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作__
資訊工程學院計算機科學與技術專業級147班
學 号：
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作
【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
入式系統設計方案。該方案無縫整合了計算機硬體級、作業系統級、應用級的容錯技
術，以達到從整體上提高系統可靠性的目的。然後，利用馬爾科夫狀态圖法對該系統
進行了可靠性分析和數值模拟，結果表明該設計方案能顯著地從整體上提高系統的可
靠性水準。
【關鍵詞】雙機熱備份;容錯;實時嵌入式系統;可靠性。
DesignandImplementationofaFault-ToleranceReal-Time
ComputerArchitecture
Abstract Basedonfault-tolerancetechnique andmulti-processorssystem, afault-tolerance
real-time embeddeddual systemsolusionisput forwardinthispaper.Theproposedsolusionisbased
upontheloosely coupledmultiprocessorsarchitecture.thisarchitectureseamlessly.integrates the
fault-tolerancedesigntechniquesof hardwarelevel, operatingsystemlevel, andapplicationlevelThe
systemreliability isanalyzedbytheMarkov statediagramThe resultsshow thatthedesignscheme
canenhancethesystemreliability remarkably.
Keywords duplicatedhot backup;fault–tolerant;real-time embeddedsystem;reliability。
随着計算機技術的日益成熟，以及計算機硬體成本的迅速降低，各種結構複雜、功能強大的
實時計算機系統被廣泛應用于航空航天器、武器裝備、核電監控裝置和醫療裝置等安全關鍵系統
中。確定這些計算機系統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的可靠性。但它主要針對硬體錯誤，對于軟體錯誤卻
無能為力。目前，由于硬體制造技術水準的提高和硬體容錯技術的成熟，軟體錯誤成為導緻系統
失效的主要原因。據調查，在具有硬體容錯能力的計算機系統中，其失效65%來自軟體。
早期的實時計算機系統為特定的應用設計專用的硬體和軟體，其最大的缺點是軟硬體的耦合
度大，不利于系統可靠性設計，特别是軟體錯誤容忍設計。随着實時作業系統技術的日益發展成
熟，實時軟體被分離成為實時作業系統和實時多任務軟體兩部分，實時作業系統實作對硬體的管
理，使得實時多任務應用軟體與底層硬體無關。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 雙機容錯實時系統的體系結構
雙機容錯實時系統體系結構是在考慮雙機比較系統的基礎上，結合松耦合多處理機體系結
構，在實作系統隔離的同時，在不同的處理機間通過通道互連實作通信，為在硬體容錯中結合軟
件容錯提供可能。
雙機系統的運作狀态定義為：(1)如果A機與B機均正常運作，則将A機作為主系統，B機作
為備份使用，A機的運作結果作為系統輸出，A機運作到檢測點，向B機發送日志，B機更新日志
清單。(2)如果A機正常而B機故障，亦将A機的運作結果作為系統輸出，同時将B機的運作故
障狀态報告A機，并向B機進行複位控制操作。(3) 如果A機故障，B機正常，則進行開關切換
操作，B機進行系統備份任務重排程，B機運作結果作