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面向星载计算机的容错并行算法研究与实现

作 者: 米国伟
导 师: 周海芳
学 校: 国防科学技术大学
专 业: 计算机技术
关键词: 星载计算机 并行 容错 容错并行算法 NPB 原理样机
分类号: TP302.8
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 22次
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内容摘要


星载计算机是卫星进行星务管理和有效载荷计算的核心设备。空间应用需求的增长使多CPU并行成为星载计算机的未来发展方向。在空间运行期间,由于星载计算机设备将一直处于宇宙空间带电粒子构成的辐射环境中,周围的高温、高真空以及强辐射等会造成星载计算机出现瞬时故障或是永久故障而影响卫星业务的正常运行,因此容错技术一直是星载计算机研制领域的研究热点。作为容错技术的重要分支,软件容错为提高系统的可靠性提供了灵活有效的方法。本文在分析研究现有容错技术的基础上,运用应用级软件容错的手段来容忍硬件的故障,能有效提高星载系统的可靠性。本文主要完成的工作描述如下:1、面向星载并行计算机易出现的单节点故障,基于并行复算的思想提出了容错并行算法的概念,并且给出了容错并行算法的设计流程:首先进行程序段的划分,其次设计故障检测段和数据保存段,最后设计复算程序段。通过分析星载并行计算机的结构特点和应用模式,有针对性地提出了两种容错并行算法的实现方式:分配任务型和启动替换进程型。2、根据容错并行算法的设计流程和两种不同的容错实现方式,选取NPB(NAS parallel Benchmark)基准测试程序集基于MPI(Message Passing Interface)通信接口进行了相应的容错设计,并在四核微机平台上进行了测试,实验结果验证了容错并行算法的可行性。3、面向星载计算机的容错并行算法是一种在应用级的利用软件容错来解决硬件故障的方法,其设计思路和实现方式能否得到实际应用还需要进一步进行工程化实验,并在真实的硬件环境下进行验证性的测试。在深入研究嵌入式操作系统VxWorks的通信原理和通信方式的基础上,对基于MPI消息传递接口实现的容错并行算法进行工程化改造,并在VxWroks模拟器和实际的4节点并行原理样机上进行了功能和性能测试,实验结果表明容错并行算法在提高应用程序性能的同时可有效提高系统的可用性和可靠性。

全文目录


表目录  6-7
图目录  7-9
摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章 绪论  12-16
  1.1 课题研究背景  12-14
    1.1.1 星载计算机并行设计的必要性  12-13
    1.1.2 星载计算机容错设计的必要性  13-14
  1.2 课题研究内容  14-15
  1.3 本文的组织结构  15-16
第二章 星载计算机容错技术概述  16-21
  2.1 星载计算机故障诊断与容错控制的特点  16-17
  2.2 容错技术概述  17-19
    2.2.1 硬件容错技术  17-18
    2.2.2 软件容错技术  18-19
  2.3 并行领域的软件容错  19-20
    2.3.1 回滚恢复  19
    2.3.2 并行复算  19-20
    2.3.3 基于算法的容错  20
    2.3.4 算法相关的容错  20
  2.4 本章小结  20-21
第三章 容错并行算法及其设计方法  21-31
  3.1 基本思想  21-23
  3.2 容错并行算法的概念  23-24
  3.3 容错并行算法的设计流程  24-27
  3.4 容错并行算法的实现方式  27-30
    3.4.1 分配任务型  27-28
    3.4.2 启动替换进程型  28-29
    3.4.3 两种方式的对比  29-30
  3.5 本章小结  30-31
第四章 容错并行算法的设计与实现  31-44
  4.1 并行基准测试程序概述  31-33
    4.1.1 测试程序集  31-32
    4.1.2 MPI环境介绍  32-33
  4.2 密集并行计算容错并行算法(EP)  33-36
    4.2.1 算法的描述  33
    4.2.2 算法的容错并行设计  33-35
    4.2.3 算法的运行结果  35-36
  4.3 排序算法的容错并行算法(IS)  36-39
    4.3.1 算法的描述  36-37
    4.3.2 算法的容错并行设计  37-38
    4.3.3 算法的运行结果  38-39
  4.4 共轭梯度法的容错并行算法(CG)  39-43
    4.4.1 算法描述  39-40
    4.4.2 算法的容错并行设计  40-42
    4.4.3 算法的运行结果  42-43
  4.5 本章小结  43-44
第五章 面向实际星载并行计算机的算法移植和测试  44-58
  5.1 实验环境构建  44-48
    5.1.1 实验模拟环境  44-47
    5.1.2 星载并行计算机原理样机配置  47-48
  5.2 算法移植和硬件故障的模拟  48-55
    5.2.1 算法的移植  48-52
    5.2.2 硬件故障的模拟  52-53
    5.2.3 测试结果  53-55
  5.3 容错并行算法性能测试及分析  55-57
  5.4 本章小结  57-58
第六章 总结与展望  58-60
  6.1 本文工作的总结  58
  6.2 展望  58-60
致谢  60-61
参考文献  61-64
作者在学期间取得的学术成果  64-65
附录1 MPI通信接口  65-67
附录2 Socket通信函数  67

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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 > 设计与性能分析 > 容错技术
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