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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
下　载: 83次
引　用: 1次
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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。

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

高可靠星载双机备份系统的设计与评估

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