摘  要: 以三个单片机组成的系统为例介绍一种单片机多机冗余容错设计。阐述设计中关键的时钟同步技术和总线仲裁方法,给出控制模块的VHDL语言描述。 

    关键词: 单片机 冗余容错 时钟 总线 VHDL

    本文提出一种表决式单片机多机冗余设计方案。该方案不同于中央系统的多机冗余设计。大规模系统冗余大多采用完善而复杂的机间通讯协议实现系统重构,不太注重系统的实时性。本方案结构简单,易于实现,具有极强的实时性,没有电子开关切换总线的咔嗒声输出。单片机价格低廉、功能灵活,也使得该设计在类似仪器仪表的小系统中的运用成为可能。 

1 设计原理 

    设计结构如图1所示。完成整个冗余设计的电路被置于一个核心控制模块中,如果该模块以FPGA实现也就是一块芯片。图1中单片机1、2、3被假定为冗余的三个单片机,它们的输入总线并联,接收核心控制模块中输入缓冲的输出。输出总线分别接到模块的输出总线仲裁器。核心控制模块包括输入缓冲、输出总线仲裁、电源控制、时钟产生、复位电路和报警控制输出六个部分。 

1.1 输入缓冲 

    为了消除输入端并联输入阻抗带来的影响,在输入端增加了一级缓冲器,减小外围电路的影响。采用输入缓冲,可以实现单片机和外围电路的输入隔离。 

1.2 输出总线仲裁 

    该总线仲裁是建立在所有单片机在时钟级上同步的基础上,通常采用总线表决法。即相同输出总线上的值作为仲裁的结果输出,不同输出总线被当作出错而封止,所有的输出皆不相同则是失败状态,无表决输出。表决的实现当然不能采用软件比较,以三个单片机系统的一位为例介绍表决方法。假设位输入变量X1、X2、X3,输出Q,状态指示:正常N、X1出错E1、X2出错E2、X3出错E3。真值表如表1所示,位仲裁单元如图2所示。 

    显然以上位单元用数字电路不难实现,后面给出整体的VHDL语言描述。总线仲裁由多个这样的位单元组成,个数由单片机输出总线的最大数n决定。仲裁器除了n根输出线,同时还对每个位单元的状态位进行逻辑组合输出正常、出错、失败三种状态指示。失败信号也用作报警保护控制输出,或重新复位输出。失败输出有效时输出失效。 

    以三个单片机的系统为例,如果将仲裁器的三个总线某一时刻输入看作为n位二进制变量X,Y,Z。如果X,Y,Z在任何时候都逐位相同,则系统处于正常工作状态。如果三者中有两个变量逐位相同,而另一个不同,则系统处于出错状态。如果三者皆不相同则系统失败。正常和出错状态可以运行,而失败状态必须保护和处理。 

    FPGA技术的发展,使得设计中的比较、决策等数字电路的设计实现变得非常容易,而且系统简明可靠。如果采用中规模集成电路来实现的话,将相当烦琐和复杂。 

1.3 单片机时钟级同步的实现 

    系统的所有单片机必须达到时钟级的同步。单片机选用相同的型号(可以是不同的厂家),完全相同的程序和同一机器时钟。 

    同一时钟是实现时钟同步的第一步。时钟发生电路在控制模块内产生并送到各单片机的时钟输入端,要求单片机可外接时钟输入。时钟同步并不容易,以89C51为例,51系列单片机上电后振荡器起振输出,ALE脉冲由时钟经分频电路得到,一旦形成,机器周期脉冲和时钟脉冲相位关系固定,不受复位电路影响,直到电源掉电为止。 

    第二步是实现机器周期脉冲同步。MCS51一个机器周期包括6个状态周期,每个状态周期包括2个节拍,对应2个时钟节拍有效期。也就是说一个机器周期包括12个振荡周期,指令工作在时钟节拍上,同时更是同步工作在机器周期上。不论是单字节指令还是双字节指令,指令周期均是机器周期的1、2、4倍。要同步单片机节拍,必须同步机器周期。考虑到上电时间上可能产生的差异,采用先上电后加时钟脉冲的方法。上电时确保时钟输入端没有干扰脉冲引入,所有单片机上电后的内部分频电路起始点一致,然后加入时钟脉冲,各单片机获得同步的机器周期。 

    第三步是同步指令周期。指令的同步需要依靠复位电路来实现。在时钟脉冲正常输入和分频电路正常工作的情况下,复位操作是在复位端加上至少2个机器周期的复位电平而实现的。复位信号由核心控制器发出送至每片单片机。复位后,统一了片内主要寄存器内容,所有单片机程序从起始位置开始执行。 

    单片机时钟级同步的实现主要依靠电源控制、时钟产生、复位电路三部分硬件。 

1.3.1 电源控制 

    三个单片机的供电电源由控制模块控制。主控元件需保证足够电流容量,可采用功率三极管或场效应管实现。不能采用继电器,以避免触点电流跳变。 

1.3.2时钟产生 

    晶体振荡器输出脉冲作为单片机时钟,中间增加可控的缓冲级。缓冲级可以增加时钟信号的输出负载能力,并可被控制模块控制。 

1.3.3 复位电路 

    三个单片机的复位端并联接至同一个复位端。复位信号在信号极性和脉冲宽度上满足单片机复位要求,驱动能力满足多单片机需要。复位电路同样是受控于控制模块,用以实现单片机同步。 

1.4 报警与控制 

    不同状态下核心控制模块有不同的信号输出,异常状态同时也是报警信号。正常状态输出绿灯,出错状态输出黄灯,失败状态输出红灯。黄灯输出时系统可以暂时继续工作,等到系统空闲或许可时进行纠错。红灯输出时系统立即进入保护状态,输出端呈现高阻状态,需要时可以马上纠错,恢复系统。 

    系统恢复需要对控制模块进行复位,复位脉冲可以是自身的失败状态输出,也可以是出错脉冲输出和其他信号的组合逻辑。控制模块的复位,实际是对各单片机重新进行时序对齐和复位单片机程序。此处设计需结合具体使用场合考虑。 

2 控制模块的VHDL语言描述 

    本控制模块主要采用VHDL语言进行描述。 

library ieee; 

use ieee.std_logic_1164.all; 

use ieee.std_logic_unsigned.all; 

Entity redu_control is 

Port( a_bus,b_bus,c_bus: in  std_logic_vector(7  

        downto 0);                  --三输入总线,本设计定为8位 

    o_bus: out  std_logic_vector(7 downto 0); --8位输出总线 

    error_out,fail_out:out  std_logic; --出错、失败输出 

    reset_in,clock_in: in  std_logic; --复位、时钟输入 

    power,clock,reset: out  std_logic;--电源、时钟、复位输出 

    ) 

end; 

architecture control_pro of redu_control is  

signal int: std_logic; 

begin 

    bus_pro:process(a_bus,b_bus,c_bus) --总线控制过程 

    begin 

   if a_bus=b_bus then                    

        o_bus<=a_bus; 

        if a_bus=c_bus then         --正常输出 

            error_out<=＇0＇; 

            fail_out<=＇0＇;  

        else  

            error_out<=＇1＇;       --给出出错信号 

        fail_out<=＇0＇; 

        end if 

    elsif a_bus=c_bus then                     

        o_bus<=a_bus; 

        error_out<=＇1＇;       --给出出错信号 

        fail_out<=＇0＇; 

    elsif b_bus=c_bus then --不同的出错情况 

        o_bus<=b_bus; 

        error_out<=＇1＇; 

        fail_out<=＇0＇; 

    else                        --失败输出 

        o_bus<=(others=>＇z＇); 

        fail_out<=＇1＇; 

    end if 

end process bus_pro;            --总线过程结束 

start_pro process              --启动过程 

begin 

    wait until reset_in=＇1＇;     --等待外部复位启动 

    power<=＇0＇; 

    clock<=＇0＇; 

    reset<=＇0＇;               --停止电源、时钟、复位输出 

    power<=＇1＇ after 3 s;     --3s后输出电源信号 

    clock<=clock_in after 6 s;  --6s后输出时钟信号 

    reset<=＇1＇ after 9 s;    --9s后输出复位信号 

    reset<=＇0＇ after 10 s;    --复位信号回到高电平 

    end process start_pro;      --启动过程结束 

end;    

    本文所述的时钟对齐方法实现比较简单但并不唯一。复杂一点的方法可以采用不同时钟输出到不同单片机,比较反馈后,调整时钟输出个数达到调节目标。 

参考文献 

1 何立民.单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,1990. 

2 边计年.VHDL设计电子线路.北京:清华大学出版社,2000 

3 赵志敏.实时双机容错系统的双机切换及同步控制.计算机工程,1998