面向星载计算的局部检查点机制的研究与实现

论文摘要

在航天应用迅速发展的今天,星载计算对实时性和可靠性的要求也逐步提高。星载计算机运行在宇宙射线的强辐照环境中,很容易受到高能带电粒子的冲击,发生所谓的单粒子效应。其中,以单粒子翻转(Single Event Upset,简称SEU)最为常见,影响最为广泛。SEU会引起计算机电子器件中高低电位的翻转,从而对任务的正常计算数据或是执行流程造成破坏,甚至引起系统崩溃。然而,SEU是一种瞬态故障,可以通过对故障位重新“写入”正确值来进行恢复。一般情况下,星载系统会采用重载任务或重启系统等方法应对SEU等单粒子效应,这些恢复方法的本质是重新执行应用任务,因此恢复代价巨大,不仅浪费了系统资源,而且会对其实时性产生严重影响。随着星载任务的计算规模和运行时间的增长,开发一种可靠性和实时性兼具的错误处理机制,成为了发展未来星载计算的必然要求。本文首先深入论证了星载计算的可靠性需求,对目前的容错技术,尤其是基于软件容错实现的软加固技术,以及检查点机制进行了细致的研究和分析。根据分析结果并结合星载计算的实时性需求,本文提出了一种用以解决星载任务中瞬态故障的高实时性局部检查点模型LCM。与传统检查点相比,LCM具有两个明显优点:一、以程序段为单位进行回滚恢复,使得检查点内容和保存方式实现了大幅的优化;二、基于用户指导的检查点设置策略,既增强了使用灵活性,又保证了程序段划分的合理性。然后,本文根据LCM思想,在VxWorks操作系统上实现了局部检查点机制LCMech。从故障注入实验的结果来看,LCMech在执行效率上具有明显的优越性。对于大数据量的应用任务而言,LCMech的执行时间要比其他恢复机制缩短30%～50%,其空间开销和传统检查点相比减少了1个以上数量级。最后,本文还基于LCMech实现了一套多级错误处理机制。该机制弥补了LCMech只能处理瞬态故障的局限性,进一步健全了星载系统的容错能力。实验模拟表明,该多级错误处理机制可以高效的应对各类单粒子效应,进一步提高了星载系统的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 星载计算的发展
• 1.1.2 辐照故障的来源及影响
• 1.1.3 星载计算的可靠性需求
• 1.2 论文主要工作
• 1.3 论文结构
• 第二章 星载计算中的容错技术及其故障恢复
• 2.1 抗辐照硬件容错技术和软加固技术
• 2.1.1 硬件容错技术
• 2.1.2 软加固技术
• 2.2 基于检查点技术的故障恢复研究
• 2.2.1 检查点机制的基本原理
• 2.2.2 检查点机制发展现状
• 2.2.3 检查点机制的一般实现方法
• 2.2.4 检查点相关优化技术研究
• 2.3 星载嵌入式系统的检查点技术
• 2.4 本章小节
• 第三章 面向星载任务的局部检查点模型LCM
• 3.1 模型基本假设
• 3.2 局部检查点模型
• 3.2.1 段内局部回滚恢复方法
• 3.2.2 程序段的划分
• 3.3 局部检查点的保存内容
• 3.3.1 计算数据集合的选取
• 3.3.2 栈环境的保存
• 3.4 模型分析
• 3.4.1 LCM的优势
• 3.4.2 LCM的局限性
• 3.4.3 LCM的失效问题研究
• 3.4.4 LCM的使用原则
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于LCM的VxWorks局部检查点机制的设计和实现
• 4.1 VxWorks嵌入式操作系统环境
• 4.1.1 多任务运行环境
• 4.1.2 VxWorks的任务异常处理
• 4.2 局部检查点机制LCMech
• 4.2.1 LCMech的模块框架
• 4.2.2 主要数据结构设计
• 4.2.3 各模块功能函数的设计和实现
• 4.3 基于LCMech的VxWorks多级错误处理机制
• 4.3.1 故障的分类及其对应处理策略
• 4.3.2 VxWorks多级错误处理流程
• 4.4 本章小节
• 第五章 评测方法与结果分析
• 5.1 测试目的及方法
• 5.2 面向任务的故障注入工具
• 5.2.1 故障注入原理
• 5.2.2 故障注入功能说明
• 5.2.3 故障注入流程
• 5.3 LCMech的测试与分析
• 5.3.1 测试程序介绍
• 5.3.2 测试结果与分析
• 5.4 VxWorks多级错误处理机制的测试验证
• 5.4.1 测试情景设计
• 5.4.2 测试结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文主要贡献
• 6.2 今后研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果