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1、北京航空航天大学学位论文 机载u m s 分布容错计算机系统关键技术研究与实现 摘 要 通用管理系统 ( U MS ) 是综合化飞机管理系统的重要组成部份， 是全面提高战斗机 的作战效能的关键技术之一;对于改善机电子系统的性能、减轻驾驶和地勤人员的劳动 强度、 提高飞行的安全性和可靠性具有重要的战略意义和实用价值。采用分布式计算机 技术、容错技术和实时控制技术是通用管理系统发展的必然方向。本文重点对u ms 的 支撑平台-一 一分布容错计算机系统所涉及的关键技术进行了深入研究， 包括分布容错体 系结构、任务分配及调度算法、 任务同步算法，以及故障恢复与系统重构算法等。本文 设计并实现了u ms
2、 分布容错计算机系统原型。论文的主要研究内容与工作包括以下几 个方面: ( 1 ) 研究了u m s 体系结构， 提出 并实现了u m s 的分布容错系统结构，给出了 可靠 性分析模型. 论文 对先进飞 机管理系统的综合设计思 想进行了 系统分析和研究， 在深入 研究了E A P验证机及F 2 2 先进战斗机通用管理系统结构的基础上，结合我国 航空电子 综合化的特点， 提出了一个用于u m s 的层次性分布容错计算体系结构， 给出了系统的冗 余配置方案。结合本文所实现的u ms的特点，提出了功能可靠性和系统可靠性两级评 价模型。 ( 2 ) 给出了u m s 分布实时调度框架，提出了u m s
3、的任务划分策略、分配及调度算 法。在分布环境下，单机下最优的任务分配和优先级分配方法己不再最优， 而寻找最优 的子 任务分配和调度方法已被证明是N P问题，通常采用启发式方法。针对u m s 应用特 点，给出了u ms分布实时调度框架，给出了子系统优先、周期优先和过程优先三种任 务划分策略， 提出基于WC条件的I O 优先的速率单调的启发式任务分配算法。 对V R T X 嵌入式实时操作系统的周期任务调度机制的不足进行了分析， 在V R T X基础上设计实现 了 一 个新的周期任务调度器，并给出了该调度器的性能分析。 ( 3 ) 提出了 墓于 1 5 5 3 B异步紧急消息的 周期任务同步调度
4、算法。同步是分布式计 算机系统进程间协调行动的手段，u m s 的容错功能、分布控制功能的实现都基于同步。 本文分析了u m s 的同步需求， 对1 5 5 3 B总线异步消息机制进行了深入研究， 根据u m s 体 北京航空航天大学学位论文 系结构的 特点， 提出了 基 于1 5 5 3 B总线紧急消息机制的节点机逻辑时钟同步算法， 并在 此基础上提出并实现了周期任务的同步调度模型， 详细分析了同步算法的性能。 ( 4 ) U M S 系统的故障恢复与系统重构策 略的 研究。 论 文对U M S 的故障进行了 分类， 讨论了故障检测和定位的方法。根据U MS双冗余配置特点，实现了采用交叉比较
5、监控 方式的故障检测方案，讨论了监控面的设定， 分析了故障覆盖率。在此基础上， 给出了 U M S 故障恢复与系统重构的基本原则和策略。 ( 5 ) 对容错系统的异步度进行了 实验研究.大部分容错系统的容错功能 ( 如多数 表决、 冗余管理等) 的实现要求各冗余通道或节点处于同步运行状态，而异步方式却未 见讨论。 本文NT M R 系统的通道间异步工作模式进行了 讨论。 通过相似四冗余飞控虚拟机 进行了仿真试验， 对同步和异步两种不同工作模式下系统的任务调度及输出响应进行了 比较研究。 关键词: 通 用管理系统， 容 错，同 步， 异步， 故 障恢复与 重构 北京航空航天大学学位论文 R e
6、s e a r c h a n d I m p l e m e n t a t i o n o n K e y T e c h n o l o g y o f D i s t r i b u t e d F a u l t - T o l e r a n t C o m p u t e r S y s t e m f o r A i r b o r n e U MS A u t h o r : S h a n g L i h o n g T u t o r:P r o f . t i n Hu i h u a ABS TRACT U MS , a s a n i m p o rt a n t
7、p a rt o f i n t e g r a t e d v e h ic l e m a n a g e m e n t s y s t e m ( I V MS ) , i s o n e o f t h e k e y t e c h n i q u e t o e n h a n c e b a t t le e f f e c t i v e n e s s o f f ig h t e r p l a n e . I t i s c r i t i c a l in i m p r o v in g p e r f o r m a n c e o f u t i l i t y
8、 s y s t e m , r e l i e v e i n g w o r k l o a d o f p i l o t a n d g r o u n d s e r v i c e , a n d u p g r a d i n g s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y o f fl i g h t . I t i s t r e n d t o a d o p t d i s t r i b u t e d c o m p u t i n g , f a u l t - t o l e r a n t c o m p u t i n g
9、a n d r e a l - t i m e c o n t r o l t e c h n o l o g y i n U MS . T h e d i s s e rt a t i o n f o c u s e s o n t h e k e y t e c h n o l o g y o f V MS s p l a t f o r m , i n c l u d i n g d i s t r i b u t e d f a u lt - t o l e r a n t a r c h i t e c t u r e , t a s k a l l o c a t i o n s
10、t r a t e g y , t a s k s c h e d u l i n g a l g o r i t h m, t a s k s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m , a n d f a u l t r e c o v e r y a n d s y s t e m r e c o n f i g u r a t i o n a l g o r i t h m. A d i s t r i b u t e d f a u l t - t o l e r a n t c o m p u t e r s y s t e m
11、p r o t o t y p e o f U MS , a s w e l l a s i t s s y s t e m s o ft w a r e , i s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d . Ma in a c h i e v e me n t s a r e o b t a i n e d a s f o l l o w s : ( 1 ) U M S a r c h i t e c t u r e is s t u d i e d . A d i s t r i b u t e d f a u l t t o l e r
12、a n t c o m p u t e r s y s t e m u s e d f o r U M S is p r e s e n t e d , a n d i t s r e l i a b i l i ty m o d e i s a l s o p u t f o r w a r d . T h e t h o u g h t w a y o f V MS u s e d i n A T F i s a n a l y z e d a n d s t u d ie d s y s t e m i c a l l y . B a s e d o n t h e a r c h i
13、t e c t u r e o f E A P a n d F - 2 2 p l a n e a h i e r a r c h i c a l d i s t r i b u t e d f a u l t t o l e r a n t c o m p u t i n g a r c h i t e c t u r e o f U MS t h a t t a k e s i n t o a c c o u n t f u t u r e d e v e l o p m e n t o f i n t e g r a t e d a v i o n i c s o f o u r c o
14、 u n t ry i s p r o p o s e d . R e d u n d a n c y s c h e m e i s d i s c u s s e d . C o n s i d e r i n g t h e c h a r a c t e r o f t h e U MS , w e p r o p o s e d a n e w r e l i a b i l i t y - e v a l u a t i n g m o d e l w i t h s t a n d a r d o f t w o l e v e l s t h a t i s s y s t e
15、 m r e l i a b i li t y a n d f u n c t i o n r e l ia b i l it y . T h e m o d e l i s d i r e c t i v e t o in t e g r a t e u t i l i t y s u b s y s t e m i n t o U MS . ( 2 ) A d i s t r i b u t e d r e al - t i m e s c h e d u l i n g f r a m e w o r k i s g i v e n a n d t h e t a s k p a r t
16、 i t i o n s t r a t e g j a l l o c a t i o n a n d s c h e d u l i n g a lg o r i t h m o f U M S is p r e s e n t e d . B e c a u s e t h e o p t i m a l t a s k a l l o c a t i o n a n d s c h e d u l in g a l g o r it h m i s p r o v e n t o b e N P h a r d , t h e h e u r i s t i c m e t h o d i s u s u a l l y c o n s i d e r e d I I I 北京航空航天大学学位论文 i n d i s t r i b u t e d c o m p u t i n g e n v i r o n m e n t . A c c o r d i n g t o a p p l i c a t io n s c
