容错飞控计算机架构设计与虚拟化验证平台构建

摘要

飞控计算机是飞机的核心部件，本论文提出了一个高可靠性飞控计算机架构设计方案，并搭建了能在设计初期对架构设计方案进行验证分析的虚拟化验证平台。该平台能在飞控计算机样机制作之前对系统功能以及可靠性进行验证分析。 首先，本论文根据现有飞控计算机架构的特点，以高可靠性为要求通过数学建模和理论推导的方式确定了飞控计算机余度数目，完成了系统余度管理方式、交叉数据传输方式以及同步方式的设计。 然后，使用全系统仿真模拟器根据系统的架构设计方案完成飞控计算机系统虚拟化模型的搭建。在仿真建模时使用模拟器所提供的加速器功能，以并行，多线程的方式来提高飞控计算机系统模型的实时性，确保全系统仿真模型与真实物理系统具有一致的运行速率。 其次，在飞控计算机虚拟化模型的基础上，根据各个功能单元模块的特点整理系统故障的方式，完成系统故障注入功能模块的添加。使用QT软件完成了故障注入可靠性分析软件的编写，以网络方式实现飞控计算机虚拟化模型和故障注入可靠性分析软件之间的通信连接。 最后，基于飞控计算机虚拟化模型以及故障注入可靠性分析软件完成了虚拟化验证平台的搭建。验证平台完成了对系统所有功能的验证，并且以故障注入的方式完成了对系统可靠性以及各个功能模块重要度的分析。从定性与定量两方面得到了系统的可靠性描述。 虚拟化验证平台为飞控计算机架构设计过程中系统的可靠性分析提供了一种崭新的方法。该平台不仅实现了对设计中系统的可靠性进行分析而且实现了对设计方案的反馈，避免了传统开发过程中由设计错误所带来的严重代价，为研究人员的开发过程提供了一种有效的工具。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 容错飞控计算机架构国内外发展现状

1.2.2 容错飞控计算机可靠性验证评估技术国内外研究现状

1.2.3 全系统仿真国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容与结构

第二章 容错技术与全系统仿真技术概述

2.1.1 容错技术分类

2.1.2 容错系统设计

2.2 全系统仿真技术概述

2.2.1 全系统仿真器SIMICS的介绍

2.2.2 Event机制分析

2.2.3 Simics存储器技术

2.2.4 Simics通信技术

2.3 本章小结

第三章 容错飞控计算机架构设计

3.1 余度数目选择

3.1.1 二余度飞控计算机架构

3.1.2 三余度飞控计算机架构

3.1.3 四余度飞控计算机架构

3.1.4 余度数选择

3.2 自监控对数目选择

3.3 飞控计算机硬件系统结构

3.4 余度管理设计

3.5 交叉数据传输方式

3.6 同步方式设计

3.7 本章小结

第四章 容错飞控计算机验证平台的设计与实现

4.1 飞控计算机验证平台总体方案

4.1.1 三余度自监控对飞控计算机虚拟化建模方案

4.1.2 故障注入可靠性分析软件设计方案

4.2.1 CPU核模型搭建

4.2.2 存储器模块的建模

4.2.3 1394总线建模

4.2.4 模拟量/离散量输入输出模型搭建

4.2.5 同步逻辑建模

4.2.6 看门狗建模

4.2.7 定时器建模

4.2.8 通信控制模块搭建

4.2.9 故障注入逻辑

4.3.1 故障注入可靠性分析软件整体结构

4.3.2 界面设计

4.3.3 通信模块设计

4.3.4 故障注入逻辑设计

4.3.5 可靠性分析模块设计

4.4 本章小结

第五章 基于验证平台的容错飞行控制计算机验证分析

5.1 系统整体虚拟化验证平台

5.2 系统各模块功能验证

5.2.1 CPU核模型的功能测试与验证

5.2.2 存储器模型功能测试与验证

5.2.3 模拟量模型功能测试与验证

5.2.4 离散量模型功能测试与验证

5.2.5 看门狗模型功能测试与验证

5.2.6 通道间同步模型测试与验证

5.2.7 定时器功能测试与验证

5.2.8 1394总线模型测试与验证

5.2.9 寄存器故障注入功能测试与验证

5.2.10 FLASH和RAM故障注入功能测试与验证

5.3 系统验证分析

5.3.1 基于覆盖率的可靠性评测

5.3.2 基于重要度的硬件评测

5.3.3 基于故障树的系统功能验证

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献