文档介绍：计算机系统结构论文
随着计算机技术的日益成熟,以及计算机硬件成本的迅速降低,各种结构复杂、功能强大的实时计算机系统被广泛应用于航空航天器、武器装备、核电监控装置和医疗设备等安全关键系统中。确保这些计算机系统的可靠成为人们日益关注的问题。早期的实时计算机系统为特定的应用设计专用的硬件和软件,其最大的缺点是软硬件的耦合度大,不利于系统可靠性设计,特别是软件错误容忍设计。随着实时操作系统技术的日益发展成熟,实时软件被分离成为实时操作系统和实时多任务软件两部分,实时操作系统实现对硬件的管理,使得实时多任务应用软件与底层硬件无关。这种分层的实时计算机体系结构为提出新的实时计算机容错体系结构提供了契机。
一双机容错实时系统的体系结构
双机容错实时系统体系结构是在考虑双机比较系统的基础上,结合松耦合多处理机体系结构,在实现系统隔离的同时,在不同的处理机间通过通道互连实现通信,为在硬件容错中结合软件容错提供可能。
双机系统的运行状态定义为:(1)如果A机与B机均正常运行,则将A机作为主系统,B机作为备份使用,A机的运行结果作为系统输出,A机运行到检测点,向B机发送日志,B机更新日志列表。(2)如果A机正常而B机故障,亦将A机的运行结果作为系统输出,同时将B机的运行故障状态报告A机,并向B机进行复位控制操作。
(3) 如果A机故障,B机正常,则进行开关切换操作,B机进行系统
备份任务重调度,B机运行结果作为系统输出,向A机进行复位控制操作,并在检测点更新A机日志,保持需要备份的任务的状态一致。
双机容错实时系统体系结构结合嵌入式实时系统的体系结构,采用层次结构和模块结构相结合的思想,无缝整合计算机硬件、操作系统、应用软件等三级容错设计,克服了软、硬件分离和脱节的问题,可提高系统的灵活性和可移植性。
二双机容错实时系统的设计
双机容错实时系统体系结构的每一层均可看作是一个相对独立的子系统,层中包含不同的功能模块,结构如图1所示。图中分别加入了容错通信模块
(munication for Fault-Tolerance,MCFT)、实时系统(Real-Time Operating System,RTOS)系统级容错组件、任务级大动态冗余组件。
第一层中加入MCFT模块,作为板级支持包(Board Support Package,BSP)的一部分,也是硬平台的抽象层,可为操作系统提供统一的界面,提高系统的可移植性。有容错需求的任务,通过MCFT所提供的功能传递日志,保持主系统和备份系统关键任务的状态和数据一致。MCFT屏蔽了底层通信的具体实现细节,使系统的实现与连接介质无关。
为保证实时系统从硬件故障和永久软件故障恢复,采用系统切换方法,在第二层中加入RTOS系统级容错组件,包括系统内核级容错支持组件、主/备用机切换支持组件和系统自诊断组件。
任务级动态冗余模块被用于嵌入式实时系统,可使实时系统从暂时软
件故障恢复。这也是软件