基于软件表决的三模冗余星载计算机体系结构研究与设计

论文摘要

随着我国航天技术的不断发展,航天任务日趋复杂,对星载计算机的可靠性提出了更高的要求。如何有效的提高星载计算机的可靠性与安全性成为当前航天领域研究的一个重要问题。本文首先对系统的可靠性技术进行了研究,详细比较分析了当前常见的几种星载计算机的容错体系结构。在此基础上,本文设计了一种基于软件表决的三模冗余星载计算机系统结构。该结构采用三机同构形式,通过设置表决点的方式进行同步。三机之间通过数据通信链路进行数据交换,通过软件表决机制选择出正确的输出数据作为系统输出。之后在FPGA平台上对其进行了功能验证,并通过建立动态故障树模型对其可靠性进行定量评估。验证结果表明该结构可很好的满足星载计算机高可靠性的要求。本文在设计上采用了一种两级松散同步模式对系统进行同步,可使各个冗余模块之间很好的进行同步。同时在设计中又引入了针对各个单机运行情况的故障评估机制,通过综合故障评估可更准确的判断各个单机的运行状态,有利于保障输出结果的正确性,从而极大的提高星载计算机系统的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 星载计算机研究现状
• 1.2.1 国外星载计算机的发展及趋势
• 1.2.2 国内星载计算机的发展现状
• 1.3 论文研究内容与组织结构
• 第二章 星载高可靠性技术
• 2.1 可靠性理论
• 2.1.1 可靠性评价指标
• 2.1.2 可靠性评估方法
• 2.2 容错技术
• 2.2.1 容错技术概述
• 2.2.2 检查点技术
• 2.2.3 容错的基本过程
• 2.2.4 实时性系统的容错
• 2.3 星载高可靠性技术的特点
• 2.4 星载计算机容错结构
• 2.4.1 双机备份结构
• 2.4.2 双模冗余结构
• 2.4.3 基于硬件表决的三模冗余结构
• 2.4.4 基于软件表决的三模冗余结构
• 2.4.5 几种结构的比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于软件表决的星载计算机系统总体设计
• 3.1 系统结构设计方案
• 3.1.1 系统总体架构
• 3.1.2 系统通信单元
• 3.1.3 故障隔离单元
• 3.1.4 输出选择单元
• 3.2 系统工作流程介绍
• 3.2.1 同步机制
• 3.2.2 表决机制
• 3.3 小结
• 第四章 关键技术的仿真验证
• 4.1 系统验证仿真环境
• 4.1.1 Xilinx V6 开发板
• 4.1.2 ISE12 开发套件
• 4.2 系统硬件仿真
• 4.2.1 数据通信单元的仿真
• 4.2.2 故障隔离单元的仿真
• 4.2.3 输出选择单元的仿真
• 4.3 系统软件程序仿真
• 4.3.1 系统同步实现方案
• 4.3.2 软件表决方案
• 4.4 系统验证测试
• 4.4.1 故障模型
• 4.4.2 故障注入的时序
• 4.4.3 故障注入方法
• 4.4.4 软件测试描述
• 4.4.5 系统测试结果
• 4.4.6 测试结果分析
• 4.5 小结
• 第五章 星载计算机系统的可靠性评估
• 5.1 定量评估模型
• 5.1.1 组合模型
• 5.1.2 马尔可夫模型
• 5.1.3 动态故障树模型
• 5.1.4 神经网络模型
• 5.2 系统可靠性评估
• 5.2.1 故障树建模
• 5.2.2 模块化处理
• 5.2.3 子模块的定量分析
• 5.2.4 系统可靠性定量分析
• 5.3 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 对未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文