三模冗余容错计算机的设计与实现

论文摘要

随着空间任务日趋复杂,对星载计算机提出了更高要求,如何提高星载计算机的可靠性、安全性和实时性成为卫星、飞船火箭控制系统亟须解决的问题。本文设计了一种三模冗余容错星载计算机。该计算机采用三机对等同构的形式,在每个单机上嵌入一个三机同步模块和数据交互模块,实现三机同步。单机出现故障时,通过系统重构机制,将故障单机从系统中摘除,通过三机间的数据交换通道,恢复故障单机。为实现三机同步和系统重构,本文提出了一种基于状态跟踪锁定机制的精确同步算法和基于传输协议帧的系统重构算法。同步算法通过对三机的执行状态进行跟踪和锁定,实现三模冗余容错计算机的精确同步;系统重构算法基于传输协议帧,实现了对故障单机的无缝重构,节省互连资源,降低成本和资源开销。为方便应用软件的开发和维护,本文开发了基于高性能、高可靠性的实时多任务操作系统VxWorks软件平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外三模冗余容错计算机研究状况
• 1.2.1 国外三模冗余技术的应用状况
• 1.2.2 国内的三模冗余技术状况
• 1.3 论文主要工作与内容安排
• 第二章 总体设计
• 2.1 三模冗余容错计算机的性能需求
• 2.2 三模冗余计算机的总体设计方案
• 2.2.1 系统架构
• 2.2.2 各模块功能描述及方案选择
• 2.3 技术创新及解决方案
• 2.4 本章小结
• 第三章 三模冗余容错计算机硬件设计
• 3.1 单机处理系统总体设计
• 3.1.1 处理器介绍
• 3.1.2 看门狗电路设计
• 3.1.3 存储模块选用与设计
• 3.2 三机同步模块的设计
• 3.2.1 传统同步技术分析
• 3.2.2 基于状态跟踪与锁定的新型同步算法
• 3.2.3 时基同步的实现方法
• 3.3 数据交互模块
• 3.3.1 时钟生成模块
• 3.3.2 同步串口模块
• 3.4 表决模块设计
• 3.4.1 软件表决算法原理
• 3.4.2 硬件表决原理
• 3.5 本章小结
• 第四章 三模冗余容错计算机重构技术
• 4.1 常用恢复算法描述
• 4.2 基于命令帧的重构恢复算法
• 4.2.1 系统重构策略
• 4.2.2 基于数据帧协议重构恢复算法
• 4.2.3 关键数据区管理
• 4.3 本章小结
• 第五章 三模冗余容错计算机软件平台设计
• 5.1 VxWorks 操作系统概述
• 5.1.1 VxWorks 简介
• 5.1.2 BSP 简介
• 5.2 VxWorks 的可靠启动调试方案
• 5.3 串口驱动的开发
• 5.4 三模冗余容错计算机软件平台
• 5.4.1 BSP 和容错重构支持库组成
• 5.4.2 软件开发平台的使用规范
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果