




已阅读5页,还剩62页未读, 继续免费阅读
(计算机应用技术专业论文)基于arm9+dcs主机冗余系统的设计和实现.pdf.pdf 免费下载
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
中文摘要 论文题目: 专 业: 硕士生: 指导教师: 基于a r m 9d c s 主机冗余系统的设计和实现 计算机应用技 张金森( 签名) 曹庆年( 签名) 摘要 随着一些新的控制器,如以a r m 系列控制器为代表的r i s c 控制器的出现,使得 d c s 控制系统的架构设计有了更多的选择,新架构的d c s 控制系统具有更高的稳定性 和更高的性价比。 本文首先概述了冗余、容错技术国内外的研究现状,并给出其存在的问题;然后介 绍集散控制系统( d c s ) 与a r m 9 处理器;在阐述冗余、容错基本概念和可靠性评估技 术的基础上,根据冗余系统设计的原则,提出本冗余系统设计方案;最后,以实现冗余 的关键技术( 主备切换、心跳检测、数据同步、故障检测等) 为着手点构建d c s 主机冗 余系统,分别从硬件和软件两个方面进行了设计。 在设计主、备机之间的故障检测电路设计时,本文创新性的提出采用a t 9 1 r m 9 2 0 0 的g p i o 实现“心跳 信号的发送与监测,为以后进行故障检测电路设计提供了一种可 参考的方法;选取l i n u x 作为嵌入式操作系统,降低了开发成本,为应用程序的开发提 供了很好的软件平台;采用m o d b u s 串行通信协议,实现了主、备机之间的数据同步, 同时也保证了同步信息快速、无误地传输。 本文对该冗余系统进行了多次实验测试,结果表明,系统的冗余设计能较大程度地 提高d c s 的可靠性。 关键字:冗余a r m1 ) c s 热备高可靠性l i n u x 论文类型:应用研究 ( 本研究得到陕西省自然科学基金项目“面向移动视频信息处理的嵌入式软、硬件平台 技术的研究( 2 0 0 6 f 4 4 ) 基金的资助) 英文摘要 s u h j e c t : s p e c i a l t y : n a m e : i n s t r u c t o r : d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fd c s h o s tr e d u n d a n ts y s t e mb a s e do na r m 9 c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y z h a n gj i n s e n ( s c a oq i n g n i a n ( a b s t r a c t n e wk i n d so fc o n t r o l l e r ss u c ha st h er i s cc o n t r o l l e rr e p r e s e n t e db ya r mc o n t r o l l e r s p r o v i d em o r es e l e c t i o n sf o rf r a m e w o r kd e s i g no fd c s ,a n dt h ed c s 晰t hn e wf r a m e w o r kc a n b ec h a r a c t e r i z e db yh i 曲s t a b i l i t ya n dp r i c e - p e r f o r m a n c er a t i o f i r s t l y , t h er e s e a r c hs t a t u so fr e d u n d a n c ya n df a u l t - t o l e r a n tt e c h n o l o g yi nt h et h e s i si s s u m m a r i z e d a f t e rt h a tt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) a n da r m 9p r o c e s s o ri s i n t r o d u c e d b a s e do nt h ee x p a t i a t i n gu p o nt h ec o n c e p to fr e d u n d a n c y , f a u l t - t o l e r a n ts y s t e m a n dr e l i a b i l i t y e v a l u a t i n gt e c h n o l o g i e s ,t h ed e s i g ns o l u t i o no fr e d u n d a n ts y s t e mi sb r o u g h t f o r w a r da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fb u i l d i n gr e d u n d a n ts y s t e m f i n a l l yt h et e c h n o l o g i e s ( t h e s w i t c ho ft h ea c t i v e & s t a n d b y , t h eh e a r t b e a td e t e c t i o n , d a t as y n c h r o n i z a t i o n , f a u l td e t e c t i o n , e t c ) w h i c ha r ek e yt oi m p l e m e n tr e d u n d a n ts y s t e ma r ef o l l o w e dt ob u i l dt h er e d u n d a n ts y s t e m o fd c sh o s tf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i nt h ef a u l td e t e c t i o nc i r c u i td e s i g no ft h ea c t i v e & s t a n d b y , t h et h e s i sb r o u g h tf o r w a r d i n n o v a t i v e l yt h a tw es h o u l da d o p tt h eg p i oo ft h ea t 9 1r m 9 2 0 0t or e a l i z et h es e n d i n ga n d m o n i t o r i n go ft h e h e a r t b e a t s i g n a l ,a n dp r o v i d e dar e f e r e n c em e t h o dt od e s i g nf a u l td e t e c t i o n c i r c u i tl a t e r t h et h e s i ss e l e c t e dl i n u xa st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s oi tr e d u c e dt h e d e v e l o p m e n tc o s t sa n dp r o v i d e dap e r f e c ts o f t w a r ep l a t f o r m t h ed a t as y n c h r o n i z a t i o n b e t w e e nt h ea c t i v e & s t a n d b yi sr e a l i z e db ya d o p t i n gm o d b u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l , m e a n w h i l ei te n s u r e dt h es y n c h r o n i z a t i o no fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na c c u r a t e l ya n dr a p i d l y a f t e rt h i st h e s i sh a v i n gt a k e nan u m b e ro fe x p e r i m e n t a lt e s t si nt h er e d u n d a n ts y s t e m ,t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e d u n d a n td e s i g no ft h es y s t e mc a l li m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fd c si n g r e a t e rd e g r e e k e yw o r d s :r e d u n d a n c y , a r m ,d c s ,h o tb a c k u p ,h i g h - r e l i a b i l i t y , l i n u x t h e s i s : a p p l i c a t i o ns t u d y ( t h et h e s i si s s u p p o r t e db v “t h es t u d yo fp l a t f o f i ni ne m b e d d e ds o f t - a n d - h a r dw a r e o r i e n t e dt oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi nm o b i l ev i d e o ( 2 0 0 6 f 4 4 ) ”。s c i e n c er e s e a r c h f o u n d a t i o no fs h a a n x ip r o v i n c e ) i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 论文作者签名: 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利,同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名: 导师签名: 日期:上。弦2 ,- 朋日期:办即少形 注:如本论文涉密,请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 磐 第一章绪论 第一章绪论 由于计算机应用的日益广泛及用户对计算机可靠性要求的日益提高,冗余、容错技 术的应用已由原来的航天、航空、国防等尖端领域逐步向程控电话交换、铁路交通信号 控制、银行事务处理、工厂过程控制、大型水利工程等领域扩展。这就使具有高可靠性 特点的集散控制系统( d c s ) 在工业生产与控制领域的使用日渐广泛和深入。 1 1 课题背景与来源 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 分散控制系统的简称,国内一般习惯称之为集散 控制系统。d c s 是一个由过程控制级和过程监控级组成的,以通信网络为纽带的多级计 算机系统,综合了计算机、通信、显示和控制等4 c 技术,其基本思想是分散控制、集 中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。随着半导体技术、显示技术、控制技术、 网络技术和软件技术等高新技术的发展,集散控制系统也得到了飞速的发展,现已发展 到第四代。 在石油化工生产中,d c s 的主要作用是对生产过程进行控制、监视、管理和决策, 因此必须具有很高的可靠性,才能保证工厂的安全、可靠运行。冗余技术作为d c s 系统 可靠性设计中常采用的一种技术,是提高其可靠性的最有效方法之一。d c s 主机是整个 系统的核心控制单元,完成系统的控制任务,冗余技术各个设计要点在此得到充分应用。 本课题得到陕西省自然科学基金项目:“面向移动视频信息处理的嵌入式软、硬件平 台技术的研究( 2 0 0 6 f 4 4 ) 和北京安控科技发展有限公司的支持。 1 2 国内外动态 冗余作为容错的关键技术和实现方式,它的发展是伴随着容错技术的发展逐步成熟 起来的。关于容错技术,国内外都有比较广泛的研究,下面分别从理论研究与应用研究 两个方面进行介绍。 1 2 1 理论研究状况 冗余、容错技术理论的研究相当活跃,1 9 5 2 年,冯诺依曼作了一系列关于用重复 逻辑模块改善系统可靠性的报告;1 9 5 6 年,他发表了论文概率逻辑及用不可靠元件设 计可靠的结构i l 】;1 9 7 1 年以来,i e e e 计算机学会容错技术委员会每年召开一次国际容 错计算学术会议;微软公司已经在中国投资兴建微软研究院,研究计算机容错和软件可 靠性的问题;1 9 8 7 年中国计算机学会成立了容错计算专业委员会等。 1 2 2 应用研究状况 在冗余、容错技术领域,国外的应用研究工作开展较早。可以说在第一代计算机( 1 9 4 6 年1 9 5 7 年) 期间,人们就已将冗余、容错技术应用到计算机中。由于当时构成计算机 的元件主要是电子管、继电器及延迟线存储器。这些元件的失效率相当高,并且易受瞬 时故障的影响,系统的平均无故障时间极短,为此需采用故障检测与恢复技术以提高系 统的使用时间。例如,i b m 6 5 0 、u n i v a c 、w h i r l w i n di 等计算机采用了奇偶校验以检查 西安石油大学硕七学位论文 数据传送的结果是否正确。伴随着大规模和超大规模集成电路的发展,硬件可靠性大大 提高而价格却大幅度降低,使得采用各种冗余、容错技术在经济上更易接受。在七八十 年代,冗余、容错技术应用已经很广泛,例如:1 9 7 5 年的美国t a n d e m l 6 容错事务处 理系统、1 9 7 6 年的美国a m d a h l 4 7 0 v 6 容错通用计算机和1 9 7 8 年容错空间计算机 f t s c 、1 9 7 9 年i b m 推出容错的4 3 0 0 通用计算机系列、1 9 8 0 年容错多处理机f t m p 及 软件实现的容错计算机s i f t 研制成功等等,这些都给冗余、容错技术的发展增添了新 的活力。 从上世纪8 0 年代至今,随着超大规模集成电路v l s i 和计算机的迅速发展和广泛应 用,冗余、容错技术的应用也随着计算机的普及而深入到整个工业界。国外d c s 生产厂 家在系统设计时对冗余技术的应用达到了很高的水平,中国的d c s 生产厂商也在提高设 备的可靠性作出了突出的成绩,但由于涉及实现冗余的关键技术保密,各个公司仅仅对 冗余的外部应用特性进行了简要说明。国内外的文献,也仅仅局限于可靠性研究和冗余 的理论分析。涉及冗余的关键技术、具体设计策略以及实现准则等方面的文献很少。 1 3 研究内容与创新点 1 3 1 研究内容 本课题主要是在d c s 主机与l i n u x 操作系统的基础上,结合现有的冗余技术和系统 可靠性指标提出系统的冗余设计方案。根据这一方案进行d c s 冗余系统的硬件和软件设 计。主要工作如下: 冗余设计方案的研究和确定。 冗余技术的概述和冗余系统的可靠性分析,结合冗余系统的设计原则和实际情况确 定冗余设计方案。 根据冗余方案进行系统硬件设计。 涉及c p u 核心板选择、数据同步通道、故障监测通道、f l a s h 存储器扩展、以太 网接口设计以及复位和调试电路设计。 : 在d c s 主机上构建嵌入式l i n u x 操作系统。 包括嵌入式l i n u x 操作系统简介,开发环境的搭建,操作系统内核的配置、修改和 移植,文件系统的实现,m c p 2 5 1 0 驱动程序的设计等内容。 冗余系统关键技术的实现。 在l i n u x 操作系统下,编写应用程序实现冗余系统的关键技术。如系统初始化,主、 备角色确定技术,数据同步技术,主备切换技术,心跳监测与报警技术。 1 3 2 课题的创新点 选取l i n u x 作为d c s 主机的操作系统,能充分利用l i n u x 源代码开放、拥有一整套 工具链、具有很好的开发测试工具、建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境简 单、移植性好的优点,这不仅降低了开发成本,也大大提高了学习嵌入式l i n u x 2 第一章绪论 开发的积极性;运用冗余系统设计原则,确定了双机热备,两者之间通过m o d b u s r t u 串口通信协议实现主、备机之间的定时数据同步;采用对a t 9 1 r m 9 2 0 0 的p i o 端口进行 周期性的电平置位复位来实现心跳信号的发送,为以后进行“心跳 检测设计提供了一 种可参考的方法。 1 4 课题意义 高可靠性是过程控制系统的第一要求,为了达到高可靠性和低失效率相统一的目的, 我们通常会在控制系统的设计和应用中采用冗余技术。合理的冗余设计将大大提高系统 的可靠性,但同时也增加了系统的复杂度和设计难度,应用冗余配置的系统还增加了用 户投资。因此,如何合理有效地进行控制系统冗余设计,是值得研究的课题。 1 5 论文组织 第一章:绪论。介绍课题的背景与来源、论述国内外研究状况、指出课题的研究意 义、研究内容和创新点,并对本文组织结构做了简述。 第二章:d c s 与a r m 9 概述。本章d c s 概述一节讲述d c s 的结构与特点、d c s 主机的基本原理、d c s 控制数据类型;在a r m 微处理器一节中对a r m 技术和a r m 9 处理器进行简要的阐述,在此基础上对a t 9 1 r m 9 2 0 0 的结构和特点进行详细的介绍。 第三章:冗余技术和冗余系统设计。介绍了计算机系统常采用的硬件冗余、软件冗 余、信息冗余和时间冗余等冗余控制方式;对冗余系统的可靠性、可靠性评估指标以及 这些评估指标之间的关系进行介绍;结合冗余系统的设计原则,确定本系统的冗余设计 方案。 第四章:系统硬件设计。本章对系统的硬件结构和电路设计进行介绍,具体包含c p u 核心板选择、数据同步通道、心跳监测通道、f l a s h 存储器扩展、以太网接口以及复位 和调试电路设计等内容。 第五章:嵌入式l i n u x 平台的构建。本章介绍l i n u x 操作系统的特点以及l i n u x 应 用于嵌入式系统需要解决的问题;讲述嵌入式l i n u x 开发环境的搭建和服务的开启;根 据系统需要配置、裁剪、修改并移植l i n u x 内核,构建r a m d i s k 和y a f f s 文件系统; 设计和实现m c p 2 5 1 0 驱动程序。 第六章:系统软件实现。本章从五个模块对系统的软件设计进行阐述,系统的初始 化模块介绍本系统初始化的三个阶段,即c p u 初始化、u b o o t 引导l i n u x 内核和l i n u x 系统的启动;主、备角色确定模块实现上电后的资源竞争与主、备角色确定;数据同步 模块保证主、备机之间采集信息的同步和处理过程的同步;故障检测与报警模块使备机 能够实时监测主机的运行状态,并在主机发生故障时产生报警信息;主、备切换模块使 得备机能在主机发生故障时完成自动切换,保证系统任务的连续执行,从而提高了系统 的可靠性。 两安孑i 油大学硕七学位论文 第二章d c s 与a r m 9 概述 随着a r m 微处理器的应用已经深入到工业控制、无线通讯、网络应用、消费类电 子产品、成像和安全产品等各个领域,a r m 技术必将取得更加广泛的应用。a r m 微控 制器的低功耗、高性价比,向传统的8 位1 1 6 位微控制器提出了挑战,为d c s 主机的c p u 提供了更多的选择。 2 1d c s 概述 自1 9 7 5 年美国霍尼韦尔( h o n e yw e l l ) 第一套分散式控制系统t d c s 。2 0 0 0 问世以 来,分散控制系统己经在工业控制的各个领域得到了广泛的应用,逐渐成为过程工业自 动控制的主流系统。 受信息技术( 网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、 各种组态软件技术、数据库技术等) 发展的影响,以及用户对先进控制功能与管理功能 需求的增加,d c s 已进入第四代【z j 。 2 1 1d c s 的结构与特点 第四代d c s 的体系结构主要分为四层:现场仪表层、控制装置单元层、工厂( 车间) 层和企业管理层。一般d c s 主要提供下面的三层,而企业管理层则通过提供开放的数据 库接口连接第三方的管理软件平台。典型的d c s 系统结构如图2 1 所示。 。熹;p 夔? 暑蝴站暑一站晷; 二 lilj 1 i = _ 1 i - _ - - i = 1 - - 二- - - - - 二- l - 。1 。二二二i 7 ;蝴惜l ,酗晰站卜;i | u r 峨p 站 :1 一 。:f 埒攀 - lllli r 一【:事f :! ! 寿,草 7 臻 埒设备 图2 - 1d c s 系统典型结构 4 第二章d c s 与a r m 9 概述 该系统在硬件上可分为工程师站、操作员站、分布式处理单元和智能i o ,还有两 级通讯网络:车间级的以太网和过程级现场总线网络。操作员站、工程师站、分布式处 理单元间通过以太网络进行通讯;分布式处理单元同智能i o 的通讯则采用现场总线网 络【3 1 。 系统中工程师站装有系统组态软件,在整个系统投运前完成h m i ( h u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ) 的组态和d p u ( d i s t r i b u t e dp r o c e s su n i t ) 控制算法的组态,并将组态程序下 载到相应的站点执行。同时,工程师站也可在系统运行时在线监测、诊断、调试甚至修 改h m i 及控制逻辑组态。 操作员站主要完成h m i 功能,用画面形象地反映生产过程的工作状况,实现流程图 显示、分组显示、实时及历史趋势、报警、事件、报表、数据的存储和压缩归档等功能。 d p u 站运行从工程师站下载的控制逻辑,主要完成数据的实时采集、执行控制算法、 输出过程控制命令进行直接数字控制、对现场设备进行监测与诊断、s o e ( s e q u e n c eo f e v e n t ) 记录、接受上级站点( 操作员站、工程师站) 的命令等。d p u 站通过装在其上 的现场总线通讯卡同现场级智能i o 进行交互。 工程师站、操作员站、d p u 站选用高度可靠的i p c ( i n d u s t r i a lp c ) ,同时其上面的 存储介质采用几乎不带任何机械部件的快闪硬盘( f l a s hm e m o r y ) 来提高硬件系统的可 靠性。 智能i o 通过现场总线网络及现场总线通讯卡同d p u 站进行通讯。位于现场的智能 i o 将现场变送器信号采集并处理( 数字滤波等) 后,用数字通信方式将处理结果传送 给d p u 站。d p u 站中控制逻辑的运算结果( 控制量) 也以同样的方式返回到i o 前端, i o 前端再将控制信号发送到现场的执行机构,完成控制过程。 从以上的分析我们可以看出,第四代d c s 系统的现场控制结构进一步分散化;d p u 站采用了冗余设计,增强了系统的可靠性;系统拥有了高速的c p u 、大容量的内存资源、 强大的网络通信能力和高度的可靠性,数据处理能力大大增强。 2 1 2d c s 主机的基本原理 分布式处理单元( 国内习惯称d c s 主机) 是d c s 中各个现场控制站的中央处理单 元,常见的主控制器的组成框图如2 2 所示。 从图中可以看出d c s 主机主要由c p u 、系统网络接口( s n e t ,为双冗余以太网) 、 控制网络接口( c n e t ,如p r o f i b u s d p 接口) 、主从冗余控制、电源电路及s r a m 组成。 各部分功能概述如下: cpu 控制运算的主芯片,常见的有i n t e l 4 8 6 d x 4 、i n t e lp e n t i u m1 3 3 2 3 3 2 6 6 、p o w e r p c 以 及m c 6 8 0 3 0 等。一个主控制器是否性能优良,主要是看它在控制软件的配合下,能否 长期安全可靠地在规定的时间内完成规定的任务。另外工艺上也是问题,比如p e m i u m 两安石油大学硕士学位论文 系列的散热问题就比4 8 6 d x 的难解决。 总线 l k = 一 以太网接口 c 。, 1 0 m 以太网控制 1 r 2 。 站地址设定 、, 主从单元控制 工作电源i 1 5 心v c p u s 胜m h d p 接口 = u s a 盯i f 脚卜爿双口胜m 目 a ,t 、1 1 - “ 图2 2 典型的主控制器的组成框图 系统网络( s n e t ) 接口 s n e t 接口是主控制器与操作员站、工程师站等操作层设备通信的网络接口。过去 各家d c s 厂商的系统网络基本上都是专有的,根本不开放,而且都声称专用网络可靠。 目前这种情况有了很大的改变,几乎2 0 世纪9 0 年代推出的新系统中,d c s 的系统网络 都采用了以太网,而且其可靠性和安全性是完全没有问题的。采用以太网的最大好处就 是开放、易于集成和成本降低。 控制网络( c n e t ) 接口 c n e t 接口是主控制器与i o 进行数据交换的网络接口。由于d c s 需要进行大量的 模拟量数据传送,而且每个i o 设备的数据量较大,所以c n e t 一般选择字节型长数据 包协议的通信网络( 如p r o f i b u s d p ) 。 电源电路 主控制器的电源输入一般是2 4 v 直流电源,需要将其变换成5 v 直流或3 3 v 直流, 供主控制器上的i c 使用。 掉电保持静态存储器( s 洲) 该存储器用于存储运行过程中需要时时保存,并且在系统掉电后还需要保存一段时 间的数据。例如,阀门在d c s 掉电前的开度,这些数据在d c s 重新上电后可能用作初 始值输出,保证现场阀门不出现跳动。 2 1 3d c s 控制数据类型 d c s 主机最常见的控制数据类型有下列四种形式: d i d i g i t a li n p u t 6 第二章d c s 与a r m 9 概述 以一个b i t 位表示o n o f f , 用来记录控制信号的状态输入,例如:开关、接触点、 马达运转、超限s w i t c h 等,在d c s 上被称为i n p u tr e a l y 、i n p u tc o i l 。d i 有效高电平输入 电压范围应保证在8 3 2 v 之间,可用于测量开关状态等数字量,其接线分为有源d i 和 无源d i 两种情况。有源d i 是指由现场设备提供的d o 量为电压输出,不需要本系统为 其提供电源;无源d i 是指现场设备提供的d o 量为干触点,需要系统为其提供电源。 d o :d i g i t a lo u t p u t 以一个b i t 位表示o n o f f , 用来输出控制信号,以激活或者停止马达、警铃、灯光 等,在d c s 上被称为o u t p u tr e a l y 、o u t p u tc o i l 。 a ha n a l o gi n p u t 以一个1 6b i t si n t e g e r 表示一个数值,用来记录控制信号的数值输入,例如:温度、 流量、速度、液位以及重量等,在d c s 上被称为i n p u tr e g i s t e r 。 a o a n a l o go u t p u t 以一个1 6b i t si n t e g e r 表示一个数值,用来输出控制信号的数值,例如:温度、流量、 速度、液位以及重量等,在d c s 上被称为o u t p u tr e g i s t e r 、h o l d i n gr e g i s t e r 。 2 2a r m 微处理器 2 2 1a r m 技术 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ,既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对 一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑 桥,主要出售芯片设计技术的授权。目前,采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理 器,即我们通常所说的a r m 微处理器,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、 网络系统、无线系统等各类产品市场,基于a r m 技术的微处理器应用占据了3 2 位r i s c 微处理器约7 5 以上的市场份额,a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司,作为知识产权供应商, 本身不直接从事芯片生产,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片,世界各大 半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核,根据各自不同的应用领域, 加入适当的外围电路,从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目前,全世界上 百家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权,其中包括半导体工业的著名公司,从而 使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持,整个系统成本降低,这保 证了基于a r m 处理器核的设计可以很快投入市场。 2 2 2a r m 9 处理器 a r m 处理器己经有6 个系列产品:a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 以及最新的a r m l l 系列,进一步的产品来自于合作伙伴,例如:i n t e lx s c a l e 微体系结 构和s t r o n ga r m 产品。a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 是4 个通用处理器系列。 每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求【4 j 。 7 西安石油大学硕十学位论文 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点: 5 级整数流水线,指令执行效率更高。 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 全性能的m m u ,支持w i n d o w sc e ,l i n u x ,p a l mo s 等主流嵌入式操作系统。 m p u 支持实时操作系统。 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ,具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、工业过程控制、仪器仪表、安全系统、 机项盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、 a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型,以适应不同的应用场合。 2 2 3a t 9 1r m 9 2 0 0 简介 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是美国a t m e l 公司于2 0 0 3 年推出的一款针对系统控制、通讯领域的 基于a r m 9 内核的微处理器。a t 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器与a t m e l 以前推出的a r m 7 的 a t 9 1 系列微处理器兼容,同时,a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器还提供了启动禁用片上存储器 的功能,以配合外围设备的需要。 d c s 主机冗余系统的主控制器就采用了a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器芯片,此芯片采用 a r m 9 2 0 t 核,除了具有a r m 9 系列微处理器一般的特性外,还具有如下特点: 18 0 m h z 运行时有2 0 0 m i p s 处理能力。 1 6 k b 的数据c a c h e ,1 6 k b 的指令c a c h e 。 全功能m m u 支持w i n c e 和l i n u x 等操作系统。 1 6 l 的内部s 删和1 2 8 k b 的内部r o m 。 外部总线接口e b i 。 支持s d r a m 、s r a m 、b u r s tf l a s h 和c o m p a c t f l a s h 、s m a r t m e d i a 以及n a n df l a s h 的无缝连接。 全电源管理功能。 带有8 个优先级、单个屏蔽中断源、s p u r i o u s 中断保护的先进中断控制器。 7 个外部中断源和一个快速中断源。 4 个3 2 位的p i o 控制器可以达到1 2 2 个可编程i o 引脚( 每个都有输入控制、 可中断及开路的输出能力) 。 2 0 通道的外部数据控制器( d m a ) 。 1 0 1 0 0 m 的以太网接口。 两个全速的u s b 2 0 主接口和一个从接口。 3 通道1 6 位的定时计数器( t c ) 。 8 第二章d c s 与a r m 9 概述 两线接口( t w i ) 。 i e e e l1 4 9 1 j t a g 标准扫描接口。 工作环境温度4 0 + 8 5 。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 结构框图如2 3 所示。 j a 暇i t 图2 - 3a t 9 1r m 9 2 0 0 结构框图 9 0 o o 111111111 2 2 2 2 ,3 ,t , ,)i 嚣ll黧鼎麟篓器篡ll黧篷= 两安石油大学硕士学位论文 第三章冗余技术和冗余系统设计 i e e e 可靠性协会对冗余( r e d u n d a n c y ) 的定义是“在需要时运行并完成制定功能的 备用措施”。这意味着正常时,处于冗余状态的子系统只有一个是运行的。同时,i e e e 安全系统标准委员会将冗余系统定义为“一设备或系统与另一设备或系统的基本功能完 全相同,它们不管其中一个是运行还是故障,另一个都可以执行要求的功能。 3 1 冗余技术 冗余技术就是通过配置多余的同等功能的部件,并通过一定的冗余逻辑使它们协调 地同步运行,使系统应用功能的实现得到多重保证。 冗余控制的方式在工控领域采用的方式有很多种,根据冗余资源的不同,分为硬件 冗余、软件冗余、时间冗余和信息冗余四种方式,如图3 1 所示。 冗余技术 硬件冗余 软件冗余 信息冗余 时间冗余 元件多重化 功能单元冗余 部件冗余 电路冗余 系统冗余 编码译码技术 程序冗余技术( 多版本程序技术) 软件保护技术 重组合技术 故障检测和恢复块技术 误差检测与校止技术 指令复执 程序重试 操作 图3 - 1 计算机系统冗余方式 3 1 1 硬件冗余 硬件冗余是利用冗余的元件或部件去屏蔽已发生故障对系统的影响,硬件冗余的级 别很多,大至系统冗余,小至元件冗余,都是靠增加硬件资源来换取高可靠性。随着半 导体器件尺寸的不断变小和价格的不断下降,硬件冗余开销也在不断下降,这使得硬件 冗余仍然是提高系统可靠性的一种重要方法。 硬件冗余涉及的范围大致有四种:电源冗余、控制模件冗余( 如d c s 主机冗余) 、 1 0 厂ill厂l 采用软件保护技术,减少软件出错。 采用故障隔离、逻辑切换和重组合技术,减少故障产生的影响。 采用故障检测和恢复块技术。 3 1 3 信息冗余 信息冗余是利用增加信息位数和复杂度来检错和纠错,检错是指计算机系统中,对 经过存储、交换、加工和传送的数字信息检测有无差错的过程,若发现信息差错,从逻 辑上自动将其纠正过来的过程为纠错。信息冗余主要应用在数据传输和存贮系统,以屏 两安石油大学硕士学位论文 蔽各种传输线和存贮器的故障,如采用奇偶校验、和校验、循环冗余c r c 码校验、海明 校验( h a m m i n gc o d e s ) 多重模块、阶段表决等方法检测信息差错,并进行自动纠错处 理。另外,用解析冗余代替硬件冗余,得到系统故障信息的方法,在实际工业系统中也 获得了应用【舯】。随着仪器、仪表网络化、信息化和智能化程度的提高,过程测控仪表中 传统的模拟信号传输方式不断被全数字通信方式所代替,信息冗余开始发挥越来越重要 的作用【7 - 1 0 1 。 3 1 4 时间冗余 硬件冗余和信息冗余均需要大量冗余硬件。在许多应用中时间资源比较充分,而硬 件资源由于受重量、体积、功耗及成本的限制而相对短缺。这时,时间冗余就能发挥作 用了。 时间冗余的基本思想是进行重复计算以检测故障。按照重复计算是在指令级还是在 程序段级,可以分为指令复执及程序卷回。时间冗余也常常用于故障恢复,通过对因故 障导致执行失败的任务采用重新执行( r e e x e c u t e ) 和恢复块( r e c o v e r yb l o c k ) 等办法 来消除故障影响【1 1 】。 3 2 冗余系统的可靠性 i e e e 核电站安全系统标准委员会对冗余系统的定义为:一设备或系统与另一设备或 系统的基本功能完全相同,不管其中一个运行还是故障,另一个都可以执行要求的功能, 是备用储备系统。 可靠性是系统在规定条件下、规定时间内完成规定功能的能力。控制系统可靠性就 是在现场条件下长时间地完成各种控制、调节功能和数据采集的能力。 3 2 1 冗余系统的可靠性评估指标 不同用途的冗余、容错系统,对可靠性的要求程度也是不一样的。对系统可靠性的 度量,通常都以数理统计概率来表示,主要的特征量有可靠度r ( t ) 、失效率z ( t ) 、平均 故障间隔时间m t b f 、平均无故障时间m t t f 和平均恢复时间m t t r 、可修复度m ( t ) 、 可用度a ( t ) 、安全度s ( t ) 及平均寿命f ( t ) 。 可靠度( r e l i a b i l i t y ) :可靠度是指系统在规定的条件和规定的时间内所完成规定功 能的概率。据分析【1 2 l ,系统故障发生概率是服从泊松分布的,即若单位时间内发生的平 均故障次数为入,则在t 时间内发生k 次故障的概率为: ,1 、k p ( k ,t 1 :竺生e m。 k ! 令k = 0 则p ( k ,t ) 表示在t 时间内不发生故障的概率。由可靠度的定义可知,这种在规 定的时间内,规定的条件下无故障工作的概率即是可靠度,是以时间为变量的概率函数 r ( t ) ,表示o t 时刻内系统正常工作的概率,则有: 1 2 第三章冗余技术和冗余系统设计 r ( t ) = e 柏 失效率:根据i e c 6 0 0 5 0 1 9 1 标准,失效率指假设某时刻系统工作正常,则在该时刻 后的任意时刻,系统单位时间内发生失效的概率,定义为z ( t ) = 入。 平均故障时间( m t b f ,m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) - 指系统相邻两次故障发生时 刻之间时间的平均值。 平均无故障时间( m r r f ,m e a nt i m et of a i l u r e ) 根据i e c 6 0 0 5 0 1 9 1 标准,平均 无故障时间是指系统失效前时间的数学期望值。对于不可修复系统,m t t f 指的是系统 故障前运行时间的数学期望值( 即平均寿命) ;对于可修复系统,m t t f 指系统每次修复 后正常运行时间的数学期望值。 可修复率m ( t ) :描述可修复系统的维修能力的一个指标,定义为m ( t ) = 1 一e 一。 平均恢复时间( m t t r ,m e a nt i m et or e c o v e r y ) :指系统从故障开始到恢复正常的 平均时间,定义为 蚋1 m t t r 2 上( 1 - m ( t ) ) d t 2 i oe - _ t d t2 音 厂 可用度a ( t ) :指系统在时刻t 正确执行其功能的概率。 安全度s ( t ) :设在时刻t 。系统正常运行,则系统在t 时刻的安全度s ( t ) 是指系统在整 个时间区f a t 。,t 】内正常运行的条件概率加上系统在时刻t 处于失效安全状态的条件概 率。其中“系统处于失效安全状态 是指系统处于不危及设备及人员安全的方式中断其 正常功能的状态。 平均寿命f ( t ) 主要是用于估计一个系统是否被淘汰的参数。 3 2 2 评估指标之间的关系 根据上面介绍的各指标的定义,结合概率论数学理论可以得出r ( d 、2 ( 0 、r ( t ) 指 标之间的关系如图3 3 所示。 指标 r ( t )2 ( 0f ( t ) 图3 - 3r ( t ) 、2 ( t ) 、r ( t ) 指标之间的数学表达关系 1 3 西安石油大学硕士学位论文 在查阅资料的过程中,发现很多文献习惯性地将m t b f 称为平均无故障时间,与 m t t f 相混淆。事实上i e c 关于m t b f 的定义与这种混淆后的m t b f 习惯含义是不相符 的。可以用图3 4 来澄清m t t f 、
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 高压电器及元件装配工工具使用熟练度考核试卷及答案
- 通信终端设备制造工防护知识考核试卷及答案
- 电梯装配调试工数据分析与运用考核试卷及答案
- 2025安徽蚌埠市《固镇县任桥镇2025年面向全县公开招聘村级后备干部》考前自测高频考点模拟试题及一套参考答案详解
- 2025甘肃省卫生健康委系统招聘51人考前自测高频考点模拟试题及答案详解(名师系列)
- 2025年陕西新华出版传媒集团新华书店分公司招聘笔试考前自测高频考点模拟试题及答案详解(全优)
- 集群通信系统机务员培训考勤考核试卷及答案
- 2025年湖南省低空经济发展集团有限公司第二次公开招聘12人模拟试卷有答案详解
- 2025年西安经开第七小学招聘数学教师模拟试卷及参考答案详解
- Periplanetasin-2-生命科学试剂-MCE
- GB/T 4699.2-2025铬铁、硅铬合金、氮化铬铁和高氮铬铁铬含量的测定过硫酸铵氧化滴定法和电位滴定法
- 2025至2030年中国柔性电路板行业市场深度评估及投资战略规划报告
- 2024《矿业权价值评估》真题及答案(考生回忆版)
- 2025中国高血压防治指南
- 光伏安全文明施工专项方案
- 燃气锅炉安全培训
- 慢性硬脑膜下血肿护理查房
- 蜜雪冰城考试题目和答案
- 高速公路收费站业务培训
- 全科教学病例讨论指南
- 人工智能应用实践指南
评论
0/150
提交评论