計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件冗余容錯(cuò)分析

【摘 要】通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分析及研究，得出冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)應(yīng)用；并總結(jié)其影響規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì) 故障率 靜態(tài)冗余系統(tǒng)

0前言

硬件是計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，硬件容錯(cuò)技術(shù)主要是利用多份硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即是利用冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。并且硬件冗余的級(jí)別越低，故障率降低的效果越好，但增加了故障檢測(cè)和電路設(shè)計(jì)的困難。在實(shí)際應(yīng)用中，最常見的有靜態(tài)冗余、動(dòng)態(tài)冗余和混合冗余等模式。

1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)

1.1電路級(jí)冗余設(shè)計(jì)

1. 2靜態(tài)冗余系統(tǒng)

靜態(tài)冗余是指冗余結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，不隨發(fā)生故障的情況變化而變化的一種冗余形式。靜態(tài)硬件冗余的工作形式是將發(fā)生的故障加以隱蔽，來(lái)達(dá)到防止故障造成差錯(cuò)的目的。靜態(tài)冗余的原理就是通過(guò)表決的形式來(lái)決定掩蔽發(fā)生的故障。靜態(tài)冗余模塊是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)必要的組成部分，模塊在工作時(shí)全部參與運(yùn)行，即多個(gè)模塊執(zhí)行相同的功能，表決器通過(guò)多數(shù)一致原則輸出分析結(jié)果以達(dá)到隱蔽故障的目的。靜態(tài)硬件冗余的形式通常是三模冗余。即三個(gè)相同的模塊接收共同相同的輸入并將產(chǎn)生各自的結(jié)果，送至表決器。表決器的輸出則取決于模塊輸入結(jié)果。即如果有一個(gè)模塊故障，另兩個(gè)模塊正常，則正常模塊的輸出可將故障模塊的輸出屏蔽，以達(dá)到防止故障造成差錯(cuò)的目的。

1.3動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)硬件冗余系統(tǒng)是由若干相同模塊共同組成的，以故障檢測(cè)及系統(tǒng)恢復(fù)等方式來(lái)達(dá)到容錯(cuò)的一種硬件冗余系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)硬件冗余系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)是隨故障情況的變化而發(fā)生變化，并且動(dòng)態(tài)硬件冗余系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行模塊重組并恢復(fù)正常運(yùn)行；因此動(dòng)態(tài)硬件冗余系統(tǒng)是允許故障產(chǎn)生差錯(cuò)，但避免差錯(cuò)產(chǎn)生失效。

動(dòng)態(tài)硬件冗余有備份替換和雙機(jī)比較兩種主要工作方式。

1.4混合冗余系統(tǒng)

混合冗余系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就是將靜態(tài)冗余系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。通常，混合冗余系統(tǒng)由靜態(tài)冗余的TMR核心模塊、備份模塊、表決機(jī)構(gòu)等組成，并由切換機(jī)構(gòu)確保靜態(tài)冗余的TMR核心的完整性，即當(dāng)TMR核心模塊中有一個(gè)發(fā)生故障，立即以無(wú)故障的備份模塊取代。

2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)分析

在電路級(jí)冗余設(shè)計(jì)中，從上面的結(jié)果可以看出，當(dāng)開路故障率比短路故障率小時(shí)，以先串后并結(jié)構(gòu)為好，反之以先并后串結(jié)構(gòu)為好。

靜態(tài)靜態(tài)冗余系統(tǒng)中，以三模冗余系統(tǒng)與單模系統(tǒng)可靠度的關(guān)系為例。三模表決系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間是單模系統(tǒng)的5/6，那么，我們把兩者的可靠性曲線一起繪于圖1。由圖可見，當(dāng)Rt>0.5時(shí)，三模系統(tǒng)的可靠度高于單模系統(tǒng)，當(dāng)R（t）<0.5時(shí)，三模表決系統(tǒng)的可靠度反而降低了。因而可得：只有當(dāng)單模系統(tǒng)的可靠性比較高時(shí)，所構(gòu)成的多模表決系統(tǒng)才能有比單模系統(tǒng)更高的可靠度。

動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)由于系統(tǒng)恢復(fù)使用某種重組技術(shù)，，系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)將隨故障情況發(fā)生的變化而變化，因此這種技術(shù)不防止故障產(chǎn)生差錯(cuò)，但防止差錯(cuò)產(chǎn)生失效。

在混合冗余系統(tǒng)中，當(dāng)不一致檢測(cè)器檢測(cè)TMR模塊中有一個(gè)模塊的輸出結(jié)果與表決機(jī)構(gòu)的輸出結(jié)果不一致時(shí)，則系統(tǒng)將該模塊切換，并用備份模塊予以替換。只要有多數(shù)模塊輸出正確，則表決機(jī)構(gòu)的輸出就是正確的。備用模塊是TMR模塊輸出結(jié)果不一致時(shí)替換TMR模塊，直至備用模塊全部用完，所以備份模塊的數(shù)量的越多，混合冗余系統(tǒng)的可靠性也就越高。由上可知，混合冗余系統(tǒng)利用其自身結(jié)構(gòu)有效地使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性提高，并延長(zhǎng)了其無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間。

3總結(jié)

根據(jù)上述分析可知，在電路級(jí)冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)其短路故障概率及開路故障概率來(lái)判斷其容錯(cuò)設(shè)計(jì)型式。靜態(tài)冗余系統(tǒng)中，只有當(dāng)單模系統(tǒng)的可靠性比較高時(shí)，所構(gòu)成的多模表決系統(tǒng)才能有比單模系統(tǒng)更高的可靠度。動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)則需注意其適用范圍?；旌先哂嘞到y(tǒng)則有較高的無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

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