies wird nun per Hardware von der Umschalt und Vergleichseinheit
G450 parallel zu den übrigen Synchronisationsschritten durchgeführt, nachdem das Umschaltsignal erhalten wurde und die Interruptcontroller G420a, G420b gesperrt wurden. Günstigerweise werden die Interruptmaskierungsregister G430a, G430b im Vergleichsmodus nicht einzeln umprogrammiert, sondern immer das zentrale Register G460. Dieses wird dann synchron per Hardware auf die beiden Interruptmaskierungsregister G430a, G430b übertragen.
Das Verfahren, das hier für ein Interruptmaskierungsregister beschrieben ist, kann in gleicher Weise auf alle Interruptstatusregister, die in einem Interruptcontroller angeordnet sind, übertragen werden. Natürlich ist es auch denkbar, anstelle eines Registers G460 ein anderes Speichermedium zu verwenden, aus dem möglichst schnell auf die Interruptmaskierungsregister G430a, G430b übertragen werden kann.
In Figur 12 wird ein Multiprozessorsystem GlOOO mit zwei Ausführungseinheiten GlOlOa, GlOlOb, einer Umschalt- und Vergleichseinheit G 1020, sowie einem Interruptcontroller G1030 mit drei verschiedenen Registersätzen Gl(HOa, G1040b, G1050 vorgeschlagen. Als Alternative zu der oben beschriebenen Lösung wird ein spezieller Interruptcontroller G1030 vorgeschlagen, wie in Figur 12 dargestellt. Dieser wird in einem Multiprozessorsystem GlOOO verwendet, das im Beispiel mit zwei Ausfuhrungseinheiten GlOlOa, GlOlOb, sowie einer Umschalt- und Vergleichseinheit G 1020, die zwischen einem
Vergleichs und einem Performanzmodus umschalten kann, dargestellt ist. Im Performanzmodus werden dabei die Registersätze G 1040a, G 1040b verwendet. In diesem Fall arbeitet der Interruptcontroller G1030 genau so wie zwei Interruptcontroller G420a, G420b. Dieses verhalten ist in Figur 11 dargestellt und beschrieben. Der Registersatz G 1040a ist dabei der Ausfuhrungseinheit G 1010a zugeordnet und der Registersatz G 1040b der
Ausfuhrungseinheit GlOlOb. Die Interruptquellen G 1060a bis G 106On werden per Maskierung auf die Ausführungseinheiten GlOlOa, GlOlOb geeignet aufgeteilt. Beim Umschalten von einem Performanzmodus in einen Vergleichsmodus erzeugt die Umschalt- und Vergleichseinheit G1020 ein Signal G1070. Dieses signalisiert dem Interruptcontroller G1030, dass in den Vergleichsmodus umgeschaltet wird bzw., dass das System ab diesem Zeitpunkt im
Vergleichsmodus arbeitet. Der Interruptcontroller G1030 verwendet danach den Registersatz G1050. Damit ist sichergestellt, dass an beiden Ausführungseinheiten GlOlOa, GlOlOb die gleichen Interruptsignale entstehen. Mit einem Wechsel vom Vergleichsmodus in den Performanzmodus, den die Umschalt- und Vergleichseinheit G 1020 wieder über das Signal G1070 dem Interruptcontroller G1030 signalisiert, wird auf die Registersätze G1040a, G1040b wieder umgeschaltet. Günstigerweise kann damit auch ein Schutz der entsprechenden Registersätze erreicht werden, indem im Performanzmodus nur ein Schreiben auf die Registersätze G1040a, G1040b erlaubt ist und ein Schreiben auf den Registersatz G1050, der dem Vergleichsmodus vorbehalten ist, per Hardware unterbunden wird. Gleiches ist auch in der anderen Richtung möglich, dass im Vergleichsmodus nur ein Schreiben auf den Registersatz
G1050 erlaubt ist und ein Schreiben auf die Registersätze G1040a, G1040b unterbunden wird.
In Figur 13 ist die einfachste Form eines Vergleichers M500, G20 dargestellt. Eine wesentliche Komponente in einem Multiprozessorsystem G60 mit wenigstens zwei Ausführungseinheiten GlOa, GlOb mit einer Umschaltung zwischen einem Performanzmodus und einem
Vergleichsmodus ist der Vergleicher M500. In der einfachsten Form ist er in Figur 13 dargestellt. Die Vergleichskomponente M500 kann zwei Inputsignale M510 und M511 aufnehmen. Sie vergleicht diese dann auf Gleichheit, im hier dargestellten Kontext vorzugsweise im Sinne einer Bit-weisen Gleichheit. Im Gleichheitsfalle wird der Wert der Inputsignale M510, M511 auf das Outputsignal M520 gegeben und das Fehlersignal M530 wird nicht aktiv, d.h. es signalisiert den „Gut"-Zustand. Falls sie Ungleichheit detektiert, wird das Fehlersignal M530 aktiviert. Das Signal M520 kann dann optional deaktiviert werden. Dies hat den Vorteil, dass der Fehler aus dem entsprechenden System nicht herauskommt („fault Containment"). D.h. andere Komponenten, die außerhalb der Ausführungseinheiten liegen, werden durch das potenziell fehlerhafte Signal nicht korrumpiert. Es gibt jedoch auch Systeme, in denen das Signal M520 nicht deaktiviert werden muss. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn auf Systemebene nur Fail-silence gefordert ist. Dann kann das Fehlersignal beispielsweise nach extern geführt werden.
Von diesem Basis-System ausgehend sind eine Vielzahl von Ausführungsformen denkbar. Zunächst kann die Komponente M500 als so genannte TSC- Komponente (totally seif checking) ausgeführt werden. In diesem Fall wird das Fehlersignal M530 auf mindestens zwei Leitungen („dual rail") nach außen geführt, und es ist durch interne Design- und Fehlerentdeckungsmaßnahmen sichergestellt, dass in jedem möglichen Fehlerfall der
Vergleichskomponente dieses Signal korrekt oder erkennbar unkorrekt vorliegt. Ein dual rail Signal stellt dabei ein binäres Signal über zwei Leitungen zur Verfügung, vorzugsweise so, dass die beiden Leitungen im fehlerfreien Fall zueinander invertiert sind. Eine bevorzugte Variante in der Benutzung des erfindungsgemäßen Systems ist es, einen solchen TSC- Vergleicher zu verwenden.
Eine zweite Klasse von Ausführungsformen kann dahingehend unterschieden werden, welchen Grad der Synchronität die beiden Inputs M510, M511 (bzw. M610, M611) haben müssen. Eine möglich Ausführungsform ist durch taktweise Synchronität gekennzeichnet, d.h. der Vergleich der Daten kann in einem Takt durchgeführt werden.
Eine leichte Änderung entsteht dadurch, dass bei einem festen Phasenversatz zwischen den Inputs ein synchrones Verzögerungselement verwendet wird, das die entsprechenden Signale beispielsweise um halbzahlige oder ganzzahlige Taktperioden verzögert. Ein solcher Phasenversatz ist nützlich, um Common Cause Fehler zu vermeiden, d.h. solche Fehlerursachen, die mehrere Verarbeitungseinheiten gleichzeitig und gleichartig beeinflussen können.
Figur 14 beschreibt deshalb eine weitere Ausführungsform. Die Komponenten und Signale M600, M610, M611, M620, M630 in haben die gleiche Bedeutung wie die entsprechenden Komponenten und Signale M500, M510, M511, M520, M530 aus Figur 13. In Figur 14 ist daher über diese Komponenten hinaus die Komponente M640 eingefügt, die den zeitlich früheren Input um den Phasenversatz verzögert. Vorzugsweise ist dieses Verzögerungselement im Vergleicher untergebracht, um es nur im Vergleichsmodus zu verwenden. Alternativ oder ergänzend kann man Zwischenpuffer M650, M651in die Inputkette legen, um solche Asynchronitäten, die sich nicht als reiner Takt- oder Phasenversatz darstellen, ebenfalls tolerieren zu können. Vorzugsweise werden diese Zwischenpuffer als FIFO-Speicher (fϊrst-in, fϊrst out) ausgelegt. Ein solcher Speicher hat einen Eingang und einen Ausgang und kann mehrere Speicherworte speichern. Ein einkommendes Speicherwort wird bei Eintreffen eines neuen Speicherworts in seiner Stelle verschoben. Nach der letzten Stelle (der Tiefe des Puffers) wird es „aus dem Speicher hinaus" verschoben. Falls ein solcher Puffer vorliegt, kann man auch Asynchronitäten bis zur maximalen Tiefe des Puffers tolerieren. In diesem Fall muss ein Fehlersignal auch dann ausgegeben werden, wenn der Puffer überläuft.
Weiter kann man im Vergleicher Ausführungsformen danach unterscheiden, wie das Signal
M520 (oder M620) generiert wird. Eine bevorzugte Ausführungsform ist es, die Inputsignale M510, M511 (bzw. M610, M611) auf den Ausgang zu legen und die Verbindung durch Schalter unterbrechbar zu machen. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass zur Umschaltung zwischen Performanzmodus und möglichen verschiedenen Vergleichsmodi dieselben Schalter verwendet werden können. Alternativ können die Signale auch aus vergleicherinternen Zwischenspeichern generiert werden.
Eine letzte Klasse von Ausführungsformen kann dahingehend unterschieden werden, wie viele Inputs am Vergleicher vorliegen und wie der Vergleicher reagieren soll. Bei drei Inputs kann ein Majoritätsvoting, ein Vergleich von allen drei oder ein Vergleich von nur zwei Signalen vorgenommen werden. Bei vier oder mehr Inputs sind entsprechend mehr Ausführungsformen denkbar. Eine ausführliche Beschreibung der möglichen Ausführungsformen ist in der Beschreibung von Figur 20 enthalten.
Die genaue Wahl der Ausführungsformen ist vorzugsweise mit den verschiedenen Betriebsmodi des Gesamtsystems zu koppeln. D.h., wenn es mehrere verschiedene Performanz- oder Vergleichsmodi gibt, dann sind diese vorzugsweise mit dem entsprechenden Modus des Vergleichers gekoppelt. An einigen Stellen in dieser Erfindung ist es notwendig oder vorteilhaft, einen Vergleicher oder ein allgemeineres Voting-/Verarbeitungs-/Sortierelement zu deaktivieren oder passiv zu machen (im Folgenden der Einfachheit halber immer als Vergleicher bezeichnet). Dazu gibt es viele Möglichkeiten. Zum einen kann man an den Vergleicher ein Signal führen, mit er aktiviert oder deaktiviert wird. Dazu ist im Vergleicher eine zusätzliche Logik einzufügen, die dies durchführen kann. Eine weitere Möglichkeit ist es, dem Vergleicher keine zu vergleichenden Daten zuzuführen. Eine dritte Möglichkeit ist es, auf Systemebene das Fehlersignal des Vergleichers zu ignorieren. Weiter kann man auch das Fehlersignal selbst unterbrechen. Allen Möglichkeiten ist gemeinsam, dass es im System keine Rolle spielt, dass zwei oder mehr Daten, die potenziell verglichen werden, verschieden sind. Falls dies der Fall ist, wird der Vergleicher als passiv oder deaktiviert betrachtet.
Im Weiteren wird eine Implementierung eines Umschalters in Verbindung mit einem Vergleicher, also einer Umschalt- und Vergleichseinheit G70 betrachtet. Diese Implementierung ist besonders günstig, falls diese zusammen mit den Ausführungseinheiten GlOa, GlOb innerhalb eines Chips ausgeführt sind.
Durch Zusammenfassung der Komponenten Vergleicher und Umschalter entsteht nur ein sehr kleiner Hardwareoverhead bei Implementierung innerhalb eines Chips. Eine bevorzugte Variante der Implementierung ist es deshalb, diese beiden Teile in einer Komponente zusammenzufassen. Dies ist eine Komponente mit mindestens den Eingangssignalen (Output Ausführungseinheit 1, Output Ausführungseinheit 2), mindestens den Ausgangssignalen (Output 1, Output 2), einem logischen Outputsignal „Output gesamt" (kann physikalisch mit Output 1 oder Output 2 übereinstimmen) und einem Vergleicher. Die Komponente hat die Fähigkeit den Modus umzuschalten, im Performanzmodus alle Signale durchlassen, und in einem Vergleichs-Modus mehrere Signale zu vergleichen und ggf. eines durchlassen. Zusätzlich sind noch weitere Eingangs- und Ausgangssignale vorteilhaft: Ein Fehlersignal zur Signalisierung eines detektierten Fehlers, ein Modussignal um den Modus zu signalisieren, in dem diese Komponente sich befindet, und Steuersignale von und zu der Komponente.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die zwei oder mehr Ausführungseinheiten im Performanzmodus als Master an einen prozessorinternen Bus angeschlossen. Die Vergleichseinheit ist deaktiviert oder das Fehlersignal, das bei einem unterschiedlichen Verhalten der Ausführungseinheiten in einem der denkbaren Vergleichsmodi erzeugt wird, ist maskiert. Dies bedeutet, dass die Umschalt und Vergleicheinheit für die Software transparent ist. In dem betrachteten Vergleichsmodus werden die zu vergleichenden physikalischen Ausfuhrungseinheiten als eine logische Ausführungseinheit am Bus behandelt, d.h. es tritt nur ein Master am Bus auf. Das Fehlersignal des Vergleichers ist aktiviert. Die Umschalt und Vergleichseinheit trennt dazu alle bis auf eine Ausführungseinheit über Schalter vom prozessorinternen Bus ab, dupliziert die Eingaben der einen logischen Ausführungseinheit und stellt diese allen am Vergleichsmodus beteiligten Ausführungseinheiten zur Verfügung. Beim Schreiben auf den Bus werden die Ausgaben in der Vergleicheinheit verglichen und bei Gleichheit werden diese Daten über den einen vorhanden Zugang zum Bus geschrieben.
In Figur 15 und Figur 16 ist das prinzipielle Verhalten der bevorzugten Komponente M700 (Umschalt- und Vergleichseinheit, entspricht G70) beschrieben. Der Einfachheit halber ist diese Figur nur für zwei Ausführungseinheiten gezeichnet. Figur 15 zeigt dabei den Status der Komponente im Vergleichsmodus, Figur 16 im Performanzmodus. Die verschiedenen Schalterstellungen in diesen Modi werden von M700 durch die Ansteuerung M760 realisiert.
Die beiden Ausführungseinheiten M730, M731 können zunächst im Performanzmodus auf den Daten- und Adressbus M710 schreiben, wenn die Schalter M750 und M751 geschlossen sind, wie in Figur 16 gezeigt. Es wird vorausgesetzt, dass eventuelle Schreibkonflikte entweder über das Busprotokoll oder durch weitere, nicht eingezeichnete Komponenten aufgelöst werden. Im Vergleichsmodus ist das Verhalten zumindest aus logischer Sicht ein anderes. Wie in Figur 15 gezeigt, sind dann die Schalter M750, M751 geöffnet und somit die direkten Zugriffsmöglichkeiten unterbrochen. Im Gegensatz zu Figur 16 sind in Figur 15 dann allerdings die Schalter M752, M753 geschlossen. Die Signale M740, M741 der Ausführungseinheiten M730, M731 werden an die Vergleichskomponente M720 geleitet. Diese ist mindestens so aufgebaut, wie in Figur 13 gezeichnet, sie kann aber auch Erweiterungen, wie in Figur 14 beschrieben, beinhalten. Auf eine Darstellung des Fehlersignals oder auch weiterer Signale der Vergleichskomponente M720 wird in Figur 15, und Figur 16 aber verzichtet. Falls die beiden Signale übereinstimmen, wird der Schalter M754 geschlossen, und eines der beiden übereinstimmenden Signale dann auf den Adress/Datenbus M710 weitergeleitet. In Summe ist es dazu notwendig, dass die Umschalt- und Vergleichseinheit M700 die Schalter M750-M754 beeinflussen kann. Die jeweilige Schalterstellung ist abhängig vom Modus und von der Fehlererkennung. Varianten, in denen der Schalter M754 immer geschlossen ist, und eine geeignete Systemreaktion durch das Fehlersignal erzeugt wird, sind hiermit auch abgedeckt. In Figur 17 ist eine Variante der Umschalt und Vergleichseinheit dargestellt. Auch schon für ein einfaches System mit nur zwei Ausführungseinheiten GlOa, GlOb gibt es viele Varianten der Implementierung einer Umschalt- und Vergleichseinheit. Eine weitere, die besonders vorteilhaft ist, wenn keine Puffer im Vergleicher zu verwenden sind, ist in Figur 17 gezeigt. Wie in Figur 15, Figur 16 gibt es die Signale M840, M841 der Ausführungseinheiten. Letztere sind in dieser
Figur nicht gezeichnet. In der erfindungsgemäßen Komponente M800 gibt es eine Moduslogik M810, die den Modus der Komponente vorgibt. Im Performanzmodus schließt sie den Schalter M831, im Vergleichsmodus öffnet sie ihn. Weiter gibt sie das Modussignal an den Vergleicher M820. Dieser vergleicht in dieser Implementierung immer, benutzt aber das Ergebnis des Vergleichs und das Modussignal, um den Schalter M830 anzusteuern. Im Performanzmodus ist der Schalter immer geschlossen, im Vergleichsmodus immer dann, wenn kein Fehler vorliegt. Natürlich kann auch, falls einmal ein Fehler festgestellt wurde, der Schalter weiterhin geöffnet bleiben, bis ein entsprechender Reset kommt.
In Figur 18 ist eine weitere Ausführungsform der Umschalt und Vergleichseinheit dargestellt.
Diese Alternative, verfügt zwar über mehr Schalter, lässt dafür aber den Vergleicher im Performanzmodus inaktiv und kann deshalb auch leichter mit Asynchronitäten umgehen. Wieder gibt es die beiden Signale M940, M941 der Ausführungseinheiten. Letztere sind wieder in diesem Bild nicht gezeichnet. In der erfindungsgemäßen Komponente M900 gibt es eine Moduslogik M910, die den Modus der Komponente vorgibt. Im Performanzmodus schließt sie den Schalter M931 und öffnet die Schalter M932, M933. Damit wird die Vergleichskomponente M920 in diesem Modus nicht mit Daten beschickt. Dies erlaubt bei Asynchronitäten längere Pufferzeiten, bzw. in einer Implementierung geringere Puffertiefen. Im Performanzmodus ist der Schalter M930 immer geschlossen. Im Vergleichsmodus schließt die Komponente M910 die Schalter M932, M933 und unterbricht den direkten Zugriff auf den Bus durch Öffnen des
Schalters M931. Optional kann die Moduslogik M910 dem Vergleicher M920 den Modus noch mitteilen. Im Vergleichsmodus ist im fehlerfreien Fall der Schalter M930 geschlossen. Im Fehlerfall unterbricht die Vergleichskomponente M920 die Weiterleitung des Signals M940 auf den Bus durch Öffnen des Schalters M930.
In den beschriebenen Zeichnungen ist es ohne Aufwand möglich, die Modus oder Fehlersignale nach außen zu leiten. Es ist weiter, insbesondere zur Generierung des internen Moduszustands, problemlos möglich, dass weitere Signale an die Komponente gehen. Zusammenfassend ist eine bevorzugte Implementierung dieser Komponente also dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Verarbeitungseinheiten gibt, die Ausgangssignale auf den Bus (z.B. Adress/Daten-Bus) schreiben können. Wesentlich ist, dass die Komponente mindestens zwei der Ausgangssignale der Ausführungseinheiten verarbeiten kann (z.B. vergleichen, aber eventuell auch voten oder sortieren) und dass die Komponente mindestens einen Schalter beeinflussen kann, mit dem mindestens einer der direkten Buszugriffe unterbrochen wird. Besonders nützlich ist dies, wenn die Ausführungseinheiten Rechnerkerne sind. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Zustand der beeinflussbaren Schalter den Betriebsmodus der Recheneinheit charakterisiert.
Die Systemeigenschaften, insbesondere die möglichen Vergleichsmodi, werden dann besonders gut umgesetzt, wenn die Komponente ein Signal auf den Adress-Datenbus legen kann. Vorteilhafterweise ist dieses eine Durchschaltung eines der Ausgangssignale einer der Ausführungseinheiten. Alternativ kann dies aus der Verarbeitung verschiedener Ausgangssignale der verschiedenen Ausführungseinheiten entstehen.
Wie beispielsweise schon in den Beschreibungen zu den Figuren Figur 17, Figur 18 deutlich wurde, kann man im System und - je nach Einteilung in die Komponenten - auch in einer der Komponenten eine Modus-Information identifizieren. Diese Modusinformation kann je nach Implementierung sogar explizit in einer Teilkomponente vorliegen. In einer bevorzugten
Implementierung kann dieses Signal auch aus der Komponente herausgeführt werden und anderen Teilen des Systems zur Verfügung gestellt werden.
Im allgemeinen Fall kann man das erfindungsgemäße Verhalten an Figur 21 erläutern. Die Signale und Komponenten NlOO, Nl 10, N120, N130, N140, N141, N142, N143, N14n, N160,
N161, N162, N163, N16n haben die gleiche Bedeutung wie in Figur 20. Darüber hinaus ist das Modussignal N150 und das Fehlersignal N170 in dieser Figur eingezeichnet. Das optionale Fehlersignal wird von der Fehlerschaltungslogik N130, die die Fehlersignale sammelt, generiert und ist entweder eine direkte Weiterleitung der Einzelfehlersignale oder eine Bündelung der darin enthaltenen Fehlerinformation. Das Modussignal Nl 50 ist optional, seine Verwendung außerhalb dieser Komponente kann aber an vielen Stellen vorteilhaft sein. Die Kombination der Information der Schaltlogik NIlO (d.h. die in der Beschreibung von Figur 20 beschriebene Funktion) und der Verarbeitungslogik (d.h. die Festlegung der Vergleichsoperation pro Ausgangssignal, d.h. pro Funktionswert) ist die Modusinformation und diese legt den Modus fest. Diese Information ist im allgemeinen Fall natürlich mehrwertig, d.h. nicht nur über ein logisches Bit darstellbar. Nicht alle theoretisch denkbaren Modi sind in einer gegebenen Implementierung sinnvoll, man wird vorzugsweise die Zahl der erlaubten Modi einschränken. Das Modussignal bringt dann die relevante Modusinformation nach außen. Eine HW- Implementierung ist vorzugsweise so dargestellt, dass das extern sichtbare Modussignal konfiguriert werden kann. Vorzugsweise sind ebenfalls die Verarbeitungslogik und die Schaltlogik konfigurierbar gestaltet. Vorzugsweise sind diese Konfigurationen aufeinander abgestimmt. Alternativ kann man auch nur oder ergänzend Änderungen des Modussignals nach außen geben. Dies hat insbesondere in einer Zweierkonfϊguration Vorteile.
Vorzugsweise wird dieses Modussignal abgesichert. Eine Implementierung im Zweier-System wird, beispielsweise basierend auf der Implementierung, die in Figur 17 dargestellt ist, in Figur 19 dargestellt. Dort wird das Signal M850 aus der Umschalt und Vergleichseinheit herausgeführt. In einem Zweier-System ist diese Information logisch über ein Bit darstellbar. Eine Absicherung kann dann vorzugsweise über ein dual-rail-Signal dargestellt werden. Im allgemeinen Fall kann man das Signal ebenfalls über eine Verdoppelung, die optional invertiert ist absichern. Alternativ kann man auch ein Parity generieren, das vorzugsweise intern eigensicher generiert wird, oder einen CRC (cyclic redundancy check) oder ECC (error correcting code) verwenden.
Das Modussignal kann außerhalb der Komponente verwendet werden. Zunächst kann es zur Eigenüberwachung des Betriebssystems verwendet werden. Dieses ist aus SW-Sicht für einen Umschaltung verantwortlich und sollte immer wissen, in welchem Modus sich das System befindet und das System auch in diesen Modus bringen. Eine Überprüfung dieses Signals kann damit zur Absicherung verwendet werden. Dies kann zunächst direkt geschehen. Eine alternative Möglichkeit ist es aber auch, über Timer oder andere „unabhängige" Einheiten eine Anfrage beim Betriebssystem mit diesem Signal zu plausibilisieren.
Allgemein kann dieses Signal optional auch in anderen Datensenken eines μC (oder allgemeineren Recheneinheit) verwendet werden. Beispielsweise kann eine MPU (memory protection unit) so programmiert sein, dass sie bestimmte Speicherzugriffe (von bestimmten Ausführungseinheiten) nur in bestimmten Modi erlaubt. Eine MPU ist dabei eine Einheit, die sicherstellen kann, dass nur erlaubte Zugriffe auf den Daten/Adressbus durchgeführt werden, beispielsweise indem sie für bestimmte Programmteile den Zugriff auf bestimmte Adressräume unterbindet. Durch eine Hinführung des Modussignals an die MPU, entsprechende Konfiguration und Programmierung dieser MPU, und Auswertung dieser Konfigurationsdaten und des Modussignals, kann eine zusätzliche Absicherung erfolgen. Unter Umständen vereinfacht das sogar die Programmierung, falls das Modussignal schon eine ausreichende Information zur Überprüfung ist. Dann reicht eine quasi-statische Programmierung zur
Initialisierungszeit des μC aus. Entsprechendes kann für Peripherieeinheiten gelten. Auch hier gibt es Anwendungen, bei denen ein Zugriff auf ein entsprechendes Peripherieelement nur in bestimmten Modi erlaubt ist. Durch eine Hinführung des Modussignals an das Peripherieelement, entsprechende Konfiguration und Programmierung des Peripherieelements, und Auswertung dieser Konfigurationsdaten und des Modussignals, kann eine zusätzliche
Absicherung erfolgen. Unter Umständen vereinfacht das sogar die Programmierung, falls das Modussignal schon eine ausreichende Information zur Überprüfung ist. Dann reicht eine quasi¬ statische Programmierung zur Initialisierungszeit des μC aus. Analog kann die Auswertung dieses Signals auch am Interruptcontroller verwendet werden. Solche Überwachungen können dann die Basis oder einen wesentlichen Bestandteil des Sicherheitskonzepts ausmachen. Durch geeignete Ausführung und SW-Strukturierung kann es möglich sein, das Sicherheitskonzept für eine ganze Fehlerklasse in der betrachteten Anwendung auf diesem Modus-Signal aufzubauen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Modus-Signal in einer geeigneten Form, wie oben beschrieben, eigensicher ist. Es ist in diesem Fall dann weiter vorteilhaft, wenn die betrachtete Komponente die Möglichkeit hat, ein Fehlersignal zu senden oder einen
Abschaltpfad zu betätigen, falls sie eine Unstimmigkeit zwischen dem Modus-Signal und dem Zugriff auf sich selbst detektiert.
Ein wesentlicher weiterer Verwendungszweck ist die Auswertung des Modus-Signals außerhalb der Recheneinheit. Eine direkte Anwendung ist die Auswertung in einem dekrementierenden
Watchdog. Ein solcher „Watch-Dog" besteht aus mindestens einem (Zähler-)Register, welches durch den Mikroprozessor auf einen Integer Wert gesetzt werden kann. Nach dem Setzen dieses Registers dekrementiert der „Watch-Dog" selbstständig den Wert des Registers mit einer festen Periode. Ist der Wert des Registers Null oder tritt ein Überlauf auf, erzeugt der „Watch-Dog" ein Fehlersignal. Soll das Fehlersignal nicht erzeugt werden, so muss der Mikroprozessor den
Wert des Registers rechtzeitig wieder zurücksetzen. Damit kann (in Grenzen) überprüft werden, ob der Mikroprozessor die Software korrekt ausführt. Führt der Mikroprozessor die Software nicht mehr korrekt aus, wird angenommen, dass in diesem Fall auch der „Watch-Dog" nicht mehr korrekt bedient wird und somit ein Fehlersignal vom „Watch-Dog" erzeugt wird. Die Integrität der Hardware und der Datenstrukturen kann zuverlässig in einem Vergleichsmodus überprüft werden, dazu muss aber sichergestellt sein, dass der Mikroprozessor regelmäßig wieder in diesen zurückschaltet. Aufgabe des hier beschriebenen „Watch-Dog" ist es daher, nicht nur ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn er innerhalb eines definierten Zeitraumes nicht mehr zurückgesetzt wird, sondern auch, wenn der Mikroprozessor innerhalb eines definierten
Zeitraums nicht mehr in den definierten Vergleichsmodus zurückschaltet. Beispielsweise kann der „Watch-Dog" nur dann zurückgesetzt werden, wenn das Modus Signal den definierten Vergleichsmodus der Recheneinheit anzeigt. Damit ist sichergestellt, dass die Recheneinheit regelmäßig in diesen Modus zurückschaltet. Alternativ oder ergänzend wird der Wert im Register des „Watch-Dog" erst dann dekrementiert, wenn bestimmte Interrupts beim
Mikroprozessor ausgelöst werden. Dazu müssen die externen Interruptsignale des μC auch an den Watchdog gekoppelt werden. Im Watchdog ist gespeichert, welche Interrupts den μC in den definierten Vergleichsmodus schalten. Der Watchdog wird „aufgezogen", sobald ein solcher Interrupt kommt, er wird zurückgesetzt durch das Vorhandensein des korrekten Modus Signals.
Ganz allgemein ist es nützlich, insbesondere in der Anwendung auf ein Sicherheitskonzept, das Modus-Signal in einer μC-externen Quelle auszuwerten. Ein wesentlicher Punkt in der Absicherung des korrekten Ablaufs der Software auf einem Rechner, wie er in der Erfindung beschrieben ist, ist der korrekte Wechsel zwischen den verschiedenen erlaubten Modi. Zunächst soll die Wechselfähigkeit selbst überprüft werden, vorzugsweise auch noch das korrekte
Wechseln. Wie oben beschrieben, kann man auch daran interessiert sein, dass ein spezieller Modus regelmäßig angenommen wird. Besonders vorteilhaft ist ein solches Verfahren immer dann, wenn das Modus-Signal selbst eigensicher ausgestaltet ist. Eine Möglichkeit ist es das Modus-Signal an einen ASIC oder einen anderen μC zu leiten. Dieser kann über Timer und einfache Logik unter Verwendung dieses Signals mindestens folgende Punkte überprüfen:
Kommt die Recheneinheit hinreichend oft (z.B. spätestens alle lOOOμs) in einen oder mehrere definierte Modi? Wird beim Wechsel in einen Modus immer ein bestimmtes Signal ausgegeben?
Geht die Recheneinheit regelmäßig aus einem Modus heraus?
Sind bestimmte einfache Muster der Abfolge der Modi gültig?
Ist ein allgemeines zeitliches Muster gültig (z.B. im Durchschnitt <70% im Modus 1 und <50% im modus 2) Irgendeine Kombination von logischen, zeitlichen Eigenschaften des Modus-signals, gegebenenfalls ergänzt durch Verwertung zusätzlicher Signale.
In Figur 22 ist dabei die Basiskonfϊguration für einen darüber hinaus gehenden Vorschlag beschrieben. In dem zwischen einem solchen Partner-ASIC oder -μC und der betrachteten
Recheneinheit, die über diese Erfindung verfügt, ein spezielles Frage- Antwort-Spiel durchgeführt wird. N300 ist eine Recheneinheit, die ein solches Modus-Signal aussenden kann. Dies kann beispielsweise ein μC sein mit mehreren Ausführungseinheiten und einer anderen Komponente, die dieses Modussignal generieren kann. Beispielsweise kann diese andere Komponente wie in Figur 19 oder Figur 21 realisiert sein. N300 gibt dieses Signal N310 an den
Partner (z.B. andere Recheneinheit, anderer μC oder ASIC) N330. Dieser kann über das Signal N320 Fragen an N300 stellen, die N300 über N321 zu beantworten hat. Eine solche Frage kann eine Rechenaufgabe sein, deren korrektes Ergebnis über N321 von N300 innerhalb eines definierten Zeitintervalls zu liefern ist. N330 kann die Korrektheit dieses Ergebnisses unabhängig von N300 prüfen. Beispielsweise sind die Ergebnisse in N330 gespeichert oder
N330 kann sie selbst ausrechnen. Bei Detektion eines nicht korrekten Werts wird auf einen Fehler erkannt. Das Besondere an der vorgeschlagenen Frage- Antwort-Kommunikation ist es, dass ein parallel zur Antwort das Modus-Signal beobachtet wird. Vorzugsweise sind die Fragen so zu stellen, dass zur Beantwortung durch N300, diese bestimmte Modi einnehmen muss. Damit kann zuverlässig überprüft werden, dass alle Modus- Wechsel funktionsfähig sind, und dass im Programmablauf vorgesehene Moduswechsel auch durchgeführt werden. Insbesondere bei der Initialisierung eines Systems, aber auch im Betrieb, kann dies als wesentlicher Baustein eines Sicherheitskonzepts dienen.
Eine weitere Anwendung dieser Idee ist die Auswertung des Modus-Signals in einer
Aktoransteuerung. In vielen Anwendungen im Automobilbereich ist heute ein Trend zu so genannten intelligenten Aktoren. Dies sind Aktoren mit einem minimalen Elektronikumfang, der ausreicht, ein Aktor-Stellkommando zu empfangen, und den Aktor dann so anzusteuern, dass dieses Stellkommando dann auch ausgeführt wird.
Die Basisidee ist in Figur 23 dargestellt. Eine Recheneinheit N400, die über die Erfindung verfügt, gibt an einen (intelligenten) Aktor oder eine Aktoransteuerung N430 ein Stellkommando über die Verbindung N420. Parallel gibt sie das Modus-Signal an diesen Aktor über die Verbindung N410. Der Aktor N430 prüft anhand des Modus-Signals, ob die Ansteuerung erlaubt ist und gibt optional über das Signal N440 einen Fehlerstatus zurück. Bei fehlerhafter Ansteuerung nimmt er den im System unkritischen Fail-silence Zustand ein.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Umschaltung bei einem Rechnersystem mit wenigstens zwei Ausfuhrungseinheiten, wobei ein Umschalter vorgesehen ist, der zwischen wenigstens zwei Betriebsmodi umschaltet, wobei ein erster Betriebsmodus einem Vergleichsmodus und ein zweiter Betriebsmodus einem Performanzmodus entspricht wobei weiterhin ein Vergleicher vorgesehen ist, der im Vergleichsmodus aktiviert ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Umschaltwunscherkennung vorgesehen sind wobei die
Mittel zur Umschaltwunscherkennung den Umschalter steuern, um von einem Betriebsmodus in einen anderen umzuschalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Umschaltwunscherkennung und der Umschalter in einer Komponente des Rechnersystems, insbesondere in einer baulichen Einheit, zusammengefasst sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicher und der
Umschalter in einer Komponente des Rechnersystems, insbesondere in einer baulichen Einheit, zusammengefasst sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Umschaltwunscherkennung und der Vergleicher in einer Komponente des Rechnersystems, insbesondere in einer baulichen Einheit, zusammengefasst sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicher, die Mittel zur Umschaltwunscherkennung und der Umschalter in einer Komponente des Rechnersystems, insbesondere in einer baulichen Einheit, zusammengefasst sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rechnersystem Daten und Instruktionen in zwei Pipelines abgearbeitet werden, wobei die Pipelines in verschiedenen Stufen aufgebaut sind und die Mittel zur Umschaltwunscherkennung einer eigenen Pipeline Stufe entsprechen.
7. Verfahren zur Umschaltung bei einem Rechnersystem mit wenigstens zwei Ausführungseinheiten, wobei zwischen wenigstens zwei Betriebsmodi umgeschaltet wird und ein erster Betriebsmodus einem Vergleichsmodus und ein zweiter Betriebsmodus einem
Performanzmodus entspricht wobei im Vergleichsmodus ein Vergleicher aktiviert ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltwunscherkennung und ein durch die Umschaltwunscherkennung gesteuerter Umschalter vorgesehen ist um von einem Betriebsmodus in einen anderen umzuschalten.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Umschaltwunscherkennung ein Umschaltsignal erzeugen, durch welches ein Umschalten durch den Umschalter ausgelöst wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicher und der
Umschalter in einer Komponente des Rechnersystems als Umschalt- und Vergleichseinheit, zusammengefasst sind und die Mittel zur Umschaltwunscherkennung ein Umschaltsignal erzeugen, durch welches ein Umschalten durch die Umschalt- und Vergleichseinheit ausgelöst wird.
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