Способ функционирования комплексов средств автоматизации систем обработки информации и управления и устройство, его реализующее
METHOD OF FUNCTIONING OF SYSTEMS OF INFORMATION PROCESSING AND CONTROL AUTOMATION SOLUTIONS COMPLEXES AND A DEVICE FOR REALIZING SAID METHOD

Изобретение относится к средствам обнаружения ошибок, исправления ошибок и контроля и может быть использовано для проектирования и модернизации комплекса средств автоматизации из состава систем обработки информации и управления гражданского и военного назначения при критически необходимой надежности вычислений.
Известен способ и вычислительная система отказоустойчивой обработки информации критических функций летательных аппаратов [Патент на изобретение №2413975 от 17.11.2008], когда эффект достигается за счет многократного резервирования трактов реализации критических функций, при которой процессы управления избыточностью и вычислительный процесс разделены в цикле реального времени частично аппаратными средствами. В качестве резервируемых единиц вычислителя выделяются так называемые вычислительные тракты, состоящие из неразрывно связанных цепочек входного интерфейса, процессора и выходного интерфейса. В каждом из вычислительных трактов производится мажоритарное сравнение сигналов, прошедших через каждый тракт. Неоднозначность мажоритарного сравнения сигналов в различных трактах устраняют мажоритарным сравнением результатов сравнения сигналов. Достоверность мажоритарного контроля сигналов достигается путем статистической обработки случайного процесса изменения критического параметра, вычисления остаточной дисперсии и ее мажоритарного сравнения. Этот способ и устройство для его реализации выбраны в качестве прототипа. К недостаткам этой системы относятся:
1) Заведомое завышение объемов потребного резервирования из-за объединения нескольких аппаратных компонентов в одну неразрывную единицу;
2) Слишком высокий объем вычислений, связанных с многоуровневым мажоритарным контролем в сочетании со статистической обработкой сигналов трактов;
3) Сложность самого устройства, что вместе с отсутствием у него встроенного самоконтроля снижает надежность достижения соответствующего технического эффекта.
Также известно устройство для регистрации сигналов неисправности [Патент РФ №2010313 от 1990 кл. G06F 11/00], содержащее: блок асинхронного ввода, элементы ИЛИ, триггеры, счетчики, дешифратор, блок памяти, вход сигнала неисправности, вход «Сброс 1», вход тактовых импульсов, вход пуска, вход ввода, выходы неисправностей, выходы числа неисправностей, выход "Готовность", вход "Сброс 2", выход блокировки устройства, элементы И, элемент НЕ, элемент И.
Недостатком этого устройства является невысокий вклад регистрации сигналов в общую надежность устройства, по сравнению с резервированными системами.
Прототипом изобретения являются как способ и вычислительная система повышения надежности и достоверности обработки критических функций отказоустойчивой вычислительной системы [Патент на изобретение №2413975 от 17.11.2008], в состав вычислительной системы входят модуль вычислительного узла, многофункционального интерфейсного модуля и модуль объединения выходов, способ повышения надежности и достоверности обработки включает принцип независимого, но взаимосвязанного функционирования систем в программно-аппаратном пространстве, принцип независимого, но взаимосвязанного функционирования систем в пространстве Real Time, так и устройство для регистрации сигналов неисправности [Патент на изобретение №2010313 от 06.08.1990], содержащее блок выделения последнего импульса пачки, формирователь импульсов, два триггера, два элемента И, элемент задержки, первый счетчик, второй счетчик, второй элемент задержки, элемент ИЛИ, третий и четвертый элементы И, блок регистров.
Недостатки прототипов описаны выше.
Задачей изобретения является устранение недостатков известной системы и разработка способа функционирования комплексов средств автоматизации систем обработки информации и управления и устройства его реализующего которое обеспечит повышение надежности вычислительного процесса при решении критически важных задач комплексом средств автоматизации систем обработки информации и управления (СОИУ).
Техническим результатом изобретения является повышение надежности вычислений при обработке критически важных информационно-расчетных задач комплексом средств автоматизации СОИУ.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается как путем мажоритарного резервирования вычислительных трактов, так и с помощью системы встроенного контроля, реализованную в устройстве мажоритарного выбора и контроля, тем, что устройство для функционирования комплекса средств автоматизации СОИУ, содержащее устройство распределения задач, вычислительные тракты, устройство мажоритарного выбора и контроля, устройство вывода, устройство запоминания отказов, таким образом, что устройство распределения запросов соединено с вычислительными трактами, вычислительные тракты соединены с устройством мажоритарного выбора и контроля, устройство мажоритарного выбора и контроля соединено с устройством вывода и с устройством запоминания отказов, позволяет повысить надежность вычислений при обработке критически важных информационно-расчетных задач комплексом средств автоматизации СОИУ. На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - устройство распределения задач (УРЗ), содержащее блок асинхронного ввода и элементы ИЛИ;
1 (резерв) - устройство распределения задач резервное (УРЗ(резерв)), содержащее блок асинхронного ввода и элементы ИЛИ;
2 - n-ый вычислительный тракт (ВТ), содержащий блоки счетчиков и дешифратор;
3 - устройство мажоритарного выбора и контроля (УМВиК);
3 (резерв) - устройство мажоритарного выбора и контроля резервное (УМВиК(резерв));
4 - устройство запоминания отказов (УЗО);
5 - устройство отображения ошибок (УОО);
6 - устройство вывода (УВ).
В предлагаемом способе рассмотрены две степени критичности задач:
1 - критичные задачи, требующие надежных вычислений,
2 - некритичные задачи, для которых не заданы высокие требования по надежности.
Также рассмотрены четыре состояния вычислительных трактов:
1 - ВТ осуществляет решение вычислительной задачи(работа);
2 - ВТ не осуществляет решение вычислительной задачи(простой);
3 - ВТ тестируется устройством мажоритарного выбора и контроля 3 на предмет сбоя (тестирование);
4 - ВТ отключен (отказ).
В описании приняты следующие группы сбоев и отказов ВТ:
1 - ошибки, вызванные несанкционированным доступом, зацикливание вследствие ошибок в программном обеспечении (ПО), такие сбои сигнализируются как правило тем, что время прихода ответов много больше допустимого;
2 - ошибки вычислений, вычисленные путем мажоритарного сравнения результатов параллельных вычислений на нескольких ВТ, либо повторного вычисления на одной ВТ;
3 - аппаратный отказ вычислительного тракта.
Решение различных вычислительных задач происходит параллельно и независимо друг от друга. При этом устройства 1, 2, 3, 4, 5, 6 после получения каждого результата вычислений осуществляют взаимную синхронизацию, отправляя и принимая соответствующие данные, описанные ниже.
Устройство распределения задач 1, содержащее блок асинхронного ввода и элементы ИЛИ, а также резерв устройства распределения задач 1 (резерв), критичности, оценки вычислительной сложности задач, ранжирования вычислительных трактов по степени их надежности с учетом как количества сбоев, так и комплексного показателя надежности, распределения задач по вычислительным трактам 2 с учетом критичности задач, показателей надежности вычислительных трактов 2 и, соответственно, потребности в резервировании вычислений. Устройство распределения задач 1 соединено с n вычислительными трактами 2, а также с устройством мажоритарного выбора и контроля 3 и с резервом устройства мажоритарного выбора и контроля 3 (резерв).
n-е вычислительные тракты 2, содержащий блоки счетчиков и дешифраторов предназначены для решения вычислительных задач, имеют одинаковую производительность, способны самостоятельно решать вычислительные задачи, а также передавать информацию о своем состоянии на устройство распределения задач 1 и устройство мажоритарного выбора и контроля 3.
Устройство мажоритарного выбора и контроля 3, а также резерв устройства мажоритарного выбора и контроля 3 (резерв) предназначены для мажоритарного сравнения сигналов, поступающих с вычислительных трактов 2, а также для контроля, перезапуска, тестирования и отключения вычислительных трактов, не отправляющих своевременно результатов вычислений, передачу записей об ошибке или сбое, с указанием, в случае сбоя входных данных задачи, типа ошибки, а также системной отладочной информации об устройстве на момент прихода задачи, в устройство запоминания отказов 4 и должностному лицу на устройство отображения ошибок 5 и выдачи правильных ответов на устройство вывода 6.
Устройство запоминания отказов и выявления ошибок в ПО 4 предназначено для компоновки и обработки информации о надежности вычислительных трактов, выдаче этой информации на устройство распределения задач 1.
Устройство отображения ошибок (5) предназначено для отображения выявленных ошибок и сбоев поступающих с устройства мажоритарного выбора и контроля (3) или с резервного устройства мажоритарного выбора и контроля 3 (резерв).
Устройство вывода (6) предназначено для вывода на печать результатов работы устройства мажоритарного выбора и контроля (3) или резервного устройства мажоритарного выбора и контроля 3 (резерв).
Работа устройства повышения надежности функционирования комплексов средств автоматизации систем обработки информации и управления состоит в следующем.
Устройство распределения задач 1 соединено с резервом устройства распределения задач 1 (резерв), устройством мажоритарного выбора и контроля 3, резервным устройством мажоритарного выбора и контроля 3 (резерв), вычислительными трактами 2, устройством запоминания отказов 4.
В ходе работы в устройство распределения задач 1 с шины, либо внешнего устройства(а), загружаются исходные данные: номер, степень критичности задач, по линии контроля (ж) вычислительные тракты 2 передают свое состояние (работа, простой, тестирование, отказ), а по линии передачи информации (м) передаются от устройства запоминания отказов 4 сведения о количестве отказов и показателе надежности каждой вычислительного тракта, а также оценивается вычислительная сложность пришедших задач и вычисляется максимальное время решения.
Если с вычислительного тракта 2 по линии контроля (ж) не приходит сигнал состояния тракта, то по линии передачи информации (д) в устройство мажоритарного выбора и контроля 3 отправляется запрос на тестирование данного тракта.
Если устройство распределения задач 1 не получает по линии обратной связи (е) информации о состоянии устройства мажоритарного выбора и контроля 3, либо получает информацию о его неработоспособности, то по линии передачи сигнала на переключение в рабочий режим (в) отправляется сигнал на резервное устройство мажоритарного выбора и контроля 3 (резерв) для введения его в действие вместо отказавшего устройства мажоритарного выбора и контроля 3. В таком случае с резерва устройства мажоритарного выбора и контроля 3 (резерв) подается сигнал по линии передачи сигнала на отключение (л) на устройство мажоритарного выбора и контроля 3.
В случае, если по линии обратной связи (е) от устройства мажоритарного выбора и контроля 3 приходит сигнал о зацикливании вычислительного тракта 2, то на него по линии передачи данных (г) передается команда на прекращение вычислений.
Далее в зависимости от степени критичности задачи решается вопрос необходимости мажорирования, а в зависимости от количества незанятых вычислительных трактов 2 выбирается тип мажоритарного резервирования вычислений.
В случае, если простаивающих вычислительных трактов 2 больше трех, а для задачи критична надежность вычислений, то производится параллельное вычисление на трех вычислительных трактах 2. При этом на устройство мажоритарного выбора и контроля 3 подается по линии передачи информации (д) передаются номера вычислительных трактов 2, а также оценка времени вычисления.
В случае, если простаивающих вычислительных трактов 2 два, а для задачи критична надежность вычислений, то производится повторное вычисление на одном вычислительном тракте 2, имеющем наибольший показатель надежности, а на второй вычисление производится однократно. При этом на устройство мажоритарного выбора и контроля 3 подается по линии передачи информации (д) передается номера вычислительных трактов 2 и количество вычислений этой задачи на каждой, а также оценка времени вычисления.
Если свободен один вычислительный тракт 2, а степень критичности задачи требует ее мажорирования, то устройство распределения задач по линии передачи данных (г) подает одну задачу многократно. При этом на устройство мажоритарного выбора и контроля 3 по линии передачи информации (д) передается номер вычислительного тракта 2 и количество вычислений одной задачи на ней, а также оценка времени вычисления.
При оценке надежности вычислительных трактов 2 используется отношение отказов второго типа по принятой выше классификации к правильно решенным задачам, а также количество отказов третьего типа по принятой выше классификации.
Вычислительные тракты 2 результаты вычислений отправляют по линии передачи данных (и) в устройство мажоритарного выбора и контроля 3, а также резерв устройства мажоритарного выбора и контроля 3 (резерв), при этом по линии контроля (ж) передается информация о том, что вычислительный тракт перешла в состояние простоя. Устройство мажоритарного выбора и контроля 3 сохраняет в памяти результаты вычислений, поступившие по линии передачи данных (и), для последующего их мажоритарного сравнения.
Устройство мажоритарного выбора и контроля 3 в ходе работы устройства получает по линии передачи данных (и) результаты вычислений с вычислительных трактов 2, информацию о том, какие вычислительные тракты какую задачу выполняют, а также при резервировании методом повторного вычисления информацию о количестве прогонов задачи на вычислительном тракте, по линии передачи информации (д) от устройства распределения задач 1.
Если вычислительный тракт 2 превышает максимальное время решения, то УМВиК 3 по линии тестирования (к) осуществляет текущий контроль состояния тракта, передавая информацию об этом по линии обратной связи (е) на устройство распределения задач 1.
В случае, если вычислительный тракт 2 не отвечает, по линии передачи сообщений об отказах (н) отправляется информация об отказе третьего типа на УЗО 4, а по линии отображения (о) информация о том, что необходимо осуществить ремонт или ТО вычислительного тракта на УОО 5. После ТО или ремонта при включении вычислительного тракта 2, по линии контроля (ж) подается сигнал о переходе вычислительного тракта 2 в состояние простоя.
В случае, если вычислительный тракт 2 в ответ на тестовый запрос передает информацию о том, что он осуществляет решение задачи, то на информация о зацикливании вычислительного тракта 2, а на УЗО 4 по линии передачи сообщений об отказах (м) передается информация об ошибке первого типа, при этом на устройство отображения ошибок 5 по линии отображения (о) подается информация о том, что задача не решена.
Если в результате решения критически важной задачи, один из вычислительных трактов по линии передачи данных (и) передал на УМВиК 3 ответ, отличающийся от двух других, то это регистрируется как ошибка второго типа, данные по ней отправляются по линии (н) на УЗО 4.
Если по линии передачи информации (д) на устройство мажоритарного выбора и контроля не приходит своевременно информация о том, какие вычислительные тракты какие задачи решают, то по линии управления (з) передается сигнал на переключение в рабочий режим на резерв устройства распределения задач 1 (резерв). В таком случае с резервного устройства распределения задач 1 (резерв) подается сигнал по линии передачи сигнала на отключение (б) на устройство распределения задач 1.
Результаты вычислений для одной задачи сравниваются между собой. Устройство мажоритарного выбора и контроля 3 подает правильные значения в устройство вывода 6 по линии (п).
Правильные значения выбираются мажоритарно по методу «два из трех». Если не все результаты вычислений равны, то фиксируется ошибка, запоминается номер отказавшего устройства, по линии (н) эта информация записывается в устройство запоминания отказов 4 и затем используется для выявления неисправных блоков.
Устройство запоминания отказов 4 получает информацию о потоке отказов вычислительных трактов по линии передачи сообщений об отказах (н) с устройства мажоритарного выбора и контроля 3, информация в сообщениях включает номер отказавшей машины, время и тип отказа, также устройство запоминания отказов 4 отправляет по линии передачи информации (м) данные об обобщенной надежности элементов в устройство распределения задач 1.
Устройство запоминания отказов 4 хранит систематизированную информацию об ошибках и сбоях каждого вычислительного тракта и агрегированные значения показателей надежности и количества отказов вычислительных трактов 2. Так, в качестве показателя надежности принимается отношение суммы ошибок на вычислительном тракте 2 первого и второго типов к количеству выполненных задач, а за количество отказов принимается количество ошибок третьего типа.
Блоки 1, 3, 4 выполнены в виде программно-технических модулей на плате расширения ПЭВТ с архитектурой типа Х86, установленных на соответствующих СОИУ.