東南大學(xué) 實(shí)時(shí)系統(tǒng)與控制研討課 容錯(cuò)技術(shù)演講

1、實(shí)時(shí)系統(tǒng)之1隨著實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的安全關(guān)鍵應(yīng)用依賴實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為核心控制部件，實(shí)時(shí)系統(tǒng)成為影響安全關(guān)鍵應(yīng)用性能和可靠性的決定性因素。容錯(cuò)，作為保障實(shí)時(shí)系統(tǒng)可靠性的重要技術(shù)，已經(jīng)成為實(shí)時(shí)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)問題。2容錯(cuò)技術(shù)主要用于保證系統(tǒng)在出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下仍然能夠繼續(xù)運(yùn)行。容錯(cuò)的基礎(chǔ)是冗余，數(shù)據(jù)差異性可以對冗余技術(shù)起到輔助作用3硬件冗余軟件冗余 時(shí)間冗余 冗余技術(shù)4硬件冗余是采用附加的硬件來彌補(bǔ)所發(fā)生的故障硬件冗余的結(jié)構(gòu)有很多種，比較典型的是N模冗余（NMR）結(jié)構(gòu)例：馮諾依曼提出了三重模塊冗余機(jī)制(TMR)。TMR 包括三個(gè)完全一致的運(yùn)算電路，三者的輸出與一個(gè)比較電路相連，采用少數(shù)服從多

2、數(shù)的比較原則決定最終的輸出。比較電路進(jìn)行錯(cuò)誤檢測，并保證無錯(cuò)模塊的運(yùn)行不受出錯(cuò)模塊干擾，是 TMR 實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。硬件冗余56是后向錯(cuò)誤恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)。最簡單的就是在錯(cuò)誤的地方重試，其他的方法還包括使計(jì)算回到前一個(gè)檢查點(diǎn)，在那點(diǎn)繼續(xù)時(shí)間冗余7隨著軟件功能和性能的飛速提升，軟件變得越來越復(fù)雜，由于軟件設(shè)計(jì)缺陷或誤操作而引發(fā)的錯(cuò)誤也不斷提高。統(tǒng)計(jì)表明，大型實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，由于軟件缺陷造成的系統(tǒng)失效是硬件缺陷的 10 倍。軟件容錯(cuò)8軟件冗余不是簡單把軟件復(fù)制N份，因?yàn)閷τ谙嗤妮斎?，這N份軟件都會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。所以這N個(gè)版本軟件必須是不同的。運(yùn)行多版本軟件有兩種方法。一種叫N-版本程序，一種叫塊恢復(fù)方法軟件冗余9

3、程序體按照執(zhí)行順序分為主模塊和N-1 個(gè)備份模塊，通常 RB 的備份模塊數(shù)不超過三個(gè)。主模塊的運(yùn)算結(jié)果由驗(yàn)收測試檢驗(yàn)，若結(jié)果通過測試，則輸出，否則運(yùn)行備份模塊。塊恢復(fù)（RB）10按 NMR 的基本原理，NVP 由多個(gè)具有相同功能的程序版本和比較(或投票)算法構(gòu)成。比較算法根據(jù)少數(shù)服從多數(shù)的原則選擇 NVP 的有效輸出。多版本技術(shù)(NVP)11電氣系統(tǒng)狀態(tài)顯示 此模塊實(shí)時(shí)地顯示連接到列車通信網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)電氣系統(tǒng)的狀態(tài)軌道車輛人機(jī)界面軟件冗余設(shè)計(jì)12電氣系統(tǒng)控制13為保證服務(wù)的邏輯正確性和時(shí)間正確性，實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)任務(wù)在無錯(cuò)和出錯(cuò)時(shí)均能在時(shí)限到來前獲得正確的運(yùn)算結(jié)果。顯然，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必須獲得實(shí)

4、時(shí)調(diào)度算法的支持。我們將支持實(shí)時(shí)系統(tǒng)容錯(cuò)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法稱為容錯(cuò)實(shí)時(shí)調(diào)度算法。時(shí)間冗余為實(shí)時(shí)系統(tǒng)容錯(cuò)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，若不能正確管理這些資源，則時(shí)間冗余難以達(dá)到預(yù)期效果。容錯(cuò)調(diào)度算法14實(shí)時(shí)任務(wù)必須滿足以下限制條件：1所有實(shí)時(shí)任務(wù)均為周期任務(wù)，且周期等于時(shí)限；2所有實(shí)時(shí)任務(wù)必須在其時(shí)限到來前結(jié)束；3所有實(shí)時(shí)任務(wù)相互獨(dú)立；4所有實(shí)時(shí)任務(wù)均具有恒定的運(yùn)行時(shí)間；靜態(tài)容錯(cuò)實(shí)時(shí)調(diào)度15若當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行出錯(cuò)，則 FTRM 調(diào)用恢復(fù)算法實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，算法如下所示：Queue ReadyQ; /*就緒任務(wù)隊(duì)列*/Queue BlockQ; /*阻塞任務(wù)隊(duì)列*/*系統(tǒng)處于容錯(cuò)狀態(tài)，lr正在進(jìn)行容錯(cuò)操作*/Event: New instance of task lj arrivesIf(DjDr) then Add lj to BlockQ;elseAdd lj to ReadyQ;EndifEvent: An instance of task lj terminatesIf(lj = lr) /