Wymiana na gorąco
Hot swapping to wymiana lub dodanie komponentów do systemu komputerowego bez zatrzymywania, wyłączania lub ponownego uruchamiania systemu; hot plugging opisuje tylko dodawanie komponentów. Mówi się, że komponenty, które mają taką funkcjonalność, można wymieniać podczas pracy lub podłączać podczas pracy ; podobnie komponenty, które tego nie robią, można wymieniać na zimno lub podłączać na zimno .
Większość sprzętu komputerowego , takiego jak procesory i pamięć, można podłączać tylko na zimno. Często zdarza się jednak, że serwery i komputery mainframe ze średniej i wyższej półki mają możliwość wymiany podczas pracy komponentów sprzętowych, takich jak procesor , pamięć, dyski PCIe , SATA i SAS .
Przykładem wymiany podczas pracy jest ekspresowa możliwość wyciągnięcia urządzenia peryferyjnego Universal Serial Bus (USB) , takiego jak pendrive, zewnętrzny dysk twardy (HDD), mysz, klawiatura lub drukarka, z gniazda USB komputera lub koncentratora urządzeń peryferyjnych bez uprzedniego wysuwania.
Większość smartfonów i tabletów z uchwytami do ładowania tacek może wymieniać karty SIM bez wyłączania systemu.
Dedykowane aparaty cyfrowe i kamkordery mają zwykle łatwo dostępne komory na karty pamięci i akumulatory , które umożliwiają szybką wymianę przy minimalnych przerwach w działaniu. Baterie można cyklicznie wymieniać, ładując je zewnętrznie, gdy nie są używane. Wiele aparatów i kamer jest wyposażonych w pamięć wewnętrzną, która umożliwia przechwytywanie, gdy nie jest włożona karta pamięci.
Racjonalne uzasadnienie
Hot swapping jest stosowany wszędzie tam, gdzie pożądana jest zmiana konfiguracji lub naprawa działającego systemu bez przerywania jego pracy. Może to być po prostu dla wygody unikania opóźnień i uciążliwości związanych z wyłączaniem, a następnie ponownym uruchamianiem złożonego sprzętu lub dlatego, że sprzęt, taki jak serwer, musi być nieprzerwanie aktywny.
Zamiany podczas pracy można używać do dodawania lub usuwania urządzeń peryferyjnych lub komponentów, aby umożliwić urządzeniu synchronizację danych z komputerem oraz wymianę uszkodzonych modułów bez przerywania pracy sprzętu. Maszyna może być wyposażona w dwa zasilacze , z których każdy jest odpowiedni do zasilania maszyny; uszkodzony można wymienić na gorąco. Ważne karty, takie jak kontrolery dysków lub adaptery hosta, mogą być zaprojektowane z redundantnymi ścieżkami, aby można je było wymienić w przypadku awarii bez konieczności przerywania działania powiązanego systemu komputerowego.
Rozważania systemowe
Maszyny obsługujące wymianę podczas pracy muszą mieć możliwość modyfikowania swojego działania dla zmienionej konfiguracji , automatycznie po wykryciu zmiany lub poprzez interwencję użytkownika. Wszystkie połączenia elektryczne i mechaniczne związane z wymianą na gorąco muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby ani sprzęt, ani użytkownik nie odnieśli obrażeń podczas wymiany na gorąco. Inne komponenty w systemie muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby usunięcie komponentu wymienianego podczas pracy nie przerywało działania.
Projekt mechaniczny
Ochronne płytki, osłony lub ramki mogą być stosowane zarówno na elementach wyjmowanych, jak i na samym urządzeniu głównym, aby uniemożliwić operatorowi kontakt z obwodami pod napięciem, zapewnić ochronę antystatyczną dodawanych lub usuwanych elementów lub zapobiec przypadkowemu dotknięciu elementów wyjmowanych oraz zwarcie zasilanych komponentów w urządzeniu operacyjnym.
Dodatkowe szczeliny prowadzące, kołki, wycięcia lub otwory mogą służyć do pomocy we właściwym wkładaniu elementu między inne elementy pod napięciem, podczas gdy mechaniczne zatrzaski sprzęgające, uchwyty lub dźwignie mogą być używane do wspomagania prawidłowego wkładania i wyjmowania urządzeń, które wymagają dużej siły do łączenia lub rozłączania lub do pomocy w prawidłowym dopasowaniu i trzymaniu razem złączy zasilania i komunikacji.
Wariacje
Istnieją dwa nieco różniące się znaczenia terminu „ hot swapping” . Może odnosić się tylko do możliwości dodawania lub usuwania sprzętu bez wyłączania systemu, podczas gdy oprogramowanie systemowe może wymagać powiadomienia przez użytkownika o zdarzeniu, aby sobie z nim poradzić. Przykłady obejmują urządzenia RS-232 i niższej klasy urządzenia SCSI . Przykłady obejmują urządzenia USB, FireWire i wyższej klasy SCSI .
Niektóre implementacje wymagają procedury wyłączenia komponentu przed usunięciem. Upraszcza to konstrukcję, ale takie urządzenia nie są odporne na awarię komponentów. Jeśli komponent zostanie usunięty podczas jego używania, operacje na tym urządzeniu zakończą się niepowodzeniem, a użytkownik jest odpowiedzialny za ponowienie próby, jeśli to konieczne, chociaż zwykle nie jest to uważane za problem.
Bardziej złożone implementacje mogą zalecać, ale nie wymagać wyłączenia komponentu, z wystarczającą redundancją w systemie, aby umożliwić kontynuację działania, jeśli komponent zostanie usunięty bez wyłączenia. W tych systemach wymiana podczas pracy jest zwykle używana do regularnej konserwacji komputera lub do wymiany uszkodzonego elementu.
Złącza
Większość nowoczesnych metod wymiany podczas pracy wykorzystuje wyspecjalizowane złącze z naprzemiennymi stykami, dzięki czemu niektóre styki z pewnością zostaną podłączone przed innymi. Większość konstrukcji z rozłożonymi stykami ma styki uziemiające dłuższe niż inne, co zapewnia, że żadne wrażliwe obwody nie zostaną podłączone, zanim nie nastąpi niezawodne uziemienie systemu. Wszystkie pozostałe styki mogą mieć tę samą długość, ale w niektórych przypadkach stosuje się trzy długości styków, tak że urządzenie wejściowe jest uziemiane jako pierwsze, linie danych podłączane jako drugie, a zasilanie jako trzecie, w krótkich odstępach czasu, gdy urządzenie jest wkładane. Kołki o tej samej długości nominalnej niekoniecznie stykają się dokładnie w tym samym czasie ze względu na tolerancje mechaniczne i kątowe ustawienie złącza po włożeniu.
Kiedyś uważano, że przesunięte wtyki są drogim rozwiązaniem, [ potrzebne źródło ] , ale wiele współczesnych rodzin złączy jest teraz standardowo wyposażonych w przesunięte wtyki; na przykład są używane we wszystkich nowoczesnych dyskach szeregowych SCSI. Specjalistyczne styki złącza zasilania typu hot-plug są teraz dostępne w handlu z powtarzalnymi wartościami znamionowymi przerwania prądu stałego do 16 A. Płytki drukowane są wykonane z naprzemiennymi krawędziami do bezpośredniego podłączania podczas pracy do złącza płyty montażowej.
Chociaż prędkość zatykania nie może być dokładnie kontrolowana, względy praktyczne zapewnią ograniczenia, które można wykorzystać do określenia najgorszych warunków. W przypadku typowej konstrukcji schodkowej, w której różnica długości wynosi 0,5 mm, czas, jaki upływa między kontaktem długiego i krótkiego styku, wynosi od 25 ms do 250 ms. Projektowanie obwodów typu hot-swap, które mogą działać z taką prędkością, jest całkiem praktyczne.
Tak długo, jak złącze typu hot-swap jest wystarczająco sztywne, jeden z czterech kołków narożnych będzie zawsze włączany jako pierwszy. W przypadku typowego dwurzędowego układu złączy zapewnia to cztery pierwsze kołki narożne, które są zwykle używane do uziemienia. Inne piny w pobliżu rogów mogą być używane do funkcji, które również skorzystałyby z tego efektu, na przykład do wykrywania, kiedy złącze jest całkowicie osadzone. Ten schemat ilustruje dobrą praktykę, w której uziemienie znajduje się w rogach, a styki zasilania blisko środka. Dwa kołki czujnikowe znajdują się w przeciwległych rogach, dzięki czemu wykrywanie pełnego osadzenia jest potwierdzane tylko wtedy, gdy oba stykają się z gniazdem. Pozostałe piny są używane do wszystkich innych sygnałów danych.
Elektronika mocy
Zasilacze prądu stałego do elementu wymienianego podczas pracy są zwykle wstępnie ładowane przez dedykowane długie styki, które stykają się przed głównymi stykami zasilania. Te styki wstępnego ładowania są chronione przez obwód, który ogranicza prąd rozruchowy do akceptowalnej wartości, która nie może uszkodzić styków ani zakłócić napięcia zasilającego w sąsiednich gniazdach. Obwód wstępnego ładowania może być prostym rezystorem szeregowym , rezystorem o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) lub ogranicznikiem prądu okrążenie. Dodatkową ochronę może zapewnić obwód „miękkiego rozruchu”, który zapewnia zarządzane narastanie wewnętrznych napięć zasilania DC w komponencie.
Typowa sekwencja podłączania komponentu wymienianego podczas pracy do gniazda może wyglądać następująco:
- Długie kołki uziemiające stykają się; dostępne stają się podstawowe zabezpieczenia elektryczne i ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi.
- Długie (lub średnie) styki wstępnego ładowania stykają się; kondensatory odsprzęgające zaczynają się ładować.
- Opóźnienie w czasie rzeczywistym wynoszące dziesiątki milisekund.
- Krótkie styki zasilania/sygnału stykają się.
- Złącze zostaje całkowicie osadzone; sygnał resetowania po włączeniu zasilania w komponencie
- Obwód miękkiego startu zaczyna doprowadzać zasilanie do komponentu.
- Opóźnienie w czasie rzeczywistym wynoszące dziesiątki milisekund.
- Obwód miękkiego startu kończy sekwencję; brak potwierdzenia obwodu resetowania po włączeniu zasilania
- Podzespół rozpoczyna normalną pracę.
Obwody zasilania typu hot-swap można teraz kupić na rynku w specjalnie zaprojektowanych układach ASIC , zwanych menedżerami zasilania typu hot-swap (HSPM).
Elektronika sygnałowa
Obwody podłączone do styków sygnałowych w elemencie wymienianym podczas pracy powinny zawierać pewną ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Zwykle ma to postać zaciskania diod do masy i do napięcia zasilania prądem stałym. Efekty wyładowań elektrostatycznych można zmniejszyć poprzez staranne zaprojektowanie obudowy mechanicznej wokół elementu wymienianego podczas pracy, na przykład poprzez pokrycie go cienką warstwą materiału przewodzącego.
Szczególną ostrożność należy zachować podczas projektowania systemów z sygnałami przesyłanymi do magistrali, które są podłączone do więcej niż jednego elementu wymienianego podczas pracy. Po włożeniu komponentu typu hot-swap jego piny wejściowe i wyjściowe będą reprezentować tymczasowe zwarcie do masy. Może to powodować niepożądane impulsy doziemne na sygnałach, które mogą zakłócić działanie innych elementów wymienianych podczas pracy w systemie. To był problem dla wczesnych równoległych SCSI napędy dysków. Jednym z powszechnych rozwiązań konstrukcyjnych jest ochrona styków sygnałowych podłączonych do magistrali szeregowymi diodami lub rezystorami. Urządzenia buforujące CMOS są teraz dostępne ze specjalistycznymi wejściami i wyjściami, które minimalizują zakłócenia sygnałów przesyłanych przez magistralę podczas operacji wymiany podczas pracy. Jeśli wszystko inne zawiedzie, innym rozwiązaniem jest wstrzymanie działania wszystkich komponentów podczas operacji wymiany podczas pracy.
Aplikacje
Nadajniki radiowe
Współczesne nadajniki radiowe (a także niektóre nadajniki telewizyjne ) wykorzystują tranzystorowe moduły mocy RF o dużej mocy zamiast lamp próżniowych . Moduły mocy wymieniane podczas pracy nie są nową technologią, ponieważ wiele nadajników radiowych wyprodukowanych w latach 30. rury.
W połowie lat 90. kilku producentów nadajników radiowych w USA zaczęło oferować wymienne moduły tranzystorowe RF o dużej mocy.
- W tamtym czasie nie istniał żaden standard branżowy dotyczący projektowania wymiennych modułów zasilania.
- Wczesne projekty modułów miały tylko ograniczoną ochronę patentową.
- Na początku XXI wieku dostępnych było wiele modeli nadajników, które wykorzystywały wiele różnych rodzajów modułów mocy.
Ponowne wprowadzenie modułów mocy było dobre dla branży nadajników radiowych, ponieważ sprzyjało innowacjom. Nadajniki modułowe okazały się bardziej niezawodne niż nadajniki rurowe, gdy nadajnik jest odpowiednio dobrany do warunków panujących w miejscu nadawania.
Ograniczenia mocy:
- Nadajnik modułowy o najniższej mocy: generalnie 1,0 kW, przy użyciu modułów 600 W.
- Nadajnik modułowy o największej mocy: 1,0 MW (dla LW , MW ).
- Nadajnik modułowy o największej mocy: 45 kW (FM, TV).
Hazard
Chociaż większość współczesnych systemów gier wideo może wymieniać gry i multimedia (np. Blu-ray ) bez wyłączania systemu, starsze generacje systemów różniły się pod względem obsługi możliwości wymiany podczas pracy. Na przykład, podczas gdy Sony PlayStation i PlayStation 2 mogą wysunąć dysk z grą przy włączonym systemie, Nintendo Game Boy Advance i Nintendo 64 zawiesiłyby się i potencjalnie mogłyby ulec uszkodzeniu, gdyby kaseta z grą została wyjęta przy włączonym zasilaniu. Producenci wyraźnie ostrzegali przed takimi praktykami w instrukcji obsługi lub na kartridżu z grą. Podobno właśnie z tego powodu Stop 'N' Swop został wyjęty z serii Banjo-Kazooie . W Sega Genesis / Mega Drive czasami można było zastosować kody (takie jak gracz mający nieskończone życie) i inne tymczasowe zmiany oprogramowania w grach poprzez wymianę kaset podczas pracy, mimo że kasety nie zostały zaprojektowane tak, aby można je było wymieniać podczas pracy.
Klawiatury
Klawiatury z możliwością wymiany podczas pracy umożliwiają wymianę przełączników bez konieczności demontażu klawiatury. W standardowych klawiaturach z przełącznikiem mechanicznym przełącznik jest przylutowany bezpośrednio do płytki drukowanej . Zamiast tego klawiatury z możliwością wymiany podczas pracy mają na swoim miejscu gniazdo, które umożliwia swobodną wymianę przełącznika bez ponownego lutowania.
Ze względu na to, że klawiatury z możliwością wymiany podczas pracy są mniej powszechne, często wymagają one zbudowania na zamówienie lub zakupu od producentów niestandardowych klawiatur. Można je znaleźć w różnych rozmiarach i układach , w tym w bardziej wyspecjalizowanych układach ergonomicznych .
Oprogramowanie
Hot swapping może również odnosić się do możliwości zmiany działającego kodu programu bez konieczności przerywania jego wykonywania. Programowanie interaktywne to paradygmat programowania , który szeroko wykorzystuje wymianę podczas pracy, więc programowanie staje się częścią samego przepływu programu.
Tylko kilka języków programowania natywnie obsługuje wymianę podczas pracy, w tym Pike , Lisp , Erlang , Smalltalk , Visual Basic 6 (nie VB.net), Java , a ostatnio Elm i Elixir . Microsoft Visual Studio obsługuje wymianę na gorąco o nazwie Edytuj i Kontynuuj, która jest obsługiwana przez C# , VB.NET i C / C++ podczas pracy w debugerze.
Hot swapping to główna metoda kodowania na żywo , w której programowanie jest integralną częścią procesu wykonawczego. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie języki programowania używane w kodowaniu na żywo, takie jak SuperCollider , TidalCycles lub Extempore, obsługują wymianę na gorąco.
Niektóre frameworki internetowe, takie jak Django , obsługują wykrywanie zmian w modułach i ponowne ładowanie ich w locie. Jednak, chociaż w większości przypadków jest to to samo, co wymiana na gorąco, technicznie jest to tylko czyszczenie podręcznej , wyzwalane przez nowy plik. Nie dotyczy to języków znaczników i języków programowania, takich jak HTML i PHP , w ogólnym przypadku, ponieważ pliki te są zwykle domyślnie ponownie interpretowane przy każdym użyciu. Istnieje kilka systemów CMS i innych frameworków opartych na PHP (takich jak Drupal ), które jednak wykorzystują buforowanie. W takich przypadkach obowiązują podobne zdolności i wyjątki.
Hot swap ułatwia również opracowywanie systemów, w których przetwarzane są duże ilości danych, jak w przypadku całych genomów w algorytmach bioinformatycznych.
Znaki towarowe
Termin „HOT PLUG” został zarejestrowany jako znak towarowy w Stanach Zjednoczonych w listopadzie 1992 r. firmie Core International, Inc. i anulowany w maju 1999 r.