計算機體系結構論文

計算機體系結構期末考試論文題目一種容錯實時計算機體系結構的研究與實現__信息工程學院計算機科學與技術專業(yè)級147班學號：姓名：指導教師：成績：______________完成時間：2015年12月一種容錯實時計算機體系結構的研究與實現【摘要】為滿足對安全關鍵領域日益增長的可靠性需求，通過對容錯關鍵技術和多處理器系統(tǒng)的深入研究，提出了一種基于松耦合多處理器體系結構的雙機容錯實時嵌入式系統(tǒng)設計方案。該方案無縫整合了計算機硬件級、操作系統(tǒng)級、應用級的容錯技術，以達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)圖法對該系統(tǒng)進行了可靠性分析和數值模擬，結果表明該設計方案能顯著地從整體上提高系統(tǒng)的可靠性水平?！娟P鍵詞】雙機熱備份;容錯;實時嵌入式系統(tǒng);可靠性。DesignandImplementationofaFault-ToleranceReal-TimeComputerArchitectureAbstractBasedonfault-tolerancetechniqueandmulti-processorssystem,afault-tolerancereal-timeembeddeddualsystemsolusionisputforwardinthispaper.Theproposedsolusionisbaseduponthelooselycoupledmultiprocessorsarchitecture.thisarchitectureseamlessly.integratesthefault-tolerancedesigntechniquesofhardwarelevel,operatingsystemlevel,andapplicationlevelThesystemreliabilityisanalyzedbytheMarkovstatediagramTheresultsshowthatthedesignschemecanenhancethesystemreliabilityremarkably.Keywordsduplicatedhotbackup;fault–tolerant;real-timeembeddedsystem;reliability。隨著計算機技術的日益成熟，以及計算機硬件成本的迅速降低，各種結構復雜、功能強大的實時計算機系統(tǒng)被廣泛應用于航空航天器、武器裝備、核電監(jiān)控裝置和醫(yī)療設備等安全關鍵系統(tǒng)中。確保這些計算機系統(tǒng)的可靠成為人們日益關注的問題。雙機熱備份設計方案可切實提高系統(tǒng)的可靠性。但它主要針對硬件錯誤，對于軟件錯誤卻無能為力。目前，由于硬件制造技術水平的提高和硬件容錯技術的成熟，軟件錯誤成為導致系統(tǒng)失效的主要原因。據調查，在具有硬件容錯能力的計算機系統(tǒng)中，其失效65%來自軟件。早期的實時計算機系統(tǒng)為特定的應用設計專用的硬件和軟件，其最大的缺點是軟硬件的耦合度大，不利于系統(tǒng)可靠性設計，特別是軟件錯誤容忍設計。隨著實時操作系統(tǒng)技術的日益發(fā)展成熟，實時軟件被分離成為實時操作系統(tǒng)和實時多任務軟件兩部分，實時操作系統(tǒng)實現對硬件的管理，使得實時多任務應用軟件與底層硬件無關。這種分層的實時計算機體系結構為提出新的實時計算機容錯體系結構提供了契機。一雙機容錯實時系統(tǒng)的體系結構雙機容錯實時系統(tǒng)體系結構是在考慮雙機比較系統(tǒng)的基礎上，結合松耦合多處理機體系結構，在實現系統(tǒng)隔離的同時，在不同的處理機間通過通道互連實現通信，為在硬件容錯中結合軟件容錯提供可能。雙機系統(tǒng)的運行狀態(tài)定義為：(1)如果A機與B機均正常運行，則將A機作為主系統(tǒng)，B機作三利用馬爾科夫狀態(tài)圖進行的可靠性分析（一）錯誤模型雙機容錯實時系統(tǒng)的錯誤模型定義如下：系統(tǒng)錯誤的到達過程是一個泊松流(PoissonProcess)，相繼錯誤到達時間間隔服從負指數分布Tf=e-λt.。根據泊松分布的平穩(wěn)增量性質，可知P{N(Δt)>2}0(Δt)，即在間隔時間Δt充分小時，系統(tǒng)連續(xù)發(fā)生多次錯誤的可能性為Δt的高階無窮小。錯誤可分為硬件錯誤和軟件錯誤，軟件錯誤包括操作系統(tǒng)和任務發(fā)生的錯誤。另外，硬件錯誤可分為暫態(tài)硬件錯誤和永久硬件錯誤；軟件錯誤可分為本機可恢復的錯誤和需要備份系統(tǒng)恢復塊恢復的錯誤。(3)故障的發(fā)生是不相關的，部件的失效率，和維修率μ是常數。(4)故障不傳播。（二）利用馬爾科夫狀態(tài)圖法評估可靠性可靠性是指一個系統(tǒng)在一定的環(huán)境下和給定的時間內能按預定的要求完成一定功能的概率。圖2采用雙機容錯方式下的馬爾科夫狀態(tài)轉移圖圖2是利用上述假設構造出的雙機容錯實時嵌入式系統(tǒng)的馬爾科夫狀態(tài)。系統(tǒng)運行過程中的6個狀態(tài)定義為：狀態(tài)P0：雙機都正常。狀態(tài)P1：系統(tǒng)處于軟件容錯狀態(tài)。狀態(tài)P2：系統(tǒng)處于硬件容錯狀態(tài)。狀態(tài)P3：硬件系統(tǒng)發(fā)生永久失效，系統(tǒng)運行在單機系統(tǒng)中。狀態(tài)P4：系統(tǒng)處于單機軟件容錯狀態(tài)。狀態(tài)P5：整個系統(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)轉移概率矩陣，矩陣方程(方程組)稱為查普曼-柯爾莫戈羅夫(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)在計算該系統(tǒng)的可靠度時，將狀態(tài)5作為吸收狀態(tài)。對式(3)求該微分方程的數值解，不同參數下，系統(tǒng)的可靠度值(精度為10-10)如表1所示。（三）可靠性對比用馬爾科夫狀態(tài)圖法對采用雙機熱備份方式和采用恢復塊方式的單機容錯系統(tǒng)進行可靠性分析。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]上進行可靠性對比，結果如圖3所示。圖3三種容錯方式下可靠度隨時間變化曲線雙機熱備份系統(tǒng)由兩個能完成相同功能的計算機模塊并行執(zhí)行相同的計算，雙機不能通信，根據A機和B機周期向仲裁檢測電路發(fā)送的自檢信號判斷A機系統(tǒng)和B機系統(tǒng)的運行狀況。單機備份塊容錯系統(tǒng)中主模塊的運行結構由驗收測試檢驗，若結果通過測試結果，則輸出；否則運行備份模塊?；謴蛪K在無錯和出錯情況下的響應時間差異很大。應用于實時系統(tǒng)時，恢復塊必須與時間冗余相結合。結果顯示，本文提出的雙機容錯實時系統(tǒng)比采用單純硬件容錯的雙機熱備份系統(tǒng)和采用單純軟件容錯的單機備份塊容錯系統(tǒng)的可靠性都有很大的提高，而且隨著時間的增長，可靠性更為明顯。四小結隨著實時系統(tǒng)在安全領域內越來越多的應用，可靠性已經成為衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的關鍵因素之一。傳統(tǒng)的雙機熱備份容錯系統(tǒng)只能滿足系統(tǒng)某一方面的容錯需求。為了在硬件(或軟件)出現暫時或(永久)故障的情況下，系統(tǒng)仍能在規(guī)定的時限范圍內完成運算，并輸出正確的結果，本文提出了一個軟、硬件結合的完整的解決方案，該方案在滿足系統(tǒng)實時性的同時，從整體上提高系統(tǒng)的可靠性。數值模擬結果表明該系統(tǒng)具有極高的可靠性。參考文獻[1]TALO,MOCOLLINC,BENDELLA.Reliabilitydemonstrationforsafety-criticalsystems[J].IEEETrans.onReliability,2001,50(2):194-203.[2]陳宇.實時異常處理技術的探討[J].計算機工程,2004,30(21):61-63.[3]呂勇,謝長生,高三紅.實時測控計算機應用謝的可靠性保障技術[J].計算機應用,2003,23(6):101-106.[4]韓建軍,李慶華.基于軟件容錯的動態(tài)實時調度算法[J].計算機研究與發(fā)展,2005,42(2):315-321.[5]KIMK.Thedistrubutedrecoveryblockschemeinsoftwarefaulttolerance[M].[S.l.]:Wiley,1995.[6]陳宇.高可靠容錯實時系統(tǒng)的支撐技術研究[D].成都:電子科技大學,2004.[7]金士堯,胡華平,李宏亮.具有容錯結構的高可用計算機雙系統(tǒng)研究[J].中國工程科學,1999,1(3):46-50.[8]吳娟,馬永強,劉影.一種基于主備機快速切換的雙機容錯系統(tǒng)[J].計算機應用,2005,25(8):194