有關(guān)基于Linux聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和高可靠性研究

有關(guān)基于Linux聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和高可靠性研究

摘要：計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是保障列車在車站范圍內(nèi)安全、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)備，因而要求該系統(tǒng)具有更高的可靠性、安全性和可維護(hù)性．為了提高系統(tǒng)的可靠性，聯(lián)鎖機(jī)通常采用冗余系統(tǒng)．采用軟件容錯(cuò)及硬件冗余相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種基于Linux的雙模動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求．

關(guān)鍵詞：容錯(cuò)系統(tǒng)；硬件冗余；軟件容錯(cuò)；

引言

隨著鐵路運(yùn)輸朝著高速、重載、高密度方向的發(fā)展，對(duì)相應(yīng)的鐵路行車控制系統(tǒng)的可靠性和安全性的要求也越來越高．而如何提高計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)核心的聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)的可靠性和安全性，成為提高整個(gè)系統(tǒng)可靠性和安全性的核心問題．通常提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性的主要方法是采用避錯(cuò)技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)．避錯(cuò)技術(shù)的目的是減少發(fā)生故障的概率，其手段是采取正確的設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制方法盡量避免把故障引進(jìn)系統(tǒng)．對(duì)硬件而言包括環(huán)境保護(hù)措施，如運(yùn)行環(huán)境的溫度、濕度、潔凈度的控制，對(duì)電磁干擾、雷電災(zāi)害的防護(hù)等；質(zhì)量控制技術(shù)包括對(duì)采用的元器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，提高老化篩選的閥值，提高制造工藝的質(zhì)量等．軟件避錯(cuò)技術(shù)包括軟件開發(fā)的管理技術(shù)，運(yùn)用軟件工程的方法對(duì)軟件開發(fā)過程進(jìn)行質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)軟件編制、測(cè)試的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化．運(yùn)用軟件結(jié)構(gòu)化技術(shù)，提高軟件可讀性、可測(cè)性、可維修性以提高軟件質(zhì)量．運(yùn)用軟件測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證軟件的正確性，最大限度地發(fā)現(xiàn)和排除軟件中的缺陷和錯(cuò)誤．容錯(cuò)技術(shù)是在系統(tǒng)內(nèi)部有故障存在的情況下，能夠消除故障的影響，使系統(tǒng)最終給出正確的結(jié)果．容錯(cuò)技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)方法是故障檢測(cè)和冗余技術(shù)．故障檢測(cè)的作用是在系統(tǒng)運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)故障，使系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)計(jì)的方案消除故障的影響，維持正常的功能；故障檢測(cè)主要通過冗余系統(tǒng)輸出比較、編碼及檢測(cè)技術(shù)、故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)．本文就所涉及的研究?jī)?nèi)容，綜合采用避錯(cuò)技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)際構(gòu)建的一套雙模動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)．系統(tǒng)方案．

系統(tǒng)硬件方案．

系統(tǒng)軟件容錯(cuò)方案由于計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是一個(gè)要求高可靠性的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，因此選用一個(gè)穩(wěn)定的、健壯的操作系統(tǒng)是非常重要的，通過對(duì)性能及費(fèi)用的綜合比較，選用了Linux．對(duì)于聯(lián)鎖軟件及其他關(guān)鍵模塊的容錯(cuò)，綜合采用了NVP(N_VersionPrograming)結(jié)構(gòu)和RB(Re—結(jié)構(gòu)．系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)．

Linux的實(shí)時(shí)性近十多年來，由于Linux操作系統(tǒng)諸多誘人的特點(diǎn)，如：免費(fèi)使用、源代碼公開、對(duì)硬件資源要求不高、注重效率、穩(wěn)定性好、可裁減等，在許多方面得到廣泛的應(yīng)用，因此在人機(jī)對(duì)話機(jī)上，采用RedHat9．桌面操作系統(tǒng)．但Linux本身不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，雖然它可以通過提高實(shí)時(shí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)權(quán)值，使其優(yōu)先于普通進(jìn)程執(zhí)行，但它在任務(wù)調(diào)度策略、內(nèi)存管理等方面的缺點(diǎn)使其無法很好的應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制．要將Linux系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)化改造，使其具有實(shí)時(shí)化操作系統(tǒng)的特征．而正是為這一目的而設(shè)計(jì)的一個(gè)Linux擴(kuò)展，采用Linux標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核和RTLinux的實(shí)時(shí)內(nèi)核相結(jié)合，由實(shí)時(shí)內(nèi)核提供時(shí)間保證，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核提供擴(kuò)展功能，即可實(shí)現(xiàn)基于RTLinux／Linux的實(shí)時(shí)系統(tǒng)．

RTLinux／Linux平臺(tái)下的系統(tǒng)進(jìn)程通信機(jī)制首先，按照運(yùn)行環(huán)境和對(duì)實(shí)時(shí)要求的嚴(yán)格程度將系統(tǒng)進(jìn)程分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種．非實(shí)時(shí)進(jìn)程包括結(jié)果數(shù)據(jù)顯示、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、狀態(tài)檢查、智能故障診斷等；實(shí)時(shí)進(jìn)程主要負(fù)責(zé)響應(yīng)采集外設(shè)數(shù)據(jù)的中斷、聯(lián)鎖運(yùn)算模塊及輸出驅(qū)動(dòng)等．實(shí)時(shí)進(jìn)程，運(yùn)行在實(shí)時(shí)核心下，非實(shí)時(shí)進(jìn)程，運(yùn)行在普通核心下，Linux核心可被實(shí)時(shí)進(jìn)程搶先．實(shí)時(shí)進(jìn)程間的通信采用修改過的UNIXVIPC機(jī)制：共享內(nèi)存，信號(hào)和消息隊(duì)列．而實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程的通信采用FIFO．其次，為了更有效地為各種實(shí)時(shí)應(yīng)用服務(wù)，RTLinux提供了多種與Linux中非實(shí)時(shí)進(jìn)程通信的接口，主要有共享內(nèi)存、RT-FIFO和線程信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，三者的應(yīng)用重點(diǎn)各不相同．經(jīng)過實(shí)踐，將以上兩種接口有機(jī)的結(jié)合，利用共享內(nèi)存?zhèn)魉痛笕萘?，?duì)讀／寫時(shí)序要求不高的數(shù)據(jù)信息，如信號(hào)動(dòng)態(tài)表、道岔動(dòng)態(tài)表、區(qū)段動(dòng)態(tài)表、命令堆棧表，以及各種系統(tǒng)狀態(tài)表等；利用RT-FIFO輔助實(shí)現(xiàn)對(duì)該共享內(nèi)存的同步控制和IFIFO所提供的句柄功能避免實(shí)時(shí)模塊對(duì)接收消息的輪詢監(jiān)測(cè)，在一定程度上提高了程序運(yùn)行效率．

應(yīng)用程序的容錯(cuò)設(shè)計(jì)．

在本系統(tǒng)中，MM機(jī)的作用等同于動(dòng)態(tài)中的故障檢測(cè)和切換開關(guān)．主機(jī)與備機(jī)的區(qū)別是主機(jī)有輸出控制，而備機(jī)沒有．當(dāng)工作機(jī)(主機(jī))有輸出控制命令時(shí)，工作機(jī)要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到MM機(jī)．該數(shù)據(jù)塊包含如下內(nèi)容：MM機(jī)發(fā)送給工作機(jī)的操作命令；工作機(jī)雙版本程序中A版程序的結(jié)果和B版程序的運(yùn)行結(jié)果．當(dāng)MM機(jī)確認(rèn)收到數(shù)據(jù)塊執(zhí)行結(jié)果正確時(shí)，向工作機(jī)發(fā)出該命令的輸出許可．對(duì)機(jī)輸出許可模塊的激活，可以采用定時(shí)查詢方式或信號(hào)觸發(fā)方式．機(jī)在規(guī)定的周期內(nèi)(200ms)應(yīng)收到及IIB發(fā)回的測(cè)試碼，若在兩個(gè)周期內(nèi)未收到測(cè)試碼時(shí)，MM機(jī)會(huì)向該機(jī)發(fā)出自檢命令，若兩個(gè)周期內(nèi)未收到自檢結(jié)果時(shí)，則判定該機(jī)故障．在實(shí)際應(yīng)用中，MM機(jī)可雙機(jī)冷備或熱備．模塊級(jí)冗余聯(lián)鎖模塊采取雙份編碼，每份編碼所使用的編程語言和編程結(jié)構(gòu)均不同，所使用的數(shù)據(jù)均來自物理地址完全不同的內(nèi)存空間．在數(shù)據(jù)采集后和聯(lián)鎖運(yùn)算結(jié)果輸出前，由同步控制器和軟件比較器監(jiān)控比較，以便實(shí)時(shí)地檢測(cè)故障，如圖5所示．兩個(gè)程序的相互同步采用RTLinux的實(shí)時(shí)時(shí)鐘對(duì)它們按任務(wù)周期進(jìn)行同步．如果最終運(yùn)算結(jié)果不同，則調(diào)用自檢程序，然后重新執(zhí)行，這樣就可以過濾掉瞬時(shí)故障，確認(rèn)是否有永久故障．最終結(jié)果一致的結(jié)果送往MM機(jī)發(fā)送確認(rèn)命令，MM機(jī)接受確認(rèn)信息后與命令動(dòng)態(tài)表中的原始命令比較，若一致，則向聯(lián)鎖執(zhí)行主機(jī)發(fā)送允許發(fā)送信號(hào)，由聯(lián)鎖執(zhí)行主機(jī)把結(jié)果命令發(fā)送到命令驅(qū)動(dòng)層；若不一致，則發(fā)重復(fù)運(yùn)算信號(hào)給主機(jī)，并修改本機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)表的響應(yīng)標(biāo)示位，如果超過約定次數(shù)結(jié)果還不一致，則判斷主機(jī)可能發(fā)生故障，啟動(dòng)、B機(jī)自檢程序進(jìn)行故障測(cè)試，進(jìn)行切換．進(jìn)程級(jí)冗余聯(lián)鎖機(jī)上的主調(diào)度進(jìn)程MM—main()，負(fù)責(zé)本機(jī)進(jìn)程的調(diào)度以及優(yōu)先級(jí)的分配．其中在進(jìn)程—main()中設(shè)計(jì)了一套監(jiān)控機(jī)制，它負(fù)責(zé)監(jiān)控進(jìn)程的工作狀態(tài)，一旦檢測(cè)到進(jìn)程死亡，立即進(jìn)行備份模塊的重新啟動(dòng)．為了防止進(jìn)程切換時(shí)，可能造成的數(shù)據(jù)的丟失，對(duì)關(guān)鍵進(jìn)程均采用了RB結(jié)構(gòu)．比如：采集數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)程Agetdata()及其熱備A_get—，它們同時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)數(shù)據(jù)正常采集時(shí)，A—始終處于熱備狀態(tài)；一旦錯(cuò)誤發(fā)生，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)立即送往A—getdata_bk()，首先保證數(shù)據(jù)的正確與同步，此時(shí)調(diào)度進(jìn)程MM—main()檢測(cè)到進(jìn)程A—getdata()死亡，通過進(jìn)程的唯一識(shí)別標(biāo)志PID(進(jìn)程號(hào))，來重新啟動(dòng)A—getdata()進(jìn)程，來作為此時(shí)工作進(jìn)程A_getdata_bk()的熱備，整個(gè)切換過程極短．系統(tǒng)測(cè)試在圖1所示的系統(tǒng)中，接人一臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖仿真測(cè)試機(jī)，即可完成對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)試．測(cè)試的內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能測(cè)試功能性測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)了一些在編程階段所引入的錯(cuò)誤，排除后故障消失．

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全性測(cè)試安全性測(cè)試中，發(fā)生了三例系統(tǒng)死機(jī)現(xiàn)象，原因都與內(nèi)存使用有關(guān)．經(jīng)過對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)處理后，故障現(xiàn)象排除．

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的通信能力的測(cè)試在連續(xù)720h的網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試中，未發(fā)現(xiàn)有丟幀及錯(cuò)幀現(xiàn)象．結(jié)束語從以上分析可以看出該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

從硬件結(jié)構(gòu)上，此系統(tǒng)可以看作是雙模容錯(cuò)結(jié)構(gòu)，采用熱備份．聯(lián)鎖機(jī)、人機(jī)對(duì)話機(jī)和維管機(jī)之間用兩個(gè)集線器(hub)相互連接，構(gòu)成相互冗余的兩個(gè)局域網(wǎng)，保證了整個(gè)系統(tǒng)容錯(cuò)功能的實(shí)現(xiàn)．從軟硬兩方面加強(qiáng)了系統(tǒng)的整體通信能力，硬件上采用了網(wǎng)絡(luò)隔離、雙網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)，軟件上通信監(jiān)控進(jìn)程分為多級(jí)，能夠捕獲系統(tǒng)任意時(shí)刻通信出現(xiàn)的瞬時(shí)或永久錯(cuò)誤，且每個(gè)分布的負(fù)責(zé)通信的進(jìn)程都有自己的熱備份進(jìn)程，主備切換時(shí)間在毫秒級(jí)．系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性．面對(duì)我國(guó)鐵路系統(tǒng)日新月異的發(fā)展變化，升級(jí)換代是每一個(gè)鐵路車站信號(hào)系統(tǒng)無法逃避的現(xiàn)實(shí)，由于該系統(tǒng)采用的是開放原碼的Linux，所以這方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)．在實(shí)際測(cè)試中，Linux／RTLinux表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、健壯性和實(shí)時(shí)性．鐵路計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是一個(gè)安全性、可靠性要求很高的系統(tǒng)．容錯(cuò)技術(shù)是可靠性的保證．本文研制開發(fā)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)從硬件、軟件方面采用多級(jí)混合容錯(cuò)技術(shù)，從系統(tǒng)級(jí)、單機(jī)級(jí)、任務(wù)級(jí)、進(jìn)程級(jí)、到程序塊級(jí)來考慮系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，保證系統(tǒng)具有