高可靠并行星載計算機軟件容錯技術(shù)研究

引言

星載計算機的研究方向是高性能、重量輕和體積小并具 有低功耗和信息自主容錯功能，這種高可靠的計算機軟件容錯 技術(shù)方向的研究。本文針對星載計算機軟件容錯技術(shù)與系統(tǒng)的 可靠性的關(guān)鍵技術(shù)做簡單的概括。

1傳統(tǒng)的計算機軟件容錯技術(shù)

傳統(tǒng)的計算機軟件容錯技術(shù)需要具有多樣性的冗余解決 計算機軟件本身發(fā)生的故障問題，技術(shù)的核心是完成某功能 而可能的多種方法，這些方法如果同時能夠?qū)崿F(xiàn)，對實現(xiàn)的 這些功能開始同樣的輸入，輸出時使用表決的機制進(jìn)行判斷, 輸出的正確性或者是可以接受的結(jié)果，這就能達(dá)成容錯的根 本目的。

多樣性的技術(shù)，多版本的支持一般來說會采用比較簡單 的方法，但同時，也會為軟件系統(tǒng)增加負(fù)載，負(fù)載會使任務(wù)響 應(yīng)速度變慢，花費很大的代價解決故障，最后得出的容錯效 果卻并不理想，尤其對高可靠并行星載計算機系統(tǒng)，并不能 提出更好的環(huán)境適應(yīng)性。

2星載計算機概述

星載計算機具有重量輕、造價低、研制時間短和體積小 靈活發(fā)射的優(yōu)點。同時，由于星載計算機的體積和重量都有 嚴(yán)格的數(shù)據(jù)要求，星載計算機系統(tǒng)就需要具有強大的集成功 能。由于并行星載計算機的運行空間的特殊性，宇宙空間具 有一定的輻射問題，使星載計算機系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)生故障后, 如果不能及時修復(fù)，會損壞元器件，使星載計算機系統(tǒng)發(fā)生 癱瘓。

要克服宇宙空間的惡劣環(huán)境，提高星載計算機使用的高 可靠性，要注意三個方面的問題。第一、星載計算機多采用抗 輻射元器件；第二、星載計算機可進(jìn)行外置的屏蔽措施；第 三、星載計算機注意應(yīng)用容錯技術(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)的改善。其中 第一和第二點實現(xiàn)起來造價高，并不符合星載計算機“快、省、 好”的基本原則。而應(yīng)用第三種方法，既可以解決星載計算 機在惡劣環(huán)境下容易出故障的問題，又可以使星載計算機軟件 的應(yīng)用系統(tǒng)提高使用的高可靠性。星載計算機的系統(tǒng)靈活性 高，應(yīng)用冗余的計算機結(jié)構(gòu)容錯技術(shù)使星載計算機實現(xiàn)穩(wěn)定 可靠的運行。下面為大家介紹一種星載計算機軟件容錯技術(shù), 分析其高可靠性。

3建立星載計算機的高可靠性

星載計算機 CPU-A 由 CPU-a、b、c、d 組成。CPU-a、b、 c加電同時運行，三者輸出結(jié)果應(yīng)該一致，如果不一致就要轉(zhuǎn) 入程序進(jìn)行診斷工作，CPU的哪里出現(xiàn)故障，切除該組件繼 續(xù)運行，再次檢查重構(gòu)，三組變成兩組時繼續(xù)運行，如果輸 出結(jié)果仍然不一致，系統(tǒng)不能有效判斷，則將b組與c組也 進(jìn)行切除處理，啟用備用d組，由此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以得出結(jié)論,a、 b、c三組中，只要有兩組正常工作，星載計算機CPU-A就可 以保持正常的工作，所以要構(gòu)成三選二的系統(tǒng)，而d組則與其 它a、b、c三組形成了備份系統(tǒng)，保持d組正常狀態(tài)，星載計 算機CPU-A就可以保證正常的工作狀態(tài)。d組作為冗余的部 分與a、b、c三組之間形成并行的結(jié)構(gòu)，圖1所示為星載計算 機CPU-A的可靠性示意圖。

星載計算機軟件系統(tǒng)CPU-A組與CPU-B組共同工作,互為冗余的備份。當(dāng)CPU-B組出現(xiàn)故障時，CPU-A組就可 以替代CPU-B組工作，同樣的在CPU-A組發(fā)生故障的時 候，CPU-B也可以替代CPU-A進(jìn)行正常的工作。CPU-A組與 CPU-B組是并行相聯(lián)的結(jié)構(gòu)?？偩€SSB適配器看起來發(fā)生故 障單點，由于內(nèi)部存在的冗余系統(tǒng)，所以具有十分強大的可靠 性，可以將整體與其它部件的構(gòu)成看成是串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

計算CPU-A是由CPU-a、b、c三組構(gòu)成的三選二軟件 系統(tǒng)，通過三選二的軟件系統(tǒng)進(jìn)行計算，為了方便計算，可 以設(shè)定CPU-a、b、c、d相同的可靠度,Ra=Rb=Rc=R質(zhì)Ri，通 過公式的計算可以得出Rs=3Rt2-2Rt3, CPU-d組與其它三組具 有并聯(lián)關(guān)系。即：

而系統(tǒng)具有的可靠性可以根據(jù)以下公式推算：

4星載計算機軟件的容錯方法

目前，我國星載計算機的容錯方法有硬件冗余、EHW等。 所謂硬件冗余：例如備用替換與三模冗余等，都是采用靜態(tài) 冗余實現(xiàn)的容錯方法，多為顯式的冗余。我國對星空探測的 智能技術(shù)水平取得飛速的發(fā)展，星載計算機的設(shè)計對航天器 智能與環(huán)境適應(yīng)性都提出了更高的要求，提出新的智能容錯 技術(shù)，EHW就是可進(jìn)化的硬件容錯技術(shù)。EHW容錯技術(shù)作 為一種新興的智能動態(tài)容錯方法，利用進(jìn)化的算法進(jìn)行搜索, 實現(xiàn)基本思想的利用，滿足計算機電路的預(yù)期功能進(jìn)行可編 程器件配置。

EHW的容錯技術(shù)是可以實現(xiàn)在線、實時的硬件改變進(jìn)行 故障屏蔽工作，而且還具有十分強大的自主性與環(huán)境適應(yīng)能力, 可以保持長期的無人操作情況下在復(fù)雜的星空環(huán)境進(jìn)行星載 計算機軟件容錯操作。世界各國的研究機構(gòu)都在做EHW的 容錯方法研究，以英國和日本的研究更早，研究更深入。而 美國已把EHW容錯方法設(shè)為重點的研究項目應(yīng)用在航天技術(shù) 領(lǐng)域。目前EHW容錯技術(shù)的研究工作只是處于初級階段，但 每年國際都有EHW的國際學(xué)術(shù)會議進(jìn)行廣泛的交流，我國空 間技術(shù)研究所等多家單位也在對EHW進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

5高可靠并行星載計算機軟件容錯技術(shù)結(jié)構(gòu)

EHW容錯技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)化算法作為群體算法，使EHW 容錯技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理也同為群體并行結(jié)構(gòu)。圖2所示就是容 錯并行進(jìn)化的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2中，每個可編程的器件都可以實現(xiàn)星載計算機多個 可編程器件的進(jìn)化使用，進(jìn)化的結(jié)果是配置在一個器件上的 使用，保證一臺計算機的工作，而編程器的進(jìn)化有具體的計 算方法。

計算單元做為初期的種群，而種群的大小可以設(shè)定為N。 將種群中每條染色體進(jìn)行編碼工作，映射在可編程的器件上得 現(xiàn)配置的數(shù)據(jù)結(jié)論，將N條配置的數(shù)據(jù)下載于N個可編程器 件里。運算單元會產(chǎn)生M路的激勵信號，將信號輸入到可編 程器件中，通過電路讀取進(jìn)行評價，如果評價值能夠滿足電 路的應(yīng)用，進(jìn)化就可以順利完成，如果不能滿足電路就要轉(zhuǎn)入 下一個步驟。這個步驟即為下一代種群的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)EHW容 錯群體概念，這是一種十分高效的并行星載計算機容錯方法, 但這種結(jié)構(gòu)僅可以作為EHW容錯技術(shù)原理結(jié)構(gòu)存在，實際的 應(yīng)用還是要體現(xiàn)在冗余度過大和硬利實際利用率過低等問題 產(chǎn)生的成本太高，計算機硬件復(fù)雜造成的不實用。

并行結(jié)構(gòu)的冗余度要比傳統(tǒng)的多模冗余大，與傳統(tǒng)多模 冗余容錯比較，并不具有太大的優(yōu)勢，使并行結(jié)構(gòu)的實用性不 強。

通過上面的分析可以得出結(jié)論，容錯技術(shù)大大提高了我 國星載計算機軟件容錯技術(shù)的可靠度，規(guī)定時間內(nèi)，可靠度 能夠達(dá)到設(shè)計要求，由此證明，容錯技術(shù)是保證提高星載計 算機軟件高可靠度重要途徑

6結(jié)語

本文通過介紹高可靠并行星載計算機軟件容錯技術(shù)，提 出了星載計算機的高可靠度并行等特點，又提出了星載計算機 的容錯方法，通過EHW容錯方法的并行結(jié)構(gòu)分析，提高了星 載計算機軟件容錯技術(shù)可靠度的實行，是適用星載計算機容 錯設(shè)計的結(jié)論。

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