基于VPX的双模冗余计算机的设计与实现

发布时间：2021-06-13 21:18

　　随着商用、工业领域嵌入式计算设备性能的快速增长,研发适用于航空航天、军用装备等场合的高性能计算机亦势在必行,与此同时,实际需求对此类设备的可靠性指标依然保持着苛刻的标准,这就需要通过冗余和容错等手段来保障系统的持久可靠运行。本文在充分研究分析冗余容错技术,并结合国外最近流行的SpaceVPX技术,针对其存在的单点故障风险,提出采用基于无中心裁决结构的双模冗余容错方案,主要内容包括以下部分:（1）对常用的冗余容错技术进行研究分析,主要包括硬件冗余和软件冗余,重点分析了近年来新兴的专用于航天领域的SpaceVPX技术,讨论了其不足之处,在此基础上针对可能存在的单点故障风险,提出了改进的基于无中心裁决的双模冗余热备份方案,并从软硬件实现的角度对其中的双机同步、故障检测和仲裁切换等关键技术进行了详细的讨论分析。（2）对所提出的无中心裁决双模冗余热备份方案进行了相应的硬件设计,首先给出了系统总体的设计,在此基础上对处理器模块、SpaceWire控制器模块、同步通信模块以及背板互连方案进行了详细的设计;随后给出了用于无中心裁决的控制逻辑的设计思路和具体的逻辑框图,对逻辑中的模块进行了详细设计,通过... 

【文章来源】：中国运载火箭技术研究院北京市

【文章页数】：80 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
引言
第一章 冗余容错技术研究
    1.1 计算机系统容错技术
        1.1.1 硬件冗余
        1.1.2 软件冗余
        1.1.3 时间冗余和信息冗余
    1.2 SpaceVPX容错技术研究
        1.2.1 VPX技术发展历程
        1.2.2 SpaceVPX冗余容错技术研究
        1.2.3 VPX技术发展趋势
    1.3 双模冗余热备系统关键技术研究
        1.3.1 双机同步
        1.3.2 故障检测
        1.3.3 仲裁切换
    1.4 本章小结
第二章 无中心裁决双模冗余热备系统的硬件与控制逻辑设计
    2.1 硬件电路总体方案
    2.2 CPU模块
        2.2.1 存储器电路
        2.2.2 调试接口及其复位电路
        2.2.3 晶振与时钟倍频
        2.2.4 系统供电电源与电源监控电路
    2.3 SpaceWire控制器模块
    2.4 同步通信模块
        2.4.1 基于串口的同步通信
        2.4.2 基于双端口RAM的同步通信
    2.5 FPGA模块
    2.6 基于FPGA的无中心裁决控制逻辑设计
        2.6.1 无中心裁决控制逻辑设计
        2.6.2 逻辑的设计实现
        2.6.3 仿真结果与分析
    2.7 系统背板的互连
    2.8 本章小结
第三章 系统可靠性分析
    3.1 可靠性基本理论研究
        3.1.1 可靠性度量参数
        3.1.2 可靠性评估方法
        3.1.3 组合模型框图分类
    3.2 元器件基本失效率的计算
        3.2.1 各元器件基本失效率的计算
        3.2.2 板级总体失效率
    3.3 不同冗余方式的可靠性分析与比较
        3.3.1 三种冗余容错系统的可靠性分析
        3.3.2 三种冗余容错系统可靠性的比较
    3.4 本章小结
第四章 双模冗余系统的软件设计与硬件调试
    4.1 软件设计方法
    4.2 系统管理模块的设计
        4.2.1 系统初始化
        4.2.2 I/O处理
        4.2.3 双机同步通信
    4.3 容错管理模块的设计
        4.3.1 故障检测
        4.3.2 比较仲裁
    4.4 软件容错设计
        4.4.1 软件的冗余
        4.4.2 双模冗余热备系统的软件容错设计
    4.5 硬件调试
        4.5.1 添加调试器配置信息
        4.5.2 目标硬件调试
        4.5.3 调试程序的烧写
    4.6 本章小结
第五章 系统实测与验证
    5.1 系统介绍
        5.1.1 无中心裁决双模冗余热备系统
        5.1.2 系统主要功能与性能指标
    5.2 板级功能测试
        5.2.1 SRAM读写测试
        5.2.2 FPGA编程烧写测试
        5.2.3 SpaceWire通信功能与DPRAM读写测试
    5.3 系统仲裁切换功能验证
    5.4 本章小结
结论
参考文献
附录 A 元器件基本失效率计算公式
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]OpenVPX总线及其在雷达信息处理的应用[J]. 池凌鸿,史鸿声.  雷达科学与技术. 2013(04)
[2]一种基于openVPX的通用信号处理平台设计[J]. 许烈华.  电讯技术. 2012(05)
[3]用AT91RM9200构建高可靠嵌入式系统[J]. 邢维艳,王宝军,刘东.  单片机与嵌入式系统应用. 2007(02)
[4]非相似余度飞控计算机[J]. 陈宗基,秦旭东,高金源.  航空学报. 2005(03)
[5]嵌入式故障注入器HFI-4的研究与设计[J]. 董剑,曲峰,刘宏伟,崔刚.  小型微型计算机系统. 2003(12)
[6]软件容错技术的研究现状与展望[J]. 张宇,洪炳熔.  计算机应用研究. 1999(09)
[7]双模冗余系统及其自动切换控制逻辑[J]. 尹征琦.  电子技术. 1997(04)

博士论文
[1]嵌入式计算机控制系统容错策略研究[D]. 王平.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2004
[2]故障诊断与容错技术及其在组合导航系统中的应用研究[D]. 钱华明.哈尔滨工程大学 2004

硕士论文
[1]基于TSC695F的高可靠星载嵌入式系统设计与实现[D]. 凌幸华.复旦大学 2009
[2]分布式容错计算机余度管理技术研究[D]. 姚蔚华.长安大学 2006
[3]基于实时操作系统的多机冗余、容错技术研究[D]. 徐美荣.浙江大学 2006
[4]星载并行计算机硬件系统可靠性设计与分析[D]. 赵恒.国防科学技术大学 2005
[5]星载并行计算机体系结构的研究与实现[D]. 刘光辉.国防科学技术大学 2005



本文编号：3228356