Структурные методы повышения надежности
Абсолютной надежности технических устройств добиться принципиально невозможно, а максимально повысить показатели их надежности (в соответствии с уровнем развития техники) реально, и это является важнейшей научной и технической задачей. Повышение уровня надежности ЭВА достигается прежде всего устранением причин, вызывающих в ней отказы, т. е. сведением к минимуму (или полной ликвидации, если это возможно) конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок.
Значительного повышения надежности ЭВМ достигают созданием новых элементов. Так, применение ИС для построения основных узлов ЭВМ (регистров, сумматоров и др.) привело к значительному повышению надежности машин третьего и четвертого поколений.
Однако повышением надежности элементов рассмотренными выше методами не удается в настоящее время полностью решить проблему построения надежных ЭВМ, что вызвано значительным опережением роста сложности вновь разрабатываемых ЭВМ, большими затратами при получении элементов высокой надежности, а также существованием элементов, надежность которых довольно низка и трудно поддается повышению (устройства ввода и вывода информации и др.).
Поэтому один из путей повышения надежности ЭВМ — введение схемной избыточности.
Разработка методов синтеза ЭВМ, обладающих заданной надежностью, сводится к нахождению оптимальной избыточности. При этом основное — согласование метода повышения достоверности с наиболее вероятными ошибками, появляющимися в различных устройствах ЭВМ.
Один из видов схемной избыточности — структурное резервирование, предполагающее включение в схему устройства дополнительных элементов, которые позволяют скомпенсировать отказы отдельных частей устройств и обеспечить его надежную работу. Но резервирование эффективно только в том случае, когда неисправности являются статистически независимыми.
В ЭВМ ввод структурной избыточности производят по следующей схеме: входные сигналы поступают на n логических схем, причем n> k, где k — число логических схем в нерезервированной схеме.
Выходные сигналы всех n логических схем далее подают на решающий элемент, который согласно функции решения по этим сигналам определяет значения выходных сигналов всей схемы. Функция решения — правило отображения входных состояний решающего элемента на множество его выходных состояний.
Простейший и наиболее распространенный вид функции решения
—«закон большинства», или мажоритарный
закон.
В таком случае решающий элемент обычно называют мажоритарным элементом. Работа мажоритарного элемента состоит в следующем: на входы элемента поступают двоичные сигналы от нечетного количества идентичных элементов; выходной сигнал элемента принимает значение, равное значению, которое принимает большинство входных сигналов.
Наиболее широко используют мажоритарные элементы, работающие по закону «2 из З». В этих элементах значение выходного сигнала равно значению двух одинаковых входных сигналов.
Кроме того, известны мажоритарные элементы, работающие по закону «З из 5», «4 из 7» и т. д. Схема мажоритарного элемента, работающего по закону «2 из З» и построенного из логических элементов И и ИЛИ, основана на выражении z= x1x2+x2x3+x1x3
и имеет вид, изображенный на рис. 4.
Рис. 4. Схема мажоритарного элемента «2 из З»
По способу включения резервных элементов функциональных устройств различают три вида резервирования: постоянное, замещением
и скользящее.
При постоянном
резервировании предполагают, что любой отказавший элемент или узел не влияет на выходные сигналы и поэтому его прямого обнаружения не производится.
Постоянное резервирование наиболее распространено в невосстанавливаемых устройствах. Кроме того, оно является единственно возможным в устройствах, где недопустим даже кратковременный перерыв в работе.
Постоянное резервирование вводится или с помощью решающего блока, или в виде однотипных элементов или блоков, включенных последовательно, параллельно или, например, согласно законам k-кратной логики.
В качестве решающего блока можно использовать мажоритарные элементы с постоянными или переменными весами, кодирующие — декодирующие устройства и схемы из логических элементов И,ИЛИ,НЕ.
При резервировании замещением
предполагается обнаружение
отказавшего элемента или узла и подключения исправного. Замещение может происходить либо автоматически, либо вручную.
Резервирование замещением имеет следующие достоинства: для многих схем при включении резервного оборудования не требуется дополнительно регулировать выходные параметры, вследствие того что электрические режимы в схеме не меняются, резервная аппаратура до момента включения в работу обычно обесточена, что повышает общую надежность системы за счет сохранения ресурса электронных устройств, кроме того, экономится энергия источников питания, имеется возможность использования одного резервного элемента на несколько рабочих.
Вследствие сложности
аппаратуры для автоматического включения резерва резервирование замещением целесообразно применять к крупным блокам и отдельным функциональным частям ЭВМ.
При скользящем
резервировании любой резервный элемент может замещать любой основной элемент.
Для осуществления этого резервирования необходимо иметь устройство, которое автоматически находит неисправный элемент и подключает вместо него резервный.
Достоинство такого резервирования в том, что при идеальном автоматическом устройстве будет наибольший выигрыш в надежности по сравнению с другими методами резервирования.
Однако осуществление скользящего резервирования возможно лишь при однотипности элементов.
