Горячая замена компонентов компьютера

Введение

Концепция в вычислительной технике

Горячая замена – это замена или добавление компонентов в компьютерную систему без остановки, выключения или перезагрузки системы; горячее подключение описывает только добавление компонентов. Компоненты, обладающие такой функциональностью, называются горячезаменяемыми или горяче подключаемыми; соответственно, компоненты, не обладающие такой функциональностью, называются холоднозаменяемыми или холодно подключаемыми. Большинство аппаратных компонентов настольных компьютеров, таких как процессоры и память, поддерживают только холодную замену. Однако для серверов среднего и высокого класса и мэйнфреймов обычно предусмотрена возможность горячей замены аппаратных компонентов, таких как процессор, память, PCIe, SATA и SAS-диски. Примером горячей замены является возможность извлечь периферийное устройство Universal Serial Bus (USB), например, флеш-накопитель, внешний жесткий диск (HDD), мышь, клавиатуру или принтер, из USB-порта компьютера или периферийного концентратора без предварительного безопасного извлечения. Большинство смартфонов и планшетов с лотками для карт могут обменивать SIM-карты, не выключая систему. Специализированные цифровые камеры и видеокамеры обычно имеют легкодоступные отсеки для карт памяти и аккумуляторов для быстрой замены с минимальным прерыванием работы. Аккумуляторы можно циклически использовать, заряжая запасные аккумуляторы внешне, когда они не используются. Многие камеры и видеокамеры оснащены встроенной памятью, позволяющей осуществлять запись даже при отсутствии карты памяти.

Обоснование

Горячая замена используется всякий раз, когда необходимо изменить конфигурацию или отремонтировать работающую систему, не прерывая ее работу. Это может быть сделано для удобства, чтобы избежать задержек и неудобств, связанных с выключением и последующим перезапуском сложного оборудования, или потому, что для оборудования, такого как сервер, требуется непрерывная работа. Горячая замена может использоваться для добавления или удаления периферийных устройств или компонентов, для синхронизации данных устройства с компьютером, а также для замены неисправных модулей без остановки работы оборудования. Машина может иметь два блока питания, каждый из которых способен обеспечить ее работу; неисправный блок может быть заменен в режиме горячей замены. Важные платы, такие как дисковые контроллеры или адаптеры шины, могут быть разработаны с резервными путями, чтобы их можно было заменить в случае сбоя без прерывания работы соответствующей компьютерной системы.

Систематические соображения

Машины, поддерживающие горячую замену, должны уметь адаптировать свою работу к изменившейся конфигурации, либо автоматически при обнаружении изменения, либо по требованию пользователя. Все электрические и механические соединения, используемые при горячей замене, должны быть спроектированы таким образом, чтобы исключить возможность повреждения оборудования или пользователя в процессе замены. Остальные компоненты системы должны быть спроектированы так, чтобы извлечение компонента с поддержкой горячей замены не приводило к прерыванию работы системы.

Механическая конструкция

Защитные пластины, щитки или рамки могут использоваться как на съемных компонентах, так и на самом устройстве для предотвращения контакта оператора с находящимися под напряжением электрическими цепями, для обеспечения антистатической защиты компонентов при их установке или извлечении, или для предотвращения случайного касания и короткого замыкания съемных компонентов с компонентами, находящимися под напряжением в работающем устройстве. Дополнительные направляющие пазы, штифты, выемки или отверстия могут использоваться для облегчения правильной установки компонента между другими компонентами, находящимися под напряжением, а механические защелки, ручки или рычаги – для облегчения правильной установки и извлечения устройств, требующих значительных усилий для подключения или отключения, или для обеспечения надежного соединения и фиксации разъемов питания и связи.

Вариации

Существует два несколько различающихся значения термина "горячая замена". Он может относиться исключительно к возможности добавления или удаления аппаратного обеспечения без выключения системы, при этом системное программное обеспечение может нуждаться в уведомлении от пользователя о произошедшем событии для его обработки. Примерами служат RS 232 и устройства SCSI начального уровня. Примерами служат USB, FireWire и устройства SCSI более высокого уровня. В некоторых реализациях требуется процедура отключения компонента перед его удалением. Это упрощает конструкцию, но такие устройства не отличаются надежностью в случае отказа компонента. Если компонент удаляется во время его использования, операции с этим устройством завершаются с ошибкой, и пользователь несет ответственность за повторную попытку, если это необходимо, хотя обычно это не рассматривается как проблема. В более сложных реализациях может рекомендоваться, но не требоваться отключение компонента, при этом в системе должна быть достаточная избыточность, чтобы обеспечить продолжение работы, если компонент удален без отключения. В таких системах горячая замена обычно используется для регулярного обслуживания компьютера или для замены неисправного компонента.

Коннекторы

Большинство современных методов горячей замены используют специализированный разъем с каскадными контактами, благодаря чему определенные контакты соединяются раньше других. В большинстве конструкций с каскадными контактами заземляющие контакты длиннее остальных, что гарантирует, что чувствительная схема не будет подключена до установления надежного заземления системы. Другие контакты могут быть одинаковой длины, но в некоторых случаях используются три различных длины контактов, чтобы входящее устройство сначала заземлялось, затем подключались линии передачи данных, а питание подавалось третьим – в быстрой последовательности при вставке устройства. Контакты одинаковой номинальной длины не обязательно соприкасаются одновременно из-за механических допусков и угла наклона разъема при вставке. Ранее каскадные контакты считались дорогим решением, но многие современные семейства разъемов теперь поставляются с ними в стандартной комплектации; например, они используются во всех современных последовательных дисковых накопителях SCSI. Специализированные контакты разъемов горячего питания теперь доступны в продаже с гарантированными характеристиками разрыва цепи постоянного тока до 16 А. Печатные платы изготавливаются с каскадными краевыми выводами для прямого подключения к заднему разъему в режиме горячей замены. Хотя скорость подключения не может быть точно контролируема, практические соображения позволяют установить пределы, которые можно использовать для определения наихудших условий. Для типичной конструкции с каскадными контактами, где разница в длине составляет 0,5 мм, время между контактом длинных и коротких контактов составляет от 25 до 250 мс. Вполне возможно спроектировать схемы горячей замены, способные работать с такой скоростью. Если разъем для горячей замены достаточно жесткий, один из четырех угловых контактов всегда будет первым, который замкнется. Для типичной двухрядной компоновки разъема это обеспечивает четыре угловых контакта, которые обычно используются для заземления. Другие контакты, расположенные рядом с углами, могут использоваться для функций, которые также выиграют от этого эффекта, например, для определения полной установки разъема. На этой схеме показана хорошая практика, при которой заземление расположено в углах, а контакты питания – ближе к центру. Два сенсорных контакта расположены в противоположных углах, чтобы подтверждение полной установки происходило только при контакте обоих с разъемом. Остальные контакты используются для всех остальных сигналов данных.

Most modern hot swap methods use a specialized connector with staggered pins, so that certain pins are certain to be connected before others. Most staggered pin designs have ground pins longer than the others, ensuring that no sensitive circuitry is connected before there is a reliable system ground. The other pins may all be the same length, but in some cases three pin lengths are used so that the incoming device is grounded first, data lines connected second, and power applied third, in rapid succession as the device is inserted. Pins of the same nominal length do not necessarily make contact at exactly the same time due to mechanical tolerances, and angling of the connector when inserted. At one time staggered pins were thought to be an expensive solution, but many contemporary connector families now come with staggered pins as standard; for example, they are used on all modern serial SCSI disk drives. Specialized hot plug power connector pins are now commercially available with repeatable DC current interruption ratings of up to 16 A. Printed circuit boards are made with staggered edge fingers for direct hot plugging into a backplane connector. Although the speed of plugging cannot be controlled precisely, practical considerations will provide limits that can be used to determine worst case conditions. For a typical staggered pin design where the length difference is 0.5 mm, the elapsed time between long and short pin contact is between 25 ms and 250 ms. It is quite practical to design hot swap circuits that can operate at that speed. As long as the hot swap connector is sufficiently rigid, one of the four corner pins will always be the first to engage. For a typical two row connector arrangement this provides four first to make corner pins that are usually used for grounds. Other pins near the corners can be used for functions that would also benefit from this effect, for example sensing when the connector is fully seated. This diagram illustrates good practice where the grounds are in the corners and the power pins are near the center. Two sense pins are located in opposite corners so that fully seated detection is confirmed only when both of them are in contact with the slot. The remaining pins are used for all the other data signals.

Сигнальная электроника

Схема, подключенная к сигнальным контактам компонента с возможностью горячей замены, должна включать защиту от электростатического разряда (ESD). Обычно это реализуется в виде ограничивающих диодов, подключенных к земле и к напряжению питания постоянного тока. Влияние ESD можно снизить за счет тщательной конструкции механического корпуса вокруг компонента с возможностью горячей замены, например, путем нанесения на него тонкой пленки проводящего материала. Особое внимание следует уделять проектированию систем с общей шиной сигналов, подключенных к нескольким компонентам с возможностью горячей замены. При вставке компонента с возможностью горячей замены его входные и выходные сигнальные контакты временно замыкаются на землю. Это может привести к появлению нежелательных импульсов уровня земли на сигналах, которые могут нарушить работу других компонентов с возможностью горячей замены в системе. Эта проблема была характерна для ранних параллельных дисковых накопителей SCSI. Распространенным конструктивным решением является защита сигнальных контактов шины последовательными диодами или резисторами. Сейчас доступны буферные устройства CMOS со специализированными входами и выходами, которые минимизируют влияние на сигналы шины во время операции горячей замены. Если все остальные методы не помогают, другим решением является временная приостановка работы всех компонентов во время операции горячей замены.

Игры

Хотя большинство современных игровых консолей позволяют менять игры и мультимедиа (например, Blu-ray диски) без выключения системы, более ранние поколения консолей по-разному поддерживали возможность «горячей замены». Например, в то время как в Sony PlayStation и PlayStation 2 можно было извлечь игровой диск при включенной консоли, Nintendo Game Boy Advance и Nintendo 64 могли зависнуть и даже повредиться, если игровой картридж извлекался при включенном питании. Производители специально предупреждали о недопустимости таких действий в руководстве пользователя или непосредственно на картридже с игрой. По некоторым данным, именно поэтому функция Stop 'N' Swop была исключена из серии Banjo Kazooie. В случае с Sega Genesis/Mega Drive иногда удавалось применять читы (например, дающие игроку бесконечное количество жизней) и другие временные программные изменения в играх, осуществляя «горячую замену» картриджей, хотя они и не были предназначены для этого.

Клавиатуры

Клавиатуры с возможностью горячей замены позволяют менять переключатели, не разбирая клавиатуру. На стандартных механических клавиатурах переключатель припаян непосредственно к печатной плате. В клавиатурах с возможностью горячей замены вместо этого предусмотрен сокет, позволяющий свободно заменять переключатель без повторной пайки. Поскольку клавиатуры с возможностью горячей замены встречаются реже, они часто требуют индивидуальной сборки или покупки у производителей кастомных клавиатур. Microsoft Visual Studio поддерживает разновидность горячей замены под названием Edit and Continue, которая поддерживается C#, VB.NET и C/C++ при работе под отладчиком. Горячая замена является центральным методом в живом кодировании, где программирование является неотъемлемой частью процесса выполнения. В целом, все языки программирования, используемые в живом кодировании, такие как SuperCollider, TidalCycles или Extempore, поддерживают горячую замену. Некоторые веб-фреймворки, такие как Django, поддерживают обнаружение изменений в модулях и их перезагрузку на лету. Однако, хотя это по сути то же самое, что и горячая замена, технически это просто очистка кэша, вызванная новым файлом. Это не относится к языкам разметки и программирования, таким как HTML и PHP соответственно, в общем случае, поскольку эти файлы обычно переинтерпретируются при каждом использовании по умолчанию. Тем не менее, некоторые CMS и другие фреймворки на основе PHP (например, Drupal) используют кэширование, и в этих случаях применяются аналогичные возможности и исключения. Горячая замена также облегчает разработку систем, в которых обрабатываются большие объемы данных, например, целые геномы в алгоритмах биоинформатики.

Торговые марки

Термин "HOT PLUG" был зарегистрирован как товарный знак в Соединенных Штатах в ноябре 1992 года компанией Core International, Inc. и аннулирован в мае 1999 года.