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星载并行计算机体系结构的研究与实现

作　者: 刘光辉
导　师: 杨学军
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 星载并行计算机抗辐照可靠性容错冗余冷备份
分类号: TP303
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 385次
引　用: 9次
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内容摘要

随着科技的发展,卫星技术在通信、气象、军事、地理研究、娱乐等多个领域起到重要作用,星载中心计算机是卫星综合电子系统的控制和管理中心,承担着卫星姿态与轨道控制、卫星星务管理、有效载荷数据管理与处理等任务。卫星的信息处理与数据管理技术的发展和变革对星载中心计算机的处理能力提出越来越高的要求。国外的研究与实践表明,并行处理是提高星载中心计算机处理能力的主要技术途径,也是国际上星载计算机技术发展的主流方向。星载中心计算机工作于太空,恶劣的工作环境对星载计算机的实现提出很高的要求,在星载计算机制造过程中不仅要考虑系统体系结构如何设计,还要考虑低功耗,高可靠性,容错性等问题。本文对国内外星载计算机的发展和相关研制状况作了总结,分析了星载计算机系统设计的特点,研究了其研制过程中的可靠性关键技术,概括介绍了并行计算机体系结构的基本概念。结合星载计算机的特点设计并实现了一个星载并行计算机原理样机的硬件系统,并对其可靠性进行了分析。最后,针对原理样机系统存在的不足,提出一个新的体系结构方案,将原理样机和新体系结构方案进行了比较。本文的研究对国内星载并行计算机的研制具有借鉴意义,对我院在空间信息计算领域的发展也有重要的现实意义。

全文目录

目录  4-7
图目录  7-9
表目录  9-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-16
  1．1 课题研究背景  12
  1．2 星载并行计算机系统发展及现状  12-14
  1．3 本文的主要工作  14-15
  1．4 本文的结构  15
  1．5 本课题的主要成果  15-16
第二章星载并行计算机可靠性关键技术研究  16-54
  2．1 星载计算机系统的特点  16-17
  2．2 星载计算机中增加可靠性的抗辐照技术研究  17-24
    2．2．1 器件级抗辐射研究  18-20
    2．2．2 抗辐射加固技术研究  20-21
    2．2．3 FPGA抗辐射研究  21-23
    2．2．4 研究结论  23-24
  2．3 星载计算机硬件冗余设计技术  24-42
    2．3．1 硬件表决系统  24-26
    2．3．2 待命储备系统  26-30
    2．3．3 混合冗余系统  30-33
    2．3．4 硬件二模冗余系统  33-40
    2．3．5 其他冗余系统  40-41
    2．3．6 硬件冗余结构综述  41-42
  2．4 星载计算机软件容错设计技术  42-48
    2．4．1 操作容错  43
    2．4．2 数据容错  43
    2．4．3 软件容错  43-47
      2．4．3．1 常见的软件错误类型  44
      2．4．3．2 软件设计中的避错法  44
      2．4．3．3 软件容错的方法和技术  44-47
    2．4．4 小节  47-48
  2．5 星载并行计算机体系结构研究  48-54
第三章星载并行嵌入式原理样机系统的设计与实现  54-85
  3．1 星载并行计算机可靠性设计  54-57
    3．1．1 器件可靠性设计  54-55
    3．1．2 印制电路板可靠性设计  55
    3．1．3 逻辑电路可靠性设计  55-56
      3．1．3．1 数据检错纠错电路  55
      3．1．3．2 FPGA逻辑可靠性设计  55-56
    3．1．4 部件可靠性设计  56-57
    3．1．5 系统可靠性设计  57
  3．2 系统实现  57-58
  3．3 CPU模块  58-74
    3．3．1 双CPU并行结构  58-60
    3．3．2 时钟和复位  60-61
    3．3．3 存储系统设计  61-62
    3．3．4 总线桥接器设计  62-74
      3．3．4．1 PCI相关功能模块  63-71
        3．4．1．1．1 主设备模块  64-67
        3．4．1．1．2 从设备模块  67-69
        3．4．1．1．3 总线仲裁模块  69-71
      3．3．4．2 MEM模块  71-74
      3．3．4．3 I~2C总线接口模块  74
  3．4 I/O模块  74-79
    3．4．1 多功能PCI模块设计  74-75
    3．4．2 FPGA设计  75-79
      3．4．2．1 顶层模块设计  75-76
      3．4．2．2 子模块设计  76-79
  3．5 容错模块  79-83
    3．5．1 容错模块FPGA主要功能及结构  79-81
    3．5．2 对主机的备份方案  81-83
      3．5．2．1 容错模块对主机的通信控制方案  81
      3．5．2．2 检错及切换过程分析  81-83
  3．6 二次电源模块  83-85
    3．6．1 结构设计  83-84
    3．6．2 热备份设计  84-85
第四章原理样机系统评测  85-92
  4．1 系统并行性分析  85-87
  4．2 系统可靠性分析  87-90
  4．3 系统测试内容及结果  90-92
第五章星载并行计算机原理样机系统的优化方案研究  92-97
  5．1 现有系统存在的不足  92-93
  5．2 新方案的研究  93-97
    5．2．1 系统组成  93-94
    5．2．2 相对原理样机的优点  94-95
    5．2．3 系统可靠性研究  95-97
第六章结束语  97-99
  6．1 本文的工作总结  97
  6．2 展望  97-99
致谢  99-101
参考文献  101-104
附录作者攻读硕士期间发表的论文  104

星载并行计算机体系结构的研究与实现

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