引 言

多通道交叉余度模型雖然通過硬件冗余技術提高了系統(tǒng)的可靠性，但協(xié)調工作的基礎性前提是各個單元之間的同步。同步是整個余度管理系統(tǒng)的核心，它保證了各冗余單元間保持步調一致地工作，是表決、故障屏蔽、故障隔離和重構的基礎。當前關于同步的研究在分布計算、傳感器網絡以及媒體控制等領域各自展開。其中任務同步機制內容包括 ：共享內存、數(shù)據(jù)簡單的共享、信號量、基本的互斥和同步、消息隊列和管道，同一 CPU 內多任務間消息傳遞 ；Sockets 和遠程調用，任務間透明的網絡通信等。

1 通道模型

一個實際的余度系統(tǒng)包含多個交叉?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的連接。其構成如圖 1 所示。

圖1中，S為輸入任務序列，M為對應通道上的處理模塊，l為經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)通道的基礎上，將處理單元按階段進行并聯(lián)，然后再由并聯(lián)系統(tǒng)構成串聯(lián)結構，最終構成了負載的并/串結構。在每個并聯(lián)輸出時，設立表決面，進一步在處理上隔離了因為通道單元的故障而導致的錯誤向串聯(lián)系統(tǒng)的下一級傳遞。

在并聯(lián)的每個階段，設φ（zi）和zi=（zi，1，zi，2，…，zi，m）分別表示系統(tǒng)和其m個階段單元的狀態(tài)，它們是二值變量，當，φ（zi）=1時表示該階段單元正常工作，有正確的輸出，φ（zi）=0時表示階段單元故障。在該階段，多個單元之間構成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個階段之間，構成串聯(lián)系統(tǒng)，則有1/n屬性，其狀態(tài)φ（z）=min{φ（z1），φ（z2），…，φ（zn）}。

2表決結構

具有動態(tài)同步的表決控制邏輯結構如圖2所示。

動態(tài)同步表決控制邏輯中，數(shù)據(jù)檢測從

開始，周期性地從每個處理單元的數(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)是否準備好。在判定中，表決控制 邏輯不讀取對應模塊中因永久故障而被隔離的單元，對所有 正常工作的單元進行讀取。當數(shù)據(jù)全部就緒時，就進行表決， 為下一模塊輸入表決數(shù)據(jù)。表決時間表維護一個本邏輯應當 進行表決的最后時間期限，當時間期限到而數(shù)據(jù)檢測仍未全 部就緒，則按照當前采集到的數(shù)據(jù)進行表決。而對未就緒的 單元可能發(fā)生的故障或產生的失步，由檢測系統(tǒng)進行判定處理。表決邏輯執(zhí)行表決策略，為下一級模塊輸入數(shù)據(jù)。

3表決控制算法

當檢測過程被啟動后，檢測邏輯可采用輪詢端口或中斷 等方式(按照硬件的設計和實現(xiàn)而定)，獲取每個非永久故障 單元數(shù)據(jù)就緒信息。當所有數(shù)據(jù)就緒，則進入表決，并將結 果輸出到下一個模塊的輸入端口。有兩個因素導致表決的發(fā)生: 一是數(shù)據(jù)就緒;二是表決時間到。如果表決時間到達最后期限, 而對應模塊中仍有單元數(shù)據(jù)未就緒，則使用就緒數(shù)據(jù)進行表 決。其未就緒單元進行檢測判定，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間為D+j/T。

設模塊所包含的m個單元的端口依次為port” port2，…，portm，建立一個長度為m的數(shù)組fixed[m]，記錄 對應單元是否為永久故障，當對應位為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]為已經讀取的標志，用num_ready對 就緒數(shù)據(jù)個數(shù)進行計數(shù)；num_right表示當前完好的單元個數(shù)。 當前時間用currently_clock表示,D是按照靜態(tài)分配規(guī)劃的 表決時間，deadline為最后表決時間期限，Sign_empty為空 標志特征碼。

Test_and_vote ；//測試、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//設置已讀取標志

}

If num_ready= num_right then {

For j=1 to m do {

output(porq): = Sign_empty ；// 設置特征碼

Data_readed[i]=0//恢復讀取標志為未讀取

break ；//數(shù)據(jù)全部就緒

}

Data_readed[i]=0//恢復讀取標志為未讀取

break；

}

}

Call voting(Data_ready)// 啟動表決

}

4可靠性分析

當m個表決邏輯在時刻t的可靠度依次為虬,(t), i=1，

2，…，m時，并聯(lián)表決結構的可靠度為

結合表決可靠度R(t)，級聯(lián)表決系統(tǒng)的可靠度R(t)為：

當級聯(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 靠性和負載分配的前提下，系統(tǒng)由2n個獨立的子系統(tǒng)串聯(lián)而 成，第i個子系統(tǒng)又由mi個獨立分布的邏輯單元并聯(lián)而成四。 設R( (t)表示第i個子系統(tǒng)的第j個單元在時刻t的可靠函數(shù), i=1， 2，…，2n,，=1，2，…，m, R (t)表示第i個子系統(tǒng)在時 刻t的可靠函數(shù)，則有：

其中，，為正整數(shù)，人為任意的實數(shù)。

當不采用級聯(lián)表決邏輯時，系統(tǒng)構成為mXn多通道交叉 和n個表決邏輯的串聯(lián)結構，其可靠度為：

顯然，系統(tǒng)在一定期限內運行(< MTTF)可靠度有明顯提高。

5實驗驗證

基于PowerPC的開發(fā)平臺下構建了實驗環(huán)境，其分為硬件平臺、開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)和軟件平臺3部分：

系統(tǒng)硬件平臺，主要包含微處理器PowerPC8247、 SDRAM、BootFlash、Flash、網絡模塊、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，主要包括VxWorks和文件系統(tǒng)的構建。 驅動程序包含CPU的初始化，串口和相關文件系統(tǒng)所需要的 驅動。

在上述開發(fā)環(huán)境下構建了三通道狀態(tài)，設置表決面3 個，表決邏輯和處理邏輯具有一致的余度。設余度系統(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 (某型號飛機對余度器件的要求)，仿真中采 用一個符合平均分布的故障散播函數(shù)實現(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，每個階段任務周期為6 ms，任務時實際執(zhí)行 時間為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)的算術平均值，永久故障的臨界值計數(shù) 為6,仿真時間為500 h。實驗結果如表1所列。

表1不同時間同步算法故障狀態(tài)比較(/500 h)

從上述實驗可以看出，隨著冗余時間的利用，在靜態(tài)同 步算法的基礎上，時間冗余向后遷移和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 算法在時間上沒有任何容錯處理，在一個指令周期中，單個故 障已經降低了系統(tǒng)可靠性，當出現(xiàn)兩個以上連續(xù)故障時，會直 接導致系統(tǒng)的失步。而后兩種算法理論上課提供6個連續(xù)的 瞬時故障,時間冗余向后遷移實際可利用故障周期為3個左右, Test_and_vote算法則進一步將可利用故障周期提高到5個左 右。大大促進了系統(tǒng)對時間周期的可利用率，進而提高了系統(tǒng) 的可靠性。

6結語

文章針對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構的算法，該邏輯結構用來控制表決 時間并監(jiān)測表決數(shù)據(jù)。理論分析和實驗表明，在表決算法最 大限度保證表決正確性的前提下，表決控制邏輯結構大幅提 高了多通道系統(tǒng)的可靠性，對瞬時干擾的抵抗能力得到了提高。

20211120_619888c74fd01__一種基于時間容錯的同步機制分析