JP2011128821A

JP2011128821A - 二重化フィールド機器

Info

Publication number: JP2011128821A
Application number: JP2009285836A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kato; 大加藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-30
Also published as: US20110153883A1; CN102103531A; EP2348412A1; EP2348412B1

Abstract

【課題】マイクロプロセッサの処理負担を抑制しつつ、障害を高精度かつ高速に検出できる二重化フィールド機器を提供する。
【解決手段】第１の符号解析器は、第１のマイクロプロセッサのアドレスバスまたはデータバスに現れる多ビットデータの履歴を、圧縮して符号化する。第２の符号解析器は、第２のマイクロプロセッサのアドレスバスまたはデータバスに現れる多ビットデータの履歴を、前記第１の符号解析器における手順と同一手順により圧縮して符号化する。照合手段は、前記第１の符号解析器により得られた符号と、前記第２の符号解析器により得られた符号とを比較する。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一の演算処理を実行する第１のマイクロプロセッサおよび第２のマイクロプロセッサを備え、前記２つのマイクロプロセッサの演算動作を照合することで障害の検出を行う二重化フィールド機器に関する。

特開２００５−３０９９１３号公報には、センサ計測値に基づく演算を実行する演算処理系を備える伝送器において、演算処理系の演算結果に対し逆演算処理を施すことにより、センサ計測値を再生成するものが開示されている。逆演算処理系により再生成されたセンサ計測値と元のセンサ計測値とを照合し障害検出を行う。照合の結果、両者が不一致であれば障害が発生したものと認識することができる。

一方、特開２００６−２０９５２３号公報には、同一処理を二重に実行し、一方の演算結果を外部に出力する情報処理装置が記載されている。この装置では、マイクロプロセッサによる演算処理を二重化し、任意のステップで区切られた演算処理結果や演算に関わる付帯情報をマイクロプロセッサ間で相互に交換して照合する。照合の結果、不一致の場合には機器の障害が発生したものと認識し、外部への出力を演算結果から異常報知値に変更して障害の発生を通知する。

特開２００５−３０９９１３号公報特開２００６−２０９５２３号公報

特開２００５−３０９９１３号公報に開示された技術では、逆演算処理系によってセンサ計測値の再生成が原理的に不可能な場合がある。例えば、演算処理系での演算が、多数のセンサ計測値に基づき単一の演算結果を得るものである場合には、逆演算処理系を構成できない。

一方、特開２００６−２０９５２３号公報に開示された装置では上記のような不都合は生じない。しかし、障害検出の網羅性と即応性を確保するためには、マイクロプロセッサ間で交換し合う情報の照合頻度を増やす必要があり、マイクロプロセッサの処理負担が増大する。

本発明の目的は、マイクロプロセッサの処理負担を抑制しつつ、障害を高精度かつ高速に検出できる二重化フィールド機器を提供することにある。

本発明の二重化フィールド機器は、同一の演算処理を実行する第１のマイクロプロセッサおよび第２のマイクロプロセッサを備え、前記２つのマイクロプロセッサから得られる情報を照合することにより障害の検出を行う二重化フィールド機器において、前記第１のマイクロプロセッサのアドレスバスまたはデータバスに現れる多ビットデータの履歴を、圧縮して符号化する第１の符号解析器と、前記第２のマイクロプロセッサのアドレスバスまたはデータバスに現れる多ビットデータの履歴を、前記第１の符号解析器における手順と同一手順により圧縮して符号化する第２の符号解析器と、前記第１の符号解析器により得られた符号と、前記第２の符号解析器により得られた符号とを比較する照合手段と、を備えることを特徴とする。
この二重化フィールド機器によれば、２つのマイクロプロセッサのアドレスバスまたはデータバスに現れる多ビットデータの履歴を、それぞれ圧縮して符号化し、得られた符号どうしを照合するので、マイクロプロセッサの処理負担を抑制しつつ、障害を高精度かつ高速に検出できる。

前記第１の符号解析器および前記第２の符号解析器は、それぞれ前記第１のマイクロプロセッサおよび前記第２のマイクロプロセッサのアドレスバスのデータが所定のアドレス領域を示すときに、前記第１のマイクロプロセッサおよび前記第２のマイクロプロセッサのデータバスに現れる多ビットデータの履歴を圧縮して符号化してもよい。

前記所定のアドレス領域は、前記第１のマイクロプロセッサおよび前記第２のマイクロプロセッサにおける前記同一の演算処理で使用されるアドレス領域であってもよい。

前記第１の符号解析器および前記第２の符号解析器はリニア・フィードバック・シフトレジスタを用いて構成されてもよい。

正常時には、前記第１のマイクロプロセッサまたは前記第２のマイクロプロセッサにおける演算結果を外部に出力し、前記照合手段における照合結果が不一致を示す場合には障害の検出を通知する信号を外部に出力する出力制御手段を備えてもよい。

本発明の二重化フィールド機器によれば、２つのマイクロプロセッサのアドレスバスまたはデータバスに現れる多ビットデータの履歴を、それぞれ圧縮して符号化し、得られた符号どうしを照合するので、マイクロプロセッサの処理負担を抑制しつつ、障害を高精度かつ高速に検出できる。

一実施形態の二重化フィールド機器の構成を示すブロック図。マイクロプロセッサの構成を示すブロック図。特定のアドレスについてのみバス情報を符号化する場合における符号解析器の動作を示すフローチャート。

以下、本発明による二重化フィールド機器の一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の二重化フィールド機器の構成を示すブロック図、図２はマイクロプロセッサの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の二重化フィールド機器は、計測センサ３と、計測センサ３から得られるセンサ計測値に基づく同一演算を実行する演算装置１０および演算装置２０と、演算装置１０および演算装置２０からの信号に基づいて、単一の信号を出力する統合信号出力回路４と、を備える。

計測センサ３は、温度、圧力等の物理量を計測するセンサ部と、センサ部の出力信号をデジタル量に変換し、上記センサ計測値として出力する計測回路とを具備する。

演算装置１０および演算装置２０は同一の構成とされ、演算装置１０は上記演算を実行するマイクロプロセッサ１１と、後述するバス観測符号を交換するための情報交換部１２と、バス観測符号を照合する照合部１３と、を備える。

同様に、演算装置２０は上記演算を実行するマイクロプロセッサ２１と、後述するバス観測符号を交換するための情報交換部２２と、バス観測符号を照合する照合部２３と、を備える。

図２に示すように、マイクロプロセッサ１１は、ＣＰＵ（中央演算装置）１１ａと、ＣＰＵ１１ａと外部との間でデータの入出力を制御する入出力部１１ｂと、演算に際してＣＰＵ１１ａからのデータの書込みおよびデータの読み込みを受けるメモリ１１ｃと、アドレスバスＢａおよびデータバスＢｄの値を符号化する符号解析器１１ｄと、を備える。また、ＣＰＵ１１ａ、入出力部１１ｂ、メモリ１１ｃおよび符号解析器１１ｄには、アドレスバスＢａおよびデータバスＢｄが接続されるとともに、バスクロックが与えられる。

同様に、マイクロプロセッサ２１は、ＣＰＵ（中央演算装置）２１ａと、ＣＰＵ２１ａと外部との間でデータの入出力を制御する入出力部２１ｂと、演算に際してＣＰＵ２１ａからのデータの書込みおよびデータの読み込みを受けるメモリ２１ｃと、アドレスバスＢａおよびデータバスＢｄの値を符号化する符号解析器２１ｄと、を備える。また、ＣＰＵ２１ａ、入出力部２１ｂ、メモリ２１ｃおよび符号解析器２１ｄには、アドレスバスＢａおよびデータバスＢｄが接続されるとともに、バスクロックが与えられる。

次に、本実施形態の二重化フィールド機器の動作について説明する。

計測センサ３からのセンサ計測値は、マイクロプロセッサ１１およびマイクロプロセッサ２１に入力される。マイクロプロセッサ１１およびマイクロプロセッサ２１はセンサ計測値に基づく同一演算を実行し、演算結果を出力値として出力する。この出力値は統一信号出力回路４に与えられる。

このとき、ＣＰＵ１１ａはメモリ１１ｂ上のプログラムに従って、センサ計測値を入出力部１１ｂを介して取り込んで上記演算を実行し、演算結果を入出力部１１ｂを介して出力する。このとき、符号解析器１１ｄは、アドレスバスＢａおよびデータバスＢｄに出現するバスの値を、バスクロックごとに符号化し、圧縮してバス観測符号として出力する。

同様に、ＣＰＵ２１ａはメモリ２１ｂ上のプログラムに従って、センサ計測値を入出力部２１ｂを介して取り込んで上記演算を実行し、演算結果を入出力部２１ｂを介して出力する。このとき、符号解析器２１ｄは、アドレスバスＢａおよびデータバスＢｄに出現するバスの値を、バスクロックごとに符号化し、圧縮してバス観測符号として出力する。

符号解析器１１ｄ，２１ｄは、リニア・フィードバック・シフトレジスタを用いた一般的な構成とすることができ、多ビットの信号パターンである各バスの値のパターンの変化履歴を、シリアルビットストリームの符号として出力する。したがって、この符号を利用して、ＣＰＵのバスの情報の履歴をＣＰＵの処理に影響を与えることなく観測することが可能となる。なお、ＣＰＵバスの値を符号化する技術については、「Testing by feedback shift register」、「IEEE Transactions on Computers Vol. C-29, No7」、（19807月、RENE DAVID 著、IEEE発光、668頁〜673頁）等に開示されたものがある。

図１に示すように、符号解析器１１ｄから出力されたバス観測符号Ａは情報交換部１２に与えられ、符号解析器２１ｄから出力されたバス観測符号Ｂは情報交換部２２に与えられる。次に、情報交換部１２および情報交換部２２は、互いに取得したバス観測符号Ａ，Ｂを交換する。また、情報交換部１１および情報交換部１２は、自己の演算装置のバス観測符号と他方の演算装置のバス観測符号との間の時制の同期を行う。

情報交換部１２は、符号解析器１１ｄから得たバス観測符号Ａおよび情報交換部２２から得たバス観測符号Ｂを同期化し、照合部１３に与える。同様に、情報交換部２２は、符号解析器２１ｄから得たバス観測符号Ｂおよび情報交換部１２から得たバス観測符号Ａを同期化し、照合部２３に与える。

照合部１３は互いに同期化されたバス観測符号Ａと、バス観測符号Ｂとを比較し、不一致の検出を行う。同様に、照合部２３は互いに同期化されたバス観測符号Ｂと、バス観測符号Ａとを比較し、不一致の検出を行う。

照合部１３で不一致が検出された場合には、照合部１３から統一信号出力回路４に不一致検出信号が与えられる。同様に、照合部２３で不一致が検出された場合には、照合部２３から統一信号出力回路４に不一致検出信号が与えられる。

照合部１３および照合部２３のいずれからも不一致信号が入力されない場合、統一信号出力回路４は、マイクロプロセッサ１１およびマイクロプロセッサ１２のいずれか、または両者の出力値に基づき、いわゆる４−２０ｍＡ出力電流を統一信号電流として出力する。

一方、照合部１３および照合部２３のいずれか一方、または両者から不一致信号が入力された場合には、所定の異常時電流を統一信号電流として出力する。これにより、異常の発生を通知することができる。本実施形態では情報交換部および照合部も二重化されているため、情報交換部あるいは照合部における処理の障害についても、異常として検出できる。

なお、不一致信号が統一信号出力回路４に入力されない場合でも、マイクロプロセッサ１１およびマイクロプロセッサ１２の出力値が互いに相違する場合には異常時電流を出力してもよい。

このように、本実施形態の二重化フィールド機器によれば、同一の演算処理を実行するマイクロプロセッサのＣＰＵバスの履歴を圧縮符号化し、その符号を照合することで演算処理の正当性を逐次判断できる。したがって、演算処理における障害を高精度かつ高速に検出できる。

また、演算処理プログラムにおいて情報の交換や交換した情報の照合について特段の処理を追加記述する必要がなく、マイクロプロセッサの負担とならないので、本来の演算処理における処理能力の低下を避けることができる。

また、符号解析器により生成される符号を照合するので、ＣＰＵバスの値を直接比較する場合よりも照合の対象となる情報の情報量を抑制でき、システムの低消費電力化およびコストダウンを図ることができる。

さらに、各演算ステップにおける演算結果を比較する場合よりも照合の粒度を細かくできるため、結果として障害検出の精度を高めることができる。

上記実施形態の二重化フィールド機器では、ＣＰＵのアドレスバスおよびデータバスの値に基づく符号化を常時、実行しているが、符号化すべきバス情報を特定のアドレスに限定する構成としてもよい。

すなわち、２つのマイクロプロセッサで実行する同一の演算処理を規定するプログラムと、その他の処理を実行するプログラムとを、アドレス領域を分離してメモリ上に配置し、上記の同一の演算処理を行う際のバス情報のみを符号化してもよい。

図３は、特定のアドレスについてのみバス情報を符号化する場合における符号解析器１１ｄ，２１ｄの動作を示すフローチャートである。

図３のステップＳ１では、符号解析器１１ｄ，２１ｄはバスクロックに従ったタイミングでアドレスバスおよびデータバスの値を取得する。

次に、ステップＳ２では、符号解析器１１ｄ，２１ｄは、ステップＳ１で取得されたアドレスデータが上記同一の演算処理を規定するプログラムに対応するアドレス領域のアドレスか否か判断し、判断が肯定されればステップＳ３へ進み、判断が否定されればステップＳ１へ戻る。

ステップＳ３では、符号解析器１１ｄ，２１ｄは、ステップＳ１で取得されたアドレスバスおよびデータバスの値に対して符号化を行うことで圧縮符号を生成し、ステップＳ１へ戻る。

このように、ステップＳ１〜ステップＳ３の処理では、アドレスデータが上記同一の演算処理を規定するプログラムのアドレス領域内にある場合（ステップＳ２の判断が肯定される場合）のみ符号化を行う（ステップＳ３）ので、二重化処理の全般について完全な同期をとる必要がなくなり、同期化の処理が容易となる。例えば、符号化を行う一連の処理と、符号化が不要な一連の処理とを一定の周期で繰り返すようにすれば処理のフェーズが検出しやすくなり、同期化処理の負担が軽減できる。

また、符号化するバス情報を限定することにより、上記同一の演算処理以外の処理として、２つのマイクロプロセッサに互いに異なる処理を実行させる場合にも対応可能となる。

以上説明したように、本発明の二重化フィールド機器によれば、２つのマイクロプロセッサのアドレスバスまたはデータバスに現れる多ビットデータの履歴を、それぞれ圧縮して符号化し、得られた符号どうしを照合するので、マイクロプロセッサの処理負担を抑制しつつ、障害を高精度かつ高速に検出できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、同一の演算処理を実行する第１のマイクロプロセッサおよび第２のマイクロプロセッサを備え、前記２つのマイクロプロセッサの演算動作を照合することで障害の検出を行う二重化フィールド機器に対し、広く適用することができる。

４統一信号出力回路（出力制御手段）
１１，２１マイクロプロセッサ（第１のマイクロプロセッサ、第２のマイクロプロセサ）
１１ｄ，２１ｄ符号解析器（第１の符号解析器、第２の符号解析器）
１３，２３照合部（照合手段）

Claims

同一の演算処理を実行する第１のマイクロプロセッサおよび第２のマイクロプロセッサを備え、前記２つのマイクロプロセッサから得られる情報を照合することにより障害の検出を行う二重化フィールド機器において、
前記第１のマイクロプロセッサのアドレスバスまたはデータバスに現れる多ビットデータの履歴を、圧縮して符号化する第１の符号解析器と、
前記第２のマイクロプロセッサのアドレスバスまたはデータバスに現れる多ビットデータの履歴を、前記第１の符号解析器における手順と同一手順により圧縮して符号化する第２の符号解析器と、
前記第１の符号解析器により得られた符号と、前記第２の符号解析器により得られた符号とを比較する照合手段と、
を備えることを特徴とする二重化フィールド機器。
前記第１の符号解析器および前記第２の符号解析器は、それぞれ前記第１のマイクロプロセッサおよび前記第２のマイクロプロセッサのアドレスバスのデータが所定のアドレス領域を示すときに、前記第１のマイクロプロセッサおよび前記第２のマイクロプロセッサのデータバスに現れる多ビットデータの履歴を圧縮して符号化することを特徴とする請求項１に記載の二重化フィールド機器。
前記所定のアドレス領域は、前記第１のマイクロプロセッサおよび前記第２のマイクロプロセッサにおける前記同一の演算処理で使用されるアドレス領域であることを特徴とする請求項２に記載の二重化フィールド機器。
前記第１の符号解析器および前記第２の符号解析器はリニア・フィードバック・シフトレジスタを用いて構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の二重化フィールド機器。
正常時には、前記第１のマイクロプロセッサまたは前記第２のマイクロプロセッサにおける演算結果を外部に出力し、前記照合手段における照合結果が不一致を示す場合には障害の検出を通知する信号を外部に出力する出力制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の二重化フィールド機器。