目前,美国和俄罗斯已经在星上应用了并行处理计算机。
由于星载计算机处于比较恶劣的外部环境,可能会受到宇宙射线粒子和放射性原子衰变的干扰,出于器件高可靠性的考虑,在当今国际航空领域,普遍采用高性能抗辐照的微处理器芯片。
例如,Lockheed的具有较高性能的PowerPc结构的微处理器RAD750、欧空局广泛使用的基于sPARcV7结构的Tsc695系列处理器、基于sPARcv8结构的LEON2的多处理器系统、GeneralDyIlamicsA“ancedInfoⅡnationSystem公司的Inte2ratedSpacecrafIComputer(ISc)系列采用的PowerPc603E处理器等。
以往在确保集成电路可靠性方面依靠的主要技术手段是失效检测,上世纪末出现了能够在模拟电路功能的同时对电路可靠性进行模拟的技术,例如集成电路模拟器BEI盯。
这类集成电路可靠性模拟技术可以对由于热电子效应、MOs氧化层击穿、电迁移、静电释放、CMOS栓锁效应以及辐照效应等引起的器件可靠性问题进行模拟。
在星载计算机软件可靠性方面,美国航空航天局(NASA)和联邦航空局(FAA)对航空航天软件的可靠性给予了极大的关注,美国和欧洲发布了著名的soft、varcConsiderationsinAirbomeSystemsaIldEquipmemcertification成为航空航天系统中软件的事实标准。
2003年著名的NAsA喷气推进实验室成立了可靠软件实验室,并成为其空间任务信息和软件系统中心的一部分。
§1.5课题成果与文章组织结构本课题主要研究星载并行计算机系统研制过程中采用的可靠性技术,重点对系统的核心模块进行了可靠性研究与设计。
建立了星载并行计算机系统的可靠性模型,并对整个系统的可用性进行了分析与计算。
本文是对课题研究的总结与升华,全文共分为六章。
第一章,概要介绍本课题的基本情况。
第二章,分析星载计算机体系结构设计需要考虑的诸多因素,探讨星载并行计算机体系结构设计。
第三章,从器件、微体系结构、体系结构等多个角度讨论星载计算机的可靠性技术。
第四章,介绍星载并行计算机可靠性关键技术的设计实现。
第五章,研究星载并行计算机可靠性模型并对该系统的可用性和性能作了分析。
第六章,总结并对星载计算机系统的可靠性设计作进一步展望。
第4页里堕型兰茎查奎堂堑茎兰堕堂垡笙塞第二章星载并行计算机体系结构设计星载计算机工作于外太空,空间环境与地面环境有很大的不同,其工作环境决定了星载计算机在体系结构设计上具有与地面计算机系统不同的诸多特点。
首先是可靠性。
计算机系统可靠性按生命周期分为固有可靠性和使用可靠性。
固有可靠性在计算机系统设计与制造过程中确定,根据星载计算机系统的苛刻工作环境,在设计时需要为其设定远远高于地面应用的可靠性指标。
使用可靠性既受设计制造的影响,又受使用条件的影响,星载计算机的使用环境恶劣,其使用可靠性远低于固有可靠性。
因此在设计初期就要从体系结构上提高星载计算机的固有可靠性,在设计过程中需要从系统、部件、逻辑设计、电路板、器件等多个角度考虑提高其固有可靠性。
其次是抗辐照性。
空间辐射环境中的高能质子、中子、a粒子、重离子等都能导致星载计算机系统中的半导体器件发生单粒子效应和总辐照剂量效应,严重影响其可靠性和寿命。
因而星载计算机设计必须考虑其抗辐照特性。
再次是低功耗性。
由于真空中散热困难,星载计算机技术的发展使得系统实现日趋复杂,系统功耗也日趋增大,而散热问题解决不好会影响系统运行的可靠性,甚至导致计算机掉电无法正常工作。
此外,星载计算机的运行依靠卫星太阳能蓄电池中的能源,太阳能电池板蓄电时间有限,因而系统的低功耗设计变得十分重要。
降低功耗不但可以提高星载计算机系统的可靠性,而且可以减少电能缺失。
因此,星载计算机体系结构设计必须考虑其低功耗特性。
§2.1星载并行计算机体系结构研究本节针对上面所述星载计算机的特点探讨其体系结构设计。
由于采用并行体系结构是当今星载高性能计算机所采用的主要方式,因而本节主要对星载并行计算机体系结构进行研究。
现有的并行计算机系统从宏观上可以分为SIMD和MIMD两大类。
其中向量体系结构是SIMD并行处理结构的重要形式。
MIMD并行处理结构包括集中式的对称多处理机(SMP)、分布式共享存储多处理机(DSM)、基于分布存储的大规模并行处理系统(MPP)和机群系统(cluster)等几类【41。
根据多处理机之间传递数据方式的不同,又可将上面的多处理机系统分成两类不同的结构。
一类通过共享的地址空间进行通讯,即所谓的共享存储器结构,根据存储器的组织方式可以将其分成均匀存储器存取(UMA)、非均匀存储器存取(NCC.NUMA或CC-NUMA)以及只用高速缓存的存储器结构(COMA)。
另一类由多个私有的地址空间组成,这些私有地址空间在逻辑上是分散的,并且不能被远程处理器寻址,如多计算机系统(multicompucer)国防科学技术大学研究生院学位论文和机群系统,这类机器一般利用显式的消息传递机制来传送数据。
采用并行体系结构实现星载计算机一方面是为了提高计算能力,另一方面要根据其自身应用的特点,研究并行结构对提高其可靠性的作用。
随着星载计算机技术的发展,星载计算机所承担的任务变得更加复杂,与以往对数据的单一处理不同的是,现代星载计算机的计算任务变得更加多样化,因而星载计算机采用SIMD结构不合适。
共享存储器结构(SMP或DSM)具有以下一些优点〔5】:1.对称性,任何一个处理器可访问任何存储单元和任何∞设备;2.单一地址空间,自然支持单一系统映像,因为它只有一份操作系统的拷贝驻留在共享内存中,由单一的操作系统根据多处理机当中各处理器的工作负载进行进程调度,易于达到动态负载平衡和有效的资源利用;3.高速缓存层次结构支持数据局部性;4.一致性,高速缓存的一致性由硬件实施,但不同的sMP或DsM机器可支持不同的共享存储器模型;5.存储器通信,由于处理器间的通信用简单的读/写指令来完成,因此共享存储器通信是低延迟的,与多处理机中的I,o通信相反,I/O通信需要执行许多指令,且不能利用高速缓存的一致性信息。
大多数sMP系统采用总线互连,通过类似于MEsI的监听协议实现高速缓存一致性【6】。
星载并行计算机体系结构设计在借鉴SMP结构时,需要考虑三个主要问题:一是其可用性,因为总线、存储器或是操作系统的任何失效都可能导致系统的崩溃,这在要求高可靠性的星上应用中是不允许的;二是所有的处理器和I/0控制器争用存储器总线和共享存储器造成的瓶颈问题;三是其总线结构限制了可扩展性。
由于在星载计算机的计算任务中,大部分的数据存取属于本地访问,因此仅仅采用单纯的sMP结构不合适。
DsM机器是SMP系统的扩展,大多数DSM多处理机系统采用基于目录的高速缓存一致性协议,既保持了sMP结构的优点,又缓解了传统SMP系统扩展性差的问题。
其逻辑上的共享存储器在物理上分布于所有处理机的本地存储器上,各处理机上所有存储单元的集合组成了全局地址空间,访存时间随存储单元的位置不同而变化,访问本地存储器速度较快,访问远程存储器相对较慢。
由于应用程序可充分利用数据的局部性,在大部分时间内能同时访问多个局部存储器,从而缓解了争用和带宽问题。
这种结构虽然实现了全局存储器共享,但复杂度较高。
对于c0MA结构,它是一种只用高速缓存的多
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