《星载交换设备可靠性关键技术研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《星载交换设备可靠性关键技术研究（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、I U l l I I I I H I I I ! ! Ib l I I I H I I I ! I l I I ! I I I J l l Y 15 2 3 7 6 2 分类号卫1 3 塑 U D C 工学硕士学位论文 学号 壁垒Q Q Q 8 3 密级公亚 星载交换设备可靠性关键技术研究 硕士生姓名袁建国 学科专业计算机科学与技术 研究方向计算机系统结构 指导教师吴纯青研究员 管剑波助理研究员 国防科学技术大学研究生院 二oo 八年十一月 国防科学技术大学研究牛院T 学硕士学位论文 摘要 星载交换设备与地面信息网络节点不同，它处于复杂的空间物理环境中，可 能受到恶劣的高能粒子干扰。卫星的成
2、本和发射费用很高，发射升空后对星上设 备进行更换或者重新配置的难度也较高，因此在设计之初就必须对其可靠性进行 高度关注。作为未来空问信息网络的关键组成部分，如何保证其在空问辐射环境 中的可靠性，是一个具有挑战性的课题。 在设备外加装屏蔽材料是一个比较自然的解决方法。冗余作为可靠性设计的 常规技术，在星载交换设备上同样适用。随着F P G A 在航天领域的广泛应用，芯 片自身的抗辐射性能也越来越好，但由于技术壁垒及成本等因素，在商业现货级 芯片中引入容错设计才是解决之道。 本文根据设备所处的环境及功能，提出了星载交换机的体系结构，并进行了 关键器件的选型，保证了系统的性能和可靠性；同时根据S O
3、 C 层次化设计方法， 提出了系统级、模块级、芯片级三个不同粒度的星载交换机抗单粒子翻转 ( S i n g l e E v e n tU p s e t s ，S E U ) 多级容错体系。系统级对主控模块和交换模块进行 双模块冗余，对容错模块实现三模冗余策略，提高了系统整体的可靠性；模块级 采用集成编码和T M R 两种模式且可以根据需要切换模式的设计，提高了S R A M 和 F L A S H 等存储器的抗S E U 能力；芯片级从容错状态机、I O 信号、配置逻辑等方 面入手来提高F P G A 的抗S E U 能力。 对配置逻辑进行全局性的T M R 设计可以提高F P G A 的
4、抗S E U 能力，但也耗 费大量的资源，显著增加能耗开销。本文根据星载交换机在轨运行时F P G A 单粒 子翻转的可预测性和F P G A 配置单元的分类，提出了基于翻转率预测的复合解决 方案M S B P R 。此方案既能保证系统的可靠性，又能动态调节F P G A 资源的利用， 从而节约了能耗。 在此基础一k ，作者参与实现了一款星载A T M 交换机原型系统，并对系统进行 了可靠度建模与分析，指出了系统各模块可靠度对整体可靠度产生的影响，揭示 了影响系统可靠度的关键部件，对今后系统的改进设计具有借鉴意义。 主题词：星载交换，可靠性，单粒子翻转，容错，现场可编程门阵列 第i 页 国防科
5、学技术大学研究生院T 学硕十学位论文 A B S T R A C T O n b o a r ds w i t c h i n g ( O B S ) e q u i p m e n t ， a i m st oc o p ew i t ht h eb a ds p a c ep h y s i c a l d i f f e r e n tf r o mt e r r e s t r i a ln e t w o r kn o d e s ， e n v i r o n m e n ta n ds e r i o u si n t e r f e r e n c eo f e n e r g
6、 e t i cc h a r g e d p a r t i c l e s S a t e l l i t em a n u f a c t u r i n ga n dl a u n c h i n gw o u l dc o s tm u c h ， a n df u r t h e r m o r e ，t h e d i f f i c u l t yo fr e p l a c e m e n to rr e c o n f i g u r a t i o no ft h eo n b o a r d d e v i c e sa f t e rl a u n c hi sa l
7、 s oh i g h T h u s ，r e l i a b i l i t yd e s i g no ft h eO B Se q u i p m e n tm u s tb e r e s e a r c h e da n da c h i e v e da tt h ee a r l ys t a g e A n y h o wO B Se q u i p m e n ti sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to ff u t u r es p a c e t e r r e s t r i a ln e t w o r ki n f r
8、a s t r u c t u r e ，b u th o wt og u a r a n t e e s y s t e m Sr e l i a b i l i t yt on o r m a lw o r ki ns p a c er a d i a t i o ne n v i r o n m e n ti s ac h a l l e n g i n g i s s u e U s i n gs h i e l d i n gm a t e r i a li San a t u r a ls o l u t i o nt om i t i g a t er a d i a t i o
9、 n R e d u n d a n c y ，a s t h ec o n v e n t i o n a lt e c h n i q u eo fr e l i a b i l i t yd e s i g n ，i sa p p l i c a b l et oo n b o a r dd e v i c e sa s w e l l W i t ht h eF P G A Sa p p l i c a t i o n si ns p a c e ，t h ec h i p Si m m u n i t yt oS i n g l e E v e n t U p s e t s ( S
10、 E U ) i ni t s e l fi sg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r H o w e v e r ，b e c a u s eo fs o m ef a c t o r s ， u s i n gc o m m e r c i a lo f f - t h e s h e l f ( C O T S ) i sm o r es e n s i b l e I nt h i st h e s i s ，a nO B Ss y s t e ma r c h i t e c t u r eh a sb e e nd e v e l o p
11、e d T h eu t i l i z a t i o no f f a u l t t o l e r a n tm o d u l ee n s u r e st h es y s t e m Sp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y M e a n w h i l e ， a c c o r d i n gt ot h eS O Cd e s i g nm e t h o d o l o g y ，am u l t i l e v e lf a u l t t o l e r a n tm e c h a n i s mh a s
12、 b e e nr e s e a r c h e d F i r s t ，a tt h es y s t e m l e v e l ，d u a l m o d u l er e d u n d a n c ys c h e m ei sa d o p t e d t ot h eC o n t r o lm o d u l ea n ds w i t c hm o d u l e ，w h i l et r i p l em o d u l er e d u n d a n c y ( T M R ) s t r a t e g y i s a d o p t e dt o t h e
13、f a u l t t o l e r a n tm o d u l e S e c o n d l y ，a tt h em o d u l e l e v e l ， H a m m i n gc o d i n ga n dT M Ra r ei n t e g r a t e dS O a st oe n h a n c et h ea n t i - S E Ua b i l i t yo f m e m o r ys u c ha sF L A S Ha n dS R A M T h i r d ，t om i t i g a t et h eF P G A SS E Ue f f
14、 e c t s ， f a u l t t o l e r a n ts t a t em a c h i n e s ，I Os i g n a l sa n dc o n f i g u r a t i o nb i t sh a v eb e e nt a k e ni n t o a c c o u n ta tt h ec h i p l e v e l F u l lm i t i g a t i o no fa nF P G Ad e s i g nu s i n gT M R ，h o w e v e r ，i sc o s t l yi nr e s o u r c e u
15、 t i l i z a t i o na n dc a u s i n gas i g n i f i c a n ti n c r e a s ei np o w e rc o n s u m p t i o n Aw i s ec h o i c ei s t h eM S B P Rs c h e m ea sm e n t i o n e di nt h i st h e s i s T h i ss c h e m ei sb a s e do nt h ep r e d i c t i o n o fS E Ur a t e sa n da p p l i e sT M Ra t
16、d i f f e r e n tl e v e l s W h e nt h er a t ei n c r e a s e s ，t h ec r i t i c a l c o n f i g u r a t i o nb i t sm u s tb em i t i g a t e da tf i r s t O nt h eb a s i so ft h ea b o v e ，t h ea u t h o rp a r t i c i p a t e di nt h ed e s i g no fa no n b o a r d A T Ms w i t c h M o d e l i n ga n da n a l y s i sh a v eb e e nd o n et ot h es y s t e m Sr e l i a b i l i t y I t s h o u l db eh e l p f u lt ot h ef u t u r e S
