Вычислительный модуль
Полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использована в вычислительных устройствах различного назначения. Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в вычислительный модуль, содержащий внутреннюю системную магистраль адреса, внутреннюю системную магистраль данных, внутреннюю системную магистраль управления, центральный процессор, основное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство, контроллер связи с внешними устройствами, микросхему двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, первый диод, включенный в прямом направлении между шиной питания вычислительного модуля и входом питания микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, первый конденсатор, один вывод которого соединен с входом питания микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, а другой - с шиной нулевого потенциала, введены дополнительное ОЗУ, второй диод, включенный в прямом направлении между шиной питания вычислительного модуля и входом питания дополнительного ОЗУ, а также второй конденсатор, один вывод которого соединен с входом питания дополнительного ОЗУ, а другой - с шиной нулевого потенциала. Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении возможности более быстрого восстановления хода вычислительного процесса после кратковременных сбоев электропитания.
Полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использована в вычислительных устройствах различного назначения.
Известен вычислительный модуль, описанный в работе [1], который содержит шину адреса (внутреннюю системную магистраль адреса), шину данных (внутреннюю системную магистраль данных), шину управления (внутреннюю системную магистраль управления), микропроцессор (центральный процессор), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство, контроллер связи с внешними устройствами.
В вычислительном модуле выходы адреса центрального процессора, входы адреса ОЗУ, входы адреса постоянного запоминающего устройства и входы адреса контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью адреса.
Входы-выходы данных центрального процессора, входы-выходы данных основного ОЗУ, входы-выходы данных постоянного запоминающего устройства и входы-выходы данных контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью данных. Входы-выходы управления центрального процессора, входы-выходы управления ОЗУ, входы-выходы управления постоянного запоминающего устройства и входы-выходы управления контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью управления.
Известен также вычислительный модуль [2]. Этот модуль содержит внутреннюю системную магистраль адреса, внутреннюю системную магистраль данных, внутреннюю системную магистраль управления, центральный процессор, ОЗУ, постоянное запоминающее устройство и контроллер связи с внешними устройствами, при этом выходы адреса центрального процессора, входы адреса ОЗУ и входы адреса контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью адреса, входы-выходы данных центрального процессора, входы-выходы данных основного ОЗУ, входы-выходы данных постоянного запоминающего устройства и входы-выходы данных контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью данных, входы-выходы управления центрального процессора, входы-выходы управления ОЗУ, входы-выходы управления постоянного запоминающего устройства и входы-выходы управления контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью управления. Вычислительный модуль содержит также блок элементов "Исключающее ИЛИ" и вход выбора стартового адреса, при этом младшие разряды входа адреса постоянного запоминающего устройства соединены с внутренней системной магистралью адреса, старшие разряды входа адреса постоянного запоминающего устройства соединены с выходами блока элементов "Исключающее ИЛИ", первые входы которого соединены с внутренней системной магистралью адреса, а вторые - со входом выбора стартового адреса.
Недостатком вычислительного модуля [2] является возможность сбоя в работе вычислительного модуля в случае кратковременных или долговременных сбоев по цепи питания.
Известен также вычислительный модуль [3], являющийся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому и принятый за прототип.
Этот вычислительный модуль содержит внутреннюю системную магистраль адреса, внутреннюю системную магистраль данных, внутреннюю системную магистраль управления, центральный процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - основное ОЗУ, постоянное запоминающее устройство и контроллер связи с внешними устройствами, микросхему двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, диод, включенный в прямом направлении между шиной питания вычислительного модуля и входом питания микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, а также конденсатор, один вывод которого соединен с входом питания микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, а другой - с шиной нулевого потенциала, при этом микросхема двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения содержит статическое ОЗУ и репрограммируемую память, соединенные между собой напрямую внутримикросхемной двунаправленной магистралью по принципу «ячейка в ячейку», выходы адреса центрального процессора, входы адреса постоянного ОЗУ, входы адреса постоянного запоминающего устройства и входы адреса контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью адреса, входы-выходы данных центрального процессора, входы-выходы данных ОЗУ, входы-выходы данных постоянного запоминающего устройства и входы-выходы данных контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью данных, входы-выходы управления центрального процессора, входы-выходы управления основного ОЗУ, входы-выходы управления постоянного запоминающего устройства и входы-выходы управления контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью управления, входы адреса, входы-выходы данных и входы-выходы управления микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения соединены, соответственно, с внутренней системной магистралью адреса, с внутренней системной магистралью данных и с внутренней системной магистралью управления.
Недостатком вычислительного модуля, выбранного за прототип, является невозможность принятия оперативного программного решения об исполнении процедуры восстановления хода вычислительного процесса после кратковременного выключения питания (сбоя питания), что существенно увеличивает время восстановления вычислительного процесса.
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание вычислительного модуля, в котором обеспечивается возможность программного распознавания кратковременного выключения питания (сбоя питания) и быстрого восстановления вычислительного процесса.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в вычислительный модуль, содержащий внутреннюю системную магистраль адреса, внутреннюю системную магистраль данных, внутреннюю системную магистраль управления, центральный процессор, основное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство, контроллер связи с внешними устройствами, микросхему двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, первый диод, включенный в прямом направлении между шиной питания вычислительного модуля и входом питания микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, первый конденсатор, один вывод которого соединен с входом питания микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, а другой - с шиной нулевого потенциала, введены дополнительное ОЗУ, второй диод, включенный в прямом направлении между шиной питания вычислительного модуля и входом питания дополнительного ОЗУ, а также второй конденсатор, один вывод которого соединен с входом питания дополнительного ОЗУ, а другой - с шиной нулевого потенциала, при этом микросхема двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения содержит статическое ОЗУ и репрограммируемую память, соединенные между собой напрямую внутримикросхемной двунаправленной магистралью по принципу «ячейка в ячейку», выходы адреса центрального процессора, входы адреса основного ОЗУ, входы адреса постоянного запоминающего устройства, входы адреса микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения и входы адреса контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью адреса, входы-выходы данных центрального процессора, входы-выходы данных основного ОЗУ, входы-выходы данных постоянного запоминающего устройства, входы-выходы данных микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения и входы-выходы данных контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью данных, входы-выходы управления центрального процессора, входы-выходы управления основного ОЗУ, входы-выходы управления постоянного запоминающего устройства, входы-выходы управления микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения и входы-выходы управления контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью управления, входы адреса, входы-выходы данных и входы-выходы управления дополнительного ОЗУ соединены, соответственно, с внутренней системной магистралью адреса, с внутренней системной магистралью данных и с внутренней системной магистралью управления.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором обозначены:
1 - внутренняя системная магистраль адреса;
2 - внутренняя системная магистраль данных;
3 - внутренняя системная магистраль управления;
4 - центральный процессор;
5 - основное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
6 - постоянное запоминающее устройство;
7 - микросхема двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения;
8 - контроллер внешней системной магистрали;
9 - вход-выход внешней системной магистрали адреса;
10 - вход-выход внешней системной магистрали данных;
11 - вход-выход внешней системной магистрали управления;
12 - первый конденсатор;
13 - первый диод;
14 - дополнительное ОЗУ;
15 - второй конденсатор;
16 - второй диод.
Вычислительный модуль содержит внутреннюю системную магистраль 1 адреса, внутреннюю системную магистраль 2 данных, внутреннюю системную магистраль 3 управления, центральный процессор 4, основное ОЗУ 5, постоянное запоминающее устройство 6, микросхему 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, контроллер 8 внешней системной магистрали, вход-выход 9 внешней системной магистрали адреса, вход-выход 10 внешней системной магистрали данных, вход-выход 11 внешней системной магистрали управления, первый конденсатор 12, первый диод 13, дополнительное ОЗУ 14, второй конденсатор 15 и второй диод 16.
Основное оперативное запоминающее устройство 5, постоянное запоминающее устройство 6, микросхема 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, контроллер 8 внешней системной магистрали и дополнительное ОЗУ 14 имеют входы адреса, входы-выходы данных и входы-выходы управления.
Центральный процессор 4 имеет выходы адреса, входы-выходы данных и входы-выходы управления.
Контроллер 8 внешней системной магистрали имеет входы-выходы внешней системной магистрали адреса, входы-выходы внешней системной магистрали данных и входы-выходы внешней системной магистрали управления.
Входы-выходы внешней системной магистрали адреса, входы-выходы внешней системной магистрали данных и входы-выходы внешней системной магистрали управления контроллера 8 внешней системной магистрали являются, соответственно, входами-выходами 9, 10 и 11 внешних магистралей адреса, данных и управления.
Выходы адреса центрального процессора 4 соединены с внутренней системной магистралью 1 адреса.
Входы адреса основного ОЗУ 5, постоянного запоминающего устройства 6, микросхемы 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, контроллера 8 внешней системной магистрали и дополнительного ОЗУ 14 соединены с внутренней системной магистралью 1 адреса.
Входы-выходы данных центрального процессора 4, основного ОЗУ 5, постоянного запоминающего устройства 6, микросхемы 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, контроллера 8 внешней системной магистрали и дополнительного ОЗУ 14 соединены с внутренней системной магистралью 2 данных.
Входы-выходы управления центрального процессора 4, основного ОЗУ 5, постоянного запоминающего устройства 6, микросхемы 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, контроллера 8 внешней системной магистрали и дополнительного ОЗУ 14 соединены с внутренней системной магистралью 3 управления.
Постоянное запоминающее устройство 6 выполнено на элементах энергонезависимой электроперепрограммируемой памяти. Это позволяет изменять содержимое постоянного запоминающего устройства 6 программным путем без его демонтажа или замены, без применения дополнительных устройств (например, программаторов).
Микросхема 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения содержит статическое ОЗУ и репрограммируемую память, соединенные между собой напрямую внутримикросхемной двунаправленной магистралью по принципу «ячейка в ячейку».
Электронные элементы предлагаемого вычислительного модуля могут быть выполнены следующим образом.
Центральный процессор 4 может быть выполнен на любом процессоре серии Intel x86 или совместимым с ним, или на любом другом универсальном процессоре, имеющем выделенные магистрали адреса и данных.
ОЗУ 5 - любое ОЗУ статического или динамического типа, совместимое с магистралями процессора, например, Cypress CYC13810.
Постоянное запоминающее устройство 6 - любое постоянное запоминающее устройство или перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, например, флэш-память типа Spansion S29JL032.
Микросхема 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения - например, микросхема типа Cypress CY14B256.
Контроллер 8 внешней системной магистрали - любой контроллер внешней системной магистрали, например, контроллер магистрали VMEbus, реализованный на программируемой логике, такой как, например, Altera Cyclon II.
Дополнительное ОЗУ 14 может реализовано на любой на микросхеме, содержащей в себе ячейки статического ОЗУ, например, на микросхеме часов реального времени типа DS1685E.
Питание микросхемы 7 осуществляется с помощью первого диода 13, включенного в прямом направлении между шиной питания вычислительного модуля и входом питания микросхемы 7, а также первого конденсатора 12, один вывод которого соединен с входом питания микросхемы 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, а другой - с шиной нулевого потенциала.
Питание дополнительного ОЗУ 14 осуществляется с помощью второго диода 16, включенного в прямом направлении между шиной питания вычислительного модуля и входом питания микросхемы 7, а также конденсатора 15, один вывод которого соединен с входом питания дополнительного ОЗУ 14, а другой - с шиной нулевого потенциала.
Питание других узлов вычислительного модуля осуществляется по обычной схеме.
Входы-выходы 9, 10 и 11 внешних магистралей адреса, данных и управления предназначены для подключения к вычислительному модулю дополнительных устройств (периферийных устройств).
Вычислительный модуль работает следующим образом.
После включения питания центральный процессор 4 выдает на внутреннюю системную магистраль 1 адреса адрес первой команды программы, а на внутреннюю системную магистраль 3 управления сигнал "чтение".
Происходит чтение данных из постоянного запоминающего устройства 6, которые при помощи внутренней системной магистрали 2 данных передаются в центральный процессор 4. Центральный процессор 4 начинает выполнение записанной в постоянном запоминающем устройстве 6 программы и записывает в несколько ячеек дополнительного ОЗУ 14 произвольный код, наличие которого означает, что вычислительный модуль находится на этапе выполнения основной задачи.
При штатной работе после включения электропитания вычислительного модуля первый конденсатор 12 заряжается и микросхема 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения функционирует как обычное статическое ОЗУ заданной емкости. Программа, исполняемая центральным процессором 4 модуля, может записывать и считывать содержимое ОЗУ микросхемы 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения.
При падении напряжения электропитания первый диод 13 изолирует цепь питания микросхемы 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения.
Если падение напряжения электропитания носит долговременный характер (длительный перерыв питания или полное выключение), то первый конденсатор 12 начинает разряжаться. Встроенный компаратор электропитания микросхемы 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения вырабатывает внутренний сигнал, по которому начинается процедура одновременной перезаписи содержимого всех ячеек внутреннего ОЗУ в ячейки внутренней репрограммируемой памяти (процедура автосохранения). Энергию для этой процедуры обеспечивает первый конденсатор 12, изолированный от общей цепи электропитания диодом 13. Диодно-конденсаторная цепь рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить необходимое напряжение электропитания в течение всего времени выполнения операции автосохранения.
Если падение напряжения электропитания носит кратковременный характер, то при его восстановлении сохраненное содержимое ОЗУ микросхемы 7 двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения вновь становится доступно для процессорного доступа.
При восстановлении и включении электропитания внутренний автомат микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения выполняет обратную процедуру - перезапись содержимого ячеек репрограммируемой памяти в ячейки ОЗУ (восстановление).
Во время выполнения основной задачи для целого ряда ответственных применений в режиме реального времени критически важно при кратковременных сбоях электропитания восстановить ход вычислительного процесса на основе интегральных величин, периодически записываемых в двухуровневую память. Однако для этого следует различать перезапуск вычислительного модуля после кратковременного сбоя питания от начального включения или после длительного перерыва.
Поэтому параметры конденсатора 15, изолированного от основного питания модуля выбирают таким образом, чтобы электропитание дополнительного ОЗУ 14, поддерживалось определенный промежуток времени после падения основного питания вычислительного модуля. В течение этого промежутка времени записанный ранее процессором 4 в дополнительное ОЗУ 14 произвольный код сохраняется. При восстановлении основного электропитания происходит рестарт процессора 4. Одной из первых программных процедур, которые выполняет процессор 4 после рестарта (или включении питания) является сравнение содержимого ячеек дополнительного ОЗУ 14 с тем произвольным кодом, который процессор 4 записывал ранее в эти ячейки при переходе в основной режим работы. Если коды совпадают, то процессор переходит к процедуре быстрого восстановления хода вычислительного процесса, необходимого для возобновления основной работы, в том числе используя интегральные величины, сохраненные при перерыве питания в двухуровневой памяти 7, если коды не совпадают, процессор 4 переходит к выполнению стандартной процедуры, выполняемой при включении электропитания (настройка конфигурации, самотестирование, загрузка необходимого программного обеспечения, настойка программ интерфейса и пр.).
Надежность принятия решения при таком ветвлении определяется количеством ячеек дополнительного ОЗУ 14, зарезервированных для хранения указанного произвольного кода. При использовании, например трех 16-разрядных ячеек вероятность случайного появления определенного кода составляет 2-48 , что можно считать более, чем достаточным.
Таким образом, технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении возможности более быстрого восстановления хода вычислительного процесса после кратковременных сбоев электропитания в результате автоматического сохранения интегральных величин, накопленных во время предыдущей работы модуля, и других критически важных данных, и программного выявления кратковременного перерыва питания (сбоя).
Представленные чертежи и описание вычислительного модуля позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить его промышленным способом и использовать в вычислительных устройствах различного назначения, что характеризует предлагаемую полезную модель как промышленно применимую.
Источники информации.
1. Каган Б.М. Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1987, - с. 11.
2. Свид. РФ 
13105 на ПМ, МПК G06F 7/00, опубл. 20.03.2000 г.
3. Свид. РФ 21310 на ПМ, МПК G06F 7/00, опубл. 04.09.2002 г. (прототип).
Вычислительный модуль, содержащий внутреннюю системную магистраль адреса, внутреннюю системную магистраль данных, внутреннюю системную магистраль управления, центральный процессор, основное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство, контроллер связи с внешними устройствами, микросхему двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, первый диод, включенный в прямом направлении между шиной питания вычислительного модуля и входом питания микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, а также первый конденсатор, один вывод которого соединен с входом питания микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения, а другой - с шиной нулевого потенциала, при этом микросхема двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения содержит статическое ОЗУ и репрограммируемую память, соединенные между собой напрямую внутримикросхемной двунаправленной магистралью по принципу "ячейка в ячейку", выходы адреса центрального процессора, входы адреса основного ОЗУ, входы адреса постоянного запоминающего устройства, входы адреса микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения и входы адреса контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью адреса, входы-выходы данных центрального процессора, входы-выходы данных основного ОЗУ, входы-выходы данных постоянного запоминающего устройства, входы-выходы данных микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения и входы-выходы данных контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью данных, входы-выходы управления центрального процессора, входы-выходы управления основного ОЗУ, входы-выходы управления постоянного запоминающего устройства, входы-выходы управления микросхемы двухуровневой энергонезависимой памяти с программируемой функцией автосохранения и входы-выходы управления контроллера связи с внешними устройствами соединены с внутренней системной магистралью управления, отличающийся тем, что в вычислительный модуль введены дополнительное ОЗУ, второй диод, включенный в прямом направлении между шиной питания вычислительного модуля и входом питания дополнительного ОЗУ, а также второй конденсатор, один вывод которого соединен с входом питания дополнительного ОЗУ, а другой - с шиной нулевого потенциала, при этом входы адреса, входы-выходы данных и входы-выходы управления дополнительного ОЗУ соединены, соответственно, с внутренней системной магистралью адреса, с внутренней системной магистралью данных и с внутренней системной магистралью управления.
