星载并行处理计算机系统容错技术研究
发布时间：2024-02-05 08:13
小卫星以其研制周期短、发射方式灵活、成本低、风险小等众多优势,已经成为航天领域研究的热点。并行容错星载计算机系统PFT-OBCS(Parallel Fault-Tolerance On-Board Computer System)是一个基于COTS技术实现的四CPU并行星载计算机系统。该系统以RTEMS和SPARC V8架构的处理器为软硬件平台,具有基于消息传递的并行计算、状态监控与自主切换、数据交换与分发、软件重注入、在轨功能重构等功能。 本文对PFT-OBCS中的关键技术进行了研究,详细分析了PFT-OBCS容错结构和RTEMS操作系统源代码。在此基础上,制定了容错策略并对硬件提出了容错支持要求,重点实现了一些有特色、实用性强的容错技术,如软件重注入、从结点重启等等。同时,结合系统容错结构和策略,使用组合模型与马尔可夫模型对PFT-OBCS进行可靠性建模分析,指出了影响系统可靠性的关键部件。然后,对容错模块的功能和系统性能进行了测试。最后,通过对PFT-OBCS开发过程中的一些问题的总结与分析,提出了下一步工作的展望。
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 空间辐射环境
1.3 星载计算机容错技术
1.4 本文的主要工作
1.5 本文的结构
第二章 容错技术概述
2.1 容错技术基本概念
2.2 故障原理与容错方式
2.2.1 故障、差错与失效
2.2.2 故障的分类
2.2.3 基本容错方式
2.2.4 冗余
2.3 软件容错技术
2.3.1 恢复块技术
2.3.2 N-版本编程
2.3.3 两种技术的比较
2.4 小结
第三章 PFT-OBCS容错结构设计
3.1 微处理器与操作系统的选择
3.1.1 星载计算机微处理器
3.1.2 星载计算机操作系统
3.2 软硬件平台提供的容错支持
3.2.1 Watchdog
3.2.2 停机指令
3.2.3 优先级翻转
3.2.4 异常处理
3.3 硬件容错体系结构
3.3.1 CPU 模块
3.3.2 通讯模块
3.3.3 容错模块
3.3.4 I/O 模块
3.4 小结
第四章 PFT-OBCS容错策略设计与实现
4.1 PFT-OBCS 容错结构分析
4.2 PFT-OBCS 容错策略
4.2.1 节点失效处理
4.2.2 I/O 失效处理
4.2.3 在线升级与双核机制
4.2.4 在轨功能重构
4.2.5 容错编程模式
4.3 PFT-OBCS 容错策略实现
4.3.1 软件重注入的实现
4.3.2 从节点重启的实现
4.4 小结
第五章 基于组合模型和马尔可夫模型的系统可靠性分析
5.1 可靠性理论
5.1.1 基本概念与定义
5.1.2 可靠性计算模型
5.2 PFT-OBCS 可靠性分析
5.2.1 基于组合模型的可靠性分析
5.2.2 基于马尔可夫模型的可靠性分析
5.3 基于可靠性的性能分析
5.3.1 等效计算节点数
5.3.2 各部件对等效计算节点数的影响
5.4 小结
第六章 PFT-OBCS容错模块与系统性能测试
6.1 容错模块功能测试
6.1.1 相关概念与定义
6.1.2 初始化过程测试
6.1.3 节点失效与I/O 失效测试
6.1.4 软件重注入与双核测试
6.1.5 FPGA 重构测试
6.2 系统性能测试
6.2.1 系统实时性测试
6.2.2 系统计算性能测试
6.2.3 ATM 网络交换性能测试
6.3 小结
第七章 总结与展望
7.1 工作总结
7.2 当前不足与未来的展望
7.2.1 硬件结构改进
7.2.2 软件结构改进
7.2.3 容错调度算法
7.2.4 其它
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的文章
本文编号：3895925
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 空间辐射环境
1.3 星载计算机容错技术
1.4 本文的主要工作
1.5 本文的结构
第二章 容错技术概述
2.1 容错技术基本概念
2.2 故障原理与容错方式
2.2.1 故障、差错与失效
2.2.2 故障的分类
2.2.3 基本容错方式
2.2.4 冗余
2.3 软件容错技术
2.3.1 恢复块技术
2.3.2 N-版本编程
2.3.3 两种技术的比较
2.4 小结
第三章 PFT-OBCS容错结构设计
3.1 微处理器与操作系统的选择
3.1.1 星载计算机微处理器
3.1.2 星载计算机操作系统
3.2 软硬件平台提供的容错支持
3.2.1 Watchdog
3.2.2 停机指令
3.2.3 优先级翻转
3.2.4 异常处理
3.3 硬件容错体系结构
3.3.1 CPU 模块
3.3.2 通讯模块
3.3.3 容错模块
3.3.4 I/O 模块
3.4 小结
第四章 PFT-OBCS容错策略设计与实现
4.1 PFT-OBCS 容错结构分析
4.2 PFT-OBCS 容错策略
4.2.1 节点失效处理
4.2.2 I/O 失效处理
4.2.3 在线升级与双核机制
4.2.4 在轨功能重构
4.2.5 容错编程模式
4.3 PFT-OBCS 容错策略实现
4.3.1 软件重注入的实现
4.3.2 从节点重启的实现
4.4 小结
第五章 基于组合模型和马尔可夫模型的系统可靠性分析
5.1 可靠性理论
5.1.1 基本概念与定义
5.1.2 可靠性计算模型
5.2 PFT-OBCS 可靠性分析
5.2.1 基于组合模型的可靠性分析
5.2.2 基于马尔可夫模型的可靠性分析
5.3 基于可靠性的性能分析
5.3.1 等效计算节点数
5.3.2 各部件对等效计算节点数的影响
5.4 小结
第六章 PFT-OBCS容错模块与系统性能测试
6.1 容错模块功能测试
6.1.1 相关概念与定义
6.1.2 初始化过程测试
6.1.3 节点失效与I/O 失效测试
6.1.4 软件重注入与双核测试
6.1.5 FPGA 重构测试
6.2 系统性能测试
6.2.1 系统实时性测试
6.2.2 系统计算性能测试
6.2.3 ATM 网络交换性能测试
6.3 小结
第七章 总结与展望
7.1 工作总结
7.2 当前不足与未来的展望
7.2.1 硬件结构改进
7.2.2 软件结构改进
7.2.3 容错调度算法
7.2.4 其它
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的文章
本文编号：3895925
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jisuanjikexuelunwen/3895925.html