Moodulkonstruktsioonid on arvutustehnikas ja automaatikas kasutusel olnud
juba pikemat aega. Paljudes andmehõivesüsteemides on eluliselt vajalik,
et tõrke esinemisel asendataks rikkis element võimalikult kiiresti korrasolevaga.
Lühendamaks aega, mis kulub seadme töövõime taastamisele, rakendatakse
üha sagedamini moodulite kuumvahetust. Erinevates arvutisüsteemides nimetatakse
vahetatavaid konstruktiivseid üksusi mitmeti - funktsionaalsed moodulid,
kaardid, trükiplaadid. Edaspidi nimetame neid lihtsalt mooduliteks.
Erinevalt aga n-ö tavamooduleist saab kuumvahetusmooduleid süsteemi talitluse
käigus välja vahetada, ilma et oleks vaja välja lülitada elektritoidet.
Taoliste moodulite mehaaniline, aga mis eriti oluline - elektriline kommutatsioon
toimub pingestatud vooluahelates, toiming, mis on täiesti lubamatu tavamoodulite
puhul, sest see seaks otsesesse ohtu moodulites olevad loogikalülitused.
Säilitamaks moodulsüsteemides laiendatavust, eriti kuumvahetust võimaldavate
moodulite kasutamisel, rakendatakse neis tsentraliseeritud elektritoite
asemel hajutatud toidet. Selleks varustatakse moodulid individuaalsete
(lokaalsete) toitelülitustega, mis mooduli piires moodustavad kõik vajalikud
toitepinged. Lokaalseid toitelülitusi varustab elektrienergiaga suure koormustaluvusega
tsentraalne toiteplokk või -plokid. Moodulites olevad individuaalsed toitelülitused
formeerivad loogikalülitustele vajalikke toitepingeid ja juhivad ajaliselt
ka nende pingestamisprotsesse. Samuti on nende ülesandeks mooduli kommutatsioonil
tekkivate voolutõugete ja impulsshäiringute kõrvaldamine.
MOODULITE ELEKTRITOITE OHJE
Moodulsüsteemides seotakse üksikud moodulid tervikuks kas emaplaadi või
krossplaadi abil. Emaplaadiga varianti kasutatakse tavaliselt madala ja
keskmise jõudlusega laiatarbe-personaalarvuteis. Aparatuurimahukais arvuteis,
näiteks võimsates serverites, kus on vaja tagada süsteemi lihtne laiendatavus,
kõrge jõudlus ja töökindlus, on kasutusel enamasti krossplaadivariant.
Krossplaat koos tema külge ühendatud moodulitega paigutatakse omakorda
standardsesse raamistikku. Sellist konstruktiivset üksust nimetatakse plokiks.
Kaasaegsetes kõrgjõudlusega servereis on harilikult rohkem kui üks plokk.
Võrreldes emaplaadiga pakub krossplaat suuremat mehaanilist tugevust, seega
on see kuumvahetusmoodulitega süsteemidele sobivam.
Krossplaadid võivad olla kas aktiivsed või passiivsed, viimased ei sisalda
aktiivkomponente, vaid ainult ühendusliine. Põhimõtteliselt võib krossplaadiga
ühendada nii tavalisi kui ka kuumvahetusmooduleid. Moodulite kuumvahetus
toob krossplaatide projekteerimisel kaasa mitmeid lisaprobleeme. Keskne
on küsimus: kuidas sooritada kommutatsiooniprotsesse, ilma et seeläbi ohustataks
teisi töötavaid (pingestatud) mooduleid ja muidugi asendatavat moodulit
ennast.
Moodulite kuumvahetusel etendavad olulist osa lokaalsed toitelülitused.
Enamasti leiavad neis kasutamist kas LDO-tüüpi (LDO - Low Drop-out) lineaarsed
pingeregulaatorid või HSPM-võimsusohjurid (HSPM - Hot Swap Power Manager).
LDO-regulaatori ülesandeks on jälgida, vajadusel ka reguleerida, et toitelülituse
väljundpinged vastaksid ettenähtud nimiväärtustele. Lülitus töötab pidevreguleerimise
reûiimis. Kui LDO-regulaatorist tarbitav vool ületab lubatava, lülitub
seade automaatselt voolupiirdereûiimi. Lühise korral hakkab regulaator
tööle aga impulssreûiimis. Sel juhul väljastab LDO-regulaator alalispinge
asemel impulsspinget. Näiteks tüüpilise 3% koormustsükli korral on mooduli
loogikalülituste toitepingete sisse- ja väljalülitatud olekute ajaline
kestus suhtes 1:32.
Erinevalt LDO-regulaatoreist ei reguleerita HSPM-lülitustes väljundpinget
pidevalt, vaid nad käivituvad üksnes suurenenud koormusvoolu korral. Olenevalt
koormusvoolust siirdub HSPM-võimsusohjur kas voolupiirde- või impulssireûiimi.
Võrreldes LDO-regulaatoritega on HSPM-võimsusohjurid märksa paindlikumad.
Neis saab programselt muuta koormusvoolude lubatavaid piirväärtusi ja ajavahemiku
kestust, mille vältel võib koormusvool ületada nimiväärtust.
Aktiivsetel krossplaatidel asuvad LDO-regulaatorid ja HSPM-võimsusohjurid
otse krossplaadil, mooduleis mingeid täiendavaid elektritoite ohjega seotud
lülitusi ei kasutata. Passiivsete krossplaatide korral on olukord vastupidine,
kõik moodulite elektritoiteküsimused lahendatakse vastavas moodulis. Et
valdav osa praegu toodetavaist funktsionaalseist mooduleist ei ole ette
nähtud kuumvahetuseks, siis eelistatakse arvutisüsteemides kasutada passiivseid
krossplaate. See ei tähenda, et tavamoodulitega süsteemi ei võiks täiendada
kuumvahetusmoodulitega, kuid sel juhul peavad kuumvahetuseks vajalikud
tingimused tagama kuumvahetusmoodulid ise. Kuidas erinevate moodulite kuumvahetus
praktiliselt toimub, sõltub nende vahetatavuse tasemest.
COMPACTPCI SPETSIFIKATSIOON
Sellega, millistele nõuetele peaksid vastama erinevate tasemete kuumvahetusmoodulid,
on väga põhjalikult tegeldud PICMGs - PCI Industrial Computers Manufactures
Groupis. See grupp töötas 1997. aastal välja üksikasjaliku spetsifikatsiooni
PICMG 2.0 R2.1, mida võiks nimetada de facto standardiks. See näeb ette
kolme kuumvahetuse taset: kõrg-, kesk- ja baastase.
Spetsifikatsiooni kohaselt on nõutav, et kuumvahetusmoodulite kasutamisel
peab moodulite kommutatsioonil olema tagatud krossplaadi ühendussiinide
isoleerimine ja toitepingete ohje. Et moodsate lausintegratsiooniga loogikalülituste
voolutarve võib küündida kümnetesse ampritesse, siis on spetsifikatsioonis
hoolikalt läbi töötatud küsimused, kuidas vältida moodulite ühenduspistikute
kommutatsioonilisi kahjustusi ning võidelda süsteemi toitepingete hetkehäiringutega.
Kuumvahetusmoodulite ühendamisel kross- plaadiga ei toimu pistikutes kõigi
kontaktide üheaegne kommutatsioon, vaid eri funktsioone täitvad kontaktid
lülituvad tööle kindlas järjestuses. Selleks kasutatakse nn astmeliste
(erineva pikkusega) kontaktidega isaspistikuid (M-pistikuid). Kommutatsioonil
ühendub isas-emaspistikupaaris (paaris M-F) osa kontaktpaare kokku (lahti)
varem (hiljem) kui ülejäänud.
Kuumvahetusmoodulid varustatakse harilikult pistikutega, milles on kolme
eri pikkusega kontaktid. Mooduli ühendamisel krossplaadiga kontakteeruvad
esimestena (mooduli lahtiühendamisel lahutuvad aga viimastena) kontaktpaarid,
mille kaudu antakse toitepinged mooduli trükiplaadile. Seejärel ühenduvad
kontaktid, mille kaudu informeeritakse süsteemi juhtseadet sellest, et
süsteemi on lülitatud uus moodul (ühtlasi tuvastatakse lisatud mooduli
asukoht) ning et selle loogikalülitused on eelpingestatud. Viimasena ühenduvad
mooduli ja krossplaadi informatsioonisiinide (andme-, aadressi- ja juhtsiinide)
liinid. Pärast mooduli pistiku(-te) kõigi kontaktide ühendumist käivitatakse
eritarkvara, mis installeerib lisatud mooduli arvutisüsteemi nii füüsiliselt
kui ka loogiliselt. Selleks viiakse moodulis kõik loogikalülitused ettenähtud
olekusse. Kuumvahetusprotsessi automatiseeritus sõltub vahetatava mooduli
"arukuse" tasemest. Kõige vähem on vahetusprotsess automatiseeritud baastaseme
mooduleil. Nende kasutamisel peab inimene (operaator) sooritama terve rea
operatsioone käsitsi.
Näiteks baastaseme rikkis mooduli kõrvaldamiseks süsteemist tuleb selles
esmalt lõpetada infotöötlus. Selleks peab operaator käivitama vastava tarkvara,
mis teadustab vahetatavale moodulile, et too lülitaks end ise esmalt loogiliselt
"lahti" krossplaadi süsteemisiinidelt ning seejärel lülitaks välja mooduli
lokaalse elektritoitesüsteemi. Alles pärast nende toimingute lõppemist
tohib mooduli krossplaadilt füüsiliselt eemaldada.
Kesktaseme kuumvahetusmooduleis hoiatatakse arvutisüsteemi eelseisvast
vahetusest ette automaatselt. Vastavalt PCI spetsifikatsioonile peavad
selle taseme kuumvahetusmoodulid olema varustatud lülitiga, mis teadvustab
süsteemi juhtseadet kavatsetavast moodulivahetusest. Midagi keerulist pole
selleks vaja, piisab mikrolülitist. Mikrolüliti ühendatakse mooduli plokiga
mehaanilise fiksaatoriga (ekstraktoriga). Niipea kui fiksaator vabastatakse
lukustusasendist, käivitub mikrolüliti ja saadab süsteemi juhtseadmesse
hoiatussignaali. Saabunud signaali toimel käivitab operatsioonisüsteem
protsessid, mis tagavad mooduli ohutu automaatse loogilise eraldamise krossplaadist.
Mooduli lisamisel plokki saabub hoiatussignaal juhtseadmesse siis, kui
mooduli kinniti lukustatakse. Signaali toimel käivitub automaatselt mooduli
süsteemi installeerimise protsess. Seega langeb ära vajadus, et seda teeks
operaator nagu baastaseme moodulite korral.
Lisaks mikrolülitile on kesktaseme kuumvahetusmoodulid varustatud valgusdioodindikaatoriga.
Kui arvutisüsteem lõpetab mooduli süsteemist loogiliseks kõrvaldamiseks
vajalikud toimingud, siis süüdatakse indikaator, andmaks märku, et nüüd
võib operaator mooduli füüsiliselt kõrvaldada.
Kõrgtaseme kuumvahetusmooduleis saab tarkvaraliselt kontrollida, kas mingi
moodul on süsteemi lülitatud või mitte. Kui moodul on süsteemis füüsiliselt
olemas, siis võib operatsioonisüsteem ise anda korralduse selle loogikalülituste
pingestamiseks ning viib läbi mooduli installatsiooniprotsessi. See omadus
on eriti kasulik automaatselt rekonfigureeritava struktuuriga arvutisüsteemide
jaoks.
Kõrgtaseme kuumvahetusmoodulid pakuvad veel teisigi võimalusi. Juhul kui
süsteemis on näiteks kaks funktsionaalset identset kuumvahetusmoodulit,
siis saab neid integreerida süsteemi üheaegselt (paralleelselt). Seeläbi
lüheneb aeg, mis kulub moodulite vahetamisele ja ühtlasi paranevad süsteemi
jõudlus ning töökindlus. Kui arvutisüsteemi testimisel avastatakse vigaseid
mooduleid, siis on tarkvara suuteline neid süsteemist automaatselt välja
lülitama ning seejärel kogu süsteemi struktuuri ümber konfigureerima. Protsess
toimub ilma inimese vahelesegamiseta.
Kuumvahetusmoodulite laienev kasutamine ärgitab mikrolülituste tootjaid
kiiremini ajakohastama oma tooteid, vastamaks uutele nõutele. Näiteks firma
DEC kavatseb PCI-liideste omavaheliseks sidestamiseks lisada kasutatavaisse
mikrolülitustesse täiendavaid loogikalülitusi, mis võimaldaksid kiipe rakendada
kuumvahetusmooduleis. PLX-Technology kavandab kuumvahetust toetavate juhtregistrite
lisamist oma PCI-liideskiipidesse.
Funktsionaalsete moodulite korrektsel kuumvahetusel on oluline roll täita
toetustarkvaral. Mitmed firmad on teatanud, et kavatsevad täiendada olemasolevaid
tarkvaravahendeid (Windows NT 5.0, Unixware 7 jt) kuumvahetust toetavate
eridraiveritega.
Praegu pakuvad arvutimoodulite kuumvahetuse probleemid kõige otsesemat
huvi siiski eeskätt võimsate serverite tootjaile ja kasutajaile. Kuid kaudselt
puudutavad need küsimused kõiki, kes iga päev kasutavad nüüdisaegseid infosüsteeme,
suheldes kas pankade arvutivõrkudega või üksteisega läbi globaalsidevõrkude.
Arvo Toomsalu
TTÜ arvutitehnika instituut