第五章冗余技术及其应用ppt课件

1、第五章第五章 冗余技术及其运用冗余技术及其运用杨秋伟湖南大学 计算机与通讯学院冗余技术概述冗余技术概述o目的o提高信息的可靠性和平安性o例如：双工、双机技术o分类o功能性冗余o静态功能冗余和动态功能冗余o构造性冗余o硬件冗余、软件冗余和时间冗余5.1 功能性冗余功能性冗余o功能性冗余的内涵和外延功能性冗余的内涵和外延o内容：保证系统在进展信息加工和传输过程中的正确性内容：保证系统在进展信息加工和传输过程中的正确性o目的：主要运用于信息冗余技术，提高信息的抗干扰才干目的：主要运用于信息冗余技术，提高信息的抗干扰才干o主要功能主要功能防止系统内部及系统之间等混乱、错误和失效防止系统内部及系统之间等

2、混乱、错误和失效o阻止不符合设计要求和规格阐明的信息输入阻止不符合设计要求和规格阐明的信息输入o阻止不符合设计要求和规格阐明的信息输出阻止不符合设计要求和规格阐明的信息输出o阻止不符合设计要求和规格阐明的输入输出关系发生阻止不符合设计要求和规格阐明的输入输出关系发生5.1 功能性冗余功能性冗余静态功能性冗余静态功能性冗余o输入输入/输出空间冗余输出空间冗余o数字系统的真实输入数字系统的真实输入/输出域是可输入输出域是可输入/输出域的子集合输出域的子集合o例如：例如：BCD译码器译码器o冗余度的计算冗余度的计算oRESI = (|UI| - |DSI|) / |UI|静态输入功能冗余度静态输入功

3、能冗余度oRESO = (|UO| - |DSO|) / |UO|静态输出功能冗余度静态输出功能冗余度5.1 功能性冗余功能性冗余静态功能性冗余静态功能性冗余o输入输出空间关联冗余输入输出空间关联冗余oRESIO = (|UIO| - |DSIO|) / |UIO|静态输入输出关静态输入输出关联功能冗余度联功能冗余度o例如：对例如：对5个独立自然数个独立自然数(十进制个位数十进制个位数)求最小值的鉴别器求最小值的鉴别器o静态输入功能冗余度为静态输入功能冗余度为0o静态输出功能冗余度为静态输出功能冗余度为0o静态输入输出关联冗余度静态输入输出关联冗余度o输入输出空间输入输出空间 105 * 10

4、1 = 106o输入输出域输入输出域 105o冗余度冗余度 RESIO = (106 - 105) / 106 = 90%5.1 功能性冗余功能性冗余动态功能性冗余动态功能性冗余o特征特征o不仅仅涉及输入向量和输出向量，而且思索到输入输出向量序列不仅仅涉及输入向量和输出向量，而且思索到输入输出向量序列o例如：一个四位例如：一个四位(二进制二进制)的向上计数器的向上计数器o静态观念看输入、输出空间与输入、输出域一样静态观念看输入、输出空间与输入、输出域一样o动态观念动态观念o只思索输出序列长度为只思索输出序列长度为3 (Qi,Qi+1,Qi+2)o输出序列输出序列(0,1,2), (1,2,3)

5、, , (14,15,0)o长度为长度为3的输出序列的组合有的输出序列的组合有 15 * 15 * 15 = 3375o冗余度冗余度 = 3375 15 / 3375 四位计数器计数脉冲输入Qi+1 = Qi+1输出5.2 构造性冗余构造性冗余o构造性性冗余的内涵和外延构造性性冗余的内涵和外延o内容：在系统中附加一定的反复部分内容：在系统中附加一定的反复部分o目的：提高可信性目的：提高可信性o主要方面主要方面o硬件系统硬件系统电子元器件、部件，甚至一个完好的硬件系统电子元器件、部件，甚至一个完好的硬件系统o软件系统软件系统语句、符号、函数、数据以及子程序的冗余语句、符号、函数、数据以及子程序的

6、冗余o执行时间执行时间软件或硬件的执行时间软件或硬件的执行时间5.2 构造性冗余构造性冗余软硬件系统的构造性冗余软硬件系统的构造性冗余o自动冗余自动冗余动态冗余动态冗余o系统中某一部分系统中某一部分(或全部或全部)的部件数超越了所需求的数目，删除这的部件数超越了所需求的数目，删除这些冗余的任何部分，系统将不能正常运转些冗余的任何部分，系统将不能正常运转o被动冗余被动冗余静态冗余静态冗余o系统中某一部分系统中某一部分(或全部或全部)的部件数超越了所需求的数目，删除这的部件数超越了所需求的数目，删除这些冗余部分系统可以继续正常运转些冗余部分系统可以继续正常运转o混杂冗余混杂冗余o结合了被动冗余和自

7、动冗余的优点结合了被动冗余和自动冗余的优点o本钱较高，设计复杂本钱较高，设计复杂5.2 构造性冗余构造性冗余自动冗余自动冗余o目的目的o检测系统中存在的错误检测系统中存在的错误(不试图定位缺点不试图定位缺点)，使系统得以恢复，使系统得以恢复o实例实例float total = 0.0;for(int i = 0; i memLength; i+)total = total + MEMi;total = total / (float)memLength;for(int i = 0; i memLength; i+)total = total + MEMi;5.2 构造性冗余构造性冗余自动冗余自动

8、冗余o三个典型的自动冗余例子三个典型的自动冗余例子o带比较器的双机系统带比较器的双机系统o备份系统备份系统o留守时标器留守时标器5.2 构造性冗余构造性冗余自动冗余自动冗余o根本的带比较器的双机系统根本的带比较器的双机系统o组成组成o两个一样的系统和一个比较器两个一样的系统和一个比较器M1M2输入比较器比较结果输出5.2 构造性冗余构造性冗余自动冗余自动冗余o根本的带比较器的双机系统根本的带比较器的双机系统o缺乏缺乏o输入错误无法检测输入错误无法检测o同步要求非常苛刻同步要求非常苛刻o比较部件的的可靠性是关键比较部件的的可靠性是关键5.2 构造性冗余构造性冗余自动冗余自动冗余o改良的带比较器的

9、双机系统改良的带比较器的双机系统处置器1存储器1处置器2存储器2软件比较双端存储器输出控制1输出控制2输出5.2 构造性冗余构造性冗余自动冗余自动冗余o备份系统备份系统交换系统交换系统on个一样的模块，由一个模块担任正常运转义务，并输出结果个一样的模块，由一个模块担任正常运转义务，并输出结果o其它其它n-1个模块作为备份，或称为交换系统个模块作为备份，或称为交换系统o一个错误检查器用来检测运转模块的错误一个错误检查器用来检测运转模块的错误o一旦发现错误，该运转模块停顿运转，交换模块之一取代运转一旦发现错误，该运转模块停顿运转，交换模块之一取代运转o备份系统分类备份系统分类o热备份热备份n个模块

10、同时运转，由输出选择器选择一个模块作为输个模块同时运转，由输出选择器选择一个模块作为输出出o冷备份冷备份只需一个模块运转，当发现错误时激活某一备份只需一个模块运转，当发现错误时激活某一备份5.2 构造性冗余构造性冗余自动冗余自动冗余o备份系统备份系统M1输入错误检测器输出M2错误检测器Mn错误检测器输出选择器取一个输出值5.2 构造性冗余构造性冗余自动冗余自动冗余o留守时标器留守时标器o每个联机模块内嵌一个时标器每个联机模块内嵌一个时标器o每隔一段时间将时标器清零每隔一段时间将时标器清零o假设不能在规定时间内清零那么阐明该模块发生缺点假设不能在规定时间内清零那么阐明该模块发生缺点o将发生缺点的

11、模块切断将发生缺点的模块切断通常与备份系统结合运用通常与备份系统结合运用5.2 构造性冗余构造性冗余被动冗余被动冗余o目的目的o屏蔽系统中的缺点和错误，将他们屏蔽在一个允许的范围内屏蔽系统中的缺点和错误，将他们屏蔽在一个允许的范围内o两个实例两个实例G1G2ABZZ = A * B + B = Bj = i;k = i;mov AX, i;mov j, AX;mov AX, i;mov k, AX;5.2 构造性冗余构造性冗余被动冗余被动冗余oN模冗余技术模冗余技术并行系统作为实际根底并行系统作为实际根底oN个模块同时平行运转一样义务，将其中一个模块的输出作为系统个模块同时平行运转一样义务，将

12、其中一个模块的输出作为系统的输出的输出“N取取1冗余系统冗余系统oN个模块同时平行运转一样义务，将其中个模块同时平行运转一样义务，将其中M个模块的输出作为系统个模块的输出作为系统的输出的输出“N取取M冗余系统冗余系统o3模冗余系统模冗余系统(TMR)o三重模块三重模块o多数判决器多数判决器(majority voter)M1M2M3V输入输出5.2 构造性冗余构造性冗余被动冗余被动冗余oN模冗余技术的关键点模冗余技术的关键点o多数判决器的可靠性多数判决器的可靠性o三重模块的同步性三重模块的同步性5.2 构造性冗余构造性冗余被动冗余被动冗余oN模冗余技术的关键点模冗余技术的关键点提高多数判决器的

13、可靠性提高多数判决器的可靠性M1M2M3V2输入输出2V1输出1V3输出3三重多数判决器的TMR模型5.2 构造性冗余构造性冗余被动冗余被动冗余oN模冗余技术的关键点模冗余技术的关键点同步处置同步处置ABCZ一个典型的3模冗余的多数判决器Z = AB + BC + AC带缺点模块指示的TMR系统多数判决器fa = b c a + b c afb = a c b + a c bfc = a b c + a b c5.2 构造性冗余构造性冗余被动冗余被动冗余oN模冗余技术的关键点模冗余技术的关键点同步处置同步处置一个适用的带同步安装的3模冗余多数判决器ABCZMSMSMSSM5.2 构造性冗余构造

14、性冗余混杂冗余混杂冗余o混杂冗余混杂冗余o自动冗余优点自动冗余优点 + 被动冗余优点被动冗余优点o自动冗余以检测缺点为主，部分技术可以定位缺点，发现缺点只自动冗余以检测缺点为主，部分技术可以定位缺点，发现缺点只能报警和停机，无屏蔽缺点的才干能报警和停机，无屏蔽缺点的才干o被动冗余以屏蔽冗余为主，不能检测缺点，更不能定位缺点被动冗余以屏蔽冗余为主，不能检测缺点，更不能定位缺点o系统复杂、设计本钱高，普通只对可信性要求特别高的运用环境系统复杂、设计本钱高，普通只对可信性要求特别高的运用环境o典型混杂冗余系统典型混杂冗余系统o带备份的带备份的N模冗余、自清洗冗余、挑选冗余、缺点弱化冗余、模冗余、自清

15、洗冗余、挑选冗余、缺点弱化冗余、5取取3(5-3)模重构冗余模重构冗余5.2 构造性冗余构造性冗余混杂冗余混杂冗余o带备份的带备份的N模冗余模冗余以以3模冗余为例模冗余为例o组成组成o一个一个TMR系统为中心系统为中心 + K个一样模块组成的备份系统个一样模块组成的备份系统o原理原理oK个备份模块作为热备份等待个备份模块作为热备份等待o假设假设TMR中心模块运转正常，那么类似普通中心模块运转正常，那么类似普通TMRo假设中心模块中有一个模块发生缺点，那么经过输出反响线送入假设中心模块中有一个模块发生缺点，那么经过输出反响线送入比较检测器中，对发生缺点的模块定位，并切断缺点模块的输出，比较检测器

16、中，对发生缺点的模块定位，并切断缺点模块的输出，接入一个备份模块来替代鼓掌模块的任务接入一个备份模块来替代鼓掌模块的任务o反复以上任务，直至备份模块运用终了反复以上任务，直至备份模块运用终了退化为普通退化为普通TRM系统系统误纠景象：两个以上模块同时发生一样错误纠景象：两个以上模块同时发生一样错误，那么错误的将正确模块切换为备份模误，那么错误的将正确模块切换为备份模块块5.2 构造性冗余构造性冗余混杂冗余混杂冗余o带备份的带备份的N模冗余模冗余以以3模冗余为例模冗余为例逻辑电路M1M2M3S1SkV输出比较检测器三个中心模块备份模块5.2 构造性冗余构造性冗余时间冗余时间冗余o技术背景技术背景

17、o自动冗余、被动冗余、混杂冗余都是添加一部分软自动冗余、被动冗余、混杂冗余都是添加一部分软/硬件资源为根硬件资源为根底，以提高系统的可信性底，以提高系统的可信性o在某些环境下，无法提供或不能够添加冗余的软在某些环境下，无法提供或不能够添加冗余的软/硬件资源，却同硬件资源，却同时希望系统具有一定的检错或容错的功能时希望系统具有一定的检错或容错的功能o运用环境运用环境o系统对时间要素要求并不高系统对时间要素要求并不高5.2 构造性冗余构造性冗余时间冗余时间冗余o根本时间冗余技术中心思想根本时间冗余技术中心思想o系统对同样的义务反复进展运算系统对同样的义务反复进展运算o对多次反复运算的结果进展比较，

18、到达检测缺点的目的对多次反复运算的结果进展比较，到达检测缺点的目的第n次计算第2次计算第1次计算t0t0+tt0+nt时间t存储结果存储结果存储结果比较器错误信号5.2 构造性冗余构造性冗余时间冗余时间冗余o根本的时间冗余技术缺乏根本的时间冗余技术缺乏o无法检测永久性缺点无法检测永久性缺点主要针对瞬时性的缺点主要针对瞬时性的缺点o改良的时间冗余技术改良的时间冗余技术第n次计算第1次计算t0t0+t时间t存储结果存储结果比较器停机或错误信号编码译码5.3 编码技术与运用编码技术与运用o问题的提出问题的提出o信息在处置过程中，遭到器件质量问题或外界影响等发生间歇性信息在处置过程中，遭到器件质量问题或外界影响等发生间歇性缺点甚至是瞬时性缺点缺点甚至是瞬时性缺点o元器件、设备老化或损坏元器件、设备老化或损坏o信号线的开路、闭路以及固定型缺点信号线的开路、闭路以及固定型缺点o电磁干扰、电器噪声干扰、电源干扰电磁干扰、电器噪声干扰、电源干扰o闪电、打雷