星上带容错功能的计算机引导系统的研究和实现

论文题目: 星上带容错功能的计算机引导系统的研究和实现

论文类型: 硕士论文

论文专业: 计算机系统结构

作者: 陈国林

导师: 章立生

关键词: 星上主控计算机,引导系统,容错

文献来源: 中国科学院研究生院（计算技术研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种高分辨率的微波成像雷达,星载SAR实时成像处理器的研制开发在国防军事上有着重大意义。作为实时成像系统控制核心的主控计算机,其设计实现在整个系统中是至关重要的。本文论述了星载实时成像系统中带容错功能的主控计算机引导程序的设计实现。当今各关键领域中对计算机系统的可靠性要求愈加严格,各种容错技术被广泛的应用。传统的硬件冗余,如三模冗余,混合三模冗余等,仍然是可靠的保证方案。FPGA凭借可定制性好、功耗低、体积小等优点,在航天航空系统中使用越来越广,基于FPGA的容错方案也日益增多。软件容错作为硬件容错的辅助手段,如软件的N模冗余,块恢复等可以在对成本要求严格,时间性要求不高的应用中采用,特别是基于软件的EDAC内存容错方案在星上系统应用中达到了良好的效果。在主控计算机的硬件设计中,采用了两个不同类型的可编程逻辑器件来保证系统的可靠性,反熔丝型CPLD保证系统加电自启动、自检、看门狗和星地链路接口等功能的正确无误,而基于SRAM的FPGA则用于搭建嵌入式系统的平台。在基于Xilinx公司的FPGA试验平台上,实现了一个功能完整的引导程序。此引导程序基于MicroBlaze体系结构,内建了启动测试程序,具有基本完整的中断处理系统,界面良好的Command Shell以及可靠的文件传输手段。引导程序在组织结构上清晰直观,容易添加新的特性和功能。为了减轻主控计算机的内存模块受到的SEU影响,采用了基于软件的EDAC方式对内存进行保护。根据系统的特性,选取(12,8)海明校验码并设计了encode和decode两种基本原语;在基本原语的基础上,扩展出堆栈保护,变量保护以及Scrubber检测程序等EDAC的校验手段来提高系统的可靠性。通过使用软件的故障注入方式对系统的容错特性进行了测试,测试的结果表明对SEU造成的影响具有较好的纠错能力。

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摘要

ABSTRACT

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第一章引言

1.1 星载合成孔径雷达实时成像系统

1.2 主控系统的引导程序

1.3 太空环境对星载成像器的影响

1.4 本文的工作和意义

1.5 本文的组织

第二章计算机容错技术在航天系统中的应用

2.1 相关定义

2.2 冗余技术

2.2.1 硬件冗余

2.2.2 软件冗余

2.2.3 时间冗余

2.2.4 信息冗余

2.3 国外卫星系统中系统软件的特点

2.3.1 GLAST Gamma 射线广角望远镜

2.3.2 Swift Gamma 射线喷射探测器

2.4 星载SAR 实时成像处理器的容错设计

2.5 小结

第三章星上主控计算机的软硬件设计

3.1 主控机硬件结构方案

3.2 FPGA 实验平台设计方案

3.2.1 开发环境和开发流程

3.2.2 FGPA 内部结构设计

3.2.3 FGPA 内部的地址分配

3.3 基于FPGA 的引导系统设计

3.3.1 引导系统的结构和流程

3.3.2 系统的存储空间分配

3.3.3 内建的系统测试模块

3.3.4 中断系统

3.3.5 ZMODEM 协议的实现

3.4 小结

第四章引导系统的EDAC 软件实现

4.1 纠错码的空间分布

4.2 （12，8）海明校验码

4.3 基本EDAC 原语设计

4.4 手工保护

4.4.1 堆栈的保护

4.4.2 变量的显式保护

4.5 自动保护

4.6 EDAC 原语的使用

4.7 一个版本的软件N 模冗余

4.8 小结

第五章系统容错性能测试

5.1 故障注入设计

5.1.1 故障注入模型

5.1.2 故障程序在引导系统上的实现

5.1.3 故障检测

5.2 测试结果和分析

5.3 小结

第六章结束语

6.1 本文工作总结

6.2 下一步的研究工作

参考文献

致谢

作者简历

发布时间: 2006-12-26

星上带容错功能的计算机引导系统的研究和实现

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