一種基于時(shí)間容錯(cuò)的同步機(jī)制分析

 引 言

多通道交叉余度模型雖然通過硬件冗余技術(shù)提高了系統(tǒng)的可靠性，但協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)性前提是各個(gè)單元之間的同步。同步是整個(gè)余度管理系統(tǒng)的核心，它保證了各冗余單元間保持步調(diào)一致地工作，是表決、故障屏蔽、故障隔離和重構(gòu)的基礎(chǔ)。當(dāng)前關(guān)于同步的研究在分布計(jì)算、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及媒體控制等領(lǐng)域各自展開。其中任務(wù)同步機(jī)制內(nèi)容包括 ：共享內(nèi)存、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單的共享、信號(hào)量、基本的互斥和同步、消息隊(duì)列和管道，同一 CPU 內(nèi)多任務(wù)間消息傳遞 ；Sockets 和遠(yuǎn)程調(diào)用，任務(wù)間透明的網(wǎng)絡(luò)通信等。

1 通道模型

一個(gè)實(shí)際的余度系統(tǒng)包含多個(gè)交叉?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的連接。其構(gòu)成如圖 1 所示。

圖1中，S為輸入任務(wù)序列，M為對(duì)應(yīng)通道上的處理模塊，l為經(jīng)過多通道表決后的處理輸出。多通道交叉余度模型在串聯(lián)通道的基礎(chǔ)上，將處理單元按階段進(jìn)行并聯(lián)，然后再由并聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)成了負(fù)載的并/串結(jié)構(gòu)。在每個(gè)并聯(lián)輸出時(shí)，設(shè)立表決面，進(jìn)一步在處理上隔離了因?yàn)橥ǖ绬卧墓收隙鴮?dǎo)致的錯(cuò)誤向串聯(lián)系統(tǒng)的下一級(jí)傳遞。

在并聯(lián)的每個(gè)階段，設(shè)φ（zi）和zi=（zi，1，zi，2，…，zi，m）分別表示系統(tǒng)和其m個(gè)階段單元的狀態(tài)，它們是二值變量，當(dāng)，φ（zi）=1時(shí)表示該階段單元正常工作，有正確的輸出，φ（zi）=0時(shí)表示階段單元故障。在該階段，多個(gè)單元之間構(gòu)成k/n系統(tǒng)，存在φ（zi）=max{zi，1，zi，2，…，zi，m}，如有zi，1，zi，2，…，zi，m≥k，則φ（zi）=1，否則，φ（zi）=0。而在串聯(lián)的n個(gè)階段之間，構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)，則有1/n屬性，其狀態(tài)φ（z）=min{φ（z1），φ（z2），…，φ（zn）}。

2表決結(jié)構(gòu)

具有動(dòng)態(tài)同步的表決控制邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

動(dòng)態(tài)同步表決控制邏輯中，數(shù)據(jù)檢測(cè)從

開始，周期性地從每個(gè)處理單元的數(shù)據(jù)寄存器 Ri，j 中讀取數(shù)據(jù)， 與特征碼比較，來判定數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。在判定中，表決控制 邏輯不讀取對(duì)應(yīng)模塊中因永久故障而被隔離的單元，對(duì)所有 正常工作的單元進(jìn)行讀取。當(dāng)數(shù)據(jù)全部就緒時(shí)，就進(jìn)行表決， 為下一模塊輸入表決數(shù)據(jù)。表決時(shí)間表維護(hù)一個(gè)本邏輯應(yīng)當(dāng) 進(jìn)行表決的最后時(shí)間期限，當(dāng)時(shí)間期限到而數(shù)據(jù)檢測(cè)仍未全 部就緒，則按照當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行表決。而對(duì)未就緒的 單元可能發(fā)生的故障或產(chǎn)生的失步，由檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行判定處理。表決邏輯執(zhí)行表決策略，為下一級(jí)模塊輸入數(shù)據(jù)。

3表決控制算法

當(dāng)檢測(cè)過程被啟動(dòng)后，檢測(cè)邏輯可采用輪詢端口或中斷 等方式(按照硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)而定)，獲取每個(gè)非永久故障 單元數(shù)據(jù)就緒信息。當(dāng)所有數(shù)據(jù)就緒，則進(jìn)入表決，并將結(jié) 果輸出到下一個(gè)模塊的輸入端口。有兩個(gè)因素導(dǎo)致表決的發(fā)生: 一是數(shù)據(jù)就緒;二是表決時(shí)間到。如果表決時(shí)間到達(dá)最后期限, 而對(duì)應(yīng)模塊中仍有單元數(shù)據(jù)未就緒，則使用就緒數(shù)據(jù)進(jìn)行表 決。其未就緒單元進(jìn)行檢測(cè)判定，按照故障判定規(guī)則處理。表 決的最后期限按照后面可能的冗余時(shí)間為D+j/T。

設(shè)模塊所包含的m個(gè)單元的端口依次為port” port2，…，portm，建立一個(gè)長(zhǎng)度為m的數(shù)組fixed[m]，記錄 對(duì)應(yīng)單元是否為永久故障，當(dāng)對(duì)應(yīng)位為0表示良好，為1表示 持久故障；數(shù)組Data_ready[m]存放讀取數(shù)據(jù)，并作為表決的 參數(shù)；Data_readed[m]為已經(jīng)讀取的標(biāo)志，用num_ready對(duì) 就緒數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；num_right表示當(dāng)前完好的單元個(gè)數(shù)。 當(dāng)前時(shí)間用currently_clock表示,D是按照靜態(tài)分配規(guī)劃的 表決時(shí)間，deadline為最后表決時(shí)間期限，Sign_empty為空 標(biāo)志特征碼。

Test_and_vote ；//測(cè)試、表決算法過程

{ num_right=0

num_ready=0 ；

deadline= D +/T ；

y=i+i

For i=1 to m do {

num_right= num_right+ fixed[i]； num_right=m- num_right ； Data_readed[i]=0 )//當(dāng)前良好的單元數(shù)

For i=1 to m do {

If (fixed[i]=0 and Data_readed [i ]=0) then Data_ ready[i] : =input(portj)；

If Data_ready[i]手Sign_empty then { // 數(shù)據(jù)就緒 num_ready= num_ready+1 ；

Data_readed[i]=1//設(shè)置已讀取標(biāo)志

}

If num_ready= num_right then {

For j=1 to m do {

output(porq): = Sign_empty ；// 設(shè)置特征碼

Data_readed[i]=0//恢復(fù)讀取標(biāo)志為未讀取

break ；//數(shù)據(jù)全部就緒

}

Data_readed[i]=0//恢復(fù)讀取標(biāo)志為未讀取

break；

}

}

Call voting(Data_ready)// 啟動(dòng)表決

}

4可靠性分析

當(dāng)m個(gè)表決邏輯在時(shí)刻t的可靠度依次為虬,(t), i=1，

2，…，m時(shí)，并聯(lián)表決結(jié)構(gòu)的可靠度為

結(jié)合表決可靠度R(t)，級(jí)聯(lián)表決系統(tǒng)的可靠度R(t)為：

當(dāng)級(jí)聯(lián)表決邏輯置入mXn多通道交叉余度系統(tǒng)中，系 統(tǒng)變成mX2n的多通道交叉，在不考慮數(shù)據(jù)鏈路CCDL可 靠性和負(fù)載分配的前提下，系統(tǒng)由2n個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)串聯(lián)而 成，第i個(gè)子系統(tǒng)又由mi個(gè)獨(dú)立分布的邏輯單元并聯(lián)而成四。 設(shè)R( (t)表示第i個(gè)子系統(tǒng)的第j個(gè)單元在時(shí)刻t的可靠函數(shù), i=1， 2，…，2n,，=1，2，…，m, R (t)表示第i個(gè)子系統(tǒng)在時(shí) 刻t的可靠函數(shù)，則有：

其中，，為正整數(shù)，人為任意的實(shí)數(shù)。

當(dāng)不采用級(jí)聯(lián)表決邏輯時(shí)，系統(tǒng)構(gòu)成為mXn多通道交叉 和n個(gè)表決邏輯的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其可靠度為：

顯然，系統(tǒng)在一定期限內(nèi)運(yùn)行(< MTTF)可靠度有明顯提高。

5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于PowerPC的開發(fā)平臺(tái)下構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其分為硬件平臺(tái)、開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)和軟件平臺(tái)3部分：

系統(tǒng)硬件平臺(tái)，主要包含微處理器PowerPC8247、 SDRAM、BootFlash、Flash、網(wǎng)絡(luò)模塊、串口、電源模塊；

開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)，包含GCC交叉編譯系統(tǒng)，連接和 Glibc 庫；

系統(tǒng)軟件平臺(tái)，主要包括VxWorks和文件系統(tǒng)的構(gòu)建。 驅(qū)動(dòng)程序包含CPU的初始化，串口和相關(guān)文件系統(tǒng)所需要的 驅(qū)動(dòng)。

在上述開發(fā)環(huán)境下構(gòu)建了三通道狀態(tài)，設(shè)置表決面3 個(gè)，表決邏輯和處理邏輯具有一致的余度。設(shè)余度系統(tǒng)中 所有的處理和表決單元邏輯具有相同的可靠度，故障率為1/ R=17.708 8X10-6/h (某型號(hào)飛機(jī)對(duì)余度器件的要求)，仿真中采 用一個(gè)符合平均分布的故障散播函數(shù)實(shí)現(xiàn)故障注入，系統(tǒng)故 障覆蓋率為0.98,余度系統(tǒng)要求的指令周期為20 ms，其中表 決周期為2 ms，每個(gè)階段任務(wù)周期為6 ms，任務(wù)時(shí)實(shí)際執(zhí)行 時(shí)間為4 ms，插入的故障周期為1 ms。表決輸出采用符合一 致性要求的輸入數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，永久故障的臨界值計(jì)數(shù) 為6,仿真時(shí)間為500 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

表1不同時(shí)間同步算法故障狀態(tài)比較(/500 h)

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出，隨著冗余時(shí)間的利用，在靜態(tài)同 步算法的基礎(chǔ)上，時(shí)間冗余向后遷移和Test_and_vote算法分 別在故障狀態(tài)和系統(tǒng)失效兩個(gè)參數(shù)上都有明顯提高，即故障 率降低、可靠性提高，變化幅度在10倍以上。由于靜態(tài)同步 算法在時(shí)間上沒有任何容錯(cuò)處理，在一個(gè)指令周期中，單個(gè)故 障已經(jīng)降低了系統(tǒng)可靠性，當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)以上連續(xù)故障時(shí)，會(huì)直 接導(dǎo)致系統(tǒng)的失步。而后兩種算法理論上課提供6個(gè)連續(xù)的 瞬時(shí)故障,時(shí)間冗余向后遷移實(shí)際可利用故障周期為3個(gè)左右, Test_and_vote算法則進(jìn)一步將可利用故障周期提高到5個(gè)左 右。大大促進(jìn)了系統(tǒng)對(duì)時(shí)間周期的可利用率，進(jìn)而提高了系統(tǒng) 的可靠性。

6結(jié)語

文章針對(duì)多通道余度模型中同步的可靠性問題，提出了一 種基于表決邏輯控制結(jié)構(gòu)的算法，該邏輯結(jié)構(gòu)用來控制表決 時(shí)間并監(jiān)測(cè)表決數(shù)據(jù)。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，在表決算法最 大限度保證表決正確性的前提下，表決控制邏輯結(jié)構(gòu)大幅提 高了多通道系統(tǒng)的可靠性，對(duì)瞬時(shí)干擾的抵抗能力得到了提高。

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