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高可靠星载双机备份系统的设计与评估
作 者: 贾文涛
导 师: 张春元
学 校: 国防科学技术大学
专 业: 计算机科学与技术
关键词: 双机备份技术 星载计算机 容错技术 故障注入技术
分类号: TP309.3
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要
星载计算机系统作为卫星星务处理和控制的核心,其可靠性和性能直接决定了卫星星务处理的能力。随着航天技术日新月异的进步,对星载计算机系统的可靠性和性能提出了越来越严苛的要求,研制高可靠、高性能的星载计算机系统成为一个必须迎接的挑战。双机备份技术是目前星载计算机系统最常用的容错技术,特别是温备份和热备份方式广泛应用于卫星。本文针对传统备份方式的不足,设计了主机和备机的运行方式相区分的双机备份方式。与传统备份方式相比这种方式有明显特点:1、双机系统的运行方式有区分,主机侧重于进行星务处理,而备机侧重于进行故障检测与处理;2、备机进行故障自检以减少因备机故障而导致的比对结果不一致;3、比对不一致时先进行故障类型判别,如果是瞬时故障只需要进行系统恢复;4、硬件看门狗对星务程序的控制流进行检测,实现了对星务程序的结果和控制流的综合监控。针对提出的运行方式区分的双机备份方式,本文完成了完整的星载双机备份系统的设计与实现,研制出了原型系统。星载双机备份原型系统星务处理正确、运行稳定。为了精确的评估星载双机备份系统的实际容错效果,本文对原型系统进行了硬件故障注入试验。本文根据星载双机备份系统中故障传播的过程和发生SEU的特性,设计了接近真实的故障注入试验方式;并向采用EDAC容错的SRAM和采用TMR容错的FLASH分别实施了故障注入试验;对试验数据进行分析,评估了EDAC、TMR和双机备份技术的实际容错效果。试验表明本文设计的星载双机备份系统具有较强的容错能力,可以极大的提高系统的可靠性和性能。
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全文目录
表目录 7-8 图目录 8-9 摘要 9-10 ABSTRACT 10-11 第一章 绪论 11-19 1.1 研究背景 11-14 1.1.1 空间辐射概况 11-12 1.1.2 空间辐射对星载计算机系统的影响 12-13 1.1.3 基于COTS 器件研制星载计算机系统面临的主要问题 13-14 1.2 国内外研究现状 14-16 1.2.1 相关研究现状 14-16 1.2.2 研究发展趋势 16 1.3 研究内容与创新点 16-17 1.4 论文组织结构 17-19 第二章 容错技术和可靠性评估技术 19-29 2.1 容错技术 19-21 2.1.1 容错技术的基本概念 19-20 2.1.2 容错技术的基本形式 20-21 2.1.3 容错的基本过程 21 2.2 双机备份技术研究 21-24 2.2.1 双机备份系统 21-22 2.2.2 基于故障判别的双机备份设计 22-23 2.2.3 高性能的双机备份设计 23-24 2.3 可靠性评估技术 24-26 2.3.1 可靠性相关概念 24-25 2.3.2 系统可靠性评估的方法 25-26 2.4 故障注入技术 26-27 2.4.1 故障注入技术的分类 26-27 2.4.2 故障注入的过程 27 2.4.3 故障注入的描述模型 27 2.5 小结 27-29 第三章 星载双机备份系统设计的关键技术 29-50 3.1 星载双机的备份方式 29-35 3.1.1 双机温备份方式 29-30 3.1.2 双机热备份方式 30-31 3.1.3 双机运行方式区分的备份方式 31-32 3.1.4 三种双机备份方式的效果分析 32-35 3.2 看门狗检测故障机制 35-40 3.2.1 相互监控的看门狗机制 35-36 3.2.2 星务程序的监控流程 36-37 3.2.3 基于控制流的星务程序程监控 37-38 3.2.4 定时器中断监控 38-39 3.2.5 硬件看门狗监控 39-40 3.3 高可靠的备份机运行方式 40-43 3.3.1 基于逻辑帧的星务数据比对 41-42 3.3.2 备机故障自检 42 3.3.3 故障判别和定位 42-43 3.4 高性能的主机运行方式 43-44 3.5 实时的双机切换技术 44-46 3.5.1 多种方式相结合的双机切换技术 44-45 3.5.2 双机仲裁技术 45-46 3.5.3 实时的备机切换方式 46 3.6 高速的双机通讯技术 46-48 3.6.1 双机通讯方式 46-47 3.6.2 通讯交互方式 47-48 3.6.3 基于硬件的冲突处理 48 3.7 双机备份系统的降级使用 48-49 3.8 小结 49-50 第四章 星载双机备份系统的硬件设计与实现 50-60 4.1 星载双机备份系统的功能和需求 50-51 4.2 星载双机备份系统的总体结构 51-52 4.3 单CPU 系统的容错设计 52-55 4.3.1 单CPU 系统的总体结构 52-53 4.3.2 EDAC 容错技术 53-54 4.3.3 TMR 容错技术 54-55 4.4 控制系统的结构 55-56 4.5 星载双机备份系统的实现 56-59 4.5.1 EDAC 的实现 56-57 4.5.2 TMR 的实现 57 4.5.3 抗SEL 电路的实现 57-58 4.5.4 星载双机备份原型系统 58-59 4.6 小结 59-60 第五章 基于硬件故障注入的可靠性评估 60-70 5.1 硬件故障注入试验的原理 60-61 5.2 硬件故障注入试验的方法设计 61-64 5.2.1 故障注入的FARM 描述 62-63 5.2.2 故障注入的时序 63 5.2.3 基于重试的故障注入方式 63-64 5.3 故障注入的硬件实现 64-65 5.4 故障注入试验过程及结果分析 65-68 5.4.1 EDAC 容错效果分析 65-66 5.4.2 TMR 容错效果分析 66 5.4.3 同时注入故障时系统容错效果分析 66-67 5.4.4 运行方式区分的备份技术的效果分析 67 5.4.5 星载双机备份系统故障分析 67-68 5.5 星载双机备份系统优化的分析 68-69 5.6 小结 69-70 第六章 结束语 70-72 6.1 本文研究总结 70-71 6.2 未来工作展望 71-72 致谢 72-73 参考文献 73-77 作者在学期间取得的学术成果 77
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 一般性问题 > 安全保密 > 数据备份与恢复
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