实时系统的软件容错技术

实时系统广泛应用在对时间要求较高的环境中,这些系统的失败将导致灾难性的后果。但是软件的设计不可能完全正确,所以需要在使用中进行容错。本文介绍了常用的软件容错方法,并讨论其特点,以期给系统的设计者在选择容错方法时给予指导。     

双机容错实时嵌入式系统设计与分析

为满足对安全关键领域日益增长的可靠性需求,提出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。     

实时双机嵌入式容错系统实现与可调度性研究

针对电力直流监控系统的可靠性要求,采用实时双机嵌入式容错系统的设计以实现功能.采用了基于内核抢占式的实时多任务操作系μC/OS-Ⅱ进行容错设计、修改了内核调度,并讨论、验证了容错的任务可调度性.可靠性检测结果表明,双机容错系统的功能可以满足实际要求.     

基于软件容错的动态实时调度算法

在硬实时系统中，由于任务超时完成将会导致灾难性后果，因而硬实时系统具有严格的时间及可靠性限制条件．目前实时容错调度算法大多针对硬件的容错，很少考虑软件运行的故障．提出了一种类似EDF的软件容错的动态实时调度算法PKSA(Probng-step Algorithm)，本算法在任务执行过程中，通过若干试探性检测步骤，提高了任务可执行性的预测，尽可能地避免了任务早期的失败对后续任务的影响，因此提高了任务的完成率，并同时有效地减少了浪费的CPU时间片．通过实验测试．同目前所知的同类算法相比，具有更佳的调度性能-调度成本比.     

软件容错模型中的容错实时调度算法

在软件容错模型的容错实时调度算法中,主部分可执行性的预测精度是影响调度算法性能的关键.针对此问题提出了DPA(deep-prediction based algorithm)和EDPA(EDF-based DPA)算法.算法考虑当前时间至替代部分通知时间之间的任务执行情况,通过构建预测表对待执行主部分的可执行性进行精确预测.当主部分不发生错误时算法根据预测表调度任务. DPA依照预测表中通知时间的先后顺序调度主部分,而EDPA则按照EDF算法调度预测表中的主部分.模拟结果表明,DPA和EDPA较目前同类算法可获得更多的主部分执行时间,降低CPU的消耗.当软件错误率较低、任务周期较短时,算法能够以较小的调度开销获得较高的调度性能.     

基于MCS8098的容错计算机系统

介绍一台采用硬件冗余组成的ＴＭＲ－ＢＩＴＥ结构的高可靠性容错计算机系统－ＳＣＦＴ－９８的系统设计，系统中三模采用各自独立的时钟，实现系统的任务级同步；采用模块化设计，系统能自动诊断、定位故障，并具有逐步降级的能力。     

基于组合导航系统的网络故障检测与容错技术研究

论述了基于VxWorks实时操作系统和组合导航系统的各种故障,然后主要针对组合导航系统中的网络故障进行分析,为系统排除网络故障的决策提供依据。在此基础上对系统的网络的故障提出检测和容错的方案,提高组合导航系统的可靠性。     

网口容错在嵌入式设备中的设计与实现

针对嵌入式网络设备的服务可靠性问题,现有的网口容错主要采用双网卡冗余设计,研究针对单网卡多网口的情况,提出了一种网口容错方法,该方法能有效利用系统带宽资源。提出的网口容错方法包括一种网口状态检测机制和故障网口服务数据迁移方法,并设计了相应的功能模块。故障检测模块实现基于Loopback的检测方法,容错处理模块则实现在检测到故障后,可将故障网口的服务负载数据根据迁移策略迁移到其余正常网口。所提出的方法实现了对网口工作状态的快速检测和负载数据的有效容错。该方法具有应用无关性、资源占用率低的特点,通过测试验证了该方法的可行性。     

面向多处理器的实时周期任务容错调度算法研究

主副版本策略是多处理器系统实时任务调度中处理容错问题的一种重要方式.根据分布式控制系统的特点,本文提出一种改进的FTRMBF算法-PR-FTRMBF,以提高系统周期任务的可调度性.在FTRMBF等已有的调度算法中,当没有处理器分配给当前副版本时,将为副版本分配新的处理器;本文提出的改进算法则以回溯的方式重新分配主版本.在保证系统实时性能和容错能力的前提下,节省了处理器数目.仿真实验表明,与FTRMBF算法相比,改进算法显著提高了系统任务的可调度性.     

基于任务同步的双机容错系统

提出了一种双机容错系统设计方案，系统采用基于任务的同步过程，利用双机控制器和外部存储器相互协作共同完成双机之间应用程序的同步。在双机均正常工作时，双机中的应用程序乱序执行，但其同步信息保存于外部存储器中，保证了系统执行结果的正确。在保证单机高性能和系统高可靠性的前提下，通过定义简洁的应用软件规范使系统具有较强的灵活性。针对系统中出现的双机切换等关键问题，提出了相应的解决方法。     

Fault-tolerant scheduling for real-time embedded control systems

With the increasing complexity of industrial application, an embedded control system (ECS) requires processing a number of hard real-time tasks and needs fault-tolerance to assure high reliability. Considering the characteristics of real-time tasks in ECS, an integrated algorithm is proposed to schedule real-time tasks and to guarantee that all real-time tasks are completed before their deadlines even in the presence of faults. Based on the nonpreemptive critical-section protocol (NCSP), this paper analyzes the blocking time introduced by resource conflicts of relevancy tasks in fault-tolerant multiprocessor systems. An extended schedulability condition is presented to check the assignment feasibility of a given task to a processor. A primary/backup approach and on-line replacement of failed processors are used to tolerate processor failures. The analysis reveals that the integrated algorithm bounds the blocking time, requires limited overhead on the number of processors, and still assures good processor utilization. This is also demonstrated by simulation results. Both analysis and simulation show the effectiveness of the proposed algorithm in ECS.     

嵌入式实时控制系统硬件可靠性及应用研究

嵌入式实时控制系统硬件故障是造成系统失效的主要原因之一,针对此问题,首先定义嵌入式实时控制系统硬件体系结构;然后分析嵌入式实时控制系统的可用性和失效模式,并对单个IP硬核和嵌入式实时控制系统硬件应用Markov链建立了可靠性模型;最后用所建立的模型,对嵌入式联锁控制器硬件进行了可靠度计算和分析。通过计算可知,所建立的可靠性模型能够描述嵌入式实时控制系统硬件的状态变迁,并能定量预测和分析其可靠度,模型具有一定的实用价值。     

高可靠性的嵌入式软件现场更新方法

针对传统嵌入式软件更新方法的不足,提出了一种高可靠性的嵌入式软件现场更新方法,通过读取SD卡上的更新文件来更新嵌入式设备的Flash分区,从而实现设备软件的更新。该方法在保证快速更新功能的前提下,采用更新文件兼容性避错检测、双Bootloader设计、更新文件验证及软件异常处理机制,有效提高了软件的避错、容错性能。通过Nelson模型可靠性评估及其在产品中的应用,证明该更新方法具有高可靠性。     

嵌入式Forth操作系统实时调度算法研究

针对目前嵌入式Forth操作系统中缺乏实时调度机制的问题,对基于Forth虚拟机架构的嵌入式操作系统中多任务调度的关键技术进行了研究。采用Forth虚拟机技术,新定义了一种中断任务类型来处理实时突发事件,并给出了一种新的任务调度算法来调度 Forth系统中终端任务、后台任务以及中断任务顺利运行。实验结果表明,改进后的 Forth 系统能够通过实时调度处理突发事件,并且实时响应度高,尤其适用于对实时性有要求的嵌入式环境中,以满足日趋复杂的嵌入式环境对高效操作系统和 Forth 技术的应用需求。     

A hardware supported operating system kernel for embedded hard real-time applications

The concept of the kernel, i.e. the time critical part of a real-time operating system, and its dedicated co-processor, especially tailored for embedded applications, are presented. The co-processor acts as a system controller and operates in conjunction with one or more conventional processors in hard real-time environments. It is composed of three physically and clearly separated layers which vary with regard to implementation, speed and complexity. Correspondingly, the model of the operating system kernel is hierarchically structured, and functions are mapped to these layers, observing the inherent parallelism of recognition and handling of different kinds of events expected in such environments and higher level kernel functions such as tasking operations. The operating system functions are supported by the high level real-time programming language constructs. Since many embedded systems are safety related, the software employed must be highly dependable. Therefore, the kernel was proven correct with formal methods, which represents a major innovation in software technology.     

分布式系统中基于主/副版本的实时容错调度综述

对分布式系统中基于主/副版本技术的实时容错调度算法进行了归纳和总结,从主/副版本执行的关系、任务的调度方式以及调度环境等各个方面深入分析和比较了近年来基于主/副版本的实时容错调度算法,并指出它们各自的优缺点和适应环境。最后指出了本研究领域的未来研究发展方向。     

开放式实时嵌入式系统自适应调度模型研究

开放式实时嵌入式系统中多类型实时任务并存和资源受限的情况给实时调度机制带来了新的需求和挑战。通过引入准入控制、资源管理、调度服务器、自适应调节机制等,提出了一个形式化的自适应调度模型。它能适应开放计算环境的不确定性,有控制地接受不同类型任务的运行;可根据系统资源和任务需求的最新变换情况计算带宽变化,自适应地调节任务的优先等级,使得系统运行在最优的实时性能上;该模型在某航空机载系统设计中得到了实际应用,同其它类似系统相比,该模型的应用提高了系统的调度性和系统稳定性。     

实时嵌入式系统的高速内存数据库设计

提出了在实时嵌入式系统中使用内存数据库的必要性,并设计了内存数据库中两种不同类型的表结构,线性表和哈希表.介绍了线性表和哈希表的基本特点和基本操作过程,指出了管理数据库对于内存数据库的支持作用和两者之间的数据通信机制,提出了使用通信状态机技术实现两者通信的设计思想,并介绍了状态机3要素的设计和用于通信的各种消息类型,最后通过一个表的传送过程的举例描述了通信过程的典型流程.     

基于反馈控制的嵌入式实时系统调度算法设计

针对嵌入式实时系统在系统负载模型不确定的情况下系统的实时任务错过率过高以及调度稳定性差的问题,提出了一个基于反馈控制的调度模型.该模型主要由改进的多级队列调度器和3个控制器(准入控制器、执行等级控制器、比例积分微分(PID)控制器)组成.任务的错过率偏差反馈到PID控制器,产生相应的调整量并作用于其他两个控制器,对实时任务的执行等级进行调整, 经过调整的任务被调度器调度执行.在对模型中每个部件进行了一些结构调整和改进设计之后,将该调度模型应用于嵌入式可配置操作系统(eCos)中.实验结果表明,该模型降低了任务的时限错过率,同时解决了系统频频超载的问题.