計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)論文

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)期末考試論文題目一種容錯(cuò)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究與實(shí)現(xiàn)__信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)級(jí)147班學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：成績(jī)：______________完成時(shí)間：2015年12月一種容錯(cuò)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究與實(shí)現(xiàn)【摘要】為滿(mǎn)足對(duì)安全關(guān)鍵領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的可靠性需求，通過(guò)對(duì)容錯(cuò)關(guān)鍵技術(shù)和多處理器系統(tǒng)的深入研究，提出了一種基于松耦合多處理器體系結(jié)構(gòu)的雙機(jī)容錯(cuò)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案無(wú)縫整合了計(jì)算機(jī)硬件級(jí)、操作系統(tǒng)級(jí)、應(yīng)用級(jí)的容錯(cuò)技術(shù)，以達(dá)到從整體上提高系統(tǒng)可靠性的目的。然后，利用馬爾科夫狀態(tài)圖法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析和數(shù)值模擬，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案能顯著地從整體上提高系統(tǒng)的可靠性水平。【關(guān)鍵詞】雙機(jī)熱備份;容錯(cuò);實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng);可靠性。DesignandImplementationofaFault-ToleranceReal-TimeComputerArchitectureAbstractBasedonfault-tolerancetechniqueandmulti-processorssystem,afault-tolerancereal-timeembeddeddualsystemsolusionisputforwardinthispaper.Theproposedsolusionisbaseduponthelooselycoupledmultiprocessorsarchitecture.thisarchitectureseamlessly.integratesthefault-tolerancedesigntechniquesofhardwarelevel,operatingsystemlevel,andapplicationlevelThesystemreliabilityisanalyzedbytheMarkovstatediagramTheresultsshowthatthedesignschemecanenhancethesystemreliabilityremarkably.Keywordsduplicatedhotbackup;fault–tolerant;real-timeembeddedsystem;reliability。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，以及計(jì)算機(jī)硬件成本的迅速降低，各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于航空航天器、武器裝備、核電監(jiān)控裝置和醫(yī)療設(shè)備等安全關(guān)鍵系統(tǒng)中。確保這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題。雙機(jī)熱備份設(shè)計(jì)方案可切實(shí)提高系統(tǒng)的可靠性。但它主要針對(duì)硬件錯(cuò)誤，對(duì)于軟件錯(cuò)誤卻無(wú)能為力。目前，由于硬件制造技術(shù)水平的提高和硬件容錯(cuò)技術(shù)的成熟，軟件錯(cuò)誤成為導(dǎo)致系統(tǒng)失效的主要原因。據(jù)調(diào)查，在具有硬件容錯(cuò)能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，其失效65%來(lái)自軟件。早期的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為特定的應(yīng)用設(shè)計(jì)專(zhuān)用的硬件和軟件，其最大的缺點(diǎn)是軟硬件的耦合度大，不利于系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，特別是軟件錯(cuò)誤容忍設(shè)計(jì)。隨著實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)技術(shù)的日益發(fā)展成熟，實(shí)時(shí)軟件被分離成為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件兩部分，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的管理，使得實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用軟件與底層硬件無(wú)關(guān)。這種分層的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)為提出新的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)容錯(cuò)體系結(jié)構(gòu)提供了契機(jī)。一雙機(jī)容錯(cuò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)雙機(jī)容錯(cuò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是在考慮雙機(jī)比較系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合松耦合多處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)隔離的同時(shí)，在不同的處理機(jī)間通過(guò)通道互連實(shí)現(xiàn)通信，為在硬件容錯(cuò)中結(jié)合軟件容錯(cuò)提供可能。雙機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)定義為：(1)如果A機(jī)與B機(jī)均正常運(yùn)行，則將A機(jī)作為主系統(tǒng)，B機(jī)作三利用馬爾科夫狀態(tài)圖進(jìn)行的可靠性分析（一）錯(cuò)誤模型雙機(jī)容錯(cuò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的錯(cuò)誤模型定義如下：系統(tǒng)錯(cuò)誤的到達(dá)過(guò)程是一個(gè)泊松流(PoissonProcess)，相繼錯(cuò)誤到達(dá)時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布Tf=e-λt.。根據(jù)泊松分布的平穩(wěn)增量性質(zhì)，可知P{N(Δt)>2}0(Δt)，即在間隔時(shí)間Δt充分小時(shí)，系統(tǒng)連續(xù)發(fā)生多次錯(cuò)誤的可能性為Δt的高階無(wú)窮小。錯(cuò)誤可分為硬件錯(cuò)誤和軟件錯(cuò)誤，軟件錯(cuò)誤包括操作系統(tǒng)和任務(wù)發(fā)生的錯(cuò)誤。另外，硬件錯(cuò)誤可分為暫態(tài)硬件錯(cuò)誤和永久硬件錯(cuò)誤；軟件錯(cuò)誤可分為本機(jī)可恢復(fù)的錯(cuò)誤和需要備份系統(tǒng)恢復(fù)塊恢復(fù)的錯(cuò)誤。(3)故障的發(fā)生是不相關(guān)的，部件的失效率，和維修率μ是常數(shù)。(4)故障不傳播。（二）利用馬爾科夫狀態(tài)圖法評(píng)估可靠性可靠性是指一個(gè)系統(tǒng)在一定的環(huán)境下和給定的時(shí)間內(nèi)能按預(yù)定的要求完成一定功能的概率。圖2采用雙機(jī)容錯(cuò)方式下的馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖圖2是利用上述假設(shè)構(gòu)造出的雙機(jī)容錯(cuò)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的馬爾科夫狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的6個(gè)狀態(tài)定義為：狀態(tài)P0：雙機(jī)都正常。狀態(tài)P1：系統(tǒng)處于軟件容錯(cuò)狀態(tài)。狀態(tài)P2：系統(tǒng)處于硬件容錯(cuò)狀態(tài)。狀態(tài)P3：硬件系統(tǒng)發(fā)生永久失效，系統(tǒng)運(yùn)行在單機(jī)系統(tǒng)中。狀態(tài)P4：系統(tǒng)處于單機(jī)軟件容錯(cuò)狀態(tài)。狀態(tài)P5：整個(gè)系統(tǒng)失效。由圖2可以得到馬爾科夫狀態(tài)微分方程：式中P為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，矩陣方程(方程組)稱(chēng)為查普曼-柯?tīng)柲炅_夫(Chapman-Kolmoqorov)方程，由此可以解出系統(tǒng)處于任意狀態(tài)的概率。狀態(tài)P66表示系統(tǒng)失效，所以系統(tǒng)的可靠度為：R(t)=1?P66(t)(3)在計(jì)算該系統(tǒng)的可靠度時(shí)，將狀態(tài)5作為吸收狀態(tài)。對(duì)式(3)求該微分方程的數(shù)值解，不同參數(shù)下，系統(tǒng)的可靠度值(精度為10-10)如表1所示。（三）可靠性對(duì)比用馬爾科夫狀態(tài)圖法對(duì)采用雙機(jī)熱備份方式和采用恢復(fù)塊方式的單機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。在系統(tǒng)軟件失效率λs=0.005，以及硬件失效率λh=0.001和維修率0.9μ=的相同條件下，在區(qū)間[0,1000]上進(jìn)行可靠性對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。圖3三種容錯(cuò)方式下可靠度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)雙機(jī)熱備份系統(tǒng)由兩個(gè)能完成相同功能的計(jì)算機(jī)模塊并行執(zhí)行相同的計(jì)算，雙機(jī)不能通信，根據(jù)A機(jī)和B機(jī)周期向仲裁檢測(cè)電路發(fā)送的自檢信號(hào)判斷A機(jī)系統(tǒng)和B機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。單機(jī)備份塊容錯(cuò)系統(tǒng)中主模塊的運(yùn)行結(jié)構(gòu)由驗(yàn)收測(cè)試檢驗(yàn)，若結(jié)果通過(guò)測(cè)試結(jié)果，則輸出；否則運(yùn)行備份模塊。恢復(fù)塊在無(wú)錯(cuò)和出錯(cuò)情況下的響應(yīng)時(shí)間差異很大。應(yīng)用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，恢復(fù)塊必須與時(shí)間冗余相結(jié)合。結(jié)果顯示，本文提出的雙機(jī)容錯(cuò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)比采用單純硬件容錯(cuò)的雙機(jī)熱備份系統(tǒng)和采用單純軟件容錯(cuò)的單機(jī)備份塊容錯(cuò)系統(tǒng)的可靠性都有很大的提高，而且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，可靠性更為明顯。四小結(jié)隨著實(shí)時(shí)系統(tǒng)在安全領(lǐng)域內(nèi)越來(lái)越多的應(yīng)用，可靠性已經(jīng)成為衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的雙機(jī)熱備份容錯(cuò)系統(tǒng)只能滿(mǎn)足系統(tǒng)某一方面的容錯(cuò)需求。為了在硬件(或軟件)出現(xiàn)暫時(shí)或(永久)故障的情況下，系統(tǒng)仍能在規(guī)定的時(shí)限范圍內(nèi)完成運(yùn)算，并輸出正確的結(jié)果，本文提出了一個(gè)軟、硬件結(jié)合的完整的解決方案，該方案在滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，從整體上提高系統(tǒng)的可靠性。數(shù)值模擬結(jié)果表明該系統(tǒng)具有極高的可靠性。參考文獻(xiàn)[1]TALO,MOCOLLINC,BENDELLA.Reliabilitydemonstrationforsafety-criticalsystems[J].IEEETrans.onReliability,2001,50(2):194-203.[2]陳宇.實(shí)時(shí)異常處理技術(shù)的探討[J].計(jì)算機(jī)工程,2004,30(21):61-63.[3]呂勇,謝長(zhǎng)生,高三紅.實(shí)時(shí)測(cè)控計(jì)算機(jī)應(yīng)用謝的可靠性保障技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2003,23(6):101-106.[4]韓建軍,李慶華.基于軟件容錯(cuò)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度算法[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2005,42(2):315-321.[5]KIMK.Thedistrubutedrecoveryblockschemeinsoftwarefaulttolerance[M].[S.l.]:Wiley,1995.[6]陳宇.高可靠容錯(cuò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的支撐技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2004.[7]金士堯,胡華平,李宏亮.具有容錯(cuò)結(jié)構(gòu)的高可用計(jì)算機(jī)雙系統(tǒng)研究[J].中國(guó)工程科學(xué),1999,1(3):46-50.[8]吳娟,馬永強(qiáng),劉影.一種基于主備機(jī)快速切換的雙機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2005,25(8):194