譚敏哲

（華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著各種微處理器的快速發(fā)展，其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，上至人造衛(wèi)星，下至工廠流水線，都離不開(kāi)微處理器。所以，微處理器或微處理器系統(tǒng)的質(zhì)量決定了工業(yè)控制系統(tǒng)的質(zhì)量?？疾煲粋€(gè)控制系統(tǒng)是否合格的主要指標(biāo)是其快速性、準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，其中穩(wěn)定性，又稱可靠性，是整個(gè)控制系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。具有高穩(wěn)定性的系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境下正常工作，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，對(duì)于環(huán)境未知的探測(cè)工程以及工廠中一些高溫高壓環(huán)境下的生產(chǎn)控制具有很高的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有一個(gè)基本的要求，達(dá)不到穩(wěn)定要求的系統(tǒng)顯然是沒(méi)法使用的。而這個(gè)穩(wěn)定性很大程度上就取決于微處理器的正常工作[1]。

但是，微處理器中又存在程序跑飛（俗稱死機(jī)）和芯片老化等等不安全的因素，其中程序跑飛是最難預(yù)測(cè)到的因素，目前認(rèn)為主要與程序員所寫(xiě)代碼的質(zhì)量和芯片工作環(huán)境有關(guān)，但由于這兩者都不容易控制，一般認(rèn)為微處理器程序跑飛是一個(gè)隨機(jī)事件。但是對(duì)于一般的控制系統(tǒng)，主控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，而主控制器往往是由單一的微處理器及周邊器件構(gòu)成。一旦微處理器程序跑飛，就意味著整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，在工廠流水線上就意味著生產(chǎn)停滯，在一些重要的項(xiàng)目中，比如太空探測(cè)、人造衛(wèi)星等等則意味著整個(gè)項(xiàng)目的失敗。所以解決微處理器程序跑飛至關(guān)重要[2]。

1 增加微處理器穩(wěn)定性常用的方法及其局限性

由于微處理器穩(wěn)定性的重要性，人們?cè)诤茉缰熬烷_(kāi)始研究增加微處理器穩(wěn)定性的辦法。

1.1 工作環(huán)境改良

最初，人們用來(lái)增加微處理器穩(wěn)定性的方法是改良工作環(huán)境，這里的工作環(huán)境主要指芯片工作的溫度、濕度、靜電環(huán)境、電源質(zhì)量等等。目前常用的方法有為CPU 增加散熱風(fēng)扇、增加靜電屏蔽外殼、研究高質(zhì)量供電電源等。直接改良工作環(huán)境的方法對(duì)于增加芯片的穩(wěn)定性效果是相當(dāng)明顯的。不過(guò)，對(duì)于很多控制領(lǐng)域，如冶煉控制或者太空工業(yè)來(lái)說(shuō)，對(duì)于工作環(huán)境的控制技術(shù)非常有限。同時(shí)，環(huán)境控制并不能解決微處理器由于代碼錯(cuò)誤或者老化以及一些其他不穩(wěn)定因素造成的程序跑飛，增加穩(wěn)定性的能力相當(dāng)有限[3-4]。

1.2 硬件復(fù)位

硬件復(fù)位又稱看門(mén)狗計(jì)時(shí)器，是現(xiàn)在增加微處理器穩(wěn)定性的主要手段，它屬于一種補(bǔ)救手段。硬件復(fù)位的工作原理就是讓微處理器不斷對(duì)一個(gè)內(nèi)置或外置的定時(shí)器發(fā)送清零信號(hào)，俗稱喂狗，使得計(jì)數(shù)器的累加值不超過(guò)一個(gè)設(shè)定好的最大值。當(dāng)微處理器程序跑飛后，便不能繼續(xù)發(fā)送清零信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器累加值超過(guò)最大值的時(shí)候，看門(mén)狗計(jì)數(shù)器對(duì)微處理器發(fā)出復(fù)位信號(hào)，同時(shí)清零計(jì)數(shù)器，使微處理器程序回到初始值重新執(zhí)行。其在程序發(fā)生錯(cuò)誤但微處理器尚未損壞時(shí)具有很好的補(bǔ)救效果，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。但是其局限性也是很明顯的，程序必定會(huì)從初始值開(kāi)始執(zhí)行，這很可能會(huì)造成機(jī)械部件的誤操作或者電路信號(hào)的紊亂，造成很多不可預(yù)計(jì)的損失甚至是安全事故[3，5-6]。

1.3 軟硬件結(jié)合復(fù)位

軟硬件結(jié)合復(fù)位是最新出現(xiàn)的補(bǔ)救手段，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)和硬件復(fù)位沒(méi)有區(qū)別。其主要是通過(guò)后備寄存器對(duì)芯片的工作狀態(tài)進(jìn)行保存，在硬件復(fù)位后執(zhí)行一段工作狀態(tài)恢復(fù)程序，使微處理器恢復(fù)到死機(jī)前的工作狀態(tài)，而不是從頭開(kāi)始執(zhí)行[4]。但是這種復(fù)位方法對(duì)于芯片復(fù)位后的初態(tài)造成的誤動(dòng)作還有芯片處于死機(jī)狀態(tài)時(shí)的誤動(dòng)作沒(méi)有效果，同時(shí)回到芯片跑飛前的工作狀態(tài)也有可能造成二次跑飛，使系統(tǒng)陷入死循環(huán)而無(wú)法工作。

1.4 小結(jié)

復(fù)位的方法主要屬于一種補(bǔ)救手段，對(duì)于芯片損壞、更換、升級(jí)等造成系統(tǒng)停止運(yùn)行的情況均沒(méi)有任何效果。而且由于微處理器從死機(jī)狀態(tài)恢復(fù)需要時(shí)間，不論使用什么方法，都不可能使系統(tǒng)在持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)下完成微處理器的重啟或更換。要進(jìn)一步提高這些狀態(tài)下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則必須引入多核心系統(tǒng)。

2 多核心控制系統(tǒng)

2.1 一種多核心控制系統(tǒng)的定義

為了使控制系統(tǒng)能夠在各種情況下，甚至是部分芯片損壞的情況下正常工作，現(xiàn)在提出一種多核心的控制系統(tǒng)的定義：控制系統(tǒng)由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的微處理器組成，每個(gè)處理器均可以單獨(dú)完成處理任務(wù)，系統(tǒng)的最終輸出結(jié)果只有1 個(gè)且決定于各個(gè)單獨(dú)的微處理器的處理結(jié)果。多核心系統(tǒng)有很多實(shí)現(xiàn)方式，本文主要介紹一種基于表決機(jī)制的多核心系統(tǒng)的構(gòu)想并分析。

2.2 多核心表決式控制系統(tǒng)

多核心表決式控制系統(tǒng)，下簡(jiǎn)稱表決式系統(tǒng)，由微處理器、表決器、輸入信號(hào)線、輸出信號(hào)線和反饋信號(hào)線構(gòu)成，如圖1。

圖1 多核心表決式控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

該表決式系統(tǒng)屬于一種并行式處理系統(tǒng)，信號(hào)由多條輸入信號(hào)線輸入到每臺(tái)微處理器，每臺(tái)微處理器單獨(dú)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，并且把處理結(jié)果通過(guò)輸出信號(hào)線傳送給表決器，表決器一般由不會(huì)發(fā)生程序跑飛的邏輯電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的表決邏輯，然后輸出結(jié)果。反饋信號(hào)線主要用來(lái)為遲到機(jī)制服務(wù)。

2.3 遲到機(jī)制

遲到機(jī)制是多核心表決式控制系統(tǒng)的精髓，是它與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)架構(gòu)的重要區(qū)別之一。它的作用在于協(xié)調(diào)整個(gè)多核心系統(tǒng)的工作，使每塊獨(dú)立的微處理器都工作在同一個(gè)步驟甚至是指令上。它的主要工作流程如圖2。

圖2 遲到機(jī)制工作流程圖

遲到機(jī)制的實(shí)現(xiàn)是由每塊單獨(dú)的微處理器實(shí)現(xiàn)的，微處理器在執(zhí)行了一個(gè)步驟后，進(jìn)行短延時(shí)，等待別的微處理器給出結(jié)果和表決器進(jìn)行結(jié)果的最終決斷。然后通過(guò)反饋信號(hào)線獲取當(dāng)前表決器決定的最終結(jié)果，并與自己的結(jié)果進(jìn)行比較，若相同，則等待執(zhí)行完成后執(zhí)行下一步。當(dāng)與自己結(jié)果不同的時(shí)候，則無(wú)條件服從最終結(jié)果，調(diào)整計(jì)數(shù)器至最終結(jié)果下一步驟，并且等待表決結(jié)果，一旦到達(dá)步驟m+1 則跟隨執(zhí)行一個(gè)步驟，并在步驟m+2脫離遲到狀態(tài)。

遲到機(jī)制是仿照人們開(kāi)會(huì)時(shí)的特征設(shè)計(jì)出的協(xié)調(diào)機(jī)制，表決器遵照少數(shù)服從多數(shù)的方式?jīng)Q定最終結(jié)果，與最終結(jié)果不同的一律認(rèn)為是遲到者，不論是剛剛死機(jī)而被復(fù)位了的芯片，還是因?yàn)槠渌蛩厥沟糜?jì)算出現(xiàn)了偏差的芯片，全部都調(diào)整到最終結(jié)果的下一個(gè)狀態(tài)，并在下一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行跟隨執(zhí)行，如果執(zhí)行結(jié)果無(wú)誤，則在再下一個(gè)步驟到達(dá)正常執(zhí)行狀態(tài)，重新與其他芯片一起參與表決。

2.4 表決式系統(tǒng)分析

2.4.1 穩(wěn)定性分析

圖3 傳統(tǒng)單核心控制系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)的時(shí)序圖

圖4 未加入遲到機(jī)制時(shí)多核心系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)的時(shí)序圖

圖5 加入遲到機(jī)制后多核心系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)的時(shí)序圖

如圖3～5所示，比較上述三種系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候的時(shí)序圖，可以發(fā)現(xiàn)沒(méi)有遲到機(jī)制的多核心系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間比單核心系統(tǒng)是要長(zhǎng)一點(diǎn)，但是由于一個(gè)產(chǎn)品中的芯片很可能來(lái)自于同一批，當(dāng)其中一塊發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候，另外一塊發(fā)生錯(cuò)誤的概率也大大提高?？紤]到多核心系統(tǒng)復(fù)雜度與成本的急劇上升，多核心系統(tǒng)的確不如單核心系統(tǒng)。

但是加入遲到機(jī)制后，多核心系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)馬上就得到了體現(xiàn)，由于芯片從錯(cuò)誤狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)的時(shí)間比較短，而且由于芯片的生產(chǎn)工藝等等的差別，很少出現(xiàn)兩塊芯片同時(shí)死機(jī)的情況，這樣就使得多核心系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行很長(zhǎng)一段時(shí)間，由圖5 可知，雖然微處理器2、3 先后發(fā)生了錯(cuò)誤，但是整個(gè)控制系統(tǒng)都能夠繼續(xù)運(yùn)行，這都得益于遲到機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性質(zhì)的飛躍。

2.4.2 表決器設(shè)計(jì)

對(duì)于表決式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，表決器是整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)中心，是由可靠性極高的邏輯電路構(gòu)成的，下面就設(shè)計(jì)一種少數(shù)服從多數(shù)邏輯的表決邏輯電路，先列出邏輯真值表。

表1 表決邏輯真值表

仿真時(shí)序符合要求，表決器能夠完成表決功能，如圖7所示。

2.4.3 復(fù)雜度分析

假設(shè)1個(gè)n 位與非門(mén)復(fù)雜度相當(dāng)于n-1 個(gè)兩位與非門(mén)。

則實(shí)現(xiàn)一個(gè)n 線表決式邏輯需要：

則總共需要與非門(mén)數(shù)為：

設(shè)n=2k-1，

則有：

可知復(fù)雜度主項(xiàng)ε ∝kk。雖然表決式系統(tǒng)核心數(shù)越多則穩(wěn)定性越高，但是核心數(shù)增加將造成表決器復(fù)雜度的劇烈上升，制造成本大大增加。同時(shí)由于對(duì)與非門(mén)集成度的需求快速增加，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定有效的表決器，系統(tǒng)的穩(wěn)定性反而開(kāi)始下降。因此使用文章所述表決式邏輯形成的多核心系統(tǒng)的核心總數(shù)將受到一定限制。

3 表決式系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值

3.1 穩(wěn)定性高、恢復(fù)能力強(qiáng)

這點(diǎn)已經(jīng)在前文中說(shuō)明了，此處列舉只是為了邏輯完整。

3.2 可以在不暫停的情況下進(jìn)行檢修、更換、升級(jí)

當(dāng)使用時(shí)間快到達(dá)芯片壽命時(shí)，則需要對(duì)微處理器進(jìn)行更換或者升級(jí)。而且日常的檢修也是必要的，但是對(duì)于一些特殊的行業(yè)來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)是不允許暫停的[1]，而表決式多核心控制系統(tǒng)提供了這種可能。

圖6 與非門(mén)邏輯電路圖

圖7 仿真時(shí)序圖

圖8 表決式系統(tǒng)更換芯片示意圖

如圖8 所示，在整個(gè)更換過(guò)程中，由于被暫停的工作的芯片只有一片，系統(tǒng)正常工作的6 塊芯片通過(guò)表決后將使系統(tǒng)繼續(xù)工作在一個(gè)正常狀態(tài)上，直至最后7 塊芯片全部都不是原來(lái)的芯片了，系統(tǒng)還是不需要暫停工作。在表決式系統(tǒng)中，工作狀態(tài)在多塊芯片之間傳遞和轉(zhuǎn)移，而不存在于任何一塊芯片之內(nèi)，使得系統(tǒng)可以在部分被更換或者是被損毀的狀態(tài)下正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

在傳統(tǒng)方法對(duì)于控制系統(tǒng)穩(wěn)定性提升能力有限的情況下，本文創(chuàng)新地提出了一種具有極高穩(wěn)定性的新型控制系統(tǒng)架構(gòu)，采用多片微處理器替代傳統(tǒng)的單主控制器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性質(zhì)的飛躍，突破當(dāng)前穩(wěn)定性提升的瓶頸。文章說(shuō)明了這種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足，并且說(shuō)明了遲到機(jī)制對(duì)于多核心系統(tǒng)的重要作用，對(duì)于進(jìn)一步設(shè)計(jì)生產(chǎn)這種架構(gòu)的處理系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

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