计算机体系结构
期末考试论文
题 目 一种容错实时计算机体系结构的研究与实现__
信息工程学院计算机科学与技术专业级147班
学 号：
姓 名：
指导教师：
成 绩：______________
完成时间： 2015 年 12 月
一种容错实时计算机体系结构的研究与实现
【摘 要】为满足对安全关键领域日益增长的可靠性需求，通过对容错关键技术和多
处理器系统的深入研究，提出了一种基于松耦合多处理器体系结构的双机容错实时嵌
入式系统设计方案。该方案无缝整合了计算机硬件级、操作系统级、应用级的容错技
术，以达到从整体上提高系统可靠性的目的。然后，利用马尔科夫状态图法对该系统
进行了可靠性分析和数值模拟，结果表明该设计方案能显著地从整体上提高系统的可
靠性水平。
【关键词】双机热备份;容错;实时嵌入式系统;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。
双机热备份设计方案可切实提高系统的可靠性。但它主要针对硬件错误，对于软件错误却
无能为力。目前，由于硬件制造技术水平的提高和硬件容错技术的成熟，软件错误成为导致系统
失效的主要原因。据调查，在具有硬件容错能力的计算机系统中，其失效65%来自软件。
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