嵌入式可信计算机系统容错机制的设计

论文摘要

随着嵌入式技术的飞速发展,嵌入式计算机渐渐渗透到人们生活的方方面面,其中某些关键性的应用对计算机的可靠性要求越来越高,传统的计算机系统已无法满足这样的要求。嵌入式可信计算机系统就是一种解决可靠性要求的一种计算机系统。嵌入式可信计算机系统是指具有高安全性、高可用性、高可靠性、高可维修性和高健壮性等特征的嵌入式计算机系统。本文以嵌入式可信计算机容错机制的设计为目的,对影响计算机系统可靠性的原因、故障分类、容错技术、可靠性评价技术进行了介绍和分析,在此基础上完成了嵌入式可信计算机系统容错机制的设计。通过对嵌入式可信计算机可靠性的需求分析,本文给出了以三模冗余+单模热备份为核心的混合冗余结构,然后详细分析了本系统容错机制中所应用的关键技术,包括TMR技术、热备份技术、两级表决技术、电源冗余技术、热插拔技术和主机板管理技术,并且根据可靠性评价技术,对本系统容错方案进行了可靠性分析,论证了系统所选容错机制的有效作用。最后本文给出了系统主板机的设计和实现,将各个冗余模块集成在一起,形成一个完整的嵌入式可信计算机硬件系统。具体内容包括主机板硬件结构设计,主机板FPGA逻辑编程等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 嵌入式可信计算机功能概述
• 1.3 容错技术的发展
• 1.4 论文研究内容
• 1.5 本文结构
• 第2章 容错技术及系统可靠性评价技术
• 2.1 故障及其表现形式
• 2.1.1 故障、失效和错误
• 2.1.2 故障的分类
• 2.2 容错技术
• 2.2.1 硬件冗余容错技术
• 2.2.2 软件容错技术
• 2.2.3 其他容错方法
• 2.3 系统可靠性评价技术
• 2.3.1 计算机容错系统的评价指标
• 2.3.2 系统评价模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统容错机制的分析与设计
• 3.1 嵌入式可信计算机系统总体架构
• 3.2 系统工作模式
• 3.3 单板机冗余容错技术
• 3.3.1 TMR容错技术及其可靠性分析
• 3.3.2 热备份技术及其可靠性分析
• 3.3.3 三模－单模自净技术及其可靠性分析
• 3.4 两级表决技术
• 3.5 热插拔技术
• 3.6 电源系统冗余技术
• 3.6.1 1+1 冗余结构
• 3.6.2 2+0 冗余结构
• 3.6.3 电源系统冗余方式
• 3.7 主机板管理技术
• 3.7.1 待机低功耗工作模式
• 3.7.2 多路显示切换
• 3.7.3 整机状态监测
• 3.8 本章小结
• 第4章 主机板的设计与实现
• 4.1 主机板功能需求分析
• 4.2 主机板硬件结构设计
• 4.3 芯片选型与接口定义
• 4.3.1 MCU的选择
• 4.3.2 FPGA的选择
• 4.3.3 各模块接口定义
• 4.4 IIC总线通信策略
• 4.5 FPGA内部逻辑设计与实现
• 4.5.1 FPGA功能设计
• 4.5.2 看门狗电路
• 4.5.3 主LCD显示切换电路
• 4.5.4 表决重构电路
• 4.5.5 访问控制电路
• 4.6 主机板的制板实现
• 4.7 主机板管理软件的设计
• 4.8 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 致谢