Запоминающее устройство с динамическим резервированием

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для построения надежных запоминающих устройств оперативной или постоянной памяти произвольного доступа, работающих в реальном масштабе времени. Целью изобретения является повышение надежности запоминающего устройства за счет обеспечения оперативного парирования сбоев и отказов элементов памяти как в основных разрядах считываемых слоев, так и в контрольных, а также учета постоянных отказов разрядных битовых секций, выявленных на тестах после хранения. Запоминающее устройство с динамическим резервированием содержит основной и резервный блоки памяти, выходной регистр, блок задания режимов, блок задания неисправностей, блок контроля, группу блоков сравнения, блок реконфигурации разбит на группу коммутаторов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для построения надежных запоминающих устройств оперативной или постоянной памяти произвольного доступа, работающих в реальном масштабе времени.

Известно резервированное оперативное запоминающее устройство, содержащее, например, два накопителя, часть разрядов которых используется для хранения контрольной информации, входные и выходные коммутаторы, блоки свертки по модулю 2, блок управления и схему поразрядного сравнения считываемой информации [1].

Недостаток устройства в том, что оно не исправляет многоразрядные ошибки, а при двух накопителях исправляет не более двух одиночных разрядных неисправностей.

Известно устройство для замещения ошибочных данных в запоминающих ячейках (многоразрядных словах) некорректируемого накопителя, в котором ошибочная ячейка основного накопителя замещается на ячейку из дополнительного (заявка ФРГ N 2646162, кл. G 11 C 29/00, 1979).

Известна интегральная память с резервированием столбцов данных, в которой все столбцы элементов накопителя разбиты на группы, и каждой группе ставится в соответствии резервный столбец (заявка Франции N 2611301, кл. G 11 C 29/00, 1988).

Общим недостатком этих двух устройств является то, что при отказах отдельных элементов накопителя заменяются на резервные не только отказавшие элементы, но и исправные, входящие в соответствующее слово, как в заявке ФРГ, или во все столбцы, занимающие в группах одинаковое положение, как в заявке Франции.

Известно полупроводниковое ЗУ, выполняющее функцию коррекции ошибок и имеющее резервный блок. В этом устройстве с помощью двух селекторов имеется возможность локализации и замены отказавшего элемента памяти на пересечении горизонтальных и вертикальных групп элементов. Ошибки в группах обнаруживаются контролем на четность (патент США N 4768193, кл. G 06 F 11/10, 11/20, 1988).

Недостатком этого ЗУ является то, что ввиду невысокой эффективности контроля на четность для многоразрядных ошибок при их возникновении во многих случаях элемент памяти локализовать будет невозможно и при этом заменяется вся группа элементов, в строке или столбце, в том случае и исправные элементы в группе.

Известно запоминающее устройство с динамическим резервированием, содержащее n битовых секций (разрядов) основной памяти и S резервной с общими адресными и управляющими линиями выбора слова. n разрядных линий основной памяти и S разрядных линий резервной соединены через схему реконфигурации с регистром данных.

Устройство позволяет производить замену отказавших элементов памяти на резервные для каждого слова и каждого разряда на основании информации об отказах, занесенной в дополнительную память.

Недостатком устройства является невозможность оперативного исправления выходных данных при возникновении сбоев и неисправностей в элементах накопителя. При возникновении, например, неисправности в этом устройстве необходимо провести тесты и результат тестов записать в дополнительную память. А сбои вообще тестами не обнаруживаются.

Цель предлагаемого технического решения - повышение надежности путем обеспечения оперативности переключения резерва при появлении сбоев и отказов элементов памяти.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее основной и резервный блоки памяти, блок реконфигурации и выходной регистр, причем адресные и управляющие входы основного и резервного накопителей объединены и являются адресными и управляющими входами устройства, выходы основного и резервного блоков памяти подключены к соответствующим входам блока реконфигурации, выходы которого соединены с соответствующими входами выходного регистра, выходы которого являются выходами устройства, управляющий вход выходного регистра является входом стробирования считывания устройства, введены блок задания режимов, блок задания неисправностей, блок контроля, группа блоков сравнения, а блок реконфигурации состоит из групп коммутаторов. Первый информационный вход каждого коммутатора и первый вход соответствующего блока сравнения объединены и подключены к соответствующему выходу основного блока памяти. Второй информационный вход каждого коммутатора и второй вход соответствующего блока сравнения объединены и подключены к соответствующему выходу резервного блока памяти. Выход блока сравнения соединен с первым управляющим входом соответствующего коммутатора. Вторые управляющие входы коммутаторов объединены и подключены к выходу блока контроля, информационные входы которого и соответствующие информационные входы выходного регистра объединены и подключены к выходам соответствующих коммутаторов, третьи управляющие входы которых соединены с соответствующими прямыми выходами блока задания режимов, инверсные выходы которого подключены к четвертым управляющим входам соответствующих коммутаторов, пятые управляющими входы которых соединены с соответствующими выходами блока задания неисправностей. Управляющий вход блока контроля соединен с входом стробирования считывания устройства.

На фиг. 1 показана структурная схема запоминающего устройства с динамическим резервированием; на фиг. 2 - пример реализации коммутатора; на фиг. 3 - пример возможной реализации блока контроля; на фиг. 4 - пример временной диаграммы работы устройства, причем высокий уровень сигналов соответствует логической "1".

Устройство (фиг. 1) содержит основной 1 и резервный 2 блоки памяти, каждый из которых предназначен для хранения n-разрядных слов, сопровождаемых "k" контрольными разрядами. Между n + k соответствующими выходными разрядными линиями основного и резервного блоков памяти включены n + k блоков сравнения 3. Каждый из n + k коммутаторов 4 первым и вторым информационными входами соединен с разрядными линиями соответственно основного 1 и резервного 2 блоков памяти, а информационным выходом - с соответствующим разрядом выходного регистра 5 и входом блока контроля 6.

Первый управляющий вход каждого коммутатора 4 соединен с выходом соответствующего блока сравнения 3, второй - с выходом блока контроля 6, третий, четвертый и пятый соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера соответствующего разряда блока задания режимов 7 и с соответствующим выходом блока задания неисправностей 8.

Коммутатор 4 содержит с первого по четвертый элементы И соответственно 9, 10, 12, 14, первый 11 и второй 15 элементы ИЛИ, элемент НЕ 13. Первый, второй и третий входы первого элемента И 9, являются соответственно первым, вторым и третьим управляющими входами коммутатора, четвертым и пятым управляющими входами которого являются соответственно первый и второй входы второго элемента И 10, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 11, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И 9. Вход элемента НЕ 13 и первый вход третьего элемента И 12 объединены и подключены к выходу первого элемента ИЛИ 11. Выход элемента НЕ 13 соединен с первым входом четвертого элемента И 14, второй вход которого является первым информационным входом коммутатора 4, вторым информационным входом которого является второй вход третьего элемента И 12, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ 15, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И 14. Выход второго элемента ИЛИ 15 является выходом коммутатора.

Блок контроля 6 (фиг. 3) содержит элемент ИЛИ 16, "к" элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17₁-17к, "к" сумматоров по модулю 2 18₁-18к, триггер 19, элемент ИЛИ 20, формирователь 21, n/к входов каждого сумматора по модулю 2 18₁-18к соединены с группой входов блока контроля 6, соединенных с выходами коммутаторов 4, коммутирующих разряды основных слов. Выходы сумматоров по модулю 2 18₁-18к соединены с первыми входами соответствующих элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17₁-17к, вторые входы которых соединены с соответствующими "к" входами блока контроля 6, соединенных с выходами коммутаторов 4, коммутирующих контрольные разряды блоков памяти. Выходы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17₁-17к соединены с входами элемента ИЛИ 16, выход которого соединен с прямым установочным входом триггера 19, вход синхронизации которого через двухвходовой элемент ИЛИ 20 соединен с входом и выходом формирователя 21, вход которого является управляющим входом блока контроля 6, а выход соединен с инверсным установочным входом триггера 19, прямой выход которого является выходом блока контроля 6.

Устройство работает следующим образом.

По одинаковым адресам слов основного 1 и резервного 2 блоков памяти хранятся одинаковые данные. Чтение и запись (если память типа ОЗУ) производится синхронно. Блоки задания режимов 7 и задания неисправностей 8 осуществляют независимое управление по каждому разряду считываемых слов. Эти блоки представляют собой, например, программно-доступные регистры со стороны процессора ЦВМ, в состав которой может входить рассматриваемое устройство. С помощью блока задания режимов 7 для каждого разряда слов может быть установлен динамический или статический режим работы соответствующего коммутатора 4.

Динамический режим коммутатора 4 i-го разряда соответствует значению логической "1" i-го разряда регистра задания режимов 7. При этом логический "0" с инверсного выхода триггера i-го разряда регистра задания режимов 7, поступая через четвертый управляющий вход коммутатора 4 на элемент И 10, блокирует возможность управления коммутатором по i-му разряду регистра задания неисправностей 8, сигнал которого поступает через пятый управляющий вход коммутатора 4 на второй вход элемента И 10.

До момента считывания слова из блоков памяти на первом и втором входах элемента И 9 присутствуют логические нули, поступающие соответственно через первый управляющий вход коммутатора 4 с выхода блока сравнения и через второй управляющий вход - с выхода блока контроля. На третьем входе элемента И 9 присутствует сигнал логической "1", поступающий через третий управляющий вход коммутатора 4 с прямого выхода триггера соответствующего разряда регистра задания режимов 7. Поскольку на обоих входах элемента ИЛИ 11 присутствуют логические "0", то и на первом входе элемента И 12 будет "0". Тем самым запрещается прохождение сигнала с i-по разряда резервного блока памяти 2 через второй вход элемента И 12, через элемент ИЛИ 15 на выход коммутатора 4. Одновременно сигналом логической "1" с выхода элемента НЕ 13, поступающего на первый вход элемента И 14, разрешено прохождение сигнала с i-го разряда основного блока памяти 1 через второй вход элемента И 14, элемент ИЛИ 15 на выход коммутатора 4.

Если при считывании слова блок сравнения 3 и блок контроля 6 сигналов ошибок не вырабатывают, то в выходной регистр 5 через коммутаторы 4 записывается слово, считанное из основного блока памяти.

Пусть, например, произошел отказ или сбой в битовой секции i-го разряда основного блока памяти на определенном адресе (или группе адресов). При считывании слова по этому адресу блок контроля 6 вырабатывает сигнал ошибки, а блок сравнения 3 - сигнал несравнения. Таким образом, на первом и втором входах элемента И 9 коммутатора 4 появятся логические "1". А поскольку на третьем входе уже была "1" (установлен динамический режим), этот единичный сигнал проходит на первый вход элемента И 12 и через элемент НЕ 13 на первый вход элемента И 14. В результате на выход коммутатора 4 вместо сигнала с разрядной линии основного блока памяти проходит сигнал с разрядной линии резервного блока памяти через второй информационный вход коммутатора 4, элементы И 12, ИЛИ 15.

Временная диаграмма переключения выходной информации коммутатора 4 при фиксации искаженного разряда считанного слова (на примере переключения одного разряда) показана на фиг. 4. Сигнал ошибки блока контроля 6 после возникновения сохраняется до конца строба считывания. Его сброс, т.е. обнуление триггера 19, происходит по сигналу с выхода формирователя 21 (по заднему фронту строба считывания), поступающего на инверсный установочный вход триггера 19 и одновременно через элемент ИЛИ 20 на его вход синхронизации.

Если откажет какой-либо разряд резервного блока памяти 2, то соответствующий коммутатор не переключается, так как несмотря на наличие сигнала несравнения с блока 3, блок контроля 6 сигнала ошибки не выработает.

В общем случае, в динамическом режиме при чтении производится оперативное замещение информации отдельных разрядных линий основного блока памяти на линии резервного, если имеется сигнал их несравнения и сигнал ошибки для считываемого слова. Это исправление информации осуществляется также и для контрольных разрядов.

Использование такого динамического переключения резерва для каждого элемента памяти, стоящего на пересечении разрядной и адресной линий, дает большой выигрыш в надежности при простоте реализации. Однако при некоторых сочетаниях неисправностей, применяя только динамический режим, исправить выходную информацию не представляется возможным. Например, пусть в i-м разряде резервного блока памяти отказали все элементы i-й битовой секции. При чтении слов постоянно срабатывает i-й блок сравнения 3, но сигнал ошибки не вырабатывается, так как на выход коммутатора 4 подключена разрядная линия основного блока памяти. Если при этом возникнет сбой или отказ в другой битовой секции основного блока памяти r i, то по возникшему сигналу ошибки блока контроля 6 одновременно срабатывают r-й и i-й коммутаторы 4, что приведет к записи в выходной регистр 5 неверной информации по i-му разряду считанного слова. Искажение i-го разряда можно было бы исключить, если постоянно подключить на выход i-го коммутатора 4 разрядную линию основного блока памяти. Поэтому в устройство введен еще статический режим переключения, задаваемый для каждого разряда.

Статический режим для какого-либо разряда (или группы разрядов) устанавливается путем обнуления соответствующих разрядов регистра задания режимов 7. Сигнал логического "0" с прямого выхода триггера i-го разряда регистра задания режимов 7 через третий управляющий вход i-го коммутатора 4 поступает на третий вход элемента И 9, тем самым запрещая управление коммутатором 4 от блока контроля 6 и i-го блока сравнения 3. Сигнал логической "1" с инверсного выхода триггера i-го разряда регистра задания режимов 7 через четвертый управляющий вход i-го коммутатора 4 поступает на первых вход элемента И 10, тем самым разрешается прохождение через второй вход элемента И 10 и пятый управляющий вход коммутатора 4 сигнала с i-го разряда регистра задания неисправностей 8.

В статическом режиме содержимое разряда регистра 8 однозначно определяет от разрядной линии какого блока памяти (основного или резервного) записывается информация в соответствующий разряд выходного регистра 5. Например, сигнал логической "1" с i-го разряда регистра задания неисправностей 8, проходя через элементы И 10, ИЛИ 11 на первый вход элемента И 12, подключает через его второй вход и элемент ИЛИ 15 на вход i-го коммутатора 4 разрядную линию с резервного блока памяти 2. (Прохождение информации с линии основного блока памяти при этом блокировано логическим "0" на первом входе элемента И 14). Если задать в i-м разряде регистра 8 логический "0", то присутствие логического нуля на первом входе элемента И 12 отключает от выхода коммутатора 4 линию резервного блока памяти, а логическая "1", поступающая с выхода элемента НЕ 13 на первый вход элемента И 14, обеспечивает подключение на выход коммутатора 4 разрядной линии основного блока памяти.

Состояние постоянного отказа i-й битовой секции основного или резервного блоков памяти определяется по тестам, например, после этапа хранения устройства перед началом работы. Возможность индивидуального обращения (на тестах) к основному и резервному блокам памяти определяется содержимым регистров 7 и 8. Например, нужно проверить тестами основной блок памяти. Для этого в регистры 7 и 8 посылаются нулевые коды. Т.е. устанавливается статический режим по всем разрядам с постоянным подключением выходного регистра 5 к основному блоку памяти 1.

В блоке контроля 6 (фиг. 3) можно реализовать, например, побайтовый контроль на четность. Пусть, например, каждому байту слова соответствует один контрольный разряд, значение которого задается таким образом, чтобы сумма всех разрядов байта с учетом контрольного была четной. Пусть число разрядов слов n = 32. Тогда число контрольных разрядов к = 4. Четыре сумматора по модулю 2 18 подключены своими входами к четырем группам выходов коммутаторов 4 по 8 выходов в каждой. Каждый из четырех элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 при несовпадении сигнала с выхода соответствующего сумматора 18 со значением соответствующего контрольного разряда формирует сигнал ошибки байта. Эти сигналы ошибок поступают на входы элемента ИЛИ 16, выход которого соединен с прямым установочным входом триггера 19. При получении сигнала ошибки хотя бы с одного элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 при наличии на входе синхронизации триггера 19 сигнала строба считывания, поступающего с управляющего входа блока контроля 6 через элемент ИЛИ 20, триггер 19 устанавливается в единичное состояние. Сигнал ошибки с его прямого выхода поступает на выход блока контроля 6.

Современные полупроводниковые ЗУ большой емкости представляют собой матричные структуры, элементами которых являются БИС (или СБИС) памяти. Предлагаемое устройство позволяет исправлять последствия отказов и сбоев как внутри этих БИС, так и отдельных БИС в целом. Наибольшая эффективность устройства достигается, когда ЗУ строится на независимых битовых разрядных секциях, например, на одноразрязных БИС (СБИС) размерностью NКх1 разряд. При этом даже общий отказ одной БИС приводит к искажению только одного разряда считываемого из накопителя слова по всем или группе адресов (в зависимости от количества БИС в разрядной секции).

Однако высокая эффективность контроля может быть получена и при построении накопителей на многоразрядных БИС памяти. В этом случае при отказе отдельных БИС возникают групповые ошибки. Чтобы их обнаружить известны способы, когда каждый контрольный разряд относится к группе разрядов слова, взятых из различных БИС памяти, (например, международная заявка РСТ/WO/87/06737).

В нашем примере этот эффект будет при подключении входов каждого сумматора по модулю 2 18 блока контроля 6 к выходам коммутаторов 4, соответствующим выходам различных БИС памяти накопителя. Естественно, контрольные разряды должны формироваться по тому же алгоритму (если блок памяти типа ПЗУ - то при его изготовлении, а если типа ОЗУ - то при записи слов).

Таким образом, устройство повышает надежность ЗУ за счет оперативного парирования возникающих сбоев и отказов элементов блоков памяти как в основных разрядах слов, так и в контрольных, а также учета постоянных отказов, выявленных на тестах.

Формула изобретения

1. ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ДИНАМИЧЕСКИМ РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ, содержащее основной и резервный блоки памяти, блок реконфигурации и выходной регистр, причем адресные входы основного и резервного накопителей объединены и являются адресными входами устройства, управляющие входы основного и резервного блоков памяти объединены и являются управляющими входами устройства, выходы основного и резервного блоков памяти подключены к соответствующим входам блока реконфигурации, выходы которого соединены с соответствующими входами выходного регистра, выходы которого являются выходами устройства, управляющий вход выходного регистра является входом стробирования считывания устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности устройства путем обеспечения оперативного переключения резерва при появлении сбоев и отказов элементов памяти, в него введены блок задания режимов, блок задания неисправностей, блок контроля, группа блоков сравнения, блок реконфигурации состоит из группы коммутаторов, причем первый информационный вход каждого коммутатора и первый вход соответствующего блока сравнения объединены и подключены к соответствующему выходу основного блока памяти, второй информационный вход каждого коммутатора и второй вход соответствующего блока сравнения объединены и подключены к соответствующему выходу резервного блока памяти, выход блока сравнения соединен с первым управляющим входом соответствующего коммутатора, вторые управляющие входы коммутаторов объединены и подключены к выходу блока контроля, информационные входы которого и соответствующие информационные входы выходного регистра объединены и подключены к выходам соответствующих коммутаторов, третьи управляющие входы которых соединены с соответствующими прямыми выходами блока задания режимов, инверсные выходы которого подключены к четвертым управляющим входам соответствующих коммутаторов, пятые управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами блока задания неисправностей, управляющий вход блока контроля соединен с входом стробирования считывания устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый коммутатор содержит с первого по четвертый элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, элемент НЕ, причем первый, второй и третий входы первого элемента И являются соответственно первым, вторым и третьим управляющими входами коммутатора, четвертым и пятым управляющими входами которого являются соответственно первый и второй входы второго элемента И, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, вход элемента НЕ и первый вход третьего элемента И объединены и подключены к выходу первого элемента ИЛИ, выход элемента НЕ соединен с первым входом четвертого элемента И, второй вход которого является первым информационным входом коммутатора, вторым информационным входом которого является второй вход третьего элемента И, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, выход второго элемента ИЛИ является выходом коммутатора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок контроля содержит первый и второй элементы ИЛИ, K элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, формирователь импульса, триггер, k сумматоров по модулю два, причем i вход сумматора по модулю два (где i = 1 ... n/k) является j информационным входом блока (где j = 1 ... n), выход сумматора по модулю два соединен с первым входом соответствующего элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с прямым установочным входом триггера, вход синхронизации которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, первый вход которого и вход формирователя импульса объединены и являются управляющим входом блока, выходом которого является прямой выход триггера, инверсный установочный вход которого и второй вход второго элемента ИЛИ объединены и подключены к выходу формирователя импульса, второй вход m элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ является m информационным входом блока (где m = n + 1 ... n + k).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4