簡要分析冗余備份和自動修復

葉雷 賈海鵬

【摘要】本文簡要地對冗余備份的必要性作出了初步分析，并以自動修復為設計目標建立模型并加以論證。

【關鍵詞】VHDL：Very high speed integraded circuit Hardware Description Language;超高速集;成電路硬件描述語言;FPGA：Field-Programable Gate Array;現(xiàn)場可編程門陣列

1.緒論

在當前電子產(chǎn)品日新月異的飛速發(fā)展下，社會生產(chǎn)力得到了急速的提升。在我們享受電子產(chǎn)品帶來的各種便利的同時，其副作用也開始逐步凸現(xiàn)出來，最明顯的外在表現(xiàn)就是隨著電子產(chǎn)品集成度越來越高，速度越來越快，功能變得極度細化，各種專業(yè)的單功能芯片越來越多，這使得最終的產(chǎn)品的組成也不斷趨于復雜化。

復雜化的副作用就是因元器件的種類和數(shù)量（包含集成電路內(nèi)部的晶體管）不斷攀升造成產(chǎn)品可靠性的不斷下降。依據(jù)串聯(lián)結構的可靠性模型計算可以使用下面的公式：

λGs=ΣNiλGiΠQi

其中各參數(shù)的定義如下：

λGs：設備總失效率;

Ni：第i種元器件數(shù)量;

λGi：第i種元器件的通用失效率;

ΠQi：第i種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)。

從公式中我們可以看出，隨著元器件的種類和數(shù)量增加，設備的失效率呈非線性變化，也就是說，即使每一個元器件的可靠性都很高，在數(shù)量的堆積下也會導致設備整體的可靠性下滑。這里有一個簡單的例子，那就是美國的航天飛機，據(jù)說上面的每一個元器件的可靠性都達到了六個9（99.9999%）以上，但整個航天飛機的可靠性卻不足50%。同理，現(xiàn)在的集成電路的使用的硅單晶純度達到14個9甚至更高，卻因為集成的晶體管規(guī)模動輒數(shù)以億計，從而使得良品率過于低下而導致造價高昂。

解決這個問題一般依靠兩種方式，其一是繼續(xù)通過提升單個組成部分或元器件的可靠性來完成，另一種則是在這種串聯(lián)模型的基礎上增加一個或多個并聯(lián)模型，從而降低整體故障的風險。我們在這里只討論后一種，這種方式通常也被稱作冗余備份設計。

2.冗余備份設計的歷史和發(fā)展

冗余備份設計起源很早，已經(jīng)很難考證其由來，但是真正讓人們大規(guī)模認識到其必要性還是來自19世紀后期發(fā)生的“愛迪生電燈事件”。事件起源于發(fā)明大王愛迪生發(fā)明白熾燈后，為了推廣白熾燈成立了專門的公司花大力氣進行推銷，初期卻應者寥寥。通過分析發(fā)現(xiàn)，愛迪生的電燈公司采用的是這樣的控制模型，如圖1所示。

圖1

這是一個標準的串聯(lián)模型，從發(fā)電廠到控制開關再到一長串用戶，所經(jīng)過的各個節(jié)點都是串在一起，用戶沒有獨立的控制權，所有的電燈開關都掌握在發(fā)電廠的手里。同時，盡管愛迪生的白熾燈在走出實驗室的時候已經(jīng)擁有了上千小時的壽命，但是在龐大而脆弱的串聯(lián)結構下表現(xiàn)糟糕，失效率和接入用戶數(shù)量成正比，結果就是只要其中一處發(fā)生故障（斷路），整個線路就全部癱瘓，令維修人員疲于奔命。

為了解決這個問題，愛迪生的電燈公司將控制模型作了這樣的改進如圖2所示。

圖2

經(jīng)過改進以后，用戶接入模式由串行改為并行，單個用戶故障（斷路）不會影響其他用戶，大大提升了整個配電系統(tǒng)的可靠性。這也成為現(xiàn)代供電系統(tǒng)的基本模型。從某種意義上來講，假設用戶的功能和用電級別相同，就可以把并聯(lián)在同一供電網(wǎng)絡內(nèi)的用戶視作互為備份。這就好比幾條相互獨立的生產(chǎn)線生產(chǎn)相同的產(chǎn)品時，其中一條故障，其余正常工作的生產(chǎn)線可以接替其任務繼續(xù)維持生產(chǎn)，有必要的情況下，在建立生產(chǎn)線的同時就需要提前建立備用的生產(chǎn)線以備隨時接替故障的生產(chǎn)線。

這樣的備份模式最大的問題在于需要人工干預。也就是說，故障部分的工作任務需要人工參與，把它承擔的功能轉(zhuǎn)移到其他的備份上。在通常的情況下，這樣的備份方式當然沒有問題，但是在一些特殊情況下就不適合了，例如使用探測器在深海、火山或者外空間之類的區(qū)域執(zhí)行任務，或者在執(zhí)行特殊的軍事命令的時候，操作人員無法現(xiàn)場維修或與設備失去聯(lián)絡的情況下，就需要設備具有一定的自我修復的能力，以維持一些必需的基本功能的運行。這也是未來冗余備份設計的發(fā)展趨勢之一。

3.自動修復的冗余備份設計

需要具備自動修復的冗余備份功能，通常情況下應當滿足下面幾個條件：

（1）復雜度不宜過高，過于復雜的設計同樣會降低系統(tǒng)的可靠性，

（2）成本控制：冗余設計本身必定會帶來額外的成本，在不到萬不得已的情況下，盡可能減少冗余備份的數(shù)量;

（3）部件通用化：使用最大化設計的模式，讓每個獨立的功能模塊都具有完成或輔助完成其他功能模塊的能力，盡量避免使用專用元器件;

（4）根據(jù)使用環(huán)境，盡量裁減次要功能：從理論上講，理想的冗余備份就是制造一套或多套和原件相同的產(chǎn)品，用于隨時替換故障的部分，但這顯然不可能，也不現(xiàn)實。應當依據(jù)各個部分的重要等級和易損程度，對冗余設計的必要性作出評估。

設計具備自動修復的冗余備份功能，基本設計原則應當遵循下列原則：

（1）功能完善且獨立，可以完全代替故障模塊繼續(xù)運行;

（2）具有獨立的故障診斷電路，能與其他并行工作的功能模塊實時同步工作狀態(tài)，以便隨時可以執(zhí)行功能移交的操作;

（3）具有防死鎖設計，以免出現(xiàn)相互判斷對方故障，造成系統(tǒng)鉗死;

（4）模塊之間采用電路相互隔離的措施，防止嚴重硬件故障造成災難擴散。

依據(jù)上述原則，設計出一個簡化的實驗方案，功能結構簡圖如圖3所示。

如圖3中所示，我們的目標是對兩個執(zhí)行單元進行控制，并且為了提高運行的穩(wěn)定性，對控制功能區(qū)作了冗余備份的設計，分別為功能區(qū)A和功能區(qū)B，因二者軟硬件功能結構完全相同，故采用模塊化設計，以便于生產(chǎn)和維護。從功能最小化的角度上看，正常運行的時候只需要一個功能模塊即可，出現(xiàn)故障時可以通過人工干預，更換故障功能模塊。然而在某些特定情況下，我們需要功能模塊迅速自動進行功能的移交轉(zhuǎn)移，在不中斷當前運行任務的情況下繼續(xù)工作，以達到自動修復的目標。在這種情況下，功能單元的設計可以遵循下面的設計方案來進行。

（1）主控單元

主控單元作為整個功能模塊的核心，應當具備兩個基本的功能模式，即工作模式和故障模式。

在處于工作模式的時候，必須在執(zhí)行對兩個執(zhí)行單元的控制任務的同時，依據(jù)執(zhí)行單元的反饋信息，對下一步的控制指令進行相應的調(diào)整，并執(zhí)行對看門狗電路的喂狗操作，在看門狗發(fā)出故障信號的時候，將故障信號通過通信單元將自檢結果發(fā)送出去，發(fā)送完畢后停止喂狗操作以關閉指令通道，交出對故障部分的功能控制權，嚴重的情況下自我封閉并通知電源，對本模塊進行斷電保護。

在處于故障模式的時候，只接收執(zhí)行單元的反饋信息，計算執(zhí)行單元的控制指令但不發(fā)送，需要實時對工作中的功能模塊進行監(jiān)視，分析對方發(fā)送來的自檢信號，一旦發(fā)現(xiàn)對方的自檢出現(xiàn)故障，立即開始進行喂狗操作，將控制執(zhí)行單元的指令發(fā)送出去，接替故障單元的功能，進入工作模式。

從上述的需求進行分析，主控單元為了保證系統(tǒng)工作的實時性，應當優(yōu)先采用具有并行處理能力的元器件，利用多個任務同時執(zhí)行的優(yōu)勢將故障造成的工作中斷壓縮到最小。在實時性要求不高的場合下，再考慮使用順序執(zhí)行的處理器或其他元器件。在本次的試驗中，采用CPLD作為主控單元的核心，利用可編程的VHDL語言的并發(fā)執(zhí)行的特點可以將各功能分解安排進不同的進程。如果需要的計算量比較大，可以將CPLD更換為容量更大、功能更多的FPGA。

（2）看門狗

看門狗的基本原理是計數(shù)器，利用喂狗信號來對計數(shù)器的計數(shù)值進行清零。在超出等待時間還沒有等到喂狗信號，計數(shù)器產(chǎn)生溢出信號，這個信號一方面用于通知主控單元，另一面用于關閉該看門狗所監(jiān)視的功能指令的使能，避免錯誤的指令被執(zhí)行單元所執(zhí)行?？撮T狗可以使用獨立的專用元器件來構建，也可以將這部分功能集成到CPLD/FPGA內(nèi)部，以節(jié)約成本。

（3）緩沖器

緩沖器由帶有使能的驅(qū)動電路和隔離器件組成，以避免干擾或其他意外情況造成故障。隔離器件根據(jù)使用的環(huán)境不同有所差別，低電壓弱電流的情況下通?？梢允褂霉怆婑詈掀?，高電壓強電流下則需要使用繼電器等元器件予以保護。

（4）通信單元

依據(jù)工作環(huán)境、運行指標等因素，可以選擇串行通信或并行通信，根據(jù)實際情況來選用通信器件，或直接使用自定義的通信協(xié)議，將通信功能也集成到CPLD/FPGA內(nèi)部，然后在外部使用電流差分、LVDS等方式完成接口之間的匹配。

以上述功能框架設計出的控制模型，經(jīng)過仿真驗證，基本上滿足了我們對控制目標不間斷切換控制的需求，在進一步完善軟件后，還可以實現(xiàn)兩個功能區(qū)各自執(zhí)行一個控制目標的半冗余設計，從而滿足部分損壞但不致命的情況，再度提高整個系統(tǒng)的可靠性。

當然，這種所謂的“修復”，從本質(zhì)意義上并不算是修復，只能是替換。因此，“自動修復”從廣義的角度上講，最終目標應當是融合生物技術，模仿生物本身擁有的生長恢復的能力來進行新陳代謝——從電子到仿生，還需要漫長的探索和研究。